第十二章 芳环的反应一、芳环的亲电取代反应及机制二、取代基对芳环亲电取代反应的影响三、多环芳烃的亲电取代反应四、芳环亲核取代反应五、芳环取代基的反应六、含杂原子芳环的反应一、芳环的亲电取代反应及机制
Mechanism:
---- Step 1,类似烯烃，亲电试剂进攻苯环的 pi-键，形成碳正离子
---- Step 2,这一步与烯烃不同，不是发生亲核试剂对苯环进行加成，而是脱去一个质子，回复到稳定的芳香性苯环结构，结果是取代反应。
一、芳环的亲电取代反应及机制
Step 1:
Step 2:
H
E
H
E
H
E
E ++
E
H E- H + N u
-
E
Nu
+
E
Nu
slow
fast
一、芳环的亲电取代反应及机制
Reaction coordinate diagrams:
一、芳环的亲电取代反应及机制
The five most common electrophilic
aromatic substitution reactions are
the following:
1,Halogenation 卤代
2,Nitration 硝化
3,Sulfonation 磺化
4,Friedel-Crafts acylation 烷基化
5,Friedel-Crafts alkylation 酰基化一、芳环的亲电取代反应及机制以上几种亲电取代反应仅亲电试剂不同：
Cl-Cl+- -AlCl3,Br-Br+ - -FeBr3,I+
+NO2,SO3,
R+,or R-Cl+ - -AlCl3,RC+=O
一、芳环的亲电取代反应及机制
Activated Electrophiles （亲电试剂的活化）
—— Cation formation by reaction of an
elcerophile with an aromatic ring is
accompanied by the loss of aromatic
stabilization,正离子的形成伴随着芳香性的丧失
—— Therefore,the electrophile that can effect
aromatic subsitution of benzene must be more
reactive than those addition to alkenes,因此，
与苯环反应的亲电试剂需要更高的反应活性一、芳环的亲电取代反应及机制
1,Halogenation ( Cl-,Br- )
:B can be -AlCl4,
or -Cl
C l - C l + A l C l 3 C l - C l + - - A l C l 3
Cl
f a s t,B
+ HB
Cl
H
+ s l o wC l - Cl + - - A l C l 3 + C l - Al Cl 3
一、芳环的亲电取代反应及机制
2,Halogenation ( I- )
3,Nitration
I 2 ox i d iz i n g ag e n t 2 I + + 2 e -
一、芳环的亲电取代反应及机制
4,Sulfonation ---- reversible reaction
一、芳环的亲电取代反应及机制
5,Friedel-Crafts Acylation and Alkylation
Rearrangement may occur in alkylation
一、芳环的亲电取代反应及机制思考题：如何从苯合成正丁基苯？
二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
A study of the chemistry of aromatic
compounds leads to deeper
understanding of the effects of
electronic and steric factors on
reactivity,which will be of benefit in
the further study of chemistry and
biochemistry,
二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
1,Experimental Facts:
CH
3
H N O
3
CH
3
NO
2
CH
3
NO
2
p a r a -o r t h o -
F a s t e r t h a n
n i t r a t i o n o f b e z e n e
Br
H N O
3
Br
NO
2
Br
NO
2
p a r a -o r t h o -
S l o w e r t h a n
n i t r a t i o n o f b e z e n e
NO
2
H N O
3
NO
2
S l o w e r t h a n
n i t r a t i o n o f b e z e n e
NO
2
m e t a -
二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
Two possible effects on the rate:
—— activating substituents 活化取代基
—— deactivating substituents 钝化取代基
Two possible effects on the orientation:
—— ortho and para ( both activating and
deactivting substituents) 邻对位定位（可以是活化取代基，也可以是钝化取代基）
—— meta ( only deactivating substituents )
间位定位（只是钝化取代基）
二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
2,Weakly Activating Substituents:
—— Alkyl Groups
H
E
H
