第六章 芳环上的取代反应 ( )
一,亲电取代反应 ( )
1,反应机理芳正离子的生成加成－消除机理
2,反应的定向与反应活性 ( )
a,反应活性与定位效应
b,动力学控制与热力学控制 ( )
c,邻、对位定向比 ( )
亲电试剂活性空间效应。
极化效应溶剂效应螯合效应原位取代 (Ipso attack) ( )
3,取代效应的定量关系
a,分速度因数与选择性 ( )
b,Hammett 方程 ( )
二,芳环上亲核取代反应 ( )
1,加成－消除机理
2,SN1机理 ( )
3,消除－加成机理 （苯炔机理） ( )
三,芳环上的取代反应及其应用
1,Friedel - Crafts 反应
2,Rosenmund - Braun 反应
C C
CC
CC
H H
HH
H H
C C
CC
CC
H H
HH
H H
芳环上离域的 π电子的作用，易于发生亲电取代反应，只有当芳环上引入了强吸电子基团，才能发生亲核取代反应。
一,亲电取代反应
（一） 加成－消除机理
2 H 2 S O 4 H N O 3 H 3 O + H S O 4 - N O 2 +2
N O 2 +
N O 2
H
H N O 3 H 2 S O 4
N O 2
H E E
E + N u -
σ－ 络合物芳正离子芳正离子生成的一步是决定反应速率的一步卤代反应：
B r 2 + F e B r 3 B r B r F e B r 3δ δ
溴分子在 FeBr3的作用下发生极化
R B r B r F e B r
B r
H + F e B r 3B r + R
B r
HR R
B r
+ H
生成芳正离子脱去质子实验已经证实芳正离子的存在,C H
3
C H 3H 3 C
C 2 H 5 F / B F 3
- 8 0 ℃
C H 3
C H 3
H 3 C
H C 2 H 5
B F 4 -
m,p,-15℃
（二） 亲电取代反应的特性与相对活性反应活性：
致活效应,取代基的影响使芳环的反应活性提高；
致钝效应,取代基的影响使芳环的反应活性降低。
Y 第一类定位基：
N ( C H 3 ) 2,N H 2,O H,O C H 3,N H C O C H 3,
O C O C H 3,C l,B r,I,C H 2 C O O C H 3C H 3,
卤素对芳环有致钝作用第一类取代基 （除卤素外）具有 +I,或是＋ C效应，
其作用是增大芳环的电子云密度。
第二类定位基：
N O 2 C N S O 3 H C H O C O C H 3
C O O H C O O R C O N H 2 N H 3
+
N ( C H 3 ) 3
+
具有－ I或－ C效应 使芳环上的电子云密度降低。
定位效应 (Orientation)：
芳环上取代基对于 E+进入芳环位置的影响。
第一类定位基－邻对位定位基第二类定位基－间位定位基
C H C H 2
+ E
邻 对 位
C H C H 2
H
E
C H C H 2
H
E
C H C H 2
H
E
C H C H 2
H
E
间 位
C H C H 2
H
E
C H C H 2
H
E
C H C H 2
H
E
共振式越多，
正电荷分散程度越大，芳正离子越稳定。
动力学控制与热力学控制
+ H
2
S O
4
8 0
℃
1 6 5
℃
S O
3
HH
S O
3
H
H
1 6 5
℃
α位取代－动力学控制产物；
β位取代－热力学控制产物。
邻位和对位定向比：
C H 3
H N O 3 H 2 S O 4
N O 2 + B F 4 - / C H 3 C N
m %o % %p
1 7
2,3
6 0 3 3 7
6 9 2 2 9
相 对 速 率
1)亲电试剂的活性越高，选择性越低：
2) 空间效应越大，对位产物越多：
C ( C H 3 ) 3
H 2 S O 4
C ( C H 3 ) 3
S O 3 H
1 0 0 %
极化效应：
X
X o % p % m %
F 1 2 8 8 0
C l 3 0 6 9 1
I 3 2 6 0 8
