第六章--芳香环上的取代反应.doc

第六章 芳香环上的取代反应芳香环上的取代反应与饱和碳原子上的取代反应相似，有亲电取代、亲核取代和自由基取代反应。在亲电反应中进攻试剂是正离子或偶极分子中正的一端，离去基团在离去时必须失去它的电子对，它们是弱的Liews酸，最常见的离去基团是氢（以H+形式离去）。在亲核反应中进攻试剂是负离子或具有未共用电子对的原子或基团。离去基团在离去时以最大的可能携带其键合电子。离去后以负离子或分子的形式存在，如Br-、-OTS和H2O等即为弱的碱、自由基取代反应是另一种情况将在以后讨论。6-1 亲电取代反应最简单的芳环是苯环，从苯的结构可知，苯的离域轨道使苯环六个碳原子组成的平面上下集中着带负电的电子云，对苯环碳原子起着屏蔽作用，从而不利于亲核试剂的进攻，相反却有利于亲电试剂的进攻，发生亲电取代反应。6-1-1 反应历程1和-络合物在亲电取代反应中，无论是正离子还是极性试剂中正电荷的部分进攻芳环，首先遇到的是芳环上的电子云，因此反应的第一步可能是进攻的亲电试剂与芳环上离域的电子相互作用。例如硝酰正离子进攻苯环，可能是其中氮原子的空轨道与苯环的轨道交盖，通过电子的离域发生微弱的结合生成-络合物。由于是通过电荷转移形成的，也称电荷转移络合物。在-络合物的形成中，芳烃作为电子的给予体，试剂作为电子的接受体，它们通过电荷转移而结合，是非常松弛的，这意味着给予体和接受体两者的分轨道都未发生明显的变化，在多数情况下，它们之间的结合是很弱的（4-20KT/mol），以至络合物的组分能够迅速地发生逆反应而复原。例如：甲苯与氯化氢生成的络合物，即使在-78的低温情况下两组分之间也能很快建立平衡。若作同位素试验，用氯化氘（DCl）代替氯化氢（HCl）在很长的时间内也未发现D与H的交换。说明亲电试剂并没有与环上任何一个碳原子发生键合作用而生成离子。即没有C-D键生成，故可证明没有发生D与H的交换。在亲电试剂（NO2+，Br2等）与苯环形成的-络合物中，亲电试剂位于苯环中心，并垂直于苯环平面的直线上。例如：在Lewis酸的存在下，亲电试剂与苯环作用生成不同-络合物的另一种中间体。例如，在AlCl3存在下，用Dcl代替HCl与苯作用，发现DCl中的D迅速与苯环上的H发生交换，说明生成的不是-络合物，而是另一种中间体，是一种正离（苯正离子或芳正离子），-络合物。其正离子通常是一个高度活泼的中间体，它必须进一步反应以稳定自己，可以通过几种途径达到稳定。例如：下列-络合物，在AlCl4-存在时，可以通过失去H+或D+得到稳定。苯与氯化氘在三氯化铝存在下反应，确实得到上述两种产物的混合物，当失去H+或D+后，产物中六个电子的环状共轭体系重新出现，稳定性增加，补偿了C-H或C-D键断裂所需要的能量，即恢复了芳香体系。对-络合物及-络合物稳定溶液的研究结果表明，这两种络合物的性质不同。甲苯与氯化氢生成的-络合物溶液，无颜色变化，无明显的导电性，给于体和接受体之间的结合很弱，没有形成键，-络合物的稳定性很小，苯环上甲基增多或位置改变对稳定性的影响也很小。而甲苯与氯化氢在AlCl3存在下生成的-络合物情况有所不同，溶液呈绿色，能导电，说明存在离子状态。在-络合物中，试剂与苯环的某一原子生成了-键。-络合物的稳定性随苯环上甲基数目和位置的不同变化较大，因为甲基通过诱导效应和超共轭效应可以分散-络合物的正电荷。故甲基越多和/或位置合适这种作用就越大。对于-络合物，因为苯环上没有明显正电荷，且不固定在某一个碳原子上，故甲基的影响较小。