E
H
E
CH
3
CH
3 CH
3
p a r t i c u l a r l y
s t a b l e
CH
3
CH
3
CH
3
E HE H E H
p a r t i c u l a r l y
s t a b l e
CH
3
CH
3
CH
3
E
H
E
H
E
H
o r t h o -
p a r a -
m e t a -
二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
3,Strongly Activating Heteratom
Substituents—— OH,OR； NH2,NHR,NR2
二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
4,Moderately Activating Heteroatom
Substituents —— OCOR,NHCOR
当氧或氮与羰基相连时，氧或氮上的孤对电子也与羰基共轭，因此与苯环的共轭作用减弱了二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
5,Weakly Deactivating Substituents:
—— Halogens；既具有吸电子的诱导效应，又具有给电子的共轭效应，从反应速率比苯低可以得知吸电子作用更强；但正因为具有给电子的共轭作用，
使得它成为邻、对位定位基二、取代基对芳环亲电取代反应的影响分析氯苯的结构：
吸电子诱导效应大于给电子共轭效应，
因此，总体上使苯环的电子云密度降低；
但是由于有共轭效应的存在，使得苯环上取代基的邻对位的电子云密度降低得较少，所以取代发生在邻对位。
二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
6,Moderately and Strongly
Deactivating Substituents
—— meta directors 间位定位基
-CONH2,-COOR,-COR,-CHO,-SO3H,
-+NR3,-NO2,-CF3,-CN
i n c r e a s i n g d e a c t i v a t i n g
二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
H
E
H
E
H
E
NO
2
NO
2 NO
2
NO
2NO
2
NO
2
E HE
H E H
NO
2
NO
2
NO
2
E
H
E
H
E
H
o r t h o -
p a r a -
m e t a -
l e s s s t a b l e
l e s s s t a b l e
二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
7,Multiple Substituents
---- When more than one group is
attached to a benzene ring,the effect
of the stronger activator ( or weaker
deactivator ) prevails,
8,Using Substituent Effects in
Synthesis
（自己通过练习，进行小结）
二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
O C H
3
Br
H N O
3
H
2
SO
4
O C H
3
C O O C H
3
Br
2
F e B r
3
N H C O C H
3
Br
Br
CH
3
C O C l
A l C l
3
O C H 3
Br
O C H 3
Br
+
O 2 N
NO 2O C H 3
C O O C H3
Br
N H C O C H 3
Br
Br
H 3 C O C
三、多环芳烃的亲电取代反应
For Naphthalene ---- the electrophile attack
at the α- position
Why? Please think it out by yourself,
(suggestion,for both α-attack and β-
attack,five resonance contributors can be
drawn in which the positive charge is
delocalized throughout the fused rings,)
四、芳环亲核取代反应通常苯是不会发生亲核反应的因为当亲核负离子接近时,pi-电子云会对它产生排斥，此外，氢负离子是一个碱性非常强的碱，难以离去。
H
+,N u
四、芳环亲核取代反应
1,SNAr Reaction（芳环亲核取代反应）
然而，当苯环上具有一个或多个强的吸电子基团，并且具有一个较好的离去基团（如卤素）时，亲核取代反应就可以在不太激烈的条件下发生四、芳环亲核取代反应
Cl
NO
2
O
2
N
Cl
NO
2
NO
2
Cl
NO
2
NO
2
1,H O
-
( p H 1 4 ),1 6 0
0
C
2,H
+
H O
-
( p H 1 0 ),1 0 0
0
C
H O
-
( p H 7 ),4 0
0
C
OH
NO
2
O
2
N
OH
NO
2
NO
2
OH
NO
2
NO
2
+ H C l
+ C l
-
+ C l
-
四、芳环亲核取代反应
2,Benzyne（苯炔的形成与反应）
芳基卤可以在特别强的碱（ -NH2）作用下脱去卤化氢生成苯炔四、芳环亲核取代反应思考题：
Cl
CF
3
Cl
O C H
3
K N H
2
,N H
3
( l i q )
K N H
2
,N H
3
( l i q )
四、芳环亲核取代反应思考题的答案：
C l
C F
3
C l
O C H
3
K N H
2
,N H
3
( l i q )
K N H
2
,N H
3
