取代反應
芳香族化合物芳核上的取代反應從機理上講包括親電、親核以及自由基取代三種類(lèi)型。所謂芳香親電取代(aromatic electrophilic substitution)是指親電試劑取代芳核上的氫。苯的親電取代稱(chēng)為苯的一元素電取代,一元取代苯再在苯環(huán)上發(fā)生親電取代稱(chēng)為苯的二元親電取代。典型的芳香親電取代有苯環(huán)的硝化、鹵化、磺化、烷基化和酰基化。這些反應的反應機理大體是相似的。
有機化合物分子中的氫被硝基(—NO2)取代的反應稱(chēng)為硝化反應。苯在濃硝酸和濃硫酸的混合酸作用下,能發(fā)生硝化反應,反應的結果是苯環(huán)上的氫被硝基取代。 芳香族化合物的硝化反應是一個(gè)十分有用的取代反應。例如:苯甲醛的硝化產(chǎn)物間硝基苯甲醛是生產(chǎn)強心急救藥阿拉明的重要原料。 因為醛基易氧化,因此反應必須在低溫(0℃)進(jìn)行,操作時(shí),先在濃硫酸中加入少量發(fā)煙硝酸,冷卻至0℃,然后慢慢滴加苯甲醛和發(fā)煙硝酸,反應完成后,立即將產(chǎn)物傾倒在冰中。許多硝基化合物是炸藥。廣泛使用的強烈炸藥TNT是2,4,6-三硝基甲苯,它是甲苯經(jīng)分階段硝化制備的,即三個(gè)硝基是在多次硝化反應中逐步引入的。 三次硝化的硝化試劑(即混合酸)濃度逐漸增高,在生產(chǎn)中,為節約成本,可把第三階段硝化后的混合酸用于第二階段硝化,第二階段硝化后的混合酸用于第一階段硝化。如果需要得到中間產(chǎn)物,反應可以在第一階段或第二階段中止,鄰硝基甲苯和對硝基甲苯可以通過(guò)減壓蒸餾或重結品分離提純而分別獲得,2,4二硝基甲苯也能通過(guò)重結晶提純得到。 一元取代苯進(jìn)行二元硝化時(shí),已有的基團對后進(jìn)入基團進(jìn)入苯環(huán)的位置產(chǎn)生制約作用,這種制約作用即為取代基的定位效應(directing effect)。取代基的定位效應是與取代基的誘導效應、共軛效應、超共軛效應等電子效應有關(guān)的。 1.取代基的誘導效應和共軛效應
誘導效應與原子的電負性有關(guān)。比碳電負性強的原子或基團能使苯環(huán)上的電子通過(guò)σ鍵向取代基移動(dòng),即具有吸電子的誘導效應。電負性比碳弱的原子或基團使取代基上的電子通過(guò)σ鍵向苯環(huán)移動(dòng),即具有給電子的誘導效應。 共軛效應是取代基的σ(或π)軌道上的電子云與苯環(huán)碳原子的p軌道上的電子云互相重疊,從而使σ(或π)電子發(fā)生較大范圍的離域引起的,離域的結果如使取代基的σ電子向苯環(huán)遷移則發(fā)生了給電子的共軛效應,如使苯環(huán)上的π電子向取代基遷移則發(fā)生了吸電子的共軛效應。產(chǎn)生給電子共軛效應的取代基有: —NR2>—OR>—F,—O->—OR,—F>—Cl>—Br>—I
