论文：有机化学中苯环上取代反应若干问题的讨论

1 引 言

芳香族化合物的取代反应是有机化学中非常重要的组成部分。它不仅是验证化学键理论的基地，同时芳香族化合物的取代反在有机合成中也是有相当重要的应用。

芳香族化合物的取代反应机理可分为两种，其一是亲电取代反应机理，其二是亲核取代反应机理。在芳香族化合物的反应中，研究最多的是亲电取代反应。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，离去集团是那些能够在没有电子对填充其外电子层而存在的基团，亦即最弱的Lewis酸。无论是哪一种取代反应机理，芳香族化合物的取代反应机理很少是一步完成的，大多数的反应都是涉及到各种各样的反应中间体；因此对于这些中间体的研究也就是芳香族化合物取代反应机理研究的关键所在。

有关芳香族化合物取代反应机理的研究不仅具有很重要的理论意义，在实际应用中也具有相当重要的意义。他可以指导我们进行方向的预测，反应条件的合理控制等等。有关这方面的研究和应用早在几十年前已有显著的成果。近几年来更有长足的发展，例如：傅瑞德-克拉夫茨的反应、罗茨曼得-布罗恩反应的应用。不仅证明了芳香族化合物取代反应在有机合成中的重要作用，同时也给我们提出了新课题。需要化学工作者能更科学系统的研究芳香族化合物取代的机理，为它的应用开拓更为宽广的空间。

2 芳环上的亲电取代反应

在芳香族化合物的反应中，研究得最多的是亲电取代反应。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[1]，其中最常见的是质子。

2.1 芳环上亲电取代反应机理

在芳香族化合物中，研究最多的是亲电取代反应。从反应作用物来看，绝大部分芳香族亲电取代反应通过一个带正电荷的中间体完成的。在这个机理中，亲电试剂袭击芳香环，形成一个带正电荷的中间体（芳烃正离子）然后离去基团脱离芳香环。第二种芳烃亲电取代反应机理是离去基在亲电试剂未进攻前先一步离去，我们把该机理称为SE1机理。除了上述两种机理外，还有一种机理称为加成-消除机理，是在AlCl3存在的情况下卤代胺或NCl3胺化芳香族化合物时的反应机理[2]。

2.1.1 芳烃阳离子机理

在芳香族亲电取代反应的芳烃阳离子机理中，产生进攻试剂的途径是多样的，甚至可以在反应过程中实现芳正离子的形成。在不同反应条件下，同样的反应可以具有不同的进攻试剂。但是在所有情况中，芳环发生的反应基本上一样。为此，研究这个机理的最大注意力集中在围绕进攻实体的本身和它是怎样产生的[3]。在反应过程中，亲电试剂可能是阳离子或偶极子。如果进攻试剂是阳离子，则该阳离子进攻芳环，除去六隅体的电子对，形成碳正离子：

该离子是一共振杂化体，如上示中A所示，同时也可描述为B的状态，即鎓形碳正离子，这类离子叫Wheland中间体[4]、σ络合物或芳烃阳离子[5]。在形成的芳烃正离子中，环体系是环己二烯正离子。因而，芳香环∏体系的稳定化作用不复存在，而只是体系本身的共轭效应稳定化正离子。芳烃正离子一般是非常活泼的中间体，一旦形成后立即转变为稳定的生成物，但是也有个别的中间体也曾离析出来过。

芳烃正离子转变为稳定的生成物的最可能的途径是脱掉X或Y，从而恢复其方向结构，完成反应的全过程[6]。

第二步反应几乎经常比第一步反应进行的快，因而第一步反应是速度决定步骤，而且是二级反应速率。如果脱掉,则事实上没有最后的变化，但是如果脱掉，则发生了芳香族取代反应。如果是质子，则需要碱来帮助脱掉它。