( l i q )
N H
2
C F
3
O C H
3
N H
2
四、芳环亲核取代反应当 Y具有给电子诱导效应（ +I）时,B稳定；
当 Y具有吸电子诱导效应（ -I）时,A稳定；
共轭效应对氨基负离子的进入影响很小，因为含电子对的 sp2轨道与芳环的 pi-轨道并不重叠
C l
N H
2
N H
2
N H
2
N H
2
-
N H 2
E 1 c B
:
:
Y Y
Y Y
Y Y( A )
( B )
四、芳环亲核取代反应
—— Benzyne can take place Diels-Alder
reaction with dienes
B e n z y n e
O+ O
五、芳环取代基的反应
1、光照或加热条件下 α –卤代反应
2、芳环侧链的氧化反应
3、芳胺经过重氮盐的反应
C H
h v,o r
X 2 C X X = B r,C l
C H K M n O 4 C O O H C C H 3
C H 3
C H 3
K M n O 4
H O O C C C H 3
C H 3
C H 3
五、芳环取代基的反应脂肪族胺也能发生重氮化（ Diazotization )
反应，但是所生成的重氮盐不稳定，很快分解，因此难以用于合成，但可用于氮含量分析 ——凯氏定氮法芳香重氮盐在合成上用途广泛
N O 2 [ H ] N H 2 H N O 2 ( N a N O 2,H C l )
0 ~ 5 0 C
N 2 + C l -
五、芳环取代基的反应
3A,Synthesis of Substituted Benzenes
Using Arenediazonium Salts
N
2
+
C l
- C l
B r
C N
I
H
2
P O
2
O H
F
C u C l
C
u
B
r
C
u
C
N
K I
H 2
O
H
B
F
4
五、芳环取代基的反应
Examples:
如何实现下列合成？
B r
B r
1,
N O 2
H N O 3 / H 2 S O 4
N O 2
B r 2
F e B r 3 B r
1,F e,H C l
2,N a N O 2,H C l
3,C u B r
五、芳环取代基的反应
Examples:
如何实现下列合成？
B r
B r
B r?
2,
H N O 3 / H 2 S O 4
NO2
F e + H C l
N H 2
B r
B r
B r
N H 2
B r 2
1,N a N O 2,H C l
2,H 2 P O 2
五、芳环取代基的反应
3B,The Arenediazonium Ion as an
electrophile (偶联反应）
通常发生在羟基或氨基的对位，如果对位有基团占据，则发生在邻位
H O +
N 2
+
C l
-
B r
H O N = N
B r
H O +
N 2
+
C l
-
B r
O H
N = N
B r
C H 3
C H 3
五、芳环取代基的反应思考题：
1、为什么重氮盐与酚的反应在弱碱性条件下进行，而与胺的反应则在弱酸性条件下进行？
2、胺与亚硝酸反应的机理如何？
六、含杂原子芳环的亲电、亲核反应待补充
Mechanism:
---- Step 1,类似烯烃，亲电试剂进攻苯环的 pi-键，形成碳正离子
---- Step 2,这一步与烯烃不同，不是发生亲核试剂对苯环进行加成，而是脱去一个质子，回复到稳定的芳香性苯环结构，结果是取代反应。
一、芳环的亲电取代反应及机制
Step 1:
Step 2:
H
E
H
E
H
E
E ++
E
H E- H + N u
-
E
Nu
+
E
Nu
slow
fast
一、芳环的亲电取代反应及机制
Reaction coordinate diagrams:
一、芳环的亲电取代反应及机制
The five most common electrophilic
aromatic substitution reactions are
the following:
1,Halogenation 卤代
2,Nitration 硝化
3,Sulfonation 磺化
4,Friedel-Crafts acylation 烷基化
5,Friedel-Crafts alkylation 酰基化一、芳环的亲电取代反应及机制以上几种亲电取代反应仅亲电试剂不同：
Cl-Cl+- -AlCl3,Br-Br+ - -FeBr3,I+
+NO2,SO3,
R+,or R-Cl+ - -AlCl3,RC+=O
一、芳环的亲电取代反应及机制
Activated Electrophiles （亲电试剂的活化）
—— Cation formation by reaction of an
elcerophile with an aromatic ring is
accompanied by the loss of aromatic
stabilization,正离子的形成伴随着芳香性的丧失
—— Therefore,the electrophile that can effect
aromatic subsitution of benzene must be more
reactive than those addition to alkenes,因此，
与苯环反应的亲电试剂需要更高的反应活性一、芳环的亲电取代反应及机制
1,Halogenation ( Cl-,Br- )
:B can be -AlCl4,
or -Cl
C l - C l + A l C l 3 C l - C l + - - A l C l 3
Cl
f a s t,B
+ HB
Cl
H
+ s l o wC l - Cl + - - A l C l 3 + C l - Al Cl 3
一、芳环的亲电取代反应及机制
2,Halogenation ( I- )
3,Nitration
I 2 ox i d iz i n g ag e n t 2 I + + 2 e -
一、芳环的亲电取代反应及机制
4,Sulfonation ---- reversible reaction