絕大多數取代基既可與苯環(huán)發(fā)生誘導效應,也可發(fā)生共軛效應,最終的表現是兩者綜合的結果。大部分取代基的誘導效應與共軛效應方向是一致的,但有的原子或基團的誘導效應與共軛效應方向不一致。例如,鹵素的電負性比較大,它具有吸電子誘導效應,鹵苯的鹵原子的p軌道與苯環(huán)碳上的p軌道平行重疊,鹵原子的孤電子對離域到苯環(huán)上,發(fā)生給電子的共軛效應,但總的結果是吸電子的誘導效應大于給電子的共軛效應,因此鹵素是吸電子基,它使苯環(huán)的電子云密度降低。取代基的綜合電子效應可以從取代苯的偶極矩大小和方向上表現出來(lái)。 在烷基苯中,烷基與苯環(huán)不發(fā)生共軛作用,但烷基的C-H中σ電子與苯的π電子能發(fā)生σ-π超共軛作用,烷基的超共軛作用有微弱的給電子能力。
硝基苯硝化的反應式及實(shí)驗數據如下所示:
將上面的式子與苯的硝化對比,可以得出下述結論:
(1)硝基苯比苯難硝化得多,需要用比較強的條件,例如提高反應溫度、增加酸的濃度等來(lái)實(shí)現。
(2)硝基苯硝化時(shí),主要得到間位產(chǎn)物,鄰、對位產(chǎn)物極少。
硝基苯比苯難硝化的原因是:苯環(huán)的硝化是一個(gè)親電取代反應,硝化反應的機理表明:整個(gè)反應的關(guān)鍵一步是硝基正離子進(jìn)攻苯環(huán)形成中間體碳正離子。在硝基苯中,因氧、氮的電負性均大于碳,因此硝基有吸電子的誘導效應,叉因為硝基的π軌道與苯環(huán)的離域π軌道形成一個(gè)π-π共軛體系,使苯環(huán)的π電子云也向硝基遷移,所以硝基是一個(gè)具有強吸電子誘導效應和吸電子共軛效應的取代基。它使苯環(huán)的電子云密度有較大程度的下降,這一方面增加了硝基正離子進(jìn)攻苯環(huán)的難度,同時(shí)也降低了反應過(guò)程中產(chǎn)生的中間體碳正離子的穩定性,所以硝基苯比苯難硝化。 3.甲苯的硝化反應
甲苯硝化的反應式及實(shí)驗數據如下所示:
甲苯+濃硝酸+濃硫酸—30℃—>鄰硝基甲苯(58%)+對硝基甲苯(38%)+間硝基甲苯(4%) 實(shí)驗結果表明:①甲苯比苯容易硝化;②甲苯硝化時(shí),主要得到鄰位和對位產(chǎn)物。
甲苯比苯容易硝化的原因是:甲基具有微弱的給電子超共軛效應,這種超共軛效應使苯環(huán)上的電子云密度有所增加,這一方面使硝基正離子更容易進(jìn)攻苯環(huán),同時(shí)也使反應過(guò)程中產(chǎn)生的中間體碳正離子的電荷得到分散而穩定。所以甲苯比苯更易硝化。但甲基的給電子能力是很弱的,因此它對苯環(huán)的活潑性影響較弱。
氯苯硝化的反應式及實(shí)驗數據如下所示:
氯苯+濃硫酸+濃硝酸—60~70℃—>鄰氯硝基苯(30%)+對氯硝基苯(70%)+間氯硝基苯(極微量) 實(shí)驗結果表明:①氯苯比苯難以硝化;②氯苯硝化時(shí)主要得到鄰、對位取代產(chǎn)物。
氯苯比苯難以硝化的原因是:氯原子的吸電子誘導效應比給電子共軛效應大,總的結果使苯環(huán)上的電子云密度降低,這一方面使硝基正離子不易進(jìn)攻苯環(huán),另一方面使反應過(guò)程中產(chǎn)生的中間體碳正離子更不穩定,反應時(shí)過(guò)渡態(tài)勢能增大,所以氯苯比苯難硝化。
有機化合物分子中的氫被鹵素(-X)取代的反應稱(chēng)為鹵化反應。苯在Lewis酸如三氯化鐵、三氯化鋁等的催化作用下能與氯或溴發(fā)生苯環(huán)上的鹵化反應生成氯苯或溴苯。 鐵粉與氯氣或溴反應可生成三氯化鐵或三溴化鐵,因此也可以用鐵粉代替三氯化鐵、三溴化鐵做催化劑。反應時(shí),首先是鹵素與苯形成π絡(luò )合物,光譜和X射線(xiàn)衍射法都已證明了π絡(luò )合物的存在。在形成π絡(luò )合物時(shí),氯分子的鍵沒(méi)有異裂,然后在缺電子的Lewis酸的作用下,氯分子鍵極化,進(jìn)而發(fā)生鍵的異裂,生成活性中間體碳正離子,然后失去氫生成氯苯。 苯的溴化也可直接進(jìn)行,但速率很慢。
