第九章芳香族化合物的取代反應芳環(huán)上離域的π電子的作用，易于發(fā)生親電取代反應，只有當芳環(huán)上引入了強吸電子基團，才能發(fā)生親核取代反應。(一)反應歷程：一、芳環(huán)上的親電取代反應1.芳烴正離子歷程親電試劑進攻芳環(huán)，生成σ-絡合物，然后離去基團(H)以正離子形式離去。如果進攻試劑是偶極分子，產(chǎn)物必然帶負電荷，然后偶極子的一部分攜帶電子對斷鍵離去，決定反應速度的步驟中涉及兩種分子，又稱SE2反應。鹵代反應：溴分子在FeBr3的作用下發(fā)生極化

生成芳正離子脫去質子第一步形成一個芳烴負離子；第二步結合一個正離子完成反應。2.SE1歷程重點證明SE2歷程：(a)中間體的離析與鑒定

(b)同位素效應1.芳烴正離子歷程的中間體---σ-絡合物(二)反應歷程的證明研究：σ絡合物又稱為Wheland絡合物或芳基正離子。有的σ絡合物可以分離鑒定。有的σ絡合物可以用NMR檢測出來。苯在超強酸(HF-SbF5-SO2ClF-SO2F2)中，-134oC下生成的σ絡合物的13CNMR的化學位移為：C(3):178.1;C(1),C(5):186.6;C(2),C(4):136.9;C(6):52.2。電荷分布：碳1、3、5均帶有+1/3電荷。說明正電荷主要分布在1，3，5位碳原子上(這種絡合物的酸性很強，pKa<-10).在某些特別的反應中由反應產(chǎn)物可以推測σ絡合物的存在。例如，在下列反應中生成的螺環(huán)化合物可能是由σ絡合物起分子內反應生成的π絡合物

生成π絡合物，性質不同于σ絡合物。例如，苯與HCl生成的π絡合物沒有顏色，也不導電，苯與DCl生成的π絡合物分解后，回收的苯不含氘；而苯與HCl和AlCl3生成的σ絡合物有顏色，導電，苯與DCl和AlCl3生成的σ絡合物分解后回收的苯中含有氘。有人提出：芳環(huán)的親電取代反應先生成π絡合物(實際上是電子給予體與電子接受體之間生成的結合微弱的傳荷絡合物)，再變成σ絡合物，最后得到取代產(chǎn)物。反應進程E2.同位素效應當一個反應進行時，在決定反應速率的步驟中發(fā)生了反應物分子的同位素鍵的斷裂，將顯示初級動力學同位素效應。最常見的是，反應物分子中的氫被氘取代后，反應時有速率上的不同，這種變化稱為氘同位素效應，用kH/kD表示。例如下列反應有動力學同位素效應，說明質子是在決速步的失去的：芳環(huán)親電取代反應中，如果氫離子在親電試劑到達前離開，或氫離子的離開和親電試劑的到達同時發(fā)生，就會有同位素效應（氘代底物的取代反應比非氘代底物慢）。因為在上述的每種情況下，C-H鍵都在決速步驟中斷裂。在芳基正離子機理中，C-H鍵的斷裂不在決速步驟發(fā)生，無同位素效應；在芳環(huán)硝化反應中證實無同位素效應。容易觀察到較小的同位素效應(kH/kD

=

1-3，而非正常的6-7)：第一步具有可逆性及由此引起的分配效應所產(chǎn)生的。若k2>>k-1,無同位素效應若k2<或=k-1，第二步C-H鍵斷裂對反應速度有較大影響，用D換H后，ArDY+的k2比ArHY+的k2小，但第一步的k-1相同，更多中間體ArDY+被轉化為底物，即ArDY+的分配因素(k2/k-1)比ArHY+的小，導致ArD的反應比ArH慢，就會觀察到同位素效應。在2,4,6-三叔丁基苯的溴化反應中，kH/kD=3.6，這是由于在σ絡合物中Br和H分別位于環(huán)平面的前后，失去H+變成產(chǎn)物時，迫使體積大的溴原子擠在兩個鄰位叔丁基之間，位阻使k2變小，成為決定反應速率的步驟：6與重氮鹽的偶聯(lián)無同位素效應，8的偶聯(lián)反應kH/kD

