芳香分子的反应
亲电芳香族取代(2)-硝化和磺化
最后更新:2022年9月28日|
- 芳香环通过亲电芳香取代机制发生硝化和磺化。
- 芳香环可以经历硝化反应用硝酸HNO处理3.除了强酸H2所以4．
- 这导致了氮离子NO的形成2+是有源的亲电试剂．
- 芳香环可以经历sulfonylation当用三氧化硫(SO)处理时3.)在强酸(H2所以4)．
- 活动亲电试剂HSO汽车贸易公司是3.(+)
目录
- 回顾:亲电芳香族取代反应的三个阶段
- NO的加入2(硝化)
- 苯的硝化
- 氮离子(NO2+)是芳香硝化过程中的关键亲电试剂
- 添加SO3.H(磺化)
- 摘要:芳香族磺化与硝化
- 附加主题:磺化的可逆性
- 笔记
- 测试你自己!
- (高级)参考资料和进一步阅读
1.回顾:亲电芳香族取代反应的三个阶段
在之前的帖子上亲电芳香族取代卤代反应，我们看到这个亲电芳香取代反应分为三个不同的阶段:
- 激活。因为卤素(Cl2、溴2)通常不与芳香族分子反应在一个合理的速率，刘易斯酸催化剂(如FeCl3.)用于“激活”亲电试剂对攻击
- 攻击的亲电试剂《芳香之环》。的激活亲电试剂被芳香环攻击，生成碳正离子中间体(这是速率决定步骤，也是亲电芳香取代一般机制中的步骤1)。
- 去质子化。碳正离子中间体被弱碱脱质子，恢复芳香性(亲电芳香族取代一般机制中的第2步)。
在今天的文章中，我们将介绍另外两个重要的亲电芳香族取代反应的机理，它们通过Brønsted酸催化进行——硝化和磺酰化。
2.NO的加入2(硝化)
不要在家里尝试
“硝化”是我们给附加硝基(NO2)变成一个分子。
如果我们在前面的章节中跳过了这个反应，这是因为硝化官能团而不是芳香环会导致一些非常爆炸性的产物。例如，甘油三醇硝化会产生臭名昭著的硝化甘油，有三个优秀的离开组(小野2;严格来说，这些是“硝酸盐”基团，而不是硝基)．对这种液体最轻微的干扰就会导致连锁反应，从而迅速产生高温气体。［请注意1］
4摩尔的液态硝酸甘油产生35摩尔的气体: 6mol N212摩尔CO, 10摩尔H2O和7mol O2．
[读者须知:不要尝试制造硝酸甘油]。
我父亲和他的邻居朋友们小时候都制造黑火药和其他炸药，但制造“硝基”被认为是圣杯。有一天，我爸爸准备好了制造硝酸甘油的所有材料，但到了真正制造的那一天，他退缩了。明智的举动，爸爸。当你少了几根手指的时候做手术是很困难的。
同样，纤维素(葡萄糖的聚合物)的硝化作用也会产生硝基，它除了用于无烟粉末之外，还是早期电影工业中用作胶片原液的聚合物。“赛璐珞”，正如它的名字，不是接触炸药，但它确实有一个不幸的性质，即容易自燃。(好莱坞后来改用醋酸纤维素，又称“安全膜”。)
3.苯的硝化
与醇的硝化作用相反，苯的硝化作用产生相对稳定的硝基化合物，这种化合物更难引爆。例如，高爆TNT(2,4,6-三硝基甲苯)是由甲苯的三重硝化形成的。另一个爆炸,黑索今来自三氢-1,3,5-三嗪的硝化反应。［注2］
硝化的关键试剂是硝酸，HNO3.．硝酸本身作用相对较慢亲电试剂尤其是在一个穷人面前亲核试剂比如苯。[注-对于苯酚和其他具有强激活基团的芳香环，HNO3.本身就足以硝化]。
然而，在添加酸-通常的选择是硫酸，H2所以4-与苯发生快速反应。
这个过程的关键是OH在硝酸上发生质子化反应，将其转化为H2好得多了离去基团比HO(-)， H2O从硝酸中迅速流失，生成高活性的“氮离子”NO2+．
[注:上面所画的机制有点过于简化。H的两个等价物2所以4通常是最好的-质子HNO3.两次(不是一次)，然后水分流失，然后HNO脱质子2+．
看机械装置的图像悬停在这里可以看到弹出的图像或打开图像link在这里
4.氮离子(NO2+)是芳香硝化过程中的关键亲电试剂
氮离子才是真正起作用的。
你可能还记得，这就像我们在卤素中看到的一样，在这种情况下使用路易斯酸产生了一个活化的亲电试剂它和苯反应得更快。
那么当氮离子遇到苯时会发生什么呢?
