高等有机化学芳香族化合物亲电取代反应精选PPT.ppt
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1、高等有机化学芳香族化合物亲电取代反应第1页,此课件共65页哦苯环的离域苯环的离域轨道轨道1、芳环上的亲电取代反应、芳环上的亲电取代反应芳环上离域的芳环上离域的电子的屏蔽作用,易于发生亲电取代反应电子的屏蔽作用,易于发生亲电取代反应;只有当芳环上引入了强吸电子基团,才能发生亲核取代反应。只有当芳环上引入了强吸电子基团,才能发生亲核取代反应。亲电试剂是正离子或偶极分子中正的一端亲电试剂是正离子或偶极分子中正的一端第2页,此课件共65页哦一、一、反应机理反应机理加成消除机理加成消除机理决定反应速度的一步是决定反应速度的一步是E+进攻苯进攻苯环,环,反应结反应结果得到的是取代产物,果得到的是取代产物,
2、故称为苯环上的亲电取代反应。故称为苯环上的亲电取代反应。(electrophilicsubstitution缩写为缩写为SE)。)。第3页,此课件共65页哦 一般来说,一般来说,络合物的形成是可逆的;络合物的形成是可逆的;络合物的形成基本上是不可逆的,络合物的形成基本上是不可逆的,且通常是速度的控制步骤。且通常是速度的控制步骤。络合物络合物 络合物络合物第4页,此课件共65页哦 络合物是通过电荷转移形成的,因此也叫电荷转络合物是通过电荷转移形成的,因此也叫电荷转移络合物。移络合物。亲电试剂位于亲电试剂位于 苯环中心且垂直于苯环平面苯环中心且垂直于苯环平面的直线上的直线上第5页,此课件共65页哦
3、亲电取代反应中生成亲电取代反应中生成络合物这一事实络合物这一事实在实验中已经得到证实在实验中已经得到证实它在它在500nm 有吸收,而苯在有吸收,而苯在297nm处的吸收峰不复存在处的吸收峰不复存在在在络合物的形成中,络合物的形成中,苯和试剂通过电荷转移苯和试剂通过电荷转移而结合是非常松弛的,而结合是非常松弛的,多数情况下,络合物不多数情况下,络合物不稳定稳定,能迅速分解,各组能迅速分解,各组分之间很快达到平衡。分之间很快达到平衡。棕红色棕红色第6页,此课件共65页哦在在BF3存在下,三甲苯和氟乙烷在存在下,三甲苯和氟乙烷在80反反应,可分离出熔点为应,可分离出熔点为-15的中间体的中间体熔点
4、为熔点为15 络合物络合物第7页,此课件共65页哦二、定位效应和反应活性二、定位效应和反应活性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定定位位效效应应致活效应:活化基团使芳环的反应活性提高;致活效应:活化基团使芳环的反应活性提高;致钝效应:钝化基团使芳环的反应活性降低。致钝效应:钝化基团使芳环的反应活性降低。反反应应活活性性第8页,此课件共65页哦(一)苯环上取代反应的定位规则(一)苯环上取代反应的定位规则两类定位基两类定位基第9页,此课件共65页哦由此可见,由此可见,当一取代苯当一取代苯(C6H5Z)通过亲电取代反应引入第二个通过亲电取代反
5、应引入第二个取代基时,它所进入的位置,受第一个取代基取代基时,它所进入的位置,受第一个取代基Z的指令,由的指令,由Z决定第决定第二个取代基进入的位置。二个取代基进入的位置。Z基团可分为两类:基团可分为两类:1.第一类定位基第一类定位基(即邻对位定位基即邻对位定位基)O-、N(CH3)2NH2OHOCH3NHCOCH3OCOCH3CH3ClBrI、C6H5 等。等。第10页,此课件共65页哦b.与苯环直接相连的原子大多数都有未共用电子对,与苯环直接相连的原子大多数都有未共用电子对,且以单键与其它原子相连。如:且以单键与其它原子相连。如:c.与苯环直接相连的基团可与苯环的大与苯环直接相连的基团可与
6、苯环的大键发键发生生,超共超共轭轭效效应应或具有碳碳重键。如:或具有碳碳重键。如:这类定位基可使苯环活化这类定位基可使苯环活化(卤素除外卤素除外)。其特点为:。其特点为:a.带负电荷的离子。如:带负电荷的离子。如:第11页,此课件共65页哦2.第二类定位基(即间位定位基)第二类定位基(即间位定位基)N+(CH3)3NO2CNSO3HCHOCOOH COORCONH2+NH3等等.这类定位基它们使苯环钝化这类定位基它们使苯环钝化。其特点是:。其特点是:a.带正电荷的正离子。如:带正电荷的正离子。如:N+(CH3)3、+NH3。b.b.与苯环直接相连的原子以重键与其它原子相连与苯环直接相连的原子以