如果进袭试剂不是离子，而是偶极分子，除非在反应过程中偶极分子的一部分带着电子对离开了发生反应的物质，则产品必然带有负电荷。例如：

2.1.2 SE1历程

在芳香族亲电取代反应中，按SE1（单分子亲电取代）历程进行的很少，只是在某些离去基团是以碳原子和芳香环连接的基团，或是某些在强碱存在的情况下进行的反应按SE1历程进行。这样的反应分为两步进行，形成中间体碳负离子：

例如，芳香醛在碱的催化作用下脱掉羰基形成相应的芳香烃就是按SE1历程进行的：

芳香羧酸如苯甲酸在碱的催化作用下进行的羧酸离子脱羧也是通过SE1历程进行的：

芳香羧酸如苯甲酸在碱的催化作用下进行的羧酸离子脱羧也是通过SE1历程进行的：

2.1.3 加成-消除机理

在芳香族亲电取代反应中，按加成-消除历程进行的反应，只有一种情况。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，由甲基苯形成的主要的间位取代产品。关于这种反应的历程，曾经认为：首先是对芳香环的袭击，继之以含氮的亲核试剂（这里用NH2-来表示）加成到形成的芳烃正离子，然后以形成的加成产品中消除HCl完成反应的全过程[7]。

这样，实际的亲电袭击是在对位（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。这样的历程也称为σ-取代机理[8]。

2.2 反应的定向与反应活性

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。前一种影响叫做取代基的定位效应；后一种影响致使反应进行得比母体芳香环的反应速度大的，叫致活作用；致使反应进行得比母体芳香环的速度小的，叫致钝作用。

取代基的定位效应和芳香环的致活或致钝作用与该取代基的性质，新引入取代基的性质，以及进行反应的条件（温度、催化剂、溶剂等）都有密切的联系。在不同类型的反应里，不同类型的取代基各有其特征表现。

2.2.1 一元取代苯中反应活性和定位效应

一元取代苯中的取代基如:—N(CH3)2，—NH2，—OH，—OCH3，—NHCOCH3，—OCOCH3，—CH3，—Cl，—Br，—I，—CH2COOH等在亲电试剂取代反应里，都有邻位和对位定位效应，并且它们（除卤素外）都对芳香环有致活作用。在这些取代基里唯有卤素比较特殊，它们虽然指示新的引入的集团进入邻位和对位，但是它们对芳香环有致钝作用。

另一组取代基如：—SO3H，—CHO，—COOH，—COOCH3，—H3， —(CH3)3，—NO2，—CN等，它们和芳环直接结合的原子，或是带正电荷，或是以重键和一个电负性比较强的原子结合，这些功能团在亲电试剂取代反应里，都有间位定位效应，同时对芳香环有致钝作用，因而第二个功能团的取代比较困难[9]。

必须指出的是，在一般情况下所谓邻、对位指示作用，并不是说有这种取代基反应反应绝不发生在间位，而只是说邻位和对位取代衍生物是主要产品。相似的，所谓间位指示作用，不是说反应绝不发生在邻、对位，而只是说间位取代衍生物的主要产品。

2.2.2 二元取代苯的定位效应

如果苯环上已经有两个取代基，在代入第三个取代基时，该取代基进入的位置主要决定于原有的两个取代基的性质（定位效应）及其在苯环上所在的位置的互相关系。如果两个取代基是相同的，而且相互在间位，由于它们对苯环的作用是相互一致的，因而它们相互协同地引导第三个取代基进入共同定位的位置。例如，在硝化1，3，5-三甲基苯时，硝基进入甲基的邻、对位；在硝化间二硝基苯时，硝基进入两个硝基的间位。

如果原有的两个取代基是同组的，但它们是在两个邻位或对位碳原子上，则第三个取代基服从定位作用比较强的取代基的取代基的指示作用。

如果两个原有的取代基是不同组的，而且互相在邻位或对位，它们对芳环的作用，在定位效应方面，由于分子中第一组取代基的邻、对位恰好是第二组取代基的间位，例如，在硝基苯酚里，硝基的致钝作用对于其邻位3-和5-位比较大，但对于其间位2-和6-位则影响比较小，而羟基则对其邻位2-和6-位有比较强的致活作用，因而在取代反应里，取代基进入羟基的邻位2-或6-位.在邻硝基苯酚中，硝基致钝的位置是3-和5-位，而而羟基致活的位置是4-和6-位，因而在亲电取代反应里，取代基进入羟基的邻位和对位（4-和6-位）。