=

6.95由于空間位阻原因，9比7難以失去質子，k2變小證明SE1歷程：(a)反應動力學為一級反應

(b)苯環(huán)上吸電子取代基提高反應速度給電子取代基降低反應速度(三)典型的親電取代反應1付瑞德-克拉夫茨(C.Friede-J.M.Crafts)反應

(1)付-克烷基化反應在路易斯酸作用下,芳烴與鹵代烴、醇、烯烴等反應生成烷基苯,稱為烷基化反應。鹵代烴、醇、烯烴等稱為烷基化試劑。特點：1°常用的催化劑是無水AlCl3，此外FeCl3、BF3、無水HF、SnCl4、ZnCl2、H3PO4、H2SO4等都有催化作用。2°當引入的烷基為三個碳以上時，引入的烷基會發(fā)生碳鏈異構現(xiàn)象。3°烷基化反應不易停留在一元階段，通常在反應中有多烷基苯生成。4°烷基化反應是可逆的，在適當條件下可分別得到速度控制或平衡控制產(chǎn)物。低溫下主要為速度控制產(chǎn)物高溫下(或過量催化劑下)主要為平衡控制產(chǎn)物5°苯環(huán)上有–NO2、-SO3H、-COOH、-COR等間位取代基時，烷基化反應不再發(fā)生。例如，硝基苯就不能起付-克反應，且可用硝基苯作溶劑來進行烷基化反應。6°凡苯環(huán)上含有OH，OR，-NH2等基團通常不起反應。原因之一可能是由于堿性的氨基和作為催化劑的路易斯酸結合，使之無法發(fā)揮催化劑的作用。而且所生成的基團使苯環(huán)變得不活潑。7°烷基化反應也可在分子內進行，生成環(huán)狀化合物。(2)付-克?；磻紵N在路易斯酸催化作用下與酰鹵、酸酐等反應,生成芳酮。催化劑的作用是形成?；颊x子。特點：

（1）?；磻话l(fā)生?；悩嫭F(xiàn)象。

（2）?；磻荒苌啥嘣；〈a(chǎn)物。

（3）酰基化產(chǎn)物含有羰基，能與路易斯酸絡合，消耗催化劑，催化劑用量一般至少是?；噭┑亩?。

（4）苯環(huán)上有強吸電子基，不發(fā)生酰基化反應?；磻彩强赡娴模谶m當條件下可分別得到速度控制或平衡控制產(chǎn)物。酰化反應也可在分子內進行。若反應物為羧酸時，采用的催化劑為聚磷酸(PPA)。與?；磻嘘P的重要反應：(1)加特曼-科赫反應

芳環(huán)上有強吸電子基，不能發(fā)生反應。1897年GattermannL和KochJC用AlCl3和Cu2Cl2作催化劑，將CO和HCl氣體通入反應混合物中，得到了芳醛。CH3+CH3++COHClCH3少量

AlCl3CHOCHO(2)加特曼反應

1907年Gattermann用HCN(甲酸的酰胺)作?；瘎贏lCl3和HCl催化下使芳烴?；?，也得到芳醛，但產(chǎn)率不高。HCN有劇毒，使用不便，后來改用Zn(CN)2和HCl代替，用于酚和酚醚的甲酰化，得到了較高的產(chǎn)率。(3)霍施反應

1915年HoeschK將Gattermann反應推廣，用腈代替HCN來制備芳基酮。但一般用多元酚為原料：與HCN反應生產(chǎn)醛與腈反應生成酮(4)瑞默爾-蒂曼反應

酚與氯仿在堿性溶液中加熱在芳環(huán)上引入醛基的反應。含有羥基的喹啉、吡咯、茚等雜環(huán)化合物也能進行此反應

：主要為鄰位產(chǎn)物(4)維斯梅爾反應

芳烴用二取代甲酰胺及三氯氧磷處理得到醛類。這是目前在芳環(huán)上引入甲?；某Ｓ梅椒?。N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基-N-苯基甲酰胺是常用的甲?；噭?。用于酚、酚醚、芳胺等的甲酰化。2重氮鹽偶聯(lián)反應

芳基重氮離子也是一種親電試劑，由于它的親電進攻能力弱，只能進攻高度活化的芳環(huán)，如酚和芳胺，反應的歷程：重氮正離子進攻分子中電子云密度最大的地方--對位，若對位被占據(jù)則進攻鄰位。++:與酚的偶聯(lián)：在弱堿介質中進行有利。OH-

-

最佳條件是：pH=8~10。與芳胺的偶聯(lián)：在弱酸介質中進行有利，反應介質的pH=5~7為宜。偶聯(lián)反應不能在強酸或強堿性介質中進行。在強酸介質中，酚或芳胺都能被質子化而使苯環(huán)鈍化，因而難以與弱的親電試劑反應。重氮鹽的苯環(huán)上有吸電基，使重氮鹽正電性增加，其親電進攻的能力也愈強。偶氮化合物的結構可分為重氮部分和偶聯(lián)部分。重氮部分偶聯(lián)部分-X2

