芳环的取代反应
时间:2012-04-23 14:48:33,点击:0

 

芳环的取代反应
1 概述
芳香族化合物芳环上的取代反应,一般分为亲电和亲核取代反应两类。
1.1 亲电取代反应
在芳香族亲电取代反应中,进攻试剂是正离子或是偶极以及诱导偶极的正极一端;离去基团是那些最能够在没有电子对填充其外层电子层而存在的基团,亦即最弱的Lewis酸;其中最常见的是质子。在反应过程中离去基团脱离原来连接着它的价键电子对,离开芳环;而亲电试剂则通过这对电子对和芳环相互结合。
1.2 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称为亲核取代反应(SNAr)。
Nu ArXNuAr X
2 亲电取代反应
2.1 反应机理
在亲电芳香取代中,大多数反应以芳烃正离子机理进行,除此以外还有SE1机理和加成-消除机理。
2.1.1 芳烃正离子机理
芳烃正离子机理包括两步:第一步是亲电进攻,产生带正电荷的中间体(芳烃正离子);第二步是离去基脱去。
在芳烃正离子机理中,可以产生进攻试剂的方法是多种多样的,即使对同一个反应也常用几种不同的方法。在不同的反应条件下,同一反应可能有不同的进攻试剂,不过在所有的情况中,芳环发生的反应基本上一样。为此,研究这个机理应集中在进攻实体的本身及它是怎样产生的。
亲电试剂可以是正离子或偶极子。若是正离子,它进攻芳环,产生一个正碳离子:
该离子是一共振杂化体,如1所示,但时常被描述为2。这类离子叫Wheland中间体或σ络合物或芳烃正离子。芳烃正离子一般是非常活泼的中间体,必然要进一步反应才能稳定。此即该机理的第一步。
芳烃正离子可以用各种办法来稳定,但最可能的办法莫过于失去X+或Y+,然后芳香六隅体恢复,此即该机理的第二步:
第二步几乎总比第一步快些,所以第一步是决定速率的,同时反应又是二级反应。
如果进攻的试剂是偶极子,那么产物必然不包括偶极部分的负电荷因为在反应过程中,带着它的电子对在某处破裂了。其历程如下:
2.1.2 SE1机理
SE1机理和芳烃正离子机理正好相反。SE1机理也分两步进行:第一步是离去基团离去,形成中间体碳负离子;第二步是亲电试剂进攻。其历程可表示如下:
在芳香族亲电取代反应中,按SE1机理进行的反应很少,只是在某些离去基团是碳原子和芳香环连接的基团(如CHO),或是某些在强碱存在的情况下进行的反应按SE1机理进行。如:芳香醛在碱的催化作用下脱掉羰基形成相应的芳香烃;强碱催化的芳香族化合物的氢交换等。
SE1历程进行的反应通常是:(1)反应是一级的;(2)苯环上的吸电子取代基有利于反应的进行。
2.1.3 加成-消除机理
在芳香族亲电取代反应中,按加成-消除机理进行的反应,只有一种情况曾经见诸报导。在AlCl3存在的情况下,用卤代胺和用NCl3胺化芳香化合物,胺基进入的位置和一般情况不同。例如,由甲苯形成的主要是间位取代产品。关于这种反应的历程,曾经认为:首先是Cl对芳香环的进攻,继之以含氮的亲核试剂(对于其结构并不清楚,但是为了简便起见,用NH2来表示)加成到形成的芳烃正离子上,然后以形成的加成产品中消除HCl完成反应的全过程。
这样,实际的亲电进攻是在对位(或邻位,结果形成的产品是一样的),而胺基定位在间位是间接形成的。这样的历程叫做σ-取代历程。
2.2 定位效应和反应活性
在芳香族化合物发生取代反应时,环上的取代基对取代反应发生的位置和反应进行的速度,都有一定的影响。前一种影响叫取代基的定位效应;后一种影响致使反应进行的比母体芳香环的反应速度大的,叫致活作用;致使反应进行的比母体芳香环的反应速度小的,叫致钝作用。
2.2.1 一元取代苯中的反应活性和定位效应
当亲电取代反应发生在一基取代的苯上时,新基团可能被导入邻、间或对位,取代比用苯或许更快或许更慢。增大反应速度的基团叫活化基团,使反应速度减慢的基团叫钝化基团。某些基团主要是间位的,这些基团全是钝化的;其余主要是邻对位的,这些基团的某些也是钝化的,但大多数是活化的。各个基团的定位效应和反应活性,可以根据共振效应和场效应对中间体芳烃正离子的稳定性来作出解释。