如果苯环上已有一个+C的邻、对位定位基和一个—I、—C的强的间位定位基互相在间位，在亲电取代反应里，第三个取代基之间的邻位和对位上[10]。例如，在间硝基苯甲醚的硝化反应里，和在间羟基苯甲醛的氯代反应里，反应主要发生在2-位置。

又如，在间羟基苯甲醛的硝化作用里，反应发生在2-，4-和6-位置:在溴代反应里，反应发生在4-和6-位置，其中主要在6-位置[11]。

必须指出的是空间效应对亲电试剂进入的位置也有很大的影响，例如间二甲苯的2-和4-位置虽然都受到两个甲基的致活作用，但由于两个甲基的空间效应，在磺化，硝化等反应里，只仅形成或主要形成4-取代产品[12]。

又如，邻二甲苯的3-和4-位置，虽然都受到甲基的致活作用，但在3-位置受到甲基的空间效应，反应发生在4-位置。

2.3 亲电取代效应的定量关系

亲电试剂的反应能力并不全相等同。重氮离子只能和连接着强的致活基团的芳香环偶合，而硝基正离子则不仅能袭击苯环，而且也能袭击连接着强的致钝基团的芳香环。关于取代基效应和进袭基团的能力之间的关系的研究曾经有过一些报导。根据Hammett方程式：

㏒=ρσ（式中σ称为取代基常数，简称σ常数；ρ称为反应常数，简称ρ常数）

对于芳香族取代反应，用除以6,对间位取代的用k0除以2则可以对一个位置进行比较。这样处理，对于吸电子基团，结果尚好，而对于给电子基团则不适用。但是如果改进这个公式，用Brown数值来代替Hammett σ数值，就连吸电子基团也可以得到比较好的结果。和的数值是负的，则基团对相应的位置的效应是致活；数值是正的，则效应是致钝。ρ的数值取决于反应对取代基的致活或致钝作用的敏感性和亲电试剂的反应活性。ρ的数值不仅因亲电试剂的不同而互异，而且也随反应条件的不同而改变。ρ的数值是大的负数，就意味着亲电试剂的反应活性相对地低。另外，这种方法对邻位取代基则不能应用。

Brown等研究了大量的甲苯取代反应，发现它们都服从下列线性关系：

㏒㏒

其中和分别为对位和间位的分速度因子。考虑为衡量作用物选择性的尺度，则为位置选择性。选择因子可表示如下：

亦即，进袭试剂愈活泼，则它在对位和间位之间对对位的选择性愈小。如果把Hammett—Brownρ关系和log及log之间的线性关系合并在一起，则得到下列公式：

log

log

与ρ之间的关系为：

这些公式和由甲基的取代反应得到的大量的实验数据是相符合的[13]。这样的处理对于其他一些不太容易极化的取代基也是适用的，但是对于比较容易极化的基团，则这种关系有时适合，有时则不适合。

这种选择性关系不仅对某些作用物不能适合，而且对很强的亲电试剂也不能适用。这种情况可能是由于在这些强的亲电试剂的反应中，反应进行的非常快，以至虽然有致活基团，反应速度也没有明显的提高。

3 芳环上的亲核取代

芳香族化合物的基团带着一对电子被另一取代基置换，这是亲核取代反应，而且相当重要。与饱和碳上的亲核取代不同处在于芳香取代很少是一步反应，而大多数涉及不同的中间体。从合成观点，芳香重氮化合物，其中氮作为离去基团的反应最重要。

3.1 加成—消除机理的取代反应

亲核试剂首先与芳环加成，生成一种叫迈森海默(Meisen heimer)络合物的活性中间体[14]，然后从中间体中消去一个取代基而完成反应。反应的定速步骤在多数情况下为第一步，是一个双分子反应。

