芳香性和芳香族化合物的取代反应

Chapter-3 芳香性和芳香族 化合物的取代反应 2 一、芳香性 1. 芳香性的一般讨论早期: 芳香化合物来源于植物精油树胶提取物,如苯极其衍生物， 它们都有芳香气味。当时化学家将有机物分为芳香族化合 物和脂肪族化合物，于是苯及其衍生物的独特的化学性质 就称为芳香性. 现代: 由于环状共轭体系而具有特殊的稳定性结构，易取代，难 加成的性质-称为芳香性.最近: 有人提倡用光谱及磁的标准，传统芳香性化合物(如苯等) 由于电子的环形离域会产生抗磁环流，并且可以很方便 从 1H NMR及13 C NMR谱上得出结论。必须说明: 到现在为止，对芳香性这一概念还没有统一定义。 3 芳香化合物的特点： A. 较高的C/H比 B. 键长趋于平均化 C. 分子共平面 D. 具有较大的稳定化能(共轭能/共振能) E. 有特殊的波谱，如苯: UV:184nm，204nm，254nm IR: 3010cm-1，16001450cm-1 NMR: 存在反磁环流，使去屏蔽区内质子的值 移向低场（7 8），屏蔽区则移向高场。 F. 化学特性：易取代，难加成，难氧化 4 2. Hckel 4n+2规则A: Hckel 规则的内容：含有4n+2个电子的平面共轭单环化合物应具芳香性。B: Hckel 规则的理论解释： 用分子轨道理论计算证明：凡含有4n+2个电子的平面共轭单环体系，电子数恰好是成键轨道数的二倍。 5 例：五元环共轭体系，其分子轨道数及其能量如下图表示：. 当电子数为，则电子填充如下： 电子数不是成键轨道数的倍，因此无芳香性。 6 . 当电子数为，则电子填充如下： 电子数也不是成键轨道数的倍，因此无芳香性。 . 当电子数为，则电子填充如下： 电子数刚好是成键轨道数的倍，因此有芳香性。 7 n能级的确定方法：圆内接边形法n轨道数由参与共轭的原子数确定；再根据电子数对轨道填充情况，即可对体系有无芳香性作出判断，结果与Hckel 规则结论一致。 8 3. 化合物芳香性的判断(1) 轮烯a. 10-轮烯A是全顺式，B是反-顺-顺-顺-顺式，C是反-顺-反-顺-顺式，经光谱测定三者都没有芳香性。原因：角张力及环内两个氢的排斥力影响分子的共平面性；10-轮稀的不稳定性表现为：容易热环化为双环体系。 9 用一个原子代替两个氢原子得1，6-桥-10-环共轭多烯，有芳香性： 10 b. 14-轮烯 有两对氢原子会发生相互作用，共轭能不高。 但是，NMR表明有反磁环流，键长也没有交替现象，说明有芳香性, 但芳香性不明显。有个环内彼此干扰，共轭能也不高。 11 14-轮烯衍生物有芳香性： 两对氢原子的相互作用，可使其成桥键来消除掉，有芳香性。 12 c. 18 - 轮烯 有芳香性 22-轮烯已被合成，具有芳香性。某些26-轮烯为平面的，有芳香性，而一些26-轮烯和30-轮烯是非平面的，没有芳香性。大环难于达到充分有效的芳香化合物那样的电子离域。 13 (2) 芳香离子是否具有芳香性？a. 环戊二烯负离子 14 Fe 2+ 环戊二烯负离子的应用之一：制备二茂铁b. 环庚三烯正离子 H H +- H-O O + 15 c. 环丙烯正离子 16 (3) 稠环体系 休克尔规则只涉及单环体系，有关理论可用于多环体系只计算边缘的平面电子。有芳香性薁：联亚苯：有芳香性 17戊塔烯： A 和 B 哪个酸性强？ 18 (4) 富烯体系富烯:环丙富烯： 19 判断下面各化合物有无芳香性？ 20 (5) 杂环及稠杂环体系 21 4. 同芳性 同芳香性是指越过一个或几个饱和碳原子形成的稳定的环状共轭体系。它也服从Hckel规则，但在离域的体系中插入了另外具有饱和中心的原子，不过其几何构型允许P轨道跨过这个隔离的间隙而仍然能相互重叠。