二、定位效應和反應活性

定位基的分類

致活基團和致鈍基團（考慮對反應活性的影響）

鄰對位定位基和間位定位基（考慮對反應取向的影響）(一)鄰、對位定位基和間位定位基特點：與苯環(huán)相連的原子帶有孤對電子或負電荷1.鄰、對位定位基(1)具有+I效應的基團δ-δ-δ-CHHH烷基使苯環(huán)電子云密度升高，而活化苯環(huán)烷基對苯環(huán)的致活作用的大小順序為：CH3>CH3CH2>(CH3)2CH>(CH3)3C(2)具有+I和+C效應的基團烷氧負離子(3)具有-I和+C效應的基團+C>-I，活化苯環(huán)：OH,-OR,-NH2,-NR2

等δ-δ-δ-OR：:OMe:HE+:OMe:HE+:OMe:HE+

OMe:HE+:OMe:HE+:OMe:HE+:OMe:HE+

OMe:HE+:OMe:HE+:OMe:HE+:OMe:HE+-I

>+C，鈍化苯環(huán)：X

2.間位定位基特點：帶有正電荷或與苯環(huán)直接相連的原子帶有雙鍵或三鍵(1)具有很強的-I效應的基團+NR3,CX3

降低苯環(huán)的電子云密度，鈍化苯環(huán)都有一個吸電子基團與帶正電荷的碳原子直接相連,能量高,不穩(wěn)定(2)具有-I和-C效應的基團NO2,CN,SO3H,CHO等(二)分速度因數(shù)(f)

分速率因數(shù)(f):

取代苯進行再取代時，在某一位置上進行取代的速率與苯在一個位置上進行取代的速率之比。即：以苯的六個位置之一為比較標準，衡量取代苯中某個取代位置的反應活性的數(shù)值。分速度因數(shù)(f)=(6)(k取代)(z產(chǎn)物的百分比)y(k苯)

分速率因數(shù)有fo,fm,fp

當f>1時，該位置的活潑性比苯大,否則比苯小。分速度因素可用競爭法測定:將一取代苯和苯的等量混合物，在同一均相溶液中與不足量的親電試劑反應，待競爭反應趨于完成后，得到產(chǎn)量的比值，因為試劑不足量，故產(chǎn)量的比例反應了取代苯與苯的反應速率常數(shù)比k取代苯

/k苯。再通過HPLC得到鄰、間、對位二取代產(chǎn)物的相對含量例如，將等mole的苯和甲苯與少量硝酸在乙酐溶液中,30oC下反應，生成產(chǎn)物用色譜分析，所得硝基苯與硝基甲苯mole數(shù)之比為1:23，硝基甲苯中鄰、間、對異構體分別占63、3和34%。分速率都大于1，說明甲基活化了苯環(huán)的所有位置，尤其是鄰位和對位。氯苯和苯甲醚進行硝化反應時，分速度因數(shù)分別為：氯苯的三個分速度因數(shù)均小于1，說明氯原子鈍化苯環(huán)上所有位置，尤其是間位。fp≈fo>1，fm<1

分速度因素揭示了：(1)底物選擇性：環(huán)上定位基對某親電試劑的致活程度的大小(2)位置選擇性：同一底物上鄰、間、對三種位置的相對取代速度。(三)影響鄰/對位取代產(chǎn)物比例的因素

(1)空間效應越大，對位產(chǎn)物越多：Ro/p-CH31.66-C2H50.90-CH(CH3)20.41-C(CH3)30.12表一硝化（AcONO2,0℃)產(chǎn)物異構體比例(2)電子效應：XFClBrI鄰位硝化產(chǎn)物百分比12303841X具有-I效應，使鄰位的電子云密度降低

FClBrI電負性依次降低－I效應依次減小電子云密度降低的位置是不利于E+進攻的。(3)親電試劑的反應活性

親電試劑的活潑性越高，親電取代反應速度越快，反應的選擇性越低。親電試劑的活潑性越低，親電取代反應速度越低，反應的選擇性越高。(4)螯合效應：當親電試劑與環(huán)上原有基團發(fā)生相互作用如生成活性中間體或絡合物，則會使鄰位產(chǎn)物增多。能夠發(fā)生螯合效應的條件：雜原子能與試劑結合；所形成環(huán)為五員環(huán)或六員環(huán)。(5)自位取代(Ipso取代):

在芳環(huán)上已有取代基的位置上，發(fā)生取代作用原有取代基離去的難易程度取決于其容納正電荷的能力，即生成正離子的能力。(6)溶劑效應E+被硝基苯溶劑化，體積增大，較大的空間效應使它進入1位。三、芳香族親核取代反應

芳環(huán)的電子云密度較高，很難被Nu-進攻而直接引入OH、OR、NH2等基團，只能通過親核置換來完成。首先在芳環(huán)上引入Cl、SO3H、N2+等吸電子取代基，使苯環(huán)上電子云密度降低，有利于親核置換的發(fā)生。在離去基團的鄰對位有吸電子取代基存在時，對反應有利。(一)加成－消除機理第一步進攻試劑與底物成鍵形成中間體碳負離子，然后離去基團離去；通常