Z可为卤素或烷氧基等，Z的邻位或对位必须有强吸电子基，如-NO2、-CN、-COR、-CF3等[15]，使中间体的稳定性增加，有助于反应的进行。Nu∶可以是RO-、CN-、RS-、

例如：2，4，6-三硝基苯甲醚在乙醚溶液中与乙醇钠反应，迈森海默络合物活性中间体已被分离出来，是个红色的晶体。

3.2 消除一加成机理(苯炔机理)的取代反应

在正常情况下，芳基卤化物对一般的亲核试剂表现为惰性，但对既是强碱又具有亲核性的试剂则表现为活性。消除一加成机理意味着苯环先消除一个分子，形成高度不稳定的叫做“去氢苯”或苯炔的活性中间体，然后再进行亲核加成而完成的反应。产生苯炔的方法有多种，现仅以卤苯在强碱作用下消除卤化氢为例，说明芳环上亲核取代反应是如何通过消除一加成历程而进行的[16]。

这一机理的特征性为产物的取代类型，引进的亲核试剂不一定都在离去基团所在的位置，还可以在离去基团的邻位。

在苯炔分子中额外键是两个SP2杂化轨道侧面重迭而形成的，重迭程度很小，苯环上的电子云分布在环平面两侧，不与在环平面上的两个SP2重迭，因此，苯炔的稳定性很小，反应性很强，只能在低(8K)下观察其光谱，或用活性试剂截获。

3.3 重氮离子的亲核取代反应

芳香族重氮盐是合成芳香族化合物的一个重要中间体，重氮基(N2+)可被其他原子或原子团取代并放出氮气。重氮基(N2+)离去倾向特别强，故取代反应较易进行。取代机理有三种：第一种是某些反应可能是通过苯基正离子(按SN1机理)进行的，例如：重氮盐的水解生成酚的反应

反应速度与重氮盐的浓度成正比，而与亲核试剂的浓度无关，苯环间位上有供电子基时，如-OH、-OCH3、-CH3等可使反应速度加快；有吸电子时，如-COOH、-SO3H、-CI、-NO2等则使反应速度减慢。这些实验事实都与上面的历程相符合，但苯基正离

子的结构可能不象上面那样简单。第二种是与亲核试剂加成，取代产物是从加成物上消去氮，即类似加成一消除机理，

例如，重氮基被氢、氟取代：

重氮基被氢取代，次磷酸H3PO2也是一个很好的试剂，反应过程也可能生成类似的还原中间体[17]。

第三种机理是认为某些反应是通过自由基完成的。例如在铜盐存在下，-N2+被-CI和-Br取代。这就是桑德迈尔（Sandmeyer）反应[18]。

氰基取代重氮基而引入芳环，类似于上述卤素取代反应。

4 芳香族化合物取代反应在有机合成上的应用

芳香族化合物的取代反应是有机化学中非常重要的组成部分。它不仅是验证化学键理论的基地，同时芳香族化合物的取代反在有机合成中也是有相当重要的应用。

芳香族化合物的取代反应机理可分为两种，其一是亲电取代反应机理，其二是亲核取代反应机理。有关芳香族化合物取代反应机理的研究不仅具有很重要的理论意义，在实际应用中也具有相当重要的意义。它可以指导我们进行方向的预测，反应条件的合理控制等等。有关这方面的研究和应用早在几十年前已有显著的成果。近几年来更有长足的发展，例如：傅瑞德-克拉夫茨的反应、罗茨曼得-布罗恩反应的应用。不仅证明了芳香族化合物取代反应在有机合成中的重要作用，同时也给我们提出了新课题，需要化学工作者能更科学系统的研究芳香族化合物取代的机理，为它的应用开拓更为宽广的空间。

