4取代反应历程
有机反应历程（四）
4．芳环上的取代反应
（1）亲电取代反应
芳环为大π体系，电子云密度丰富，极易进行亲电取代反应。反应历程是：
①亲电试剂E+
可取代有致钝基团的芳环；
中等亲电试剂：R3C+，RCH2X—FeX3， RC≡O+，
团的芳环；
度致活的芳环。 ②苯环上两类定位基 邻对位定位基（第一类）
发生反应；
外，都能发生反应；
弱活化：－CH3，－R，－Ar，－CH=CH2； 弱钝化：－F、－Cl、－Br、－I。
结构特点：与苯环直接相连的原子上有负电荷或未共享电子对，能向苯环供电共轭或超共轭。
间位定位基（第二类）
强致钝基团：－+NR3，－NO2，－CF3，－CCl3，－CN，一般只在间位取代，只有强亲电试剂能与之反应：
结构特点：与苯环直接相连的原子上有正电荷，吸电子基或重键（有吸电子性的），能使苯环电子云密度减弱。
CH3、CH2Cl、CHCl2是邻对位定位基，CCl3是间位定位基。
有二个取代基的定位效应主要由较强的定位基决定。
【例1】芳香族化合物氯苯（Ⅰ）、硝基苯（Ⅱ）、N，N-二甲苯胺（Ⅲ）、苯甲醚（Ⅳ）等进行硝化时，其反应速度的快慢顺序如何？
A．Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅳ B．Ⅲ＞Ⅳ＞Ⅰ＞Ⅱ C．Ⅳ＞Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ D．Ⅱ＞Ⅰ＞Ⅳ＞Ⅲ 解：B。
【例2】某溴苯与Br2＋FeBr3反应只得到一种三溴苯产物，该溴苯应为：
解：C。因-Br是邻对位定位基，所以，A．和B．都有两种三溴苯产物，而D．有3种三溴苯产物。
（2）亲核取代反应
在特殊结构或特殊条件下产生。
①加成—消除历程 芳环上有吸电子基使之活化，以-NO2最强，
如OH-、CN-、-OR、胺等。生成碳负离子络合物中间体叫Meisenheimer络合物。例如，
已被核磁和X射线所证实。
【例3】2，4-二硝基氯苯和氨发生反应生成2，4-二硝基苯胺的反应历程是什么？ A．亲电取代反应 B．双分子消除—加成反应 C．双分子加成—消除反应 D．单分子亲核取代反应 答：C．
②苯炔历程（消除—加成历程）发生于试剂碱性很强时。
特征为亲核试剂不一定进入离去基团所在位置上，可以在它的邻位。
【例4】氯苯与氨基钠在液氨中作用生成苯胺时，其反应可能的中间体是什么？ A．碳正离子 B．卡宾Carbene C．碳负离子 D．苯炔 解：
故为D．
5．饱和碳原子上的亲核取代反应
通式是：Nu-＋R－L→NuR＋L-
其中Nu-表示亲核试剂，可以是负离子或带未共享电子对的中性分子；R—L表示作用物、为中性分子或正离子；L表示离去基团。
反应进行有两种类型，一种是单分子亲核取代反应SN1，速率=k1[RL]；另一种为双分子亲核取代反应SN2，速率=k2[RL][Nu-：]。SN2为一步反应，亲核试剂进攻与离去基团离去同时发生。例如：
SN1为二步反应，先离解成碳正离子，随即快速的受试剂进攻。例如，
其势能图如图4－1所示。
判断反应按SN2或SN1进行，可从作用物结构、亲核试剂亲核性强弱、离去基团离去的难易及溶剂极性等方面分析，从产物的立体化学及改变反应条件对反应速度的影响来判别。
作用物结构：
【例1】在加热条件下，下列化合物分别与氢氧化钠水溶液作用，反应最快的是哪一个？ A．氯乙烷B．氯乙烯
C．3-氯丙烯 D．氯甲烷 答：C．，SN1与SN2均最快。
凡使碳正离子稳定的因素，有利于SN1；空间障碍小，有利于SN2；α和β位有大的取代基，不利于SN2。
亲核试剂亲核性强，有利于SN2，亲核原子相同时，碱性与亲核性有平行关系，如O原子相同，则RO-＞HO-＞ArO-＞RCOO-＞ROH＞H2O
周期表中同一周期元素生成的同类型亲核试剂，其亲核性大小基本上与碱性的强弱一致。例如，