在亲电芳香族取代的第一步(也是决定速率的一步)中，硝基离子(NO2+)被芳香环上的一对π电子攻击，生成碳正离子中间体，形成C-N，并破坏C-C (pi)和N-O (pi)。
芳香族亲电取代反应的第二步是酸碱反应，这一步相对较快。弱碱:弱碱(如水或氢氧化氢4- - - - - -HNO质子化后剩下的离子3.)从含有硝基的碳上移走一个质子，破坏C-H，重新形成C-C pi。芳香恢复。
前面介绍的最后两个步骤芳香族一般亲电取代机制，在所有亲电芳香族取代反应中，它们实际上非常相似。
5.添加SO3.H(磺化)
磺酰基，SO3.H也可以通过亲电性芳香取代被添加到芳香环上。
在这种情况下，亲电试剂是三氧化硫3.(一种气体)可以通过在溶剂中起泡而引入。它自己，所以3.与芳香族环并不是特别反应，但正如我们所看到的，添加酸可以显著提高亲电性(和反应速率)。［看到帖子:酸催化的力量］
和硝酸一样，三氧化硫也会被硫酸中的一个质子“激活”。[注:此SO组合3.和H2所以4叫做"发烟的硫酸，如果你想用一些非常老派的命名法，也可以用“陵墓”。］
在速率决定步骤中，高亲电性SO3.然后H(+)被芳香环攻击，生成碳正离子中间体，形成C-S并破坏C-C (pi)。
与所有亲电芳香族取代反应一样，C-H键随后被弱碱脱质子，重新生成C-C pi键并恢复芳香性，从而生成磺酸产物。
这就是硝化和磺化的关键机制。
6.摘要:芳香族磺化与硝化
如果你开始比较反应，你会发现亲电芳香族取代的关键机制并没有真正改变除了身份亲电试剂．
真正赋予每种反应独特风味的是它们的反应方式亲电试剂通过Lewis酸催化(氯化、溴化)或Brønsted酸催化(硝化、磺化)活化。
在下一篇文章中，我们将介绍六个关键的亲电芳香族取代反应中的第五个和第六个:弗里德尔-克拉夫烷基化和弗里德尔-克拉夫酰基化，以及它们是如何在芳香族环上形成新的碳-碳键的。
在下一篇文章:烷基化和酰基化
笔记
注1。有人告诉我，如果硝酸甘油用碳酸氢钠中和，它就“相当”安全，只要你不呼吸，也不沾到皮肤上．(合理安全仍然意味着“不要这样做”)．经过长时间的放置，硝酸甘油会呈现棕红色，这是它正在“熄灭”的标志。
我不知道，但我想知道硝化甘油的爆炸过程是从均裂弱O-NO2键，给非常讨厌的(和强烈的颜色)•NO2激进。这可以从硝酸甘油中提取出一个氢原子，然后shabang !- - - - - -均裂无处不在。
四氧化二氮(与2mol•NO达到平衡2)是火箭发动机等的有效推进剂。
磺化是可逆的
看到的:芳香族合成(3)-磺酰基阻滞基团在这个主题上的完整帖子。
芳磺酰基有一个非常有趣的性质。如果在没有SO的情况下用足够强的酸处理3.时，可将磺酸基团去除。
让我们来看看这是如何发生的。
我们一直在忙着讨论不同的亲电试剂(氯、溴、氮、硫……)，却忽略了H+可以作为离子亲电试剂了。
我们忽略了这一点，因为这个反应很容易可逆——芳香族环的质子化之后很快就会发生脱质子化，回到(稳定的芳香族)起始物质。这是个死胡同．
然而，在磺酰基的特殊情况下(以及另一个基团，我将在下一篇文章中提到)，环的质子化会产生重要的结果，如果在没有SO的情况下3.．
首先，让我们看看“环的质子化”是什么样子的。
如果这个环与磺酰基所在的碳原子发生质子化[你可能不需要知道这个，但这被称为ipso“碳),生成一个碳正离子中间体。
产品看起来眼熟吗?它应该和苯攻击质子化SO时产生的碳正离子中间体完全一样3.，在磺化的“第二步”。
大多数情况下，这个中间体会被去质子化重新生成芳香族磺酸。
然而，在SO的情况下3.H，还有另一种恢复芳香性的途径在大多数其他取代基的情况下，这种途径在能量上是不可用的。中间产物不是失去H，而是失去SO3.H(+)，这导致苯的形成。
这是反向亲电攻击!