4.1芳香族化合物亲电取代反应在有机合成上的应用

芳香族化合物亲电取代反应在有机合成上有很重要的应用，如：傅瑞德-克拉夫茨的反应、罗茨曼得-布罗恩反应的应用。不仅证明了芳香族化合物取代反应在有机合成中的重要作用，同时也给我们提出了新课题，需要化学工作者能更科学系统的研究芳香族化合物取代的机理，为它的应用开拓更为宽广的空间。

4.1.1 F-C烷基化反应

芳烃的烷基化反应可以用卤代烃、烯烃、醇、醚、醛和酮等作烷基化试剂，常用的催化剂是无机酸（如H2SO4、HCl等）或Lewis酸（如无水AlCl3、BF3、FeCl3、ZnCl2、SnCl4等），该反应为芳环上的亲电取代反应。反应过程中，在形成新碳碳键的同时，也将烃基引到了芳环上。例如：

用甲醛和氯化氢作试剂，在酸催化下进行烷基化反应可以在芳环上引入氯甲基。例如：

该反应又称为氯甲基化反应。F-C烷基化反应易生成多取代产物，因为烷基是供电子基团，苯环上引入烷基后更容易进行亲电取代反应。当所有烷基化试剂的碳原子数为三个以上时，烷基往往发生异构化，这主要是碳正离子发生重排的结果。此外，当芳环上连有吸电子基团时，烷基化反应很难发生甚至不发生。

4.1.2 F-C酰基化反应

芳烃及其衍生物通过酰基化反应可以制得酮、醛、羧酸、胺等化合物，但主要用于酮和醛的合成。它在形成新碳碳键的同时，将酰基引入芳环上。

可以由羧酸及其衍生物作酰化剂，常用的酰化剂为酰卤和酸酐。例如：

酰基是第二类定位基，因此，在一般情况下只能引入一个酰基。但活性高的芳环可以生成二酰基化产物[19]。例如：

4.2 芳香族化合物亲核取代反应在有机合成中的应用

用甲酰氯作酰化剂进行F-C反应，可得到芳醛。但在常温下制备甲酰氯时，总是得到一氧化碳和氯化氢。实验证明，在三氯化铝和氯化亚铜存在下，用一氧化碳和氯化氢的混合物可以使芳烃酰化得到芳醛。例如：

亲核取代反应广泛用于醚、酯等有机物的合成[20]。反应用的亲核试剂可以是溶剂分子，如醇、羧酸等。例如卤代烃可与醇和羧酸发生溶剂解反应生成醚和酯。反应也可在碱性条件下进行，此时是负离子作亲核试剂。例如：

酚钠与卤代烃反应生成芳醚：

芳香族化合物的亲核取代反应不仅在理论研究上具有重要意义，而且在有机合成上同样得到广泛应用。从合成观点看芳香重氮化合物，其中氮作为离去集团的反应最重要，因为合成各类芳香化合物常常通过中间体——芳香重氮离子。芳香重氮离子的重要离子的重要用处是在N2作为离去集团后与强烈的亲核试剂结合，其它官能团都没有比它活泼的。用氢取代重氮基团有一定合成意义，这种变化用于芳核上需要一个硝基或氨基作为定位基团，引进新取代基后，硝基或氨基随后需要除掉。苯炔作为芳香亲核取代反应的中间体，与亲核试剂加成而得取代苯，例如与氨、水、醇等加成，得到苯胺、苯酚或苯乙醚等。由此可见，深入研究芳香族化合物的亲核取代反应的规律和特点是非常必要的，也是很有意义的。

5 结 论

芳香族化合物的取代反应是有机化学中非常重要的组成部分。它不仅是验证化学键理论的基地，同时芳香族化合物的取代反在有机合成中也是有相当重要的应用。有关芳香族化合物取代反应机理的研究不仅具有很重要的理论意义，在实际应用中也具有相当重要的意义。它可以指导我们进行方向的预测，反应条件的合理控制等等。有关这方面的研究和应用早在几十年前已有显著的成果。近几年来更有长足的发展，需要化学工作者能更科学系统的研究芳香族化合物取代的机理，为它的应用开拓更为宽广的空间。