表6-1 相对取代速度与和-络合物相对稳定性之间的关系苯环上的取代基相对稳定性相对活性-络合物-络合物氯代速度硝化速度无0.610.090.0050.51甲基0.920.630.1570.85对二甲基1.001.001.001.00邻二甲基1.131.12.10.89间二甲基1.26262000.84偏三甲基1.3663340连三甲基1.46694001,2,3,4-四甲基1.6340020001,2,3,5-四甲基1.6716000240000五甲基29000360000表中数据可以看出，-络合物的稳定性因甲基取代的变化而变化很小，-络合物的稳定性变化很大，表明各种芳烃的相对亲电取代反应速度和相应的-络合物的稳定性密切相关，因此，-络合物的生成是芳环亲电取代反应的控制步骤。2加成-消除历程芳环上亲电取代反应历程可表述如下：反应物与亲电试剂首先形成-络合物，然后转变成-络全物，后者失去质子（通常是H+）生成产物。芳环上亲电取代反历程，对-络合物的形成是有争议的，但形成-络合物则是公认的。因为只有通过-络合物才能完成亲电取代反应。在这一系列反应中，是-络合物还是-络合物的生成是反应速度的控制步骤，则依具体反应而定。如果反应的相对速度和-络合物的相对稳定性相似，则-络合物的生成是反应速度的控制步骤。也就说明反应首先生成-络合物。如果反应的相对速度和-络合物的相对稳定性相似，则-络合物的生成是反应速度的控制步骤。一般说来，-络合物的生成是可逆的，-络合物的生成基本上是不可逆的，而且常是反应速度的控制步骤。总之，芳环上的亲电取代反应历程可简单地概括为：反应物和亲电试剂发生加成反应，生成-络合物（芳正离子中间体），后者失去离子基团（通常是质子）生成产物，即反应历程是加成-消除反应。6-1-2 亲电取代反应的特性和相对活性1反应活性和定位效应在基础有机化学中已经学过，一取代苯再进行亲电取代时，进入基团进入苯环的位置主要决定于苯环上原有取代基的性质，将原有取代基分为两类。第一类定位基主要是邻和对位，第二类定位其主要是间位。取代苯再进行亲电取代反应时，取代基的影响虽然有电子效应和空间效应两种，但电子效应起主导作用，按不同的电子效应将两类定位基再细分为四种类型。表现为吸电子诱导效应的定位基这类定位基的一个共同特点是带正电荷的原子直接和苯环相连如：-N+H3，-N+R3，-S+R2，-P+R3，-As+R3等，它们都是吸电子基，通过诱导效应（-I），使苯环的电子云密度降低，其反应速度比苯小，是间位定位基。表现为吸电子诱导效应和吸电子共轭效应的定位基，这类定位基有：-NO2，-CN，-SO3H，-CHO，-COR-，-COOH等，存在着吸电诱导效应（-I）和吸电子共轭效应（-C），是间位定位基，且反应速度比苯小，如硝基苯在混酸中的硝化反应速度与苯的反应速度之比约为10-8。表现为供电子诱导效应和供电子共轭效应的定位基。可以把-O-，-R，-C6HS，粗略地归结为这一类。当它们分别与苯环相连时，表现出供电子诱导效应（+I）和供电子共轭效应（+C），故反应速度比苯大，如联苯进行氯化的总反应速度与苯的反应速度之比为4.2102，是邻、对位定位基。表现为吸电子诱导效应和供电子共轭效应的定位基如：-OCOR、-OR、-OH、-NHCOR、-NH2、-NR2。当它们分别与苯环相连时，分子内存在着吸电子诱导效应和供电子共轭效应。这两种效应的方向相反，实验结果表明，这些定位基的+C-I，总的结果使苯环活化。例如苯甲醚的氯化反应比苯的氯化反应快，苯甲醚与苯的反应速率常数之比为9.7106(邻、对位)。卤苯进行亲电取代反应时，X的作用与OH和NH2相似，对生成的邻和对位-络合物起稳定作用，亲电试剂进攻卤苯的反应速率由大到小的顺序为：ArFArClArBrArI。卤素的吸电诱导效应的顺序为：FClBrI，供电共轭效应的顺序也是FClBrI。只能认为卤苯在进行亲电取代反应时，动态共轭效应起主导作用，有时视具体情况而定。