这就是“缺少SO”的地方3.的部分进来了。在高浓度SO的存在下3.苯会攻击质子化的SO3.重新形成磺酸。
但是如果我们加酸没有所以的3.，那么这种情况就不太可能发生。此外，如果我们释放反应(例如，通过在反应混合物中吹氩气等惰性气体，它最终会带走任何气态SO3.)，然后是气态的SO3.会慢慢从系统中删除。如果你回想一下Le Châtelier的原理，这意味着我们的磺酸一定会慢慢变回苯。
“好了,好了。它是可逆的。那又怎样?”you may rightly ask.
这意味着SO3.H在某些条件下可以用作“阻塞组”。再说一次，当我们讲到合成策略的时候，我们会讲到更多，但是我给你们一个挑战:你如何生成昊图公司-氯甲基苯不含任何的甲苯帕拉-产品?
测试你自己!
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(高级)参考资料和进一步阅读
有关这些反应的更详细参考资料，请参阅引导的反应．这里的参考文献是重点。
硝化反应:
- 芳香族硝化反应动力学与机理研究
吉莱斯皮，e. d.休斯，c. k.英戈德，d. J.米伦，r. i.里德
自然163卷，第599-600页(1949）
DOI：10.1038 / 163599 b0
Christopher Ingold教授对亲电芳香硝化反应进行了大量的早期机理研究，为我们目前对该反应的认识奠定了基础。他首先提出硝酸-硫酸混合物(称为“混合酸”)在硝化过程中产生了氮离子[NO]2］+，这是亲电硝化反应中的反应种。已故诺贝尔奖得主George a . Olah教授也发表了大量研究硝化机制的工作，导致至少50多篇论文和一本关于该主题的书。在此过程中，他将氮离子分离为稳定的盐(现在可以在市场上买到)，并证明它经历了与混合酸体系相同的反应。 - 芳香取代反应。7芳烃的Friedel-Crafts型硝化
斯蒂芬·j·库恩，乔治·a·奥拉
美国化学学会杂志1961年,83(22), 4564 - 4571
DOI:1021 / ja01483a016 - 芳香取代反应。第二十八章。芳香族亲电取代的机理
乔治·a·奥拉
Acc。化学。Res。1971年,4(7), 240 - 248
DOI:10.1021 / ar50043a002 - 亲电芳香硝化的统一机理概念:计算结果和实验数据的收敛
Pierre M. Esteves, José Walkimar de M. Carneiro, Sheila P. Cardoso, André H. Barbosa, Kenneth K. Laali, Golam Rasul, G. K. Surya Prakash, George A. Olah
美国化学学会杂志2003年,125(16), 4836 - 4849
DOI:10.1021 / ja021307w
这是一篇关于硝化的老祖宗论文，总结了他一生在这个问题上的研究价值。雷竞技下载最新版如果你没有时间阅读这里的其他论文，请阅读这篇。磺化: - 三氧化硫芳香族磺化反应机理及动力学模型
Samuel L. C. Moors, Xavier Deraet, Guy Van Assche, Paul Geerlings和Frank De Profta
Sci,2017，8, 680年
DOI:10.1039 / c6sc03500k
最近一篇关于经典反应的论文。本文对芳香族亲电磺化反应进行了计算分析，试图阐明该反应的动力学和机理。 - SO的亲电芳香族磺化反应3.:一致的或经典的E基于“增大化现实”技术的机制?