7、重键与其它原子相连,且重键末端通常且重键末端通常为电负性较强的原子。如:为电负性较强的原子。如:第12页,此课件共65页哦(二)定位规律的理论解释(二)定位规律的理论解释诱导效应诱导效应共轭效应共轭效应给电子诱导效应(给电子诱导效应(+I),),取代基上的电子通过取代基上的电子通过 键向键向苯环移动苯环移动;吸电子诱导效应(吸电子诱导效应(-I),),苯环上的电子通过苯环上的电子通过 键向取代基移动键向取代基移动。给电子共轭效应(给电子共轭效应(+C),),取代基的取代基的P电子向苯环迁移;电子向苯环迁移;吸电子共轭效应(吸电子共轭效应(-C),),苯环的苯环的电电子向取代基迁移。子向取代基迁
8、移。取代基的定位效应与取代基的诱导效应、共轭效应、超共轭效应取代基的定位效应与取代基的诱导效应、共轭效应、超共轭效应等电子效应有关。等电子效应有关。多数取代基既可共轭,也可诱导多数取代基既可共轭,也可诱导。大部分共轭和诱导的方向是。大部分共轭和诱导的方向是一致的。特例:卤素(一致的。特例:卤素(-I,+C)。第13页,此课件共65页哦类别类别性质性质 取取 代代 基基电子电子效应效应邻邻 对对 位位 取取 代代 基基致致活活致钝致钝最强最强 强强 中中 弱弱 弱弱间间 位位 取取 代代 基基致致钝钝强强最强最强+I:+I:供电诱导供电诱导;-I:;-I:吸电诱导吸电诱导;+C:;+C:供电共轭
9、供电共轭;-C:;-C:吸电共轭吸电共轭+I+C+C-I+I+C-I-C-I-I常常见见取取代代基基定定位位效效应应第14页,此课件共65页哦1.第一类定位基第一类定位基(即邻对位定位基即邻对位定位基)(1)表现为表现为+I、+C效应的基团,但这里的效应的基团,但这里的+C效应是通效应是通过过,超共轭效应使苯环致活的。如:超共轭效应使苯环致活的。如:CH3、CH2X(XF、Cl、Br、I)。致活原因(以甲苯为例):甲基具有给电子的电子效应,使苯环致活原因(以甲苯为例):甲基具有给电子的电子效应,使苯环的电子云密度增加,一方面使亲电试剂更容易进攻苯环,同时也的电子云密度增加,一方面使亲电试剂更容
10、易进攻苯环,同时也使反应过程中产生的碳正离子的电荷得以分散,所以更容易被取使反应过程中产生的碳正离子的电荷得以分散,所以更容易被取代。但由于电子效应是微弱的,所以对苯环的活泼性影响也较弱。代。但由于电子效应是微弱的,所以对苯环的活泼性影响也较弱。第15页,此课件共65页哦亲电取代主要得到邻对位产物,可以从反应中间体碳正离子亲电取代主要得到邻对位产物,可以从反应中间体碳正离子的极限式来分析,以甲苯为例:的极限式来分析,以甲苯为例:第16页,此课件共65页哦(2)具有具有I和和+C效应的基团,它又可分为:效应的基团,它又可分为:如:如:OH、OR、NR2、OCOR等。等。A.+CI的基团,综合影响
11、的结果:苯环的电子云密度的基团,综合影响的结果:苯环的电子云密度增加,使苯环活化。取代基进入邻、对位。增加,使苯环活化。取代基进入邻、对位。第17页,此课件共65页哦以苯酚为例以苯酚为例:两种极两种极限结式每个原限结式每个原子都有完整的子都有完整的外电子层结构。外电子层结构。第18页,此课件共65页哦B.+.+CI的基团,综合影响的结果:使苯环钝化,的基团,综合影响的结果:使苯环钝化,取代基进入邻、对位:取代基进入邻、对位:至钝原因(以氯苯为例):至钝原因(以氯苯为例):+CI,苯环上电子云密度降低:亲电试剂不,苯环上电子云密度降低:亲电试剂不易进攻苯环;使中间体碳正离子更不稳定,反应易进攻苯
