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。
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sp杂化变成sp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。
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。
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。
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。
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。
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。