根据以上理论,可以把基团分为三类:
1)与环相连的碳原子上,有未共享电子对的基团。属于此类的有:ONR2NHRNH2OHORNHCOROCORSR和四种卤素。这些基团是邻对位的。
2)与环相连的原子上缺少未共享电子对的基团是-I的。属于此类的基团有:(按钝化能力减少排序)NR3NO2CNSO3HCHOCORCOOHCOORCONH2CCl3NH3。这些基团是间位的。
3)连到环的原子上缺未共享电子对又是邻对位的基团。属于此类的基团为:烷基,芳基和COO基,这些都是活化苯环的,它们是邻对位的。
2.2.2 邻/对比率
当邻对位基团在芳环上时,到底形成多少邻位产物和多少对位产物,一般来说是非常难以确定的。它们之间的比例大都是由反应条件决定的,例如甲苯的氯化。影响邻/对比率的又一重要因素是位阻效应,如或环上基团或进攻基团很大,于是位阻抑制了邻位产物的形成,这样增大了对位产物的数量。
当邻对位基是带有未共享电子对的基时,还有一种以消耗邻位产物来增加对位产物的含量的效应。
在某些情况下,由于亲电试剂和指示基团之间的相互作用,因而邻/对比率很高。例如,甲基苯乙醚用五氧化二氮硝化时,邻/对比率要比用硝酸和硫酸更平常的混合酸硝化时更高。
还有,如果苯环上连接着一个场效应比较大的基团,由于场效应随着距离的加大而影响减小,因而在邻位的影响比在对位的大。在卤素中,氟的-I效应最强,因而和对位相比,氟在邻位的相对致钝作用最大,氯次之,溴再次之,碘又次之。这样,在卤代苯的亲电取代反应中,碘代苯的邻位产物应该最多,氟代苯的邻位产物应该最少。
已经证明,通过只从分子模槽对位射进的封闭的基质分子,能发生专位的对位取代。
2.2.3 超过一个取代基的苯环定位
在许多情况下已在环上的基团是互相加强的,此时往往可能预测产物的比例。然而,当这些基团定位彼此相反时,预测产物比例就非常困难了。尽管如此,还是有一些规律的:
1)如果一个强活化基团与较弱的基团或与钝化的基团发生争夺时,前者是控制的。
2)所有其他条件相同,进入的第三个基团,至少可能在两个基团之间成间位关系。这种效应与位阻有关。
3)当间位基团与邻对位基团成间位时,进入的基团主要是进入间位基团的邻位,不是在对位。这叫邻位效应。
2.2.4 其他环系定位
稠环系的位置是不等的,甚至在未取代的烃上也常有一个顶好的定位。杂环化合物的位置也不等,原理类似。当稠环系有取代基时,结合上述原理,常可作出成功的预测。在更迭烃中,在给定的位置的反应性与它的自由价成正比。
2.2.5 基质反应性的定量处理
通常,由于有几个可以离去的氢在环上的事实,因此芳香取代的定量速率研究非常复杂。因而测定各个反应的总速率并不能反映反应的全貌,这时需要的是每个位置的速率比。这样我们可以把一定基团和一定反应的分速率因数,规定未在一个位置上相对与苯的一个位置取代的速率。
如果假定取代基的效应是可以加合的,就可以用分速率因数来预测在二元或多元取代苯上形成的产品异构体的比例。
然而,取代基的影响是比较复杂的,空间效应,取代基的共轭效应都在影响进入基团的分布。因而,简单的应用分速率因数的加合来估计进入基团的分布,会与实际情况不相一致的。
另外一种办法就是用只有一个离去基团的作用物进行比较以避免由于作用物里离去基团的竞争引起的问题。使用的作用物的离去基团不是氢而是一个其他的基团就可以很容易的达到这个目的。通过这种方法,可以测定反应的总的速率比例。
2.2.6 对亲电试剂的反应性的定量处理,选择性关系
亲电试剂的反应能力并不是完全等同的。对此进行处理的最明显的方法是用Hammett方程:
但是,Hammett方程用于吸电子基团是相当成功的,用于给电子基团则失败了。若用Brown σ值来修正σ值,则可成功解释给电子基团。但这种方法对邻位取代则不能应用。