X 具有－ I效应，使邻位的电子云密度降低。
F
Cl
Br
I
电负性依次降低
－ I
效应依次减小电子云密度降低的位置是不利于 E+
进攻的。
溶剂效应
C H
3
C C l
O
A l C l
3
C S
2
C C H
3
P h N O
2
C C H
3
O
O
E+被硝基苯溶剂化，体积增大。
较大的空间效应使它进入 1位。
螯合效应：
N O 2 N O 2O
C H 2
C H 2
O
C H 3
- N O
3
-
( 邻 ）6 9 %
（ 对 ）2 8 %
C H 2
N O 2
C H 2 O C H 3
C H 2
C H 2
O
C H 3
N O 2 H
N O 2
C H 2
C H 2 O C H 3
- H +
产 物能够发生螯合效应的条件：
1〕 杂原子能与试剂结合；
2）所形成环为五员环或六员环。
原位取代 (Ipso取代 ):
在芳环上已有取代基的位置上，发生取代作用－
Ipso效应：
C H 3
C H ( C H 3 ) 2
N O 2 O A c
A c 2 O
C H 3
C H ( C H 3 ) 2
N O 2
+
C H 3
C H ( C H 3 ) 2
N O 2
+
C H 3
N O 2
8 2 % 8 % 1 0 %
取代基消除的难易程度取决于其容纳正电荷的能力。 ＋ CH(CH3)2比较稳定，异丙基容易作为正离子消除。
3,取代基的定量关系取代基效应与化学活性之间存在一定的定量关系
1) 分速度因数与选择性从定量关系上考虑邻、对、间位取代难易程度分速度因数 (f) =
(6) (k取代 )(z产物的百分比 )
y (k苯 ) y－ 位置的数目通过每一个位置取代苯的活性与苯比较，把总的速率乘以邻位、间位或对位产物的百分比，再除以苯的取代速率的结果。
当 f > 1 时，该位置的活泼性比苯大,
否则比苯小。
f o k
P h H / 6
k P h Z / 2 异 构 体o
1 0 0×＝
k P h Z / 2
k P h H / 6
异 构 体m
1 0 0
＝ ×f m
f p
异 构 体p
1 0 0×＝ k P h H / 6
k P h Z / 1
例 如：
在硝酸与乙酸酐的体系中甲苯的硝化速度是苯进行硝化反应的 23倍，
取代产物的百分比为：
邻 对 间
63％ 34％ 3％
f o ( 6 )( 2 ) × ( 2 3 )( 1 ) × ( 0,6 3 ) 4 3,5
f m ( 6 )( 2 ) × ( 2 3 )( 1 ) × ( 0,0 3 ) 2,1
f p ( 6 )( 1 ) × ( 2 3 )( 1 ) × ( 0,3 4 ) 4 6,9
氯苯和苯甲醚进行硝化反应时，分速度因数分别为：
C l
0,0 2 9
0,0 0 0 9
0,1 3 7
O C H 3
0,2 5
2,3 ×
1 0
4
5,5 ×
41 0
氯苯的三个分速度因数均小于 1，卤素是致钝基团，
且 fm << fp,E+进入间位的可能性很小。
苯甲醚,fp ≈ fo >> fm
-OCH3 对邻、对位具有＋ C,＋ I效应，＋ C > ＋ I
对间位，只有＋ I,而无＋ C效应。
2〕 Hammett 方程描述分子结构和化学活性的定量关系的表示。
l g k Xk H( ) ＝ ρ σ x
Hammett 方程：
l g
k
X
k
H
σ x
σx－ 取代基常数
ρ－ 直线斜率底物不同,ρ不同；
反应条件不同,ρ不同。
ρ只与反应性质相关，
称为反应常数。
ρ 表示了取代基对反应速率的影响。
当 ρ > 0时,吸电子基团加速反应；
当 ρ <0时，供电子基团加速反应；
当 ρ= 0时，取代基对反应影响不大。
根据 σ值，可以预测取代基性质；
根据 ρ值，可以预测反应机理。
σ>0,取代基为吸电子基团；
σ< 0,取代基为供电子基团。
二,芳环上亲核取代反应
C l 共 扼p π
N O 2 C N C O C H 3 C F 3当 芳 环 上 连时,也 可 发 生 亲 核 取 代 反 应
1,加成－消除机理
X
X N u