Gergana Koleva, Boris Galabov, Jing Kong, Henry F. Schaefer, III和Paul von R. Schleyer
美国化学学会杂志2011年,133(47), 19094 - 19101
DOI:1021 / ja201866h
已故的p·v·r·施莱耶教授是计算物理有机化学。这是一项芳香族磺化的计算研究，试图阐明其机制。计算模型表明，一个三分子反应与2so3.分子实际上在能量上是有利的。Hans Cerfontain(阿姆斯特丹大学)在亲电芳香磺化方面做了大量工作，发表了100多篇论文。以下两篇论文只是其中的一篇: - 芳烃磺化。92年一部分。三种甲基苯酚和六种二甲基苯酚在浓硫酸水溶液中的磺化反应;以及产生的一些磺酸和间二甲苯-2-邻二甲苯-3-磺酸的lsomerization
Hans J. A. Lambrechts, Zwaan R. H. Schaasberg-Nienhuis和Hans Cerfontain
化学。Soc。帕金反式．2，1985, 669 - 675
DOI:10.1039 / P29850000669 - 苯磺酸和甲苯磺酸在硫酸水溶液中的脱硫动力学研究
c·m·万德斯，h·塞方丹
Rec。崔佛。詹。Pays-Bas1967年,86(11), 1199 - 1216
DOI:10.1002 / recl.19670861106
芳基磺酸的脱硫反应是一种具有综合应用价值的反应，本文对该反应的动力学进行了研究。以下两个程序从有机合成突出脱硫的效用，允许存取昊图公司取代芳烃。这种途径是否会实际进行取决于目标化合物。随着今天色谱分离技术的改进，人们可能只是从原始混合物中分离异构体。 - o-BROMOPHENOL
拉尔夫·c·休斯顿和穆雷尔·m·巴拉德
Org。Synth。1934年,14, 14
DOI:10.15227 / orgsyn.014.0014 - 2, 6-DINITROANILINE
哈利·p·舒尔茨
Org。Synth。1951，31, 45岁
DOI:10.15227 / orgsyn.031.0045
如果我们在对甲基氨基苯中引入Cl-会发生什么?同样的东西，用硝酸盐和磺化剂会有什么不同呢?(除芳基环氧化的可能性外，即.....)
氯化也可以，但不需要路易斯酸。未受保护的苯胺在没有刘易斯酸的情况下与Cl2反应迅速，具有高度的活性。
另一方面，任何需要酸的过程都会使胺质子化，形成铵基。硝化/磺化反应会转化为氨基，因为在反应条件下胺被质子化为铵，这是一个EWG。
氯化反应的主要产物是什么?实际上我认为Cl会邻位到氨基上，但是我们学校的一个化学老师坚持认为Cl应该邻位到CH3基团上，也就是邻位到NH2上，以避免与氨基的空间排斥，在他看来，这会降低苯环的共振能量，(通过将NH2送出环外，即)他称之为邻位效应。你明白我有点卡住了，不知道该怎么做....请帮助!
这是不正确的。氨基和硝基之间的排斥力差很小，所以电子效应在这里占主导地位，氨基比甲基更能激活EDG，所以取代会直接到胺上。
请帮助……我对这些东西感到非常困惑。
这里有一些导师推荐(见上面的标签)。
我相信王水是盐酸和硝酸。https://en.wikipedia.org/wiki/Aqua_regia
你百分百正确。谢谢你的指正。
嘿，詹姆斯，你的硝化机制弹出窗口有透明的背景，所以，当点击它时，它实际上是看不见的。此外，SO3以气体(微量)和液体或固体形式存在(主要形式取决于水的踪迹)，所以在溶液中“冒泡”几乎是不可能的。我总是用固体聚合物SO3做这个反应，我会在手套箱里称出它的重量，然后加到烧瓶里，然后加几滴硫酸，我们就开始了:)毡是一种令人讨厌的东西。用激情去恨它!
谢谢你的提示!
回复:SO3，我通常会选择SO3-吡啶络合物，但我不想让事情过于复杂。不过，我真的很感谢你的评论!
我非常感谢你所做的一切。你的文章确实加深了对这个话题的理解。关于这篇文章，我只需要你下一篇文章的链接，你在那篇文章中谈到了另一个用SO3H取代Ipso的例子。
嘿!挑战的答案是什么?那么先硝化它呢?由于空间拥挤，no2 +不会占据o位置，因此占据para。现在在alcl3中加入cl2，由于增强作用，5肯定会达到ortho
解决这个问题的办法是先用磺化法，也就是在对位上。然后进行氯化消毒。然后用酸加热去除对磺酰基。
我的课本上写着“苯磺化过程中使用的亲电试剂是SO3”，但按照确切的机制，亲电试剂不是SO3H吗?
是的，质子化的SO3是亲电试剂。酸(和路易斯酸)倾向于使亲电试剂更亲电。
在SO3和HSO3+选项中选择哪个?
反应速率也取决于C-H键断裂的速度吗?如果我们在硝化中使用C6D6而不是C6H6会怎样?
研究了C6D6与C6H6的反应速率，但D对反应速率的影响小于1%。
在EAS中没有常规的氘同位素效应，因为EAS反应的速率决定步骤是C-C π键的断裂，而不是第二步(再芳构化)。
良好的工作。这对本科生很有帮助。
挑战的答案是什么?如何得到只有o异构体而没有对异构体?
使用磺化法将SO3H基团置于para位置，然后进行EAS，最后去除SO3H