第六章芳香环上的取代反应

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π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．π和σ-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π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π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π轨道交盖，通过π电子的离域发生微弱的结合生成π-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π-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：+I2I2甲苯与氯化氢生成的π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。CH3+ClHCH3ClH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π-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：ON+OBrBr在Lewis酸的存在下，亲电试剂与苯环作用生成不同π-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π-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），σ-络合物。DH+DClAlCl3+AlCl4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σ-络合物，在AlCl4-存在时，可以通过失去H+或D+得到稳定。DHDH+AlCl4H+D+++AlCl3AlCl3++ClHDCl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π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π-络合物及σ-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π-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，π-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σ-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σ-络合物中，试剂与苯环的某一原子生成了σ-键。σ-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σ-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π-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π和σ-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π-络合物σ-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，π-络合物的稳定性因甲基取代的变化而变化很小，σ-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σ-络合物的稳定性密切相关，因此，σ-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π-络合物，然后转变成σ-络全物，后者失去质子（通常是H+）生成产物。HEE+E+E++H+芳环上亲电取代反历程，对π-络合物的形成是有争议的，但形成σ-络合物则是公认的。因为只有通过σ-络合物才能完成亲电取代反应。在这一系列反应中，是π-络合物还是σ-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π-络合物的相对稳定性相似，则π-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π-络合物。如果反应的相对速度和σ-络合物的相对稳定性相似，则σ-络合物的生成是反应速度的控制步骤。一般说来，π-络合物的生成是可逆的，σ-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σ-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。+E+HEE+H+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。①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。②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。③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4.2×102，是邻、对位定位基。④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9.7×106(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σ-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：ArF＞ArCl＞ArBr＞ArI。卤素的吸电诱导效应的顺序为：F＞Cl＞Br＞I，供电共轭效应的顺序也是F＞Cl＞Br＞I。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=2︰1，但实际结果远非如此：①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CH3C6H5/C6H6在甲苯中的定向%o-%m-%p-硝化HNO3/68%H2SO41760337HNO3/CH3NO22159437NO2+BF4/CH3CN-2.369229氯化Cl2-FeCl3/CH3NO21468230Cl2/CH3COOH34460140溴化Br2-FeBr3/CH3NO2772127Br2/CH3COOH60533167②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。③极化效应，卤苯的硝化，若从卤苯原子的空间效应来考虑，由F→I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F→I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。④溶剂效应，视具体情况而定。⑤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。OCH3O2NONO2-NO3CH2CH2O+NO2CH3CH2CH2OCH3HNO2H+CH2CH2OCH3NO2又如在加压下，于125℃苯酚钠与弱的亲电试剂CO2反应（KolbeSehmitt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。ONaOO-OH+COO0125CNa+互变异构OHO-OH+OHCOOH⑥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：CH3CH(CH3)2CH3CH3CH(CH3)2CH3CH(CH3)2+++CH3CHCH210%82%8%10%NO2+OCOCH3Al2O3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。OCH3XHNO3OCH3NO2OCH3XNO2+30%40%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：/2(%)/6100phIophHkofk