鹵素由于活潑性不同,發(fā)生鹵化反應時(shí),反應性也不同。最大的差別是氟太活潑,不宜與苯直接反應,因直接反應時(shí),只生成非芳香性的氟化物與焦油的混合物。大量的苯在四氯化碳溶液中,與含有催化量氟化氫的二氟化氙反應,可制得產(chǎn)率為68%的氟苯。 碘很不活潑,只有在HNO3等氧化劑的作用下才能與苯發(fā)生碘化反應,氧化劑可以將反應產(chǎn)生的HI氧化成碘而有利于反應進(jìn)行。 羥基是一個(gè)強的活化基團,這從下面的實(shí)驗事實(shí)可以看出:在盛有少量苯酚( phenol)溶液的試管里滴加過(guò)量的濃溴水,很快就有三溴苯酚的白色沉淀產(chǎn)生。這個(gè)反應可用來(lái)鑒別苯酚。 因此制備一溴苯酚通常要在惰性溶劑中進(jìn)行,惰性溶劑在這里起稀釋作用,使反應易于控制在一元階段。例如對溴苯酚通常是在二硫化碳溶劑中進(jìn)行的。 制備對溴苯胺一般都先將苯胺乙酰化,這一方面可以降低氨基對苯環(huán)的活化能力,同時(shí)因乙酰氨基的空間位阻較大,可以阻止后進(jìn)入基團進(jìn)入氨基的鄰位,而得到對位產(chǎn)物,反應完成后,乙酰基可以水解除去。 在光或能產(chǎn)生自由基的物質(zhì)的作用下,甲苯的鹵化不發(fā)生在芳環(huán)上而是在側鏈上,甲苯的三個(gè)氫可以被逐個(gè)取代,反應機理與丙烯中的σ氫鹵化一樣,是自由基型的取代反應。 如果是較長(cháng)的側鏈,鹵化反應也可以在別的位置發(fā)生,但是σ位的選擇性最高,這是因為苯甲型自由基最穩定的緣故。 有機化合物分子中的氫被磺(酸)基(-SO3H)取代的反應稱(chēng)為磺化(sulfonation)反應,苯及其衍生物幾乎都可以進(jìn)行磺化反應,生成苯磺酸或取代苯磺酸。 傅—克反應
Friedel(傅瑞德?tīng)?- Crafts(克拉夫茲)反應,簡(jiǎn)稱(chēng)傅一克反應。有機化合物分子中的氫被烷基(-R)取代的反應稱(chēng)為烷基化反應,被酰基取代的反應稱(chēng)為酰基化反應。苯環(huán)上的烷基化反應和酰基化反應統稱(chēng)為傅克反應。 1.傅—克烷基化反應
傅一克烷基化反應(Friedel-Crafts alkylation)的反應機理與磺化、硝化類(lèi)似,首先在催化劑的作用下產(chǎn)生烷基碳正離子,它作為親電試劑向苯環(huán)進(jìn)攻,形成碳正離子,然后失去一個(gè)質(zhì)子生成烷基苯。 鹵代烷、烯烴、醇、環(huán)氧乙烷等在適當催化劑的作用下都能產(chǎn)生烷基碳正離子,鹵代烷、烯烴、醇是常用的烷基化試劑。最初用的催化劑是三氯化鋁,后經(jīng)證明,許多Lewis酸同樣可以起催化作用。 2.傅一克酰基化反應