2邻位和对位的定向比一取代苯的亲电取代反应，从反应几率来看，邻对=21，但实际结果远非如此：亲电试剂的活性，一般说来，亲电试剂的活性越大，对于邻位和/或对位的选择性越小见表6-2。表6-2 定向与活性对于取代反应性质的依赖性反应试剂相对速度在甲苯中的定向%o-%m-%p-硝化176033721594372.369229氯化146823034460140溴化77212760533167空间效应，亲电试剂和环上原有取代基的体积越大，对位异构体的量越多。例如：叔丁苯和溴苯的碳化，几乎都生成100%的对位异构体。极化效应，卤苯的硝化，若从卤苯原子的空间效应来考虑，由FI邻位产物应逐渐减少，但事实正相反（见表6-3）表6-3 卤苯硝化时邻和对位异构体的比例取代基%o-%p-o-/p-F12880.14Cl30690.44Br37620.60I38600.63对于这种事实的解释，认为卤素的电子诱导效应的影响超过了空间效应。由于诱导效应随距离增加而下降，故对位经邻位所受的影响要小。同时这种反应随元素电负性增加而加大，所以电负性最强的氟使邻位的电子云密度降低得最多，从而不利于邻位取代，从FI吸电子诱导效应显著降低，虽然体积逐渐增大，仍导致相邻位异构体增多。溶剂效应，视具体情况而定。螯合作用，当环上的取代基与亲电试剂发生络合时，通常发生邻位取代。例如：1-苯基-2-甲氧基乙烷在乙腈中用五氧化二氮硝化比用混酸硝化有较高的邻/对比（用N2O5硝化时，邻位69%、对位28%，而用混酸时邻位32%，对位59%）。邻位产物较多的原因，被认为是通过螯合作用来实现的，即醚中氧上的一对未共同电子与N2O3中的-NO2结合，然后移到邻位，通过六元环状过渡态生成邻位产物。又如在加压下，于125苯酚钠与弱的亲电试剂CO2反应（Kolbe Sehmitt反应），邻位产物占优势，这可能因为在邻位取代的过程中，由于螯合作用而得到稳定的原故。原位取代 在亲电取代反应中，亲电试剂取代苯环上原有取代基称为原位（ipso拉丁语，自身之意）取代。例如：苯环上原有取代基被取代的难易，取决于离去基团带有正电荷的能力或形成产物的难易程度。如上例中异丙基比甲基容易带有正电荷，且异丙基正离子容易转变成丙烯，而甲基正离子则不能，所以异丙基被取代。最常见的能发生原位取代反应的反应有芳香族溴和碘化物的硝化反应和叔丁基苯的卤化反应。卤素通常指的是Br和I，F+不存在，Cl也不易以Cl+存在，故不易离去，实验证明在原位取代中，离去基团的离去能力由大到小次序是：H+I+Br+NO2+3取代基效应的定量关系取代基效应的定量关系在第一章中已有阐述，在本章中仅就要点总结一下。（1）分速度因数和选择性分速度因数是一种定量表示定位效应的方法，它是一取代苯进行再取代时，在其一个位置上进行取代的速度与苯的一个位置上进行取代的速度之比。为了计算分速度因数，首先需要测定一取代苯进行再取代时的总速度常数，和测定苯在同样条件下进行取代时的总速度常数，从而得到kphz/kphH比值。由实验测得的一取代苯和苯的比较速度是对整个分子而言，且以苯的反应速度为1。苯有六个可被取代的位置，一取代苯有五个可被取代的位置，其中两个邻位、两个间位和一个对位，根据分速度因数（用f表示）的定义得：0、m、p分别代表邻、间、对位上的分速度因数。取代苯每一个位置上分速度因数的确定，都是以苯的六个位置中的一个为单位（即H=1）比较而得，因此分速度因数是衡量取代苯的某个可被取代位置的反应活性的数值。当取代苯某一位置的分速度因数1时，则位置的活泼性苯。例如：甲苯的硝化反应：其分速度因数都1，且在O位和P位上更大，由此说明甲基活化苯环上所有位置，尢其是邻位和对位。又如氯苯的硝化：环上所有的分速度因数都1，且间位更小，说明氯原子钝化环上所有位置，尤其是间位。然而并非所有的反应环上各位置的分速度因数都1或1。