12、环;使中间体碳正离子更不稳定,反应时过渡态势能增大。时过渡态势能增大。第19页,此课件共65页哦以氯苯为例以氯苯为例第20页,此课件共65页哦2.第二类定位基(即间位定位基)第二类定位基(即间位定位基)A:I、C效应的基团,这类基团除正离子外,均属表效应的基团,这类基团除正离子外,均属表现为现为I、C效应的基团。如:效应的基团。如:NO2、COR、COOH、CN等,等,两种效应共同使苯环钝化。两种效应共同使苯环钝化。第21页,此课件共65页哦B:表现表现I效应的基团,强吸电基团效应的基团,强吸电基团第22页,此课件共65页哦小结小结取代基对苯环活性影响以及定位影响,实则都是对苯环亲电取代取代基
13、对苯环活性影响以及定位影响,实则都是对苯环亲电取代反应速率的影响。反应速率的影响。活性影响是对整个苯环而言的,反映带不同取代基的苯环反应速率活性影响是对整个苯环而言的,反映带不同取代基的苯环反应速率的差别,活化基团使苯环的亲电反应速率比苯快,钝化基团使苯环的差别,活化基团使苯环的亲电反应速率比苯快,钝化基团使苯环的亲电反应速率比苯慢。的亲电反应速率比苯慢。定位影响是对同一苯环不同位置而言的。邻对位定位基是使同一苯环上,定位影响是对同一苯环不同位置而言的。邻对位定位基是使同一苯环上,邻对位取代速率比间位取代速率快;间定位基则是使同一苯环上,间位邻对位取代速率比间位取代速率快;间定位基则是使同一苯
14、环上,间位取代速率比邻对位取代速率快。取代速率比邻对位取代速率快。第23页,此课件共65页哦三、影响邻对位比例定位效应的因素三、影响邻对位比例定位效应的因素 结论结论:芳环上原有基团的体积增大,对位产物增多。:芳环上原有基团的体积增大,对位产物增多。含含量量含含量量空间效应空间效应 亲电试剂和苯环上原有的取代基的亲电试剂和苯环上原有的取代基的体积越大,对位产物越多:体积越大,对位产物越多:a.芳环上原有基团的空间效应芳环上原有基团的空间效应第24页,此课件共65页哦b.新引入基团的空间效应:新引入基团的空间效应:新引入基团进入芳环的位置,不仅与环上原有基团的性质和空间新引入基团进入芳环的位置,
15、不仅与环上原有基团的性质和空间位阻有关,还与新引入基团本身的体积有关。位阻有关,还与新引入基团本身的体积有关。结论结论:对位产物随新引入基团体积的增大而增多。:对位产物随新引入基团体积的增大而增多。第25页,此课件共65页哦如果芳环上原有基团与新引入基团的空间位阻都很大如果芳环上原有基团与新引入基团的空间位阻都很大时,对位产物几乎为时,对位产物几乎为100%。第26页,此课件共65页哦 I 效应随距离的增加而减弱,可以预计诱导效应对邻位的影效应随距离的增加而减弱,可以预计诱导效应对邻位的影响要比对位大:响要比对位大:+I 效应使邻位取代更为有效效应使邻位取代更为有效-I 效应使邻位的活性降低程
16、度大于对位效应使邻位的活性降低程度大于对位、电子效应、电子效应 C效应的影响表现为效应的影响表现为 +C 效应有利于对位取代效应有利于对位取代,-C 效应得到的邻效应得到的邻/对位比高对位比高。第27页,此课件共65页哦卤苯硝化产生的邻位产物比例:卤苯硝化产生的邻位产物比例:PhF PhCL PhBr PhI原因:吸电子诱导效应和场效应超过了空间效应的影响原因:吸电子诱导效应和场效应超过了空间效应的影响卤代苯的取代反应较为特殊,卤代苯的取代反应较为特殊,所有卤代苯的所有卤代苯的数据表明:对位取代占优势数据表明:对位取代占优势第28页,此课件共65页哦亲电试剂的活性亲电试剂的活性一般,亲电试剂的
17、活性越高,一般,亲电试剂的活性越高,对邻、对位的位置选择性越低:对邻、对位的位置选择性越低:第29页,此课件共65页哦、溶剂效应、溶剂效应E E+被硝基苯溶被硝基苯溶剂剂化,体化,体积积增大。增大。较较大的空大的空间间效效应应使它使它进进入入1 1位。位。19第30页,此课件共65页哦、螯合效应:、螯合效应:能够发生螯合效应的条件:能够发生螯合效应的条件:1杂原子能与试剂结合;杂原子能与试剂结合;2)所形成环为五员环或六员环。)所形成环为五员环或六员环。用用HNO3/H2SO4硝化时,邻位硝化时,邻位32%,对位,对位59%。第31页,此课件共65页哦、原位取代、原位取代(Ipso取代取代):
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