即在某些环状正离子中无正统的芳香体系的骨架，也无连续的P电子轨道排列，但当体系由于不相邻碳上P轨道部分重叠且具有4n+2个电子的环状排列时也会呈现出一定的芳香稳定性。 22 在同芳香体系中，外加原子的存在将破坏离域体系的物理连续性却不破坏离域体系。同芳香化合物显示所有的芳香性，如额外的稳定性和维持环流的本领。如环辛四烯溶于浓硫酸发生质子化，生成同芳香性正离子: 越过一个饱和碳原子的同芳香性叫单同芳香体系，越过二个或三个饱和碳原子的则分别叫双同或三同芳香体系。 23 其他一些具有同芳香性的化合物： 24 二、芳香族化合物的取代反应(一) 亲电取代 1. 反应机理：加成消除反应H E E E+Nu-络合物（芳正离子）慢快芳正离子生成的一步是决定反应速率的一步。 25 2H2SO4 HNO3 H3O+ HSO4- NO2+2 NO2+ NO2H 用硫酸催化硝基正离子的形成机理：用N2O5作反应物硝基正离子的形成机理：例：硝化反应 26 亲电体的活性：实验已经证实芳正离子的存在：CH3CH3H3C C2H5F/BF3-80 CH3CH3H3C H C2H5 BF4-m. p: -15非常活泼的： 27 中等活性的：低活性的： 28 亲电取代历程的需注意以下几点：1). 体系中产生的正离子都可以作为亲电试剂进攻芳环，形成产物或副产物；2). 芳正离子的形成是决定步骤，在此步中，底物的活性（即芳环电子密度的高低）与亲电试剂的活性一起决定反应的快慢。 29 2. 芳环上亲电取代反应实例： 芳环上可以发生的基本的五类亲电取代反应，又称为“五化”反应：卤化：硝化：磺化：烷基化：酰化： 30 氢交换反应： 这类反应主要用以研究反应历程，但也可以通过此反应将D或T引入芳环。例如：用D2O处理苯酚，在加热下缓慢发生邻位、对位氢交换，用强酸则交换比较快。 芳环上可以发生通常的“五化”反应外，还可发生下述几种反应： 31 原位取代 在芳环上已有取代基的位置上，发生的取代反应：CH3 CH(CH3)2NO2OAcAc2O CH3CH(CH3)2NO2 + CH3CH(CH3)2NO2+ CH3NO282% 8% 10% 取代基消除的难易程度取决于带正电荷基团的稳定性和产物的稳定性。上述反应中，+CH(CH3)2比较稳定，异丙基容易作为正离子消除。 32 Gattermann-Koch反应 该反应的历程一般认为，可能并不经过HCOCl，而是直接通过下式形成： 33 Gattermann反应 芳香化合物在三氯化铝或二氯化锌存在下与HCN和HCl作用，在芳环上发生甲酰化反应。反应历程： 34 用Zn(CN)2/HCl 代替HCN/HCl，以避免直接使用剧毒的HCN。Schmidt 改进法: 35 Hoesch反应 用腈和HCl使芳环酰化的反应称为Hoesch反应。 这个反应与Gattermann反应类似，只是以RCN代替HCN，故反应结果得到芳酮：机理： 36 要求电子云密度高，即苯环上一定要有2个供电子基（一元酚、胺一般不发生反应，会生成O-或N-酰化产物）; 适用于间苯二酚、间苯三酚及其相应的醚，某些杂环如吡咯也能发生反应。Hoesch反应的影响因素： 37 Reimer-Timann反应酚的碱溶液与氯仿作用，在芳环上生成醛类的反应。反应机理：适用于酚类和某些杂环衍生物的甲酰化, 甲酰基一般主要取代在羟基 的邻位. 38 Vilsmeier 反应 用-取代的甲酰胺作酰化剂，三氯氧磷催化活泼芳环、杂环化合物甲酰化的反应。反应机理： 39-氯化亚胺 反应底物主要是比苯更活泼的芳烃，如：蒽，酚，,-二取代苯胺，酚醚，吡咯等。 -取代的甲酰胺最常用的是：,-二甲基甲酰胺，-甲基-苯基甲酰胺。 40 Vilsmeier反应实例： 41 (二) 定位效应与反应活性1. 