例如苯甲醚：由于邻位、对位通过共轭效应被甲氧基活化，间位则因氧的吸电子效应而钝化。由以上说明分速度因数的使用，对于定位效应会给出更精确的表示，不同的反应物进行相同反应（即亲电试剂相同）分速度因数的值不同，它说明不同反应的对同一试剂的选择性不同，这种选择性称为反应物选择性。它表明环上原有取代基对某一种亲电试剂使苯环活化或钝化的程度，反应物的选择性高时，通常间位和对位产率相差比较大。反之，反应物的选择性差时，其差值比较小，这与分速度因数的绝对值得一致的。总之，反应物的选择性增大，间位和对位分速度因数之间的差异就大。同一种反应物对不同的亲电试剂进行反应时，分速度因数也不相同，例如：这说明同一反应物对不同试剂三个位置的相对速度不同，即选择性不同，这种选择性称位置选择性。通常位置选择性和反应物选择是不可分割的。总之，选择性既决定于环上原有取代基也决定于亲电试剂。目前认为，反应活性与选择性和过渡态在反应进程中出现的早晚有关。当亲电试剂的活性足够大时，几乎每次碰撞都能导致取代反应；亲电试剂几乎没有选择性，分速度因数大抵服从统计规律。这可以从反应进程中过渡态出现的位置看出，由于活性较大亲电试剂容易与反应物作用，所需活化能较小，过渡态出现较早。图6-1从图6-1可以看出，-络合物在能量上与反应物接近，故结构也接近，即由于-络合物出现较早，亲电试剂与反应物未完全形成新键，正电荷在苯环上是弱的，故原有取代基对正电荷的分散所起的作用较小，因此反应主要依赖于亲电试剂的活性，而受反应物环上原有取代基的影响较小，即反应主要受动力学控制。当亲电试剂的活性较小时，不再是每次碰撞都导致了取代反应的发生，因此所需活化能较大，过渡态出现较晚，如图6-2。从图6-2可看出，-络合物在能量上与反应物相差较大（与图6-1相比），故结构上相差很大，此时亲电试剂与苯环生成的-络合物有新键形成，苯环出现了真正的正电荷，因此取代基将对正电荷产生较大的影响。由于亲电试剂进攻苯环的位置不同，取代基对正电荷的分散程度不同，即过渡态的稳定性不同，因此选择性不同，分速度因数的相对值将出现较大的差别。相对选择性最好对比m和p。由于o除受电子效应影响外，还受取代基和进攻试剂的立体效应的影响。（见表6-4）表6-4 某些芳香族化合物取代反应的分速度因数苯环上取代基亲电试剂相对苯的速度异构体分布(%)分速度因数o-m-p-o-m-p-OH61011-100-41012NHAc610532.5-67.56105-310634059.80.539.76175.08203.853.717.328.96.12.06.61281.21.397.64.64.8749Br0.03371620.030.0010.1610-86922110-81.610-7710-9（2）Hammett方程的应用Hammett方程在第一章中已经阐述，这里仅说明几个注意的问题。值的大小主要决定于环上取代基Z对于起反应的基团所产生电子效应影响的大小。故它是衡量某一反应所能感受取代基影响的尺度。在Hammett方程中，如果反应物的性质不变，是定值。 方程左边的式子与的关系反映了反应的性质，它们之间的关系有三种不同的情况。0 反应为吸电子基所加速0 反应为供电子基所促进0 取代基对反应影响不大因此值在阐明反应历程方面是很有用的，因为它能够描述过渡态相对于反应物对电子的要求。例如：2，4-二硝基氯苯与一系列取代苯胺反应-3.98。由于值是一个较大的负值，故供电子基对反应有利，且供电子基对反应影响较大，反应可能按下述历程进行。从取代基Z的电子效应来看，Z是供电子基时，可以中和中间体氮原子上的正电荷，使中间体得到稳定，从而有利于反应的进行。又如芳基磺酰氯的水解反应，在不同条件下进行时，有两种截然相反的值。