亲电取代反应

一种化学反应

亲电取代反应(electrophilic substitution D琀稀反应 ),是指化合物分子中的 原子 或原子团被亲电试剂取代的反应。最重要的亲电取代反应是苯环上的亲电取代反应芳香亲电取代反应。芳香亲电取代反应包括芳环的硝化、 卤化 、 磺化 、傅-克 基化和傅-克 基化,广泛用于 芳香族化合物 的合成 。

原理

亲电取代反应主要发生在芳香体系或富 电子 的不饱和碳上,就本质而言均是较强亲电 基团 对负电子体系进攻,取代较弱亲电基团。但对于芳香体系和脂肪体系,由于具体环境不同,其 反应机理 亦有所不同,现分述如下。

苯环上的 取代反应 (如卤代、硝化、磺化、傅-克反应等)都是亲电取代反应历程。一般认为在亲电取代反应中,首先是亲电试剂在一定条件下 离解 为具有亲电性的 阳离子 E+。接着E+进攻 苯环 ,与苯环的π电子很快形成π 配位化合物 (可以理解为一种 碳正离子 ),π络合物仍然保持苯环的结构。

紧接着π络合物中的亲电试剂E进一步与苯环的一个 碳 直接连接,形成σ络合物。σ络合物的形成是缺 电子 的亲电试剂E从苯环获得两个电子而与苯环上的碳原子结合成σ键的结果。此时,与亲电试剂E+形成σ键的这个碳原子由sp2杂化变成sp3杂化,碳环上的π电子只剩下四个,即四个π电子分布在五个碳原子上形成p-π 共轭体系 。所以碳环不再是原来的稳定的共轭体系,而是缺电子共轭体系。

脂肪体系亲电取代反应与芳香体系有较大不同,其机理更类似于脂肪族的 亲核取代 反应,一般可分为SE1和SE2,这与脂肪族亲核取代机理中的SN1和SN2类似。而 卡宾 插入反应这样先插入,再消去的历程就称为SE2。

这种缺 电子 共轭体系有失去氢 质子 而恢复原来稳定的共轭体系的趋势。所以σ 配位化合物 很快失去氢质子,与亲电试剂E+形成σ键的 碳 又由sp3杂化变成sp2杂化,恢复到了原来的稳定的 共轭体系 。

芳香亲电取代(aromatic electrophilic substitution)是芳香体系最重要的 有机反应 之一,常用于向 芳香环 系引入 官能团 ,因此研究时间较长,在机理方面已基本达成一致。

芳香系亲电取代机理一致,右图给出了 苯环 的一般历程,亲电 基团 首先与芳香环 电子 结合形成π络合物,之后再过渡到一个中间体σ络合物。最后当新基团亲电能力强于 氢离子 时,就会从芳香环上脱去氢离子完成反应。

主要反应

对于亲电取代反应,其最为主要的反应类型均在芳香体系中产生,所以这里仅仅对芳香亲电取代进行一定的举例介绍。

硝化反应

硝化反应苯环体系一个重要的反应,其常用于向体系引入硝基或利用硝基引入 氨基 等其他各种 官能团 ,有很强的泛用性,定位选择性较好,使用最多。由于硝基有较强氧化性,而有机体系本身又具有一定的还原性,硝基含量较多的体系就很容易成为良好的炸药材料,其中著名的 三硝基甲苯 、 三硝基苯酚 等就是通过硝化反应制备的。

该反应由 查尔斯·弗里德尔 和James Crafts发现于1877年,当时采用 氯化铝 等 路易斯酸 为 催化剂 ,原来特指苯上的烷基化或 酰基 化。但经过发展,现在泛指芳香体系中由 卤代烷 或 酰卤 为反应物在路易斯酸 催化 下进行的亲电取代反应。

傅克反应就反应物的不同可分为傅克-烷基化反应和傅克- 酰基化反应 ,两者均是向芳环引入碳链的方法。其中烷基化反应由于涉及 碳正离子 过程,除叔碳外均有严重的重排反应,往往得不到纯净的目标产物,所以常使用先 酰基 化再还原的过程。

卤化反应

有机化合物 分子中的氢被 卤族元素 取代的反应称为卤化反应,机理上也是亲电取代反应。该反应在药物修饰上比较常见,此外也是制备芳香系格式试剂的前驱反应。

磺化反应

有机化合物分子中的氢被 磺基 取代的反应称为磺化反应。苯及其 衍生物 几乎都可以进行这一反应,其机理也属于亲电取代反应。但是与上述三个反应不同,磺化反应在芳香体系中有比较强的可逆性,一般 浓硫酸 中发生正反应产生磺酸基;而在 硫酸 中发生逆反应脱去磺酸基,因此常用磺酸基作 保护基 使用。此外,在早期的化工过程中,该反应也是制造 苯酚 的前驱反应。

定位规则

对于芳香体系,特别是含有 苯环 的化合物在进行亲电取代反应时,在已有 取代基 的情况下,新上 基团 的位置有很强的选择性,由这一选择性总结的经验规则就叫做定位规则。

定位规则主要是基于已有取代基对苯环π 电子云 密度的影响来考虑的,简单来说即是将取代基分为邻对位取代基(orthe-para diecting group)和间位取代基(meta directing group),前者使新进入基团进入苯环邻位或者对位,而后者使新进入基团进入苯环间位。

参考资料

  1. 2024-03-15