亲电芳香族取代(1)-苯的卤化

苯的亲电芳香族取代卤化反应

• 不像烯烃，苯会不经过氯的快速氯化或溴化₂或溴₂
• 当它与卤素发生反应时，它通过替换而不是除了;芳香环上的C-H键断裂，形成C-X键(其中X是卤素)。
• 这是通过亲电芳香族取代，速率限制步骤是对卤素的攻击亲电试剂被芳香的环。这将生成一个碳正离子中间产物，迅速去质子化，重新生成芳香环。
• 可以进行卤化反应快得多通过使用路易斯酸如AlCl_3.或FeCl_3.．它接受了卤素的一对孤电子，使卤素成为偶电子更好的亲电试剂．

[氟呢?如果F₂不是这样的贪婪的野兽，我们也会把它包括在内，但就目前情况来看，氟最好被引入到芳香环中间接］

目录

1. 苯的卤化通过亲电芳香族取代
2. 路易斯酸可以用来“激活”亲电试剂
3. 苯的亲电氯化反应
4. 苯的亲电溴化反应
5. 苯的亲电碘化
6. 苯的卤化反应
7. 笔记
8. 测试你自己!
9. (高级)参考资料和进一步阅读

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1.苯的卤化通过亲电芳香族取代

既然我们已经花了足够的时间来研究

• 的芳香族亲电取代机理，
• 激活和取消激活组,
• 昊图公司,帕拉- - -元——董事，

我们终于准备好深入研究一些具体的反应了。首先:卤化．我们如何在芳香环上安装氯溴或I ?

你们可能还记得烯烃易与氯反应₂、溴₂，而我₂形成二卤化物。

苯吗?没那么多。当它和芳香环反应时，它提供的是取代物而不是加成物。

(为什么?回想一下共振能量苯的质量大约是36千卡每摩尔,亲电芳香族取代会破坏芳香性。］

2.路易斯酸可以用来“激活”亲电试剂

氯本身会与“活化”的苯衍生物(如苯酚和苯胺)发生反应，但为了与电子中性或电子差的芳烃发生氯化反应，它需要被刺激。

这种“刺激”是由路易斯酸提供的。FeCl_3.或AlCl_3.是行业标准，但在实践中，许多不同的刘易斯酸可以使用。

你可能还记得，在关于醇的章节中，质子酸通常被用来将低亲电性(如醇)转化为高亲电性(如醇)酒精到它的共轭酸．(见文章:什么是好的离去基？］．

“激活”酒精就能参与原本无法参与的亲核取代或消除反应

(离去基团甚至可以完全分开给一个碳正离子，一个更好亲电试剂!)

同样的，路易斯酸和一个氯的配位反应也会变成偶更好的离去基团的净效果削弱Cl-Cl键。a对终端Cl的攻击亲核试剂导致[Cl-FeCl]的损失_3.］^{- - - - - -}，一个偶数更好的离去基团比Cl^{- - - - - -}．

有时我们把它画成均衡。教材有所不同。我个人更喜欢完整的Cl-Cl键。

3.苯的亲电氯化反应

这种“激活”亲电试剂然后可以被攻击亲核试剂(苯环)在亲电芳香族取代反应．在这里,C-Cl形式，以及C-C (π)键断裂！

下一步，弱碱从碳正离子中间物上带走一个质子，打破碳氢键而且形成C-C (pi)．

如果这看起来有点眼熟，那是因为这第二步很像E1的反应。就像E1，只需要一个非常弱的碱就能除去碳正离子附近的一个质子。氯离子(Cl^{- - - - - -})就行了。

[注意:有很多不同的方法来画这个，我只展示了一种。看到注1]。

这里的最终产物是氯苯加上1等量的盐酸。的FeCl_3.然后自由地和另一个等价的Cl反应₂．换句话说，它表现为催化剂在这个反应中。

4.苯的亲电溴化反应

同样的原理也适用于亲电溴化反应。这里使用的路易斯酸通常是FeBr_3.或AlBr_3.．［为什么不是FeCl ?_3.或AlCl_3.？注2)

第一步是Br的活化₂，然后是攻击和脱质子，如前所述:

本质上它和氯化反应是一样的只不过卤素交换了。

5.苯的亲电碘化

也可以用I来碘化苯₂，但激活步骤不同。然而，在这里，路易斯酸催化剂难道碘还不够有效吗亲电试剂与大多数芳香环反应

相反，一个化学计量量氧化剂用来转换I₂都给我⁺．一个常见的例子是HNO_3.在附加酸(如H₂所以₄)是一种非常活跃的氧化剂[没有₂］⁺它转换了I₂到I+。［注3］

一旦形成，苯环就会与I反应⁺在两步亲电芳香族取代机理中给予新反应carbon-iodine债券。

“B”的确切身份取决于转换I时使用的氧化剂₂变成I+。例如，一个等量的水就可以达到这个效果。

6.苯的卤化反应

在氯、溴和碘的情况下，亲电芳香族取代遵循三个步骤。

• 激活亲电试剂用刘易斯酸催化剂(或化学计量氧化剂，如碘)
• 攻击被激活的亲电试剂由芳环。
• 去质子化以再生芳香环。

在下一篇文章中，我们将介绍两个更重要的亲电芳香族取代反应:磺化和硝化，它们也将遵循这个三步模式!

