第三章芳香性和芳香化合物的取代精选文档.ppt

第三章芳香性和芳香化合物的取代本讲稿第一页，共六十五页教学目的与要求教学目的与要求1、掌握芳香性的基本概念和休克尔规则、掌握芳香性的基本概念和休克尔规则;2、能运用休克尔规则判断环状化合物的芳香性；、能运用休克尔规则判断环状化合物的芳香性；3、掌握亲电取代反应机理和定位效应、掌握亲电取代反应机理和定位效应本讲稿第二页，共六十五页3-1芳香性芳香性(Aromaticity)一、芳香性概念一、芳香性概念1.分子高度不饱和（分子高度不饱和（C/H比值很高）比值很高）2.键长平均化键长平均化3.分子平面化分子平面化4.化学性质反常化学性质反常难加成难加成难氧化难氧化易亲电取代易亲电取代本讲稿第三页，共六十五页芳芳香香性性（aromaticity）：易易发发生生取取代代反反应应，难难发发生生加加成成和和氧氧化化反反应应，环环具具有特殊稳定性不易破裂。有特殊稳定性不易破裂。芳香烃：芳香烃：具有芳香性的碳氢化合物具有芳香性的碳氢化合物。本讲稿第四页，共六十五页形成了一个闭合的形成了一个闭合的-共轭体系，高度对称均共轭体系，高度对称均匀，环上没有单键和双键的区别，键长完全平均匀，环上没有单键和双键的区别，键长完全平均化。化。苯的结构苯的结构本讲稿第五页，共六十五页 共振论共振论 苯苯的的真真实实结结构构式式是是两两个个苯苯的的共共振振式式产产生生的杂化体。的杂化体。本讲稿第六页，共六十五页苯的分子模型苯的表示法：苯的表示法：本讲稿第七页，共六十五页非苯芳烃非苯芳烃环丙烯正离子环丙烯正离子环戊二烯负离子环戊二烯负离子性质特点性质特点：环稳定，易取代，难氧化和：环稳定，易取代，难氧化和加成（具有芳香性）加成（具有芳香性）。无苯环，具有芳。无苯环，具有芳香性的化合物称为香性的化合物称为非苯芳香烃非苯芳香烃。本讲稿第八页，共六十五页二、二、4n+24n+2规则（规则（Huckel(Huckel(休克尔休克尔)规则）规则）19301930年年,德国化学家德国化学家Huckel(Huckel(休克尔休克尔)提出判断环状化提出判断环状化合物是否具有芳香性的规则：合物是否具有芳香性的规则：在具有平面的环状共轭体系中，当在具有平面的环状共轭体系中，当电子数为电子数为（、（、.）时均具有芳香）时均具有芳香性。性。即必须同时符合以下三个条件：即必须同时符合以下三个条件：环状共轭体系环状共轭体系 环共平面性环共平面性 环内有环内有+个电子。个电子。本讲稿第九页，共六十五页 电子数电子数 41+2=6不符合不符合+，不具芳香性，不具芳香性本讲稿第十页，共六十五页环丙烯正碳离子具有芳香性环丙烯正碳离子具有芳香性环戊二烯负离子，环戊二烯负离子，电子数，有芳香性。电子数，有芳香性。本讲稿第十一页，共六十五页芳香性的判断芳香性的判断电子数：电子数：4466 芳香性：芳香性：无无无无有有有有电子数：电子数：8810芳香性：芳香性：无无无无有有本讲稿第十二页，共六十五页 奥奥(azulene)又又称称蓝蓝烃烃，是是一一个个天天蓝蓝色色的的稳稳定定化化合合物物，具具有有平平面面结结构构，电电子子数数为为10,符符合合4n+2(n=2)规规则则,它它是是一一个个非非苯苯芳芳香香烃烃典典型型例例子子。容容易易发发生生亲亲电电取取代代反反应应（3位位），几几乎乎不不发发生生加加成成反反应应,奥奥具具有有芳芳香香性性，有有抗抗菌菌、镇痛作用。镇痛作用。