本论文通过对芳香族有机化合物的取代反应机理的探讨，旨在对芳香族有机化合物的亲电取代反应和亲核取代反应的各种机理，取代反应的活性等进行系统的整理和归纳。为日后的学习和深造，打下坚实的理论。

由于本人学习有限，加上时间仓促对芳香族化合物的取代反应机理的探究尚不完整，深度也存在一定的匮乏。即使如此本人在查阅、搜索和整理相关的文献的过程中对有机化学的基本理论和知识有了更进一层的认识。在我自己受益颇深的同时，也敬请各位前辈、专家和同仁们提供更多的指导和建议。

6 致 谢

本人在作论文期间，得到了指导老师的细心指导，为我论文的修改提出了很多宝贵的意见。老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。她渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。在作论文期间也得到了同学的无私帮助，同时，校图书馆电子阅览室为我们提供了大量相关的参考资料，他们为我完成这篇论文也提供了很多帮助。

在此我衷心的向各位帮助过我的老师表示感谢！

7 参考文献

[1] Carry F C, Sundbery R J. Advanced Organic Chemistry. New York: Plenum Press, 1977, 1~2.

[2] 尹冬冬.有机化学.高等教育出版社.2003.4.

[3] 邓启刚,宋波. 离去基的电子效应在芳香族双分子亲核取代反应中的作用[J]. 高师理科学刊, 2003, (02).

[4] 冯娟, 罗啸, 穆云, 刘守信. NBS与取代苯的亲电反应及其应用[J]. 应用化学 , 2007, (01).

[5] 高振衡.物理有机化学.高等教育出版社.1983.12.

[6]战长友. 芳环亲电取代反应中的电子效应及其影响[J]. 广西广播电视大学学报, 2000, (02).

[7] 孙小玲. 一元取代苯邻、间、对位亲电取代反应活性的几种判据[J]. 上海应用技术学院学报(自然科学版), 2005, (04).

[8] 高振衡.物理有机化学.高等教育出版社.1983.12.

[9] 蔡凌云. 定位效应在有机合成上的应用[J]. 黔东南民族师范高等专科学校学报 , 2005, (06).
[10] 陆瑾, 齐祥明, 蒋群, 袁新华, 魏贤勇, 宗志敏. 含亚甲基芳烃的脱氢研究[J]. 中国矿业大学学报(自然科学版) , 2001,(02).

[11] 郭惠云.芳香硝基的亲核取代反应及其在有机合成上的应用.化学通报，1983（05）.
[12] 徐广智, 赖柱根, 梁德声, 沈其丰, 张建中. 取代苯中环质子的化学位移与取代基电子效应间的定量关系[J]. 科学通报 , 1982,(09).

[13] 孙占怀. 影响亲核取代反应的因素[J]. 内蒙古石油化工, 2003,(03).

[14] For a review, see Koptyug, Bull.Acad.Sci.USSR,Div.Chem.Sci.23,1031-1045(1974).

[15] 李耀先, 刘福安, 黄化民. N-取代苯甲酰氨基酸合成的新方法[J]. 吉林大学学报(理学版) , 1991,(03).

[16] 窦志宇, 刘晨光, 李先锋, 赵成吉, 钟双玲, 那辉. 以亲核取代反应制备质子交换膜用磺化聚酰亚胺[J]. 高等学校化学学报 , 2006,(03).

[17] 战长友,李淑娥.芳香族亲核取代反应与电子效应[J].山东电大学报, 2000, (01).

[18] For a review of the preparation of organic fluorides by halogen exchange, see Barbour, Belf, and Buxton. Adv. Fluorine Chem.3 , 181-270(1963).

[19] 王建功.卤代苯的芳香亲核取代反应及其反应机理的探讨[D].天津大学, 2009, (04).

[20] 李文遐,周建峰.Vicarious亲核取代反应研究进展[J].苏州大学学报(自然科学), 1995, (01).

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/780cec0a581b6bd97f19eaec.html