定位基和定位效应 定位基 苯环上原有的取代基对后面引入基团的亲电取代反应有两种影响-定位与速度，因此，通常将原有取代基分为：第一类定位基：第二类定位基: 42 定位效应 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 CH CH2+ E 邻 对 位 CH CH2HE CH CH2HE CH CH2HE CH CH2HE间 位 CH CH2HE CH CH2HE CH CH2HE共振式越多，正电荷分散程度越大，芳正离子越稳定。 43 定位基与反应活性的本质关系：电子效应 A：具有+C ，+I效应的基团：-O- B： +C -I效应的基团： -OR, -OH, -NR2 C: 只有+I效应的基团：-R D:+C 1 时，该位置的活泼性比苯中该位置的活泼性大, 否则比苯小。 fo k取代k苯 62 Z邻位产物的百分比 fp k取代k苯 61 Z对位产物的百分比 fm k取代k苯 62 Z间位产物的百分比 单取代苯中各位置的分速度因数： 54 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 3f k取代k苯 6y Z该位置产物的百分比 fo 1 2 63% = 43.5 623fm 1 2 3% = 2.1 623f p 1 1 34% = 46.9 623 55 如氯苯和苯甲醚进行硝化反应时，分速度因数分别为： 氯苯的三个分速度因数均小于1，卤素是致钝基团，且 fm 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。 56 (三)芳环上亲核取代反应 芳香碳原子上的原子或基团带着一对电子被亲核试剂置换的反应，叫做芳香族亲核取代反应。通式： 芳香族亲核取代反应一般条件下比较困难，以氯苯为例，分析其难以进行亲核取代反应的原因：1) 芳C为sp2，对电子吸引能力强2) P-共轭当苯环上连有-NO 3, -CN, -COR, -CF3等强吸电子基时，可以发生亲核取代反应。 57 1. 加成-消除机理决速步X = 卤素，-NO2，-OR等Nu = -OH，-NH2，RNH-，RO-实验已经证实芳负离子的存在： 深紫色的盐 58 邻、对位上有吸电子基时，可以分散负电荷增加中间体的稳定性，所以可使反应加速。 底物结构对活性的影响： ClNO2O2N NO2 Cl NO2NO2 ClNO2 ClCl NO2 59 NO2NO2NNHL NO2NO2L=Cl Br I SO2Ph p-O2NC6H5O- 由于第一步加成为决速步，因此改变离去基团对反应速度影响不大。如下述反应速度差别大致仅为五倍： 60 X- 的离去能力：I Br Cl F，但是进行芳香族亲核取代反应时，芳卤化物起反应的活性顺序为： F Cl Br I，解释其中的原因。 61 2. 消除-加成反应机理 (苯炔机理) NaNH2 NH2-Cl NH2 NH2 62 ZH HX 优先消去酸性强的质子Z H HX Z ZI优先I优先 形成苯炔时的方向选择性： 63 XZ Z Z NH3+-Z NH3+-I，NH3I，CH3Z X Z Z NH3+-NH3+Z -I，NH3I，CH3 亲核试剂加成时的方向选择性： 对于不对称的苯炔，加成的方向取决于取代基的诱导效应，形成的碳负离子中间体越稳定，反应越容易发生。NN 64 练习：写出下面的化合物在经历消除-加成反应机理时，亲核取代反应的中间体及产物的结构。 65 3. SN1 机理 芳环上的亲核取代按照SN1机理进行的很少，但是重氮盐的反应是按此机理进行的。反应历程：决速步第一步：第二步：重氮盐的生成： 66 按此机理发生的重要反应有：Sandmeyer 反应