本讲稿第十三页，共六十五页轮烯：轮烯：18轮烯轮烯 有芳香性；有芳香性；10轮烯轮烯 因环内两个氢原子的相互排斥使整个分子因环内两个氢原子的相互排斥使整个分子不共平面，因而不共平面，因而无芳香性；无芳香性；1,6桥代桥代 10轮烯轮烯 亚甲基取代了亚甲基取代了 中两个氢原子，中两个氢原子，消除了斥力，消除了斥力，有芳香性；有芳香性；12轮烯双负离子轮烯双负离子 有芳香性。有芳香性。本讲稿第十四页，共六十五页思考题：思考题：1、判断下列体系有无芳香性、判断下列体系有无芳香性第一组：第一组：无无无无无无有有本讲稿第十五页，共六十五页第二组第二组无无本讲稿第十六页，共六十五页3.2 3.2 苯的亲电取代反应苯的亲电取代反应卤代反应卤代反应硝化反应硝化反应磺化反应磺化反应烷基化和酰基化反应烷基化和酰基化反应本讲稿第十七页，共六十五页亲电取代反应历程亲电取代反应历程本讲稿第十八页，共六十五页本讲稿第十九页，共六十五页亲电取代能量曲线：亲电取代能量曲线：本讲稿第二十页，共六十五页1）卤代反应）卤代反应(halogenation)+Br2FeBr3Br+HBr卤素的活性次序是：氟卤素的活性次序是：氟 氯氯 溴溴 碘碘卤代反应除少数活泼的苯环（如苯酚）外，都卤代反应除少数活泼的苯环（如苯酚）外，都需要催化剂。需要催化剂。本讲稿第二十一页，共六十五页催化剂的作用是什么？催化剂的作用是什么？因为卤素本身活性不足以进攻苯环。催化因为卤素本身活性不足以进攻苯环。催化剂能使卤素转变为更强的亲电试剂：剂能使卤素转变为更强的亲电试剂：本讲稿第二十二页，共六十五页卤代反应机理卤代反应机理为什么不发生亲电加成反应？为什么不发生亲电加成反应？本讲稿第二十三页，共六十五页2）硝化反应）硝化反应(nitration)常用浓硝酸和浓硫酸的混合物（混酸）为常用浓硝酸和浓硫酸的混合物（混酸）为硝化试剂硝化试剂。它们通过路易斯酸碱反应，产生亲电试剂，氮作为它们通过路易斯酸碱反应，产生亲电试剂，氮作为进攻原子：进攻原子：本讲稿第二十四页，共六十五页3）磺化反应）磺化反应(solfonation)磺化反应是可逆的。苯磺酸与稀酸一起加热又磺化反应是可逆的。苯磺酸与稀酸一起加热又返回苯和硫酸返回苯和硫酸本讲稿第二十五页，共六十五页磺化反应的亲电试剂为：磺化反应的亲电试剂为：SO3本讲稿第二十六页，共六十五页磺化反应的应用：磺化反应的应用：（1 1）反应可逆，所以，在有机合成中可借用其反应可逆，所以，在有机合成中可借用其定位引入其他基团。定位引入其他基团。例如例如:用甲苯制备邻氯甲苯用甲苯制备邻氯甲苯（2 2）苯蟥酸是强酸，水溶性好，常将一些难溶）苯蟥酸是强酸，水溶性好，常将一些难溶于水的含苯环的药物引入于水的含苯环的药物引入-SO-SO3 3H H，达到使用目的。，达到使用目的。本讲稿第二十七页，共六十五页4）Fridel-Crafts（傅傅-克克）反应）反应+R-ClAllCl3R苯环上有强吸电子基团（苯环上有强吸电子基团（如如-NO2,-SO3H,-CN,-COR 等等）时，反应不能发生。）时，反应不能发生。A、烷基化、烷基化本讲稿第二十八页，共六十五页反应机理也是亲电取代反应。首先在催化剂反应机理也是亲电取代反应。首先在催化剂作用下产生烷基正碳离子，然后进攻苯环作用下产生烷基正碳离子，然后进攻苯环生成烷基苯：生成烷基苯：本讲稿第二十九页，共六十五页F-C烷基化的应用：合成烷基苯烷基化的应用：合成烷基苯注意：常用三个碳以下的伯卤代烷作烷注意：常用三个碳以下的伯卤代烷作烷基化试剂。