在15于水溶液中进行时，=-0.30。在丙酮中进行水解反应时，由于为正值，故反应为吸电基所加速，由于正值比较大些，吸电子基的影响也较大，反应将按双分子亲核取代（SN2）历程进行。从电子效应来看，吸电子基降低了硫原子上的电子云密度，有利于水分子的进攻即有利于中间体的生成，故反应按SN2历程进行。在水溶液中进行反应时，值较小，故供电子基对反应有利，但影响较小，反应按单分子亲核取代（SN1）历程进行。此反应速度取决于硫氯键的异裂，当取代基是供电基时，它能中和硫原子的正电荷，而使中间体得到稳定，所以供电基有利于反应的进行。6-2 芳环上亲核取代反应在芳环上的亲核取代反应中，亲核试剂是负离子或带有未共用电子对的中性分子如：SCN-、NH2-、OR-、OH-、R-、NH2R和NH2-NH2等等。被取代的基团（即离去基团）多是一些电负性大的基团。如X、N2+、OR、OH、NO2等。例如：苯环上亲核取代反应历程苯环上的亲核取代反应，主要按三种历程进行。具体一个反应究竟按哪一种历程进行，将依具体情况而定。1加成-消除历程（SN2或SNAr2）此反应历程包括两步：第一步（加成）第二步（消除）首先是进攻试剂与反应物形成键，生成一个中间体，此为控制反应速率的一步，然后离去基团离去。因为这种历程是双分子的，有时也称SN2历程。例如：对硝基氯苯的亲核取代反应，氯被亲核试剂Nu-取代。这个反应的速率=kNO2ArClNu-，所以形式上与SN2相似。但在这种历程中，Nu-不能从带有离去基团的碳原子的背面进攻，而是从侧面进攻，因此有人把这种历程又叫SNAr2历程（Ar表示芳香族）。这种历程已被很多实验证明。1902年梅森海莫（Meisenheimer）用2，4，6-三硝基苯甲醚和乙醇钾反应，或用2，4，6-三硝苯乙醚与甲醇反应，得到了同一种络合物，称为梅森海莫络合物或梅森海莫盐。当将该络合物酸化时，又都得到原来的两种芳香醚的化合物。2SN1历程按这种历程进行的反应很少，即是非常活泼的芳香卤化物，也尚未观察到肯定是按SN1历程进行的反应，但重氮盐的水解反应，则被认为是按SN1历程进行的。例如：芳基正离子很不稳定，因为处在SP2杂化轨道上的正离子，不可能发生与苯环轨道的离域。这一步反应是慢步骤，是控制反应速率的步骤。重氮盐之所以能形成芳正离子，是因为N2+是一个很容易离去的基团；且离去后能生成稳定的N2。现在大量实验证明，重氮盐反应是属属动力学一级反应，反应速率与亲核试剂的浓度无关，只与重氮盐的浓度有关。3消除-加成反应历程（苯炔历程）在正常情况下，未被活化的芳基卤化物对一般的亲核试剂表现惰性，但对既是很强的碱又具有亲核性的试剂则表现明显的活性。这一反应的进行，首先是反应物在亲核试剂的作用下进行消除反应，生成苯炔中间体，然后再与亲核试剂进行加成反应。故此反应历程又称苯炔历程。例如：氯苯与KNH2在液氨中的反应，苯环C1上用同位素14C标记。第一步第二步也可写成是如下历程：苯炔的结构已由红外光谱证明为：在结构中，有一个键是通过SP2杂化轨道的侧面重叠形成的键，由于侧面重叠的程度小，而苯环上电子云分布在苯环平面的上下，不可能与SP2杂化轨道重叠，因此苯炔极不稳定，只能在低温（80K）下观测到它的光谱，或用活性试剂截获。苯炔中间体已被实验检出；如碘苯与NaNH2起反应时，加入1，3-环已二烯或呋喃，可生成狄尔斯-阿尔德加成物。苯炔是对称结构时，亲核试剂和三键相连的两个碳原子上发生反应的机率是相等的，若芳炔是不对称时，则有消除-加成的方向问题。例如： 反应过程中可能生成的苯炔：邻近与对位芳基卤化物，只能得到一种芳炔，而间位芳基卤化物有两种可能性，其中何者占优势，取决于负碳离子的稳定性。这种负碳离子稳定性依赖于R的诱导效应。若R是吸电子基时，则：若R是供电子基，则：