N u
-
N u
X
-
N u
-
= O H
-
N H 2
-
R N H
-
R O
-
慢决 定 步 骤
X = N O 2 O R卤 素 等
O HC l
O H
-
4 5 0 M P a
3 5 0 ℃
C l
N O 2
N O 2O 2 N
N O 2
O 2 N N O
2
O H
O H
-
2 5
℃
N O
2
N O
2
N
N
H
L
N O
2
N O
2
L = C l B r I S O
2
P h p - O
2
N C
6
H
5
O
-
L N uL
N u -
N u
快
F,C l,B r,I
N O 2
N O 2
O 2 N
O C H 3 O C 2 H 5
O 2 N
N O 2
N O 2K O C 2 H 5
N O 2
O 2 N
O C 2 H 5
N O 2
H 3 C O
O C H 3
2,SB1 反应
N N
+
N 2
+
O H 2 + O H
+
H 2 O
- H +快
K I
IN
2
+ C l -
N H 2
N a N O 2
H C l
3,消除－加成反应机理 (苯炔机理 )
N a N H
2
O C H
3
N H
2
B r
O C H
3
O C H
3 N H
2
-
N a N H
2
N H
2
-
C l
N H
2
N H
2
4,底物结构对活性的影响 C l
N O 2
O 2 N N O 2
C l
N O 2
N O 2
C l
N O 2
C lC l
N O 2＞ ＞
≈＞＞
X
Z Z
Z
N H
3
+
-
Z
N H
3
+
-
I,N H
3
I,C H
3
Z
X
Z
Z
N H
3
+
-
N H
3
+
Z
-
I,N H
3
I,C H
3
Z
H
H
X
优 先 消 去 酸 性 强 的 质 子
Z
H
H
X
Z Z
I 优 先I 优 先
N a N H 2
B r
O C H 3 O C H 3
N H 2
O C H 3
N H 3
O C H 3
N H 3
+
一,亲电取代反应 ( )
1,反应机理芳正离子的生成加成－消除机理
2,反应的定向与反应活性 ( )
a,反应活性与定位效应
b,动力学控制与热力学控制 ( )
c,邻、对位定向比 ( )
亲电试剂活性空间效应。
极化效应溶剂效应螯合效应原位取代 (Ipso attack) ( )
3,取代效应的定量关系
a,分速度因数与选择性 ( )
b,Hammett 方程 ( )
二,芳环上亲核取代反应 ( )
1,加成－消除机理
2,SN1机理 ( )
3,消除－加成机理 （苯炔机理） ( )
三,芳环上的取代反应及其应用
1,Friedel - Crafts 反应
2,Rosenmund - Braun 反应
C C
CC
CC
H H
HH
H H
C C
CC
CC
H H
HH
H H
芳环上离域的 π电子的作用，易于发生亲电取代反应，只有当芳环上引入了强吸电子基团，才能发生亲核取代反应。
一,亲电取代反应
（一） 加成－消除机理
2 H 2 S O 4 H N O 3 H 3 O + H S O 4 - N O 2 +2
N O 2 +
N O 2
H
H N O 3 H 2 S O 4
N O 2
H E E
E + N u -
σ－ 络合物芳正离子芳正离子生成的一步是决定反应速率的一步卤代反应：
B r 2 + F e B r 3 B r B r F e B r 3δ δ
溴分子在 FeBr3的作用下发生极化
R B r B r F e B r
B r
H + F e B r 3B r + R
B r
HR R
B r
+ H
生成芳正离子脱去质子实验已经证实芳正离子的存在,C H
3
C H 3H 3 C
C 2 H 5 F / B F 3
- 8 0 ℃
C H 3
C H 3
H 3 C
H C 2 H 5
B F 4 -
m,p,-15℃
（二） 亲电取代反应的特性与相对活性反应活性：
致活效应,取代基的影响使芳环的反应活性提高；
致钝效应,取代基的影响使芳环的反应活性降低。