基化试剂。本讲稿第三十页，共六十五页B B、酰基化、酰基化酰卤或酸酐在路易斯酸催化下先生成酰基正碳酰卤或酸酐在路易斯酸催化下先生成酰基正碳离子，然后由它们作为亲电试剂进攻苯环，产离子，然后由它们作为亲电试剂进攻苯环，产生芳酮。生芳酮。常用的酰化剂：酰卤和酸酐常用的酰化剂：酰卤和酸酐本讲稿第三十一页，共六十五页注意：注意：芳环上有钝化基团（如硝基苯）时，不芳环上有钝化基团（如硝基苯）时，不能发生傅能发生傅-克反应，所以，硝基苯常作为此克反应，所以，硝基苯常作为此反应的溶剂。反应的溶剂。本讲稿第三十二页，共六十五页2 2、苯环取代的定位效应、苯环取代的定位效应当苯环上已有一个取代基，再进行亲电取当苯环上已有一个取代基，再进行亲电取代反应时，代反应时，第二取代基的取代位置由苯环第二取代基的取代位置由苯环上原取代基所决定上原取代基所决定，而与第二取代基的性，而与第二取代基的性质无关，这种效应称为质无关，这种效应称为定位效应定位效应。苯环上原有的取代基称为苯环上原有的取代基称为定位基定位基。本讲稿第三十三页，共六十五页1）定位规律）定位规律本讲稿第三十四页，共六十五页甲苯和硝基苯的硝化甲苯和硝基苯的硝化甲基致活，特别邻对位甲基致活，特别邻对位本讲稿第三十五页，共六十五页硝基致钝，特别邻对位硝基致钝，特别邻对位本讲稿第三十六页，共六十五页-NH2、-NR2,-OH,强烈活化强烈活化-OR,NHCOR,-OCOR,中等活化中等活化-CH3(-R),-Ar,弱活化弱活化-X(Cl,Br,I)弱钝化弱钝化邻、对位定位基邻、对位定位基 本讲稿第三十七页，共六十五页邻、对位定位基的特点：邻、对位定位基的特点：与苯直接相连的原子不含有双键和叁键，与苯直接相连的原子不含有双键和叁键，大多有孤电子对。大多有孤电子对。邻、对位取代基都能使苯环活化（卤邻、对位取代基都能使苯环活化（卤素除外）使取代反应易进行。素除外）使取代反应易进行。本讲稿第三十八页，共六十五页间位定位基间位定位基强烈钝化强烈钝化中等钝化中等钝化 较弱钝化较弱钝化 本讲稿第三十九页，共六十五页间位定位基的特点：间位定位基的特点：与苯环相连的原子带有正电荷、或含与苯环相连的原子带有正电荷、或含有双键、叁键。有双键、叁键。这些基团能使苯环钝化、亲电取代比这些基团能使苯环钝化、亲电取代比苯难。苯难。本讲稿第四十页，共六十五页练习题：练习题：1 1 1 1、比较比较 和和 的定的定位效应位效应本讲稿第四十一页，共六十五页2、比较下列化合物亲电取代反应活性、比较下列化合物亲电取代反应活性环上亲电取代活性：环上亲电取代活性：43251本讲稿第四十二页，共六十五页2）定位效应的解释和应用）定位效应的解释和应用共振论的解释共振论的解释本讲稿第四十三页，共六十五页芳芳环上取代基对于环上取代基对于E+进入芳环位置的影响。进入芳环位置的影响。第一类定位基邻对位定位基第一类定位基邻对位定位基第二类定位基间位定位基第二类定位基间位定位基共振式越多，正电荷分散程度越大，芳正离子越稳定。共振式越多，正电荷分散程度越大，芳正离子越稳定。本讲稿第四十四页，共六十五页甲苯的硝化甲苯的硝化本讲稿第四十五页，共六十五页苯酚的硝化苯酚的硝化本讲稿第四十六页，共六十五页硝基苯的硝化硝基苯的硝化本讲稿第四十七页，共六十五页若若Z为邻、对位定位基，中间体为邻、对位定位基，中间体a、c比比b稳定；稳定；若若Z为间位定位基，中间体为间位定位基，中间体b比比a、c稳定。