一、芳环的亲电取代反应及机制
5,Friedel-Crafts Acylation and Alkylation
Rearrangement may occur in alkylation
一、芳环的亲电取代反应及机制思考题：如何从苯合成正丁基苯？
二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
A study of the chemistry of aromatic
compounds leads to deeper
understanding of the effects of
electronic and steric factors on
reactivity,which will be of benefit in
the further study of chemistry and
biochemistry,
二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
1,Experimental Facts:
CH
3
H N O
3
CH
3
NO
2
CH
3
NO
2
p a r a -o r t h o -
F a s t e r t h a n
n i t r a t i o n o f b e z e n e
Br
H N O
3
Br
NO
2
Br
NO
2
p a r a -o r t h o -
S l o w e r t h a n
n i t r a t i o n o f b e z e n e
NO
2
H N O
3
NO
2
S l o w e r t h a n
n i t r a t i o n o f b e z e n e
NO
2
m e t a -
二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
Two possible effects on the rate:
—— activating substituents 活化取代基
—— deactivating substituents 钝化取代基
Two possible effects on the orientation:
—— ortho and para ( both activating and
deactivting substituents) 邻对位定位（可以是活化取代基，也可以是钝化取代基）
—— meta ( only deactivating substituents )
间位定位（只是钝化取代基）
二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
2,Weakly Activating Substituents:
—— Alkyl Groups
H
E
H
E
H
E
CH
3
CH
3 CH
3
p a r t i c u l a r l y
s t a b l e
CH
3
CH
3
CH
3
E HE H E H
p a r t i c u l a r l y
s t a b l e
CH
3
CH
3
CH
3
E
H
E
H
E
H
o r t h o -
p a r a -
m e t a -
二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
3,Strongly Activating Heteratom
Substituents—— OH,OR； NH2,NHR,NR2
二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
4,Moderately Activating Heteroatom
Substituents —— OCOR,NHCOR
当氧或氮与羰基相连时，氧或氮上的孤对电子也与羰基共轭，因此与苯环的共轭作用减弱了二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
5,Weakly Deactivating Substituents:
—— Halogens；既具有吸电子的诱导效应，又具有给电子的共轭效应，从反应速率比苯低可以得知吸电子作用更强；但正因为具有给电子的共轭作用，
使得它成为邻、对位定位基二、取代基对芳环亲电取代反应的影响分析氯苯的结构：
吸电子诱导效应大于给电子共轭效应，
因此，总体上使苯环的电子云密度降低；
但是由于有共轭效应的存在，使得苯环上取代基的邻对位的电子云密度降低得较少，所以取代发生在邻对位。
二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
6,Moderately and Strongly
Deactivating Substituents
—— meta directors 间位定位基
-CONH2,-COOR,-COR,-CHO,-SO3H,
-+NR3,-NO2,-CF3,-CN
i n c r e a s i n g d e a c t i v a t i n g
二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
H
E
H
E
H
E
NO
2
NO
2 NO
2
NO
2NO
2
NO
2
E HE
H E H
NO
2
NO
2
NO
2
E
H
E
H
E
H
o r t h o -
p a r a -
m e t a -
l e s s s t a b l e
l e s s s t a b l e
二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
7,Multiple Substituents
---- When more than one group is
attached to a benzene ring,the effect
