苯的亲电取代反应

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简介

亲电取代反应是一种有机反应，其中富电子的分子（通常是卤素）与另一个分子的缺电子原子交换位置。这种反应在释放热能时会产生一种新的、高度稳定的分子。苯环的共振允许离域电子有效地穿过苯环的C原子。这也有助于稳定碳正离子。虽然碳正离子仅部分稳定，但苯易于发生亲电取代反应。重要的是要强调，在亲电芳香取代中，挥发性组分的芳香性得以保留。因此，含有溴、氯和碘的芳香环可用于在这种反应中生成芳基卤化物。

什么是亲电取代反应？

在化学中，亲电试剂是一种接受电子对并与亲核试剂形成键的化学实体。当一个H原子从该取代基中被移除时，分子的组分开始其主要的化学反应，在该化合物中被称为亲电取代反应。

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苯的亲电取代反应概述

苯一直是一种易燃的化学物质，具有令人愉悦的气味；它通常是无色或浅黄色的液体，在环境温度下会迅速消失在空气中，但其结构式为$\mathrm{C_{6}H_{6}}$。在苯的亲电取代反应中，苯中的H原子被亲电试剂取代，这正是亲电反应所涉及的。这些反应没有固定的模式，并且随机发生。此外，苯的芳香性并未受到反应的影响。亲电取代发生在许多含有苯环的化合物（芳烃）的反应中。最重要的亲电芳香取代反应包括芳香族硝化、磺化、卤化和傅-克烷基化反应。

苯的亲电取代反应是什么？

当苯的化学反应性在加成反应的优先级方面与烯烃相当时，就会发生取代反应。某些反应被称为亲电芳香族取代，因为其中使用的试剂和条件是亲电性的。催化剂和共试剂已被用来产生初始取代阶段所需的强亲电分子。研究表明，苯环取代基会显著影响反应活性。苯环对亲电取代的失活实际上可以归因于取代基的给电子和吸电子效应，这可以通过分子偶极矩来评估。

苯亲电取代反应的通用机理

亲电加成反应分两步进行，之后是去质子化，这似乎是亲电芳香族取代的过程。一个关键方面是，一旦我们识别出产物，我们就可以识别出亲电试剂，该产物可能是取代H+的原子或基团。催化剂的作用只是与离去基团结合并帮助它们以完美的状态离去。目前正在对具有对抗性取代基位置的分子取代反应进行更多研究。而如果取代基相同，分子的对称性会再次简化决定。当化合物具有可以用于附近电荷稳定的非键合电子的偶联时，通常使用组分建立能力。亲电取代反应的三个阶段如下：

• 亲电试剂的生成 - 溴化铁是一种非常有用的路易斯酸，用于从芳香环的氯化、烷基化和酰化反应中生成亲电试剂。路易斯酸的存在导致亲电试剂的形成。首先，来自相反试剂的电子对被路易斯酸接受。形成的亲电试剂依次包括Cl+和R+。

• 碳正离子的形成 - 通过形成σ络合物或碳正离子，该亲电试剂攻击芳香环。该碳正离子中一个杂化的碳原子是sp3。在共振结构中，这种碳正离子达到稳定。即使电子离域终止于sp3杂化的碳原子，碳正离子也失去了其芳香性。

• 去质子化过程 - 这是亲电取代的第三步。反应的动力是去质子化，这使得它在能量上得以继续进行。这一步的活化能要低得多，反应速度非常快。

亲电取代反应的例子

• 苯磺化 - 这是用硫酸加热苯以生成苯磺酸的过程。该反应是完全可逆的。

• 苯硝化 - 硝鎓离子的生成促进了水分子的去除以及通过硫酸对硝酸的质子化形成硝鎓离子。

• 苯卤化 - 苯在路易斯酸（如$\mathrm{FeCl_{3}}$和$\mathrm{AlCl_{3}}$）存在下与卤素反应生成芳基卤化物。这被称为苯卤化。

结论

苯是一种引人注目的化学物质，因为它比其他烃更容易发生亲电取代反应。通常，苯的亲电取代反应是一个三步过程，包括亲电试剂的生成、碳正离子的形成和质子的去除。苯环的共振导致离域电子有效地分布在苯环的所有C原子上。它还有助于稳定碳正离子。由于碳正离子的部分稳定性，苯特别容易发生亲电取代反应。

常见问题

1. 亲电取代反应和亲核取代反应的主要区别是什么？

有机和无机化学通常表现出亲核或亲电取代反应。当亲电试剂取代官能团时，就会发生亲电取代。当亲核试剂攻击带正电的原子时，就会发生亲核取代。

2. 为什么芳香胺中的亲电取代反应比苯中更快？

由于共振，苯胺中氮原子上的电子在其苯环上离域。因此，相对于苯，苯环上的电子密度增加。换句话说，当苯胺被激发时，亲电取代更容易在苯胺中发生。

3. 在傅-克酰基化反应中，亲电试剂是什么？

酰基正离子是共振稳定的，并且在碳上带正电荷。作为亲电试剂，该酰基正离子与芳烃反应生成单乙酰化副产物。

4. 路易斯酸催化剂在亲电芳香族取代中起什么作用？

与$\mathrm{Cl_{2}}$一样，路易斯酸通过与卤素相关联来加快反应速度，削弱C—Cl键并使其成为更强的离去基团，使亲核试剂能够非常快速地攻击相关的碳原子。如果没有路易斯酸，则不会发生反应。

5. 哪一类基团在亲电取代反应中最活泼？

令人惊讶的是，氟可能是最活泼的卤素。预测氟2p轨道中的孤对电子与其在碳上的p轨道的重叠比Cl、Br和I的3p和p轨道的重叠要好得多。