四、苯环上亲电取代反应的历程
苯及其同系物在苯环上的取代反应,包括卤化、硝化、磺化、烷基化及酰化等,是一个带正电荷的原子或原子团(E+)首先进攻苯环而进行的反应,故是一个亲电取代。它的整个过程用下式表示。
(一)卤化
苯与卤素在催化剂(例如FeCL3)存在下的卤化,是由亲电试剂发动进攻的。这个反应的亲电试剂与卤化铁生成的配合物。
取代反应分两步进行。
第一步,亲电试剂进攻苯环的π电子与CL+生成C-CL键被亲电试剂进攻的碳原子变为sp3杂化,而破坏了原来的环状共轭体系。环上其余的五个sp2杂化的碳原子组成了一个共轭体系,这个体系包括五个碳和四个π电子,它带一个正电荷,连同环上的一个sp3碳原子构成σ配合物。
第二步,中间体碳正离子脱去一个质子,生成取代产物。
第一步是决定反应速率的一步,它是由亲电试剂对底物进攻,与烯烃的亲电加成的第一步相似。但在这里整个反应是取代,所以叫做亲电取代。第二步不同于烯烃的是从碳正离子脱去质子,而不是碳正离子与阴离子的结合,这是由于苯环比较稳定的缘故。
催化剂氯化铁促进氯分子极化,并与带负电荷的部分配合,使氯的亲电性加强。如果苯环上有强的活化基团,如羧基,卤化反应可不需加卤化铁。
(二)硝化
苯及同系物硝化反应的亲电试剂是硝金翁离子()。在混酸中,它
是由浓硝酸与浓硫酸作用生成的。
硝金翁离子O=→O是很强的亲电试剂。
在有些情况下,硝化反应不用混酸而用硝酸。这时的硝金翁离子是通过下式生成的:
(三)磺化
苯及同系物磺化时,进攻试剂是亲电的三氧化硫。
磺化反应可能分三步进行。
第一步,亲电试剂SO3的进攻,与苯生成σ配合物。这个σ配合物作为一个整体不带电荷,但环中的五个sp2碳及-SO-3两部分分别带一个正电荷信一个负电荷。
第二步和第三步转变为苯磺酸。
(四)傅-克反应
傅-克反应历程和硝化反应历程相似。
1.烷基化
亲电试剂是碳正离子R+,它是由以下过程生成的。
R-X+AlCl3→R++[AlCl3X]-
烷基化由以下两步进行:
第一步:
第二步:
2.酰基化:
亲电试剂是正离子,它是由以下过程生成的。
酰基化由以下两步进行:
第一步:
第二步: