亲电芳香取代反应

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介绍

取代反应是指化学物质中的一个官能团被另一个官能团取代的反应。它也被称为单取代反应。这些反应在无机化学中至关重要。这种反应发生在有机化合物或芳香烃中。这些反应有助于保持芳香族化合物的芳香性。在这些反应中，苯环上的氢(H)原子被亲电试剂取代。

亲电芳香取代反应

当一个亲电试剂（吸电子试剂）取代连接到芳香环上的原子时，就会发生这些反应。在这些反应中，苯环上的氢(H)原子经常被亲电试剂（吸电子试剂）取代。

在亲电芳香取代 (EAS) 反应中，芳香体系的芳香性得以保持。例如，当苯和溴反应生成溴苯时，芳环的稳定性不会受到影响。

与碘 (I)、氯 (Cl) 或溴 (Br) 的芳香卤化反应可以产生芳基卤化物或卤代芳烃。在这些过程中，三卤化铝通常用作催化剂。

不同类型的亲电芳香取代反应

这种反应有几种类型：傅-克酰基化反应、芳香磺化反应、亲电芳香卤化反应、傅-克烷基化反应以及芳香硝化反应。

硝化

• 此过程涉及硝基 (NO_2) 基团。硝基作为吸电子试剂取代氢 (H) 原子。

• 在这个过程中，也使用了硫酸作为催化剂。使用的另一种酸是硝酸，它最终会失去一个质子以产生硝鎓离子。亲电芳香取代 (EAS) 过程可用于处理这种硝鎓离子。

• TNT 及其他烈性炸药是使用硝基的亲电取代过程的极好例子。通过此过程，可以制备三硝基甲苯（TNT），也称为甲苯。

卤化

• 在这些过程中，使用卤素基团组分，主要是溴和氯。

• 取代反应将苯中的氢 (H) 原子用氯 (Cl) 或溴 (Br) 取代。

• 但由于它们自身的力量不足以进行反应，因此使用路易斯酸等酸作为催化剂来加速或完成反应。

• 这些酸，例如溴化铝或铁，将电子 (e^-) 对转移到它们的原子，使它们能够形成稳定的键。

• 在这个过程中，苯环最终会失去其芳香性并产生活化能。由于它们的正电荷 (+ve)，溴或氯利用它们的亲电作用来应对这种能量。

磺化

• 用磺酸 (SO³) 取代氢 (H) 的过程称为磺化。

• 此反应与硝化非常相似，通过用 H² SO⁴ 对 SO_3 进行质子化，生成吸电子试剂。

• 这促进了强亲电试剂（吸电子试剂）的形成。获得产物后，反应通过亲电芳香取代 (EAS) 过程进行。

傅-克烷基化反应

• 傅-克烷基化反应使用烷基。在早期步骤中，各种分子与苯的碳 (C) 反应，但也可以形成碳-碳 (C-C) 键。

• 烷基卤化物必须在路易斯酸等催化剂存在下与苯反应。当氯甲烷在氯化铝或氯化铁存在下与苯反应时，会发生亲电取代反应 (ESR)。

• 路易斯酸通过破坏键，使氯 (Cl) 原子更容易脱离。即使反应的结果具有高亲核性。

傅-克酰基化反应

• 在此过程中，氢 (H) 通常被酰基 (RC=O) 取代。

• 在这个过程中，通常使用羧酸卤化物和酰氯等试剂。

• 也使用路易斯酸作为催化剂。

• 为了产生亲电试剂，使用来自 H_3 C(C=O)Cl 的一对氯。

• 最后，氯碳键断裂。反应的结果通常是形成芳基酮。

亲电芳香取代的机理是什么？

亲电芳香取代 (EAS) 由三个基本要素组成：

• 在反应过程中，在芳烃亲核试剂的 C=C 中形成新的键。

• C-H 键的断裂除去质子。

• 通过重新形成 C=C 来恢复芳香性。

反应机理通常包括两个主要步骤。

步骤 1

• 吸电子试剂（亲电试剂）通过靶向芳香苯环中的 π 电子 (e^-) 来引发反应。

• 结果，产生了芳鎓离子，它是一个带正电荷 (+) 的离域环己二烯基阳离子或共振稳定的碳正离子。

• 该离子主要由三个共振供体组成。总的来说，对芳香环的亲电攻击需要耐心，是一个耗时的过程。

• 它也是吸热的，并且由于芳香性的损失而具有更高的活化能。

• 亲电试剂的攻击取决于多种因素，包括共振、概率和空间位阻。

步骤 2

• 形成的碳正离子中间体被碱靶向，导致质子损失。

• 然后使用电子 (e^-) 来重建 π 键，再次恢复芳香性。

• 这是一个非常快速且通常是放热的過程。由于吸电子试剂靶向苯环，碳正离子最终会失去质子。

结论

亲电芳香取代 (EAS) 机理与芳香烃或配合物中取代反应的过程有关。当化学物质中的一个官能团被另一个官能团取代时，就会发生取代反应。取代反应在无机化学中至关重要。芳香取代反应对于合成重要的中间体是必需的。这些化学品存在于各种行业中，包括农业、工业产品和制药。

常见问题解答

1. 解释取代反应。

当化学物质中的一个官能团被另一个官能团取代时，就会发生这个过程。它们在无机化学中至关重要。

2. 芳香性到底是什么？

它是具有共振π键的环状平面结构的一个特征，这使得它们比具有相同原子数的其他关联结构更稳定。芳环非常稳定，因此不容易分解。

3. 定义亲电试剂一词。

它是一种接受电子 (e^-) 对并与亲核试剂形成键的化学物质。由于它们接受电子，因此亲电试剂是路易斯酸。

4. 芳香取代的目的是什么？

芳香取代反应对于合成重要的中间体是必需的。这些化学品存在于各种行业中，包括农业、工业产品和制药。我们使用过时的办法来进行此反应，这可能导致区域异构体组合的形成。正在开发新的方法以提高系统的效率。

5. 如何计算亲电芳香取代 (EAS) 反应的反应活性？

吸电子试剂攻击苯环并用自身取代其取代基。因此，取代基对反应的反应活性有直接影响。如果取代基是供体，反应将很快，但如果取代基接受电子，反应将很慢。