Y 第一类定位基：
N ( C H 3 ) 2,N H 2,O H,O C H 3,N H C O C H 3,
O C O C H 3,C l,B r,I,C H 2 C O O C H 3C H 3,
卤素对芳环有致钝作用第一类取代基 （除卤素外）具有 +I,或是＋ C效应，
其作用是增大芳环的电子云密度。
第二类定位基：
N O 2 C N S O 3 H C H O C O C H 3
C O O H C O O R C O N H 2 N H 3
+
N ( C H 3 ) 3
+
具有－ I或－ C效应 使芳环上的电子云密度降低。
定位效应 (Orientation)：
芳环上取代基对于 E+进入芳环位置的影响。
第一类定位基－邻对位定位基第二类定位基－间位定位基
C H C H 2
+ E
邻 对 位
C H C H 2
H
E
C H C H 2
H
E
C H C H 2
H
E
C H C H 2
H
E
间 位
C H C H 2
H
E
C H C H 2
H
E
C H C H 2
H
E
共振式越多，
正电荷分散程度越大，芳正离子越稳定。
动力学控制与热力学控制
+ H
2
S O
4
8 0
℃
1 6 5
℃
S O
3
HH
S O
3
H
H
1 6 5
℃
α位取代－动力学控制产物；
β位取代－热力学控制产物。
邻位和对位定向比：
C H 3
H N O 3 H 2 S O 4
N O 2 + B F 4 - / C H 3 C N
m %o % %p
1 7
2,3
6 0 3 3 7
6 9 2 2 9
相 对 速 率
1)亲电试剂的活性越高，选择性越低：
2) 空间效应越大，对位产物越多：
C ( C H 3 ) 3
H 2 S O 4
C ( C H 3 ) 3
S O 3 H
1 0 0 %
极化效应：
X
X o % p % m %
F 1 2 8 8 0
C l 3 0 6 9 1
I 3 2 6 0 8
X 具有－ I效应，使邻位的电子云密度降低。
F
Cl
Br
I
电负性依次降低
－ I
效应依次减小电子云密度降低的位置是不利于 E+
进攻的。
溶剂效应
C H
3
C C l
O
A l C l
3
C S
2
C C H
3
P h N O
2
C C H
3
O
O
E+被硝基苯溶剂化，体积增大。
较大的空间效应使它进入 1位。
螯合效应：
N O 2 N O 2O
C H 2
C H 2
O
C H 3
- N O
3
-
( 邻 ）6 9 %
（ 对 ）2 8 %
C H 2
N O 2
C H 2 O C H 3
C H 2
C H 2
O
C H 3
N O 2 H
N O 2
C H 2
C H 2 O C H 3
- H +
产 物能够发生螯合效应的条件：
1〕 杂原子能与试剂结合；
2）所形成环为五员环或六员环。
原位取代 (Ipso取代 ):
在芳环上已有取代基的位置上，发生取代作用－
Ipso效应：
C H 3
C H ( C H 3 ) 2
N O 2 O A c
A c 2 O
C H 3
C H ( C H 3 ) 2
N O 2
+
C H 3
C H ( C H 3 ) 2
N O 2
+
C H 3
N O 2
8 2 % 8 % 1 0 %
取代基消除的难易程度取决于其容纳正电荷的能力。 ＋ CH(CH3)2比较稳定，异丙基容易作为正离子消除。
3,取代基的定量关系取代基效应与化学活性之间存在一定的定量关系
1) 分速度因数与选择性从定量关系上考虑邻、对、间位取代难易程度分速度因数 (f) =
(6) (k取代 )(z产物的百分比 )
y (k苯 ) y－ 位置的数目通过每一个位置取代苯的活性与苯比较，把总的速率乘以邻位、间位或对位产物的百分比，再除以苯的取代速率的结果。
当 f > 1 时，该位置的活泼性比苯大,
否则比苯小。
f o k
P h H / 6
k P h Z / 2 异 构 体o
1 0 0×＝
k P h Z / 2
k P h H / 6
异 构 体m