稳定。本讲稿第四十八页，共六十五页卤苯的亲电取代卤苯的亲电取代 卤原子的电负性比卤原子的电负性比-NH2、-OH大，强烈的大，强烈的-I效应效应使其取代反应比苯难，但取代在邻、对位比在间位要使其取代反应比苯难，但取代在邻、对位比在间位要相对容易一些。因取代在邻、对位的中间体都有一个相对容易一些。因取代在邻、对位的中间体都有一个特别稳定的共振式。特别稳定的共振式。本讲稿第四十九页，共六十五页电子效应解释电子效应解释例例1：甲苯：甲苯活化苯环，尤其邻、对位活化苯环，尤其邻、对位 本讲稿第五十页，共六十五页甲苯环碳上电子云分布甲苯环碳上电子云分布甲基使苯环上的甲基使苯环上的邻位和对位电子邻位和对位电子云密度增加。云密度增加。本讲稿第五十一页，共六十五页例例2：苯酚：苯酚活化苯环，尤其邻、对位 本讲稿第五十二页，共六十五页例例3 3：硝基苯硝基苯钝化苯环，尤其邻、对位钝化苯环，尤其邻、对位本讲稿第五十三页，共六十五页硝基苯的电子云密度分布硝基苯的电子云密度分布苯环上的电子云密度普遍降低，其中苯环上的电子云密度普遍降低，其中间间位降低的程度小一些位降低的程度小一些，取代反应主要发，取代反应主要发生在电子云密度相对较高的间位。生在电子云密度相对较高的间位。本讲稿第五十四页，共六十五页（3）、二取代苯亲电取代反应的定位规律）、二取代苯亲电取代反应的定位规律苯的多元取代基的定位效应苯的多元取代基的定位效应,从实验数据归纳起来从实验数据归纳起来有以下规律有以下规律:（1）活化基团的作用超过钝化基团）活化基团的作用超过钝化基团;（2）取代基的作用具有加和性）取代基的作用具有加和性;（3）强活化基团的作用超过弱活化基团；）强活化基团的作用超过弱活化基团；（4）第三取代基一般不进入）第三取代基一般不进入1,3-取代苯的取代苯的2位；位；（5）若两个基团的定位能力接近时，则得到混合）若两个基团的定位能力接近时，则得到混合物。物。本讲稿第五十五页，共六十五页例如：本讲稿第五十六页，共六十五页实例：实例：本讲稿第五十七页，共六十五页第三取代基一般不进入第三取代基一般不进入1,3取代的取代的2位位两个取代基的影响接近时，往往得到混合两个取代基的影响接近时，往往得到混合产物。产物。本讲稿第五十八页，共六十五页练习：练习：判断第三个基团进入的位置判断第三个基团进入的位置本讲稿第五十九页，共六十五页完成下列反应式完成下列反应式本讲稿第六十页，共六十五页（4）、定位规律的应用）、定位规律的应用先硝化后溴代先硝化后溴代例例1：由苯合成间硝基溴苯由苯合成间硝基溴苯本讲稿第六十一页，共六十五页思考：若合成邻或对硝基溴苯呢？思考：若合成邻或对硝基溴苯呢？应先溴化后硝化应先溴化后硝化本讲稿第六十二页，共六十五页例例2.2.由苯合成由苯合成本讲稿第六十三页，共六十五页例例3：由甲苯制备邻氯甲苯：由甲苯制备邻氯甲苯：利用磺化反应的可逆性，保护对位，最利用磺化反应的可逆性，保护对位，最后用稀盐酸或稀硫酸将磺酸基除去。后用稀盐酸或稀硫酸将磺酸基除去。本讲稿第六十四页，共六十五页3、下列反应中，、下列反应中，-NHCOCH3显示为间位定位基，为什么（显示为间位定位基，为什么（5分）分）课堂测试课堂测试1将下列式子改写为标准的将下列式子改写为标准的Fischer投影式，并指出它们的相互关投影式，并指出它们的相互关系（同一物、对映体、非对映体）（系（同一物、对映体、非对映体）（5分）分）本讲稿第六十五页，共六十五页