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笔记

注1．有几种不同的描述方式;上图显示了Fe-Cl键中的电子对作为碱，这本质上与Cl-从FeCl中解离相同₄(-)然后它作为一个基地。也可以从FeCl的Cl中得到孤对₄作为碱，生成H-Cl-FeCl_3.，然后Fe-Cl键断裂，生成FeCl_3.和盐酸。

注2．不是FeCl_3.或AlCl_3.不够强壮，无法胜任这里的工作;问题是使用Br₂在FeCl面前_3.会导致一些加扰的卤素，产生少量氯化产物。使用溴化物盐消除了这个问题。

注3．许多其他氧化剂也被发现用于这个反应。另一种是溴化铜(CuBr)₂）.

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测试你自己!

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(高级)参考资料和进一步阅读

有关个别卤化反应(氯化，溴化，碘化)的更详细的参考资料，请参阅引导的反应．这里的参考文献是重点。
亲电芳香氟化反应是有可能，最后两篇论文描述了这一点。

亲电芳香氯化反应:

1. 芳香族卤素取代反应动力学。第四部分1-卤代萘及其相关化合物
   p·b·d·德·拉·马雷和p·w·罗伯逊
   j .化学。Soc。1948年,100 - 106
   DOI:10.1039 / JR9480000100
   一篇研究芳香族亲电卤化动力学的早期论文。
2. 芳香取代反应。第十七章。氯化铁和氯化铝催化苯、烷基苯和卤代苯的氯化反应
   乔治·a·奥拉，斯蒂芬·j·库恩，芭芭拉·a·哈迪
   美国化学学会杂志1964年,86(6), 1055 - 1060
   DOI：10.1021 / ja01060a017
3. 苯、甲苯、二甲苯的氯化速率。氯化反应的部分速率因子
   赫伯特·c·布朗，莱昂·m·斯托克
   美国化学学会杂志1957年,79(19), 5175 - 5179
   DOI:1021 / ja01576a025亲电芳香溴化反应:
4. 苯和甲基苯的溴化相对速率。溴化反应的部分速率因素
   赫伯特·c·布朗，莱昂·m·斯托克
   美国化学学会杂志1957年,79(6), 1421 - 1425
   DOI:1021 / ja01563a040
5. 芳香取代反应。十四。氯化铁在硝基甲烷溶液中催化苯和烷基苯的溴化反应
   乔治·a·奥拉，斯蒂芬·j·库恩，西尔维娅·h·弗勒德和芭芭拉·a·哈迪
   美国化学学会杂志1964年,86(6), 1039 - 1044
   DOI：10.1021 / ja01060a014
6. 芳香取代反应。十五。氯化铁催化硝基甲烷溶液中卤代苯的溴化反应
   乔治·a·奥拉，斯蒂芬·j·库恩，西尔维亚·h·弗勒德和芭芭拉·a·哈迪
   美国化学学会杂志1964年,86(6), 1044 - 1046
   DOI:1021 / ja01060a015亲电芳香碘化:
7. 卤化铜(II)卤化。芳基碘化物的合成
   威廉·c·贝尔德和约翰·h·萨里奇
   有机化学杂志1970年,35(10) 3436 - 3442
   DOI：10.1021 / jo00835a055
   一种用CuI合成单碘芳烃的简便方法₂作为碘化剂。
8. 芳烃与Selectfluor™和三氟甲烷磺酸的亲电氟化
   Tatyana Shamma, Herwig Buchholz, G.K. Surya Prakash和George A. Olah
   Israel J. Chem．1999，39(2), 207 - 210
   DOI:1002 / ijch.199900026
   本文描述了Selectfluor™作为亲电芳香氟化试剂的使用。Selectfluor是一种商业上可用的，易于处理的固体，并且是“F”的方便来源⁺“由于N-F键。
9. 钯催化的亲电芳香C-H氟化反应
   山本久美子，李佳昆，杰弗里·a·o·加伯，朱利安·d·罗尔夫斯，格雷戈里·b·布尔萨利安，扬尼克·c·博格斯，克里斯托弗·热尼科特，Jérôme雅克，莫里斯·范·加斯特尔，弗兰克·尼斯和托比亚斯·里特
   自然2018年,554, 511 - 514
   DOI:10.1038 / nature25749
   这篇论文是更先进的，涵盖了当前的主题在有机金属化学-使用Pd(IV)氟化物氟化。对于那些关注文献的人来说，Melanie Sanford教授(密歇根大学)和Tobias Ritter教授(这篇论文，哈佛大学，现在在马克斯普朗克研究所(德国))一直在这个话题上来回讨论。