傅一克酰基化反應(Friedel-Crafts acylation)的反應機理和烷基化是類(lèi)似的,也是在催化劑的作用下,首先生成酰基正離子,然后和芳環(huán)發(fā)生親電取代。 常用的催化劑是三氯化鋁。由于A(yíng)lCl3能與羰基絡(luò )合,因此酰化反應的催化劑用量比烷基化反應多,含一個(gè)羰基的酰鹵為酰化試劑時(shí),催化劑用量要多于1 mol反應時(shí),酰鹵先與催化劑生成絡(luò )合物,少許過(guò)量的催化劑再發(fā)生催化作用使反應進(jìn)行。如用含兩個(gè)羰基的酸酐為酰化試劑,因同樣原因,催化劑用量要多于2 mol。 1.氯甲基化反應
氯化芐(henzyl chloride)也稱(chēng)為芐氯,可通過(guò)苯與甲醛、氯化氫在無(wú)水氯化鋅作用下反應制得,此反應稱(chēng)為氯甲基化( chloromethylation)反應。芐氯上的氯十分活潑,可以轉化為各種有用的化合物。 2.Gattermann—Koch反應
在Lewis酸及加壓情況下,芳香化合物與等物質(zhì)的量的一氧化碳和氯化氫的混合氣體發(fā)生作用可以生成相應的芳香醛。在實(shí)驗室中則用加入氯化亞銅來(lái)代替工業(yè)生產(chǎn)的加壓方法。因氯化亞銅可與一氧化碳絡(luò )合,使之活性增高而易于發(fā)生反應。 電取代經(jīng)驗規律
苯的多元親電取代是指二元取代苯或含有更多取代基的苯衍生物進(jìn)行親電取代反應,其中最簡(jiǎn)單的是二元取代苯的進(jìn)一步取代。和苯的二元取代一樣,苯環(huán)上已有的取代基對新進(jìn)入苯環(huán)的取代基也有定位作用。二元或多元取代苯的定位問(wèn)題比一元取代苯復雜。總的來(lái)說(shuō),最終反映出來(lái)的定位作用實(shí)際上是苯環(huán)上已有取代基的綜合作用,若已有取代基的定位作用一致,則它們的作用可以互相加強。
兩個(gè)取代基中間的位置一般不易進(jìn)入新基團。
當已有取代基的定位作用不一致時(shí),可參照下列經(jīng)驗規則:
(1)多數情況下,活化基團的作用超過(guò)鈍化基團的作用。
(2)強活化基團的影響比弱活化基團的影響大。
(3)兩個(gè)基團的定位能力沒(méi)有太大差別時(shí),主要得到混合物。
巧妙地利用取代基的定位效應,合理地確定取代基進(jìn)入苯環(huán)的先后次序可以有效地合成芳香族化合物。例如,由苯合成鄰硝基氯苯要先氯化后硝化,而合成間硝基氧苯則要先硝化而后氯化。又如,用甲苯制備3-硝基-5-溴苯甲酸時(shí),因為三個(gè)取代基互為間位,因此要優(yōu)先引入間位定位基,即要先氧化,再硝化,最后溴化。而用甲苯制備2,4一二硝基苯甲酸,則要先硝化再氧化。 除取代基的定位效應外,反應溫度、溶劑、催化劑、新進(jìn)入取代基的極性、體積等眾多因素對取代基進(jìn)入苯環(huán)的位置也都有影響。例如,甲苯在不同溫度下進(jìn)行磺化,所得產(chǎn)物中各異構體的產(chǎn)率如下所示:
又如溴苯分別用三氯化鋁和三氯化鐵做催化劑進(jìn)行溴化,所得異構體的產(chǎn)率分別為:
再如溴苯氯化,產(chǎn)物中鄰、對、間位異構體分別為:42%,51%.7%;隨著(zhù)進(jìn)入基團體積的增大,鄰位異構體產(chǎn)量減少,對位異構體增多,這主要是空間效應的結果。因此在進(jìn)行反應和合成時(shí),要全面考慮問(wèn)題。