Hammett方程的修改,是Brown根据反应试剂的反应性随选择性相反变化的原理提出来的,叫选择性关系。
Brown规定反应的选择性Sf为:
其中,pfmf分别为对位和间位的分速率因数。
如果把HammettBrownσρ关系和logSf及logpfMe之间以及logSf及logmfMe之间的线性关系合并在一起,则得到下列公式:
Sf与ρ之间的关系为:
这些公式和由甲苯的取代反应得到的大量的实验数据是相符合的。同时,这样的处理对于其他一些不太容易极化的取代极也是适用的,但对于比较容易极化的基团,则这种关系有时适用,有时不适应。这种关系同样对很强的亲电试剂也不适用。
2.2.7 离去基团的效应
在大多数芳香亲电取代反应里,离去基团是H,关于其他离去基团的相对的electrofugal能力,所做工作不是很多。可是,认为离去基团的能力是下面的顺序:(1)对离去不用协助的离去基团(相对于离去基团的SN1过程):
NO2<iPrSO3<t-Bu+~ArN2+<ArCHOH+<NO+<CO2;(2)对离去需由外面亲核试剂协助的离去基团(SN2过程):Me<Cl<Br<D+~RCO+<H~I+<Me3Si+。这种顺序可以帮助人们估计形成什么样的芳烃正离子,从而得到可能发生哪一个亲电取代的概念。但是潜在的离去基团也能影响原始亲电试剂直接进攻那个位置的速度。在被氢原子以外的基团取代了的位置上的亲电进攻的分速度因数叫做:“自身所在位置的分速度因数”(ipso partial rate factors)。
3 亲核取代反应
3.1 反应机理
芳香族亲核取代反应的机理主要有四种。其中研究较多的为单分子历程(SNAr1)、双分子历程(SNAr2)和苯炔历程。另外,单分子负离子基历程(SRN1)也曾见诸报导。
3.1.1 SNAr1历程
SNAr1历程在芳香族亲核取代反应中比较少见。事实上,只有最有效的离去基团,如重氮基团,才按这样的历程进行反应:
SNAr1历程可以通过以下事实证明:
1)反应速度在重氮盐为一级,而和Nu的浓度无关;
2)加入高浓度的卤素负离子,则形成的产品为卤代芳香烃,但反应速度与加入的盐的浓度无关;
3)由苯基重氮盐形成苯酚的速度,在水中和在重水中一样;
4)芳香环上的吸电子取代基降低反应速度;而给电子取代基,在间位上提高反应速度,在对位上降低反应速度;
5)使用邻位重氢化的作用物进行反应时,同位素效应约为1.22
6)利用标记的亚硝酸和苯胺或甲苯胺作用时形成的重氮盐,可以证明反应的第一步是可逆的键断裂;
7)在重氮盐的分解作用里形成的碳正离子也可通过氢转移反应得到证明。
3.1.2 SNAr2历程
大部分发生在芳香环上的亲核取代反应都按SNAr2历程进行。该历程包括两步:
第一步:
第二步:
第一步通常是决定速率的,但也是不一定。
支持该历程的证据很多,如:反应动力学、取代基、介质效应,尤其是反应中间体的离析和鉴定。现简要介绍如下:
1)动力学 研究结果表明该反应为二级反应;
2)取代基效应 从有关实验数据可知,芳香环上的取代基对反应速度的影响是明显的;
3)离去基团   离去基团对反应的影响也表明反应是按SNAr2历程进行的;
4)溶剂效应    同样证明了反应按SNAr2历程进行;
5)碱的催化作用    同样证明了反应按SNAr2历程进行;
6)中间体的离析     芳香族亲核取代反应的中间体时常具有相当的稳定性,可以从反应混合物中离析出来。此类复合物的形成,以及它们的稳定性和它们转变为双负离子的可能性,都为SNAr2历程提供了结论性的证据。
3.1.3 苯炔历程
某些芳香族亲核取代反应的特点显然是和按SNAr1历程和SNAr2历程进行的反应不一样。这些反应发生在没有活化基团的芳香卤化物上,需要比较强的碱来催化,而且进入基团不是永远的取代阿离去基团所在的位置上。例如,114C氯苯和氨化钾作用形成两种不同的产品:
这里形成的两种产品的量几乎是相等的。
这种反应是通过消除-加成历程进行的。下面是支持这一机理的一些证据:
1)若芳基卤包括两个邻位取代基,这个反应就不能发生;
2)变位(cine)取代;
3)卤化物的反应性顺序是:Br>I>Cl>>F(反应在液NH3中与KNH2进行时)的事实,说明SNAr机理在此处是不起作用的。
3.2 反应活性
3.2.1 基质结构的影响
1)定位效应
在按SNAr2历程进行的芳香族亲核取代反应里,吸电子基团引导进入基团定位在邻位和对位。相似地,在ArX中,CF3ClBrISMe等主要是对位定位,NH2O是间位定位。
但是在绝大多数地芳香族亲核取代反应中,在分子中只有一个即将离去的离去基团,因而研究的注意力并不主要集中在定位效应上。
在通过苯炔中间体进行的反应中,有两个因素影响进入基团的位置。首先是苯炔生成的方向。当取代基在离去基团的邻位或对位时没有选择:
但是,有一个间位基团时,则苯炔可以通过两个不同的途径形成:
在这种情况下,总是脱掉酸性比较强的氢。
第二个因素是形成的苯炔有两个位置可以被进攻。有利于亲核试剂进攻的位置是导致形成比较稳定的碳负离子中间体的位置。
2)反应活性
吸电子取代基对按SNAr2历程进行的反应有致活作用,特别是在即将离去的基团的邻位和对位的吸电子取代基的致和作用更大,而给电子取代基则有致钝作用。这种情况和在芳香族亲电取代反应里的恰好相反。
        芳香环里的杂氮原子也有强的致活作用,成为季胺离子后,作用更大。研究SNAr2历程最常使用的基团是硝基。苯环没有活化基团,不适用于研究SNAr2历程。
3.2.2 离去基团的效应
在芳香族亲核取代反应中,不仅卤素、硫酸根、磺酸基、NR3可以作为离去基团,而且NO2OROArSO2RSR等也可以作为离去基团。尤其是,硝基是一个特别好的离去基团。离去基团的活泼性顺序可以大致排列为:F>NO2>OTs
>SOPh>Cl,Br,I>N3>NR3>OAr,OR,SR,SO2R,NH2。但是,这种次序主要还要看亲核试剂的性质。在卤素中,氟是比较好的离去基团。其他的卤素活性都很接近,它们的次序一般是Cl>Br>I,但并非永远如此。在SNAr2历程中的离去基团的次序和在SN1历程和SN2历程中的很不相同。这种情况似乎是由于SNAr2历程的第一步反应通常是速率决定步骤,而这步反应被强的吸电子的(具有强的—I效应的)基团所促进的,因而,在SNAr2历程里,-I效应很强的基团(如ClNO2)比较容易被置换。另外一种解释是说氟是在卤素中唯一容易形成氢键的,它和亲核试剂形成氢键,因而是一个比较好的离去基团。自然,只有在亲核试剂中有氢时才有这种可能。在反应的第二步是速度决定步骤的SNAr2历程中,和在苯炔历程中,氟是卤素中最坏的离去基团。SN1历程中,只有N2是重要的离去基团。
3.2.3 进攻的亲核试剂的效应
不同的作用物和不同的反应条件将导致不同的亲核性次序,因而不可能建立一个不变的亲核性次序,但是一个总的大致次序是:NH2>Ph3C>PhNH(芳香炔历程)>ArS>RO>R2NH>ArO>OH>ArNH2>NH3>I>Br>Cl>H2O>ROH。和脂肪族亲核取代反应一样,亲核性和碱性强度有关。当进攻的原子是周期表中同族的原子时,它们的亲核性依据它们在周期表中的位置由上而下的顺序递增。但是,也有例外;例如:OH的碱性比ArO的强,但是它是一个比较差的亲核试剂。在一系列相似的亲核试剂(如取代苯胺)中,亲核性是和碱性相互关联的。奇怪的是除个别情况外,氰负离子不能作为亲核试剂取代在芳香体系上。
4 说明
本文由参考文献1-2相关章节缩写而成。
参考文献
[1] [] J.马奇陶慎熹赵景旻《高等有机化学》,人民教育出版社,1982.
[2]高振衡《物理有机化学》,高等教育出版社,1983.
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