R3C-＞R2N-＞RO-＞F- H2N-＞HO-＞F-
周期表中同族元素生成的负离子或分子，中心原子较大者亲核性较强。例如，RS-＞RO-，RSH＞ROH，I-＞Br-＞Cl-＞F-
【例2】在SN2反应机理中，最活泼的是哪一个化合物？ A．（CH3）3CClB．C2H5Cl C．CH3
Cl
答：C，因空间阻碍最小。
【例3】溴甲烷起SN2取代反应时，下列离子中哪种离子反应性最强？ A．C2H5O- B．HO- C．C6H6- D．CH3COO-。
答：A，因乙基为给电子基，C2H5O-亲核性最强。
离去基团离去的难易，对SN1及SN2反应速率都有影响，但对可能按SN1或SN2进行的反应（如仲卤代烷），L离去倾向大，反应易按SN1进行；L离去倾向小，则反应易按SN2进行。
卤离子离去倾向的大小次序为： I-＞Br-＞Cl-＞F-
L越稳定，离去倾向越大。
HL是L的共轭酸，其碱性比L弱，离去倾向比L大，如H2O＞OH-，ROH＞RO-，因此醇、醚、胺等在酸性溶液中，质子化后易起反应。
I-即是一个好的亲核试剂，又是一个好的离去基团，故在氯化物或溴化物的反应中，加少量I-能促进反应。
溶剂极性增加，稳定碳正离子，有利于SN1反应。极性非质子溶剂使正离子溶剂化，负离子裸露出来，大大有利于SN2。
立体化学特征：SN1外消旋化，SN2构型转化。如出现构型保持，则可能有邻基参与。 【例4】在下列反应式中，如果将CH3Cl的浓度增加为原来的3倍，OH-的浓度增加为原来的2倍，其反应速度将有什么变化？CH3Cl＋OH-→CH3OH＋Cl-
A．增至2倍B．增至3倍
C．增至5倍 D．增至6倍 解：此反应按SN2历程，故答为D。 6．消除反应
最常见的是从相邻二原子上消除一小分子，形成重键，称β-消除反应。其次1，1-α消除反应也有重要应用。
（1）β-消除反应
根据E和L离去的先后可分为三种历程：
①E1 单分子消除。L带一对电子离去，生成碳正离子，再失去H+，形成烯烃。与SN1第一步相同，不同的是SN1由亲核试剂Nu：进攻α—C，E1由碱B：进攻β—H；
②E2 双分子消除。L的离去与B：进攻β—H同时进行，生成双键； ③E1cb 首先B：进攻β—H，生成碳负离子（共轭碱Conju- gate base），故叫共轭碱单分子消除反应。
E1、协同的E2和E1cb是三种极端状态，中间有许多中间状态可以构成一个连续的谱。
影响因素为：E1与SN1同时存在，碱和高温有利于E1；亲核试剂浓度大，有利于SN1；E2与SN2同时存在，β位上有活泼H或侧链有利于E2；β－C上有强吸电子基团，有利于E1cb；试剂碱性大、浓度大，有利于E1cb；溶剂极性大，有利于E1。
消除反应的方向，按Zaǚaцeв规则，生成取代基较多的烯烃叫查烯，按Hoffmann规则，季盐（季铵盐，锍盐R2S+Me等）消去生成取代基较少的烯烃叫霍烯。例如，
影响查烯与霍烯比例的因素为：
①β-H的酸性 优先消去酸性高的H；
②碱强度 碱性强的霍烯多，偏向E1cb；碱体积大霍烯多，因生成霍烯位阻小； ③作用物本身的位阻 位阻大的霍烯多
④离去基团的性质 L不易离去时，B：容易获得哪一个H很重要，L易离去时则无甚紧要。
此外还有两种情况，桥环化合物除非环大到8个C以上，双键不能在桥头上；如能形成共轭双键，则这种共轭产物占优势。
【例1】什么是2-甲基-3-戊醇脱水的主要产物？ A．2-甲基-1-戊烯 B．甲基环戊烷 C．2-甲基-2-戊烯 D．2-甲基-3-戊烯 答：C，主要得查烯。 （2）1，1-α消除反应
H和离去基团L在同一个碳原子上失去。发生的条件是： ①强吸电子基团L增加α-H的酸性，稳定负电荷； ②使用很强的碱B；
③无β-H原子（不是绝对的）。
研究得最多的是卤位在强碱下的水解。
另一重要的反应是Reimer-Tiemann反应：