of the stronger activator ( or weaker
deactivator ) prevails,
8,Using Substituent Effects in
Synthesis
（自己通过练习，进行小结）
二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
O C H
3
Br
H N O
3
H
2
SO
4
O C H
3
C O O C H
3
Br
2
F e B r
3
N H C O C H
3
Br
Br
CH
3
C O C l
A l C l
3
O C H 3
Br
O C H 3
Br
+
O 2 N
NO 2O C H 3
C O O C H3
Br
N H C O C H 3
Br
Br
H 3 C O C
三、多环芳烃的亲电取代反应
For Naphthalene ---- the electrophile attack
at the α- position
Why? Please think it out by yourself,
(suggestion,for both α-attack and β-
attack,five resonance contributors can be
drawn in which the positive charge is
delocalized throughout the fused rings,)
四、芳环亲核取代反应通常苯是不会发生亲核反应的因为当亲核负离子接近时,pi-电子云会对它产生排斥，此外，氢负离子是一个碱性非常强的碱，难以离去。
H
+,N u
四、芳环亲核取代反应
1,SNAr Reaction（芳环亲核取代反应）
然而，当苯环上具有一个或多个强的吸电子基团，并且具有一个较好的离去基团（如卤素）时，亲核取代反应就可以在不太激烈的条件下发生四、芳环亲核取代反应
Cl
NO
2
O
2
N
Cl
NO
2
NO
2
Cl
NO
2
NO
2
1,H O
-
( p H 1 4 ),1 6 0
0
C
2,H
+
H O
-
( p H 1 0 ),1 0 0
0
C
H O
-
( p H 7 ),4 0
0
C
OH
NO
2
O
2
N
OH
NO
2
NO
2
OH
NO
2
NO
2
+ H C l
+ C l
-
+ C l
-
四、芳环亲核取代反应
2,Benzyne（苯炔的形成与反应）
芳基卤可以在特别强的碱（ -NH2）作用下脱去卤化氢生成苯炔四、芳环亲核取代反应思考题：
Cl
CF
3
Cl
O C H
3
K N H
2
,N H
3
( l i q )
K N H
2
,N H
3
( l i q )
四、芳环亲核取代反应思考题的答案：
C l
C F
3
C l
O C H
3
K N H
2
,N H
3
( l i q )
K N H
2
,N H
3
( l i q )
N H
2
C F
3
O C H
3
N H
2
四、芳环亲核取代反应当 Y具有给电子诱导效应（ +I）时,B稳定；
当 Y具有吸电子诱导效应（ -I）时,A稳定；
共轭效应对氨基负离子的进入影响很小，因为含电子对的 sp2轨道与芳环的 pi-轨道并不重叠
C l
N H
2
N H
2
N H
2
N H
2
-
N H 2
E 1 c B
:
:
Y Y
Y Y
Y Y( A )
( B )
四、芳环亲核取代反应
—— Benzyne can take place Diels-Alder
reaction with dienes
B e n z y n e
O+ O
五、芳环取代基的反应
1、光照或加热条件下 α –卤代反应
2、芳环侧链的氧化反应
3、芳胺经过重氮盐的反应
C H
h v,o r
X 2 C X X = B r,C l
C H K M n O 4 C O O H C C H 3
C H 3
C H 3
K M n O 4
H O O C C C H 3
C H 3
C H 3
五、芳环取代基的反应脂肪族胺也能发生重氮化（ Diazotization )
反应，但是所生成的重氮盐不稳定，很快分解，因此难以用于合成，但可用于氮含量分析 ——凯氏定氮法芳香重氮盐在合成上用途广泛
N O 2 [ H ] N H 2 H N O 2 ( N a N O 2,H C l )
0 ~ 5 0 C
N 2 + C l -
五、芳环取代基的反应
3A,Synthesis of Substituted Benzenes
Using Arenediazonium Salts
N
2
+
C l
- C l
B r
C N
I
H
2
P O
2
O H
F
C u C l
C
u
B
r
C
u
C
N
K I
H 2
O
H
B
F
4
五、芳环取代基的反应
Examples:
如何实现下列合成？
B r
B r
1,
N O 2
H N O 3 / H 2 S O 4
N O 2
B r 2
F e B r 3 B r
1,F e,H C l
2,N a N O 2,H C l
3,C u B r
五、芳环取代基的反应
Examples:
如何实现下列合成？
B r
B r
B r?
2,
H N O 3 / H 2 S O 4
NO2
F e + H C l
N H 2
B r
B r
B r
N H 2
B r 2
1,N a N O 2,H C l
2,H 2 P O 2
五、芳环取代基的反应
3B,The Arenediazonium Ion as an
electrophile (偶联反应）
通常发生在羟基或氨基的对位，如果对位有基团占据，则发生在邻位
H O +
N 2
+
C l
-
B r
H O N = N
B r
H O +
N 2
+
C l
-
B r
O H
N = N
B r
C H 3
C H 3
五、芳环取代基的反应思考题：
1、为什么重氮盐与酚的反应在弱碱性条件下进行，而与胺的反应则在弱酸性条件下进行？
2、胺与亚硝酸反应的机理如何？
六、含杂原子芳环的亲电、亲核反应待补充