1 0 0
＝ ×f m
f p
异 构 体p
1 0 0×＝ k P h H / 6
k P h Z / 1
例 如：
在硝酸与乙酸酐的体系中甲苯的硝化速度是苯进行硝化反应的 23倍，
取代产物的百分比为：
邻 对 间
63％ 34％ 3％
f o ( 6 )( 2 ) × ( 2 3 )( 1 ) × ( 0,6 3 ) 4 3,5
f m ( 6 )( 2 ) × ( 2 3 )( 1 ) × ( 0,0 3 ) 2,1
f p ( 6 )( 1 ) × ( 2 3 )( 1 ) × ( 0,3 4 ) 4 6,9
氯苯和苯甲醚进行硝化反应时，分速度因数分别为：
C l
0,0 2 9
0,0 0 0 9
0,1 3 7
O C H 3
0,2 5
2,3 ×
1 0
4
5,5 ×
41 0
氯苯的三个分速度因数均小于 1，卤素是致钝基团，
且 fm << fp,E+进入间位的可能性很小。
苯甲醚,fp ≈ fo >> fm
-OCH3 对邻、对位具有＋ C,＋ I效应，＋ C > ＋ I
对间位，只有＋ I,而无＋ C效应。
2〕 Hammett 方程描述分子结构和化学活性的定量关系的表示。
l g k Xk H( ) ＝ ρ σ x
Hammett 方程：
l g
k
X
k
H
σ x
σx－ 取代基常数
ρ－ 直线斜率底物不同,ρ不同；
反应条件不同,ρ不同。
ρ只与反应性质相关，
称为反应常数。
ρ 表示了取代基对反应速率的影响。
当 ρ > 0时,吸电子基团加速反应；
当 ρ <0时，供电子基团加速反应；
当 ρ= 0时，取代基对反应影响不大。
根据 σ值，可以预测取代基性质；
根据 ρ值，可以预测反应机理。
σ>0,取代基为吸电子基团；
σ< 0,取代基为供电子基团。
二,芳环上亲核取代反应
C l 共 扼p π
N O 2 C N C O C H 3 C F 3当 芳 环 上 连时,也 可 发 生 亲 核 取 代 反 应
1,加成－消除机理
X
X N u
N u
-
N u
X
-
N u
-
= O H
-
N H 2
-
R N H
-
R O
-
慢决 定 步 骤
X = N O 2 O R卤 素 等
O HC l
O H
-
4 5 0 M P a
3 5 0 ℃
C l
N O 2
N O 2O 2 N
N O 2
O 2 N N O
2
O H
O H
-
2 5
℃
N O
2
N O
2
N
N
H
L
N O
2
N O
2
L = C l B r I S O
2
P h p - O
2
N C
6
H
5
O
-
L N uL
N u -
N u
快
F,C l,B r,I
N O 2
N O 2
O 2 N
O C H 3 O C 2 H 5
O 2 N
N O 2
N O 2K O C 2 H 5
N O 2
O 2 N
O C 2 H 5
N O 2
H 3 C O
O C H 3
2,SB1 反应
N N
+
N 2
+
O H 2 + O H
+
H 2 O
- H +快
K I
IN
2
+ C l -
N H 2
N a N O 2
H C l
3,消除－加成反应机理 (苯炔机理 )
N a N H
2
O C H
3
N H
2
B r
O C H
3
O C H
3 N H
2
-
N a N H
2
N H
2
-
C l
N H
2
N H
2
4,底物结构对活性的影响 C l
N O 2
O 2 N N O 2
C l
N O 2
N O 2
C l
N O 2
C lC l
N O 2＞ ＞
≈＞＞
X
Z Z
Z
N H
3
+
-
Z
N H
3
+
-
I,N H
3
I,C H
3
Z
X
Z
Z
N H
3
+
-
N H
3
+
Z
-
I,N H
3
I,C H
3
Z
H
H
X
优 先 消 去 酸 性 强 的 质 子
Z
H
H
X
Z Z
I 优 先I 优 先
N a N H 2
B r
O C H 3 O C H 3
N H 2
O C H 3
N H 3
O C H 3
N H 3
+
