芳香分子的反应
亲核芳香族取代(2)-苄基机制
最后更新:2022年9月28日|
在这篇文章中，我们将讨论亲核芳香取代，但有一个新的转折;一种亲核芳香族取代，它通过一种看起来很奇怪的中间体，叫做芳炔(分子家族的通用术语，包括苯炔）.
目录
- 亲核芳香族取代-快速回顾
- “亲核芳香族取代”的名称，但通过不同的机制
- 苄基中间体
- 取代苄基-“雅利安”的反应
- 苄基发生Diels-Alder反应
- 苄基的结构
- 摘要:苯亲核芳香族取代
- 笔记
- 测试你自己!
- (高级)参考资料和进一步阅读
1.快速回顾:亲核芳香族取代
之前(看到的:亲核芳香族取代］我们看到了含有a的低电子芳香环离去基团能被富电子亲核试剂取代吗。我们看到这个机制是通过a的加法进行的亲核试剂到芳香的环(通过一种富电子的中间体)，然后失去a离去基团这个过程有时被称为“加法-消法”。
重要的是，唯一的替换积是亲核试剂最后连在同一个碳上离去基团。(这与亲电芳香族取代不同，在亲电芳香族取代中昊图公司-，帕拉- - -元-产品可获得。)
2.“亲核芳香族取代”的名称，但通过不同的机制
尽管亲核芳香族取代反应的“加成-消去”机制至少在1902年就已经为人所知，但在20世纪上半叶，人们越来越清楚地发现，某些被归类为“亲核芳香族取代”的反应似乎完全通过一种不同的机制进行。
例如，人们发现用酰胺钠(NaNH)处理氯苯2)在液态氨(沸点= -33°C)中导致氨基苯(“苯胺”)的快速形成:
这里的加成-消除机制似乎不正确，考虑到亲核芳香族取代反应具有更强的吸电子基团(例如NO2，而不是Cl)需要更高的温度和更长的反应时间。
另一个观察结果是，在这些条件下，没有反应发生昊图公司-职位附属于烷基组。为了使反应进行，其中一个位置上必须有一个氢。
(注:NaNH2和KNH2对于我们的目的，可以认为本质上是相同的)
第二个观察结果是，在下面的情况下，只有昊图公司-和元-形成的产品，以及从来没有的帕拉-。
3.苄基中间体
人们提出了各种中间体来解释这些结果，但在1953年约翰·d·罗伯茨(当时在麻省理工学院)通过发表一项最优雅的化学实验来解决这个问题一直以来。
他和他的团队合成了氯苯，但有一个特殊的区别:附着在氯上的碳是碳的放射性同位素(14C)，而不是碳(12C)。
这个放射性碳原子作为一个原子“标签”，这使他们能够最终确定取代是否只发生在碳的承载离去基团。（如何?［注意4]）
Roberts的小组在先前报道的条件下进行了反应，发现大约50%的产物最终与NH结合2附着在标记的碳上，另外50%带有NH2在碳上相邻到标签上。
这是不与加减机制一致!
事实上，大约50:50的产品比例意味着a的参与对称的中间产物是两边受到同等攻击的产物。
罗伯茨的提议——经受住了时间的考验——是一种存在碳碳三键的短命中间体的参与:“苯炔”!
乍一看，这似乎很疯狂。芳香环中的三键?
它不完全是真正的我们所熟悉的三键(即炔烃）.而不是两者之间的重叠2 p轨道(如在炔烃)的“三键”是通过重叠形成的两个相邻sp2环平面上的轨道(即与芳香PI系统成直角，并且完全独立于芳香PI系统)。
由于这些轨道实际上彼此远离，它们之间的重叠很差，导致“三键”实际上非常弱。
据估计，苯的应变能约为50千卡/摩尔，比环丙烷(28千卡/摩尔)的应变大，仅略低于环丙烯(54千卡/摩尔)的应变。
一种直观的思考方法是想象两个共振结构(下图最左和最右)的参与，它们对整个共振杂化的贡献很大(而且相等)，这样两个碳都可以被认为是“亲电的”。
[一种更严格的方法是从分子轨道的角度来看待它——弱键导致低能LUMO，因此亲核试剂攻击的能量屏障更低]。
不管它看起来多么奇怪，苯中间体解释了所有这些重要的观察结果，甚至更多。
- 在第二步(加法)中，攻击就可以来了要么三键的一侧，导致产物与NH约1:1的混合物2附有标签的碳(一个)及NH2与标记的碳相邻的(B）.
尽管使用起来很诱人- - - - - -NH2作为亲核试剂，越有可能亲核试剂这是溶剂NH3.，它很容易与极活泼的苯中间体发生反应。NH发作后3.时，质子转移产生中性产物。[注意，虽然下面显示了分子内质子转移，但也有可能通过分子间机制来显示它的发生]
4.取代苄基(“雅利安”)的反应
当苄基上有取代基时会发生什么?[注:与苯的取代化合物称为“芳烃”一样，取代苯称为“亚炔”。］
当一个取代基存在时，就会产生一个不对称的芳基，并且可能形成至少两种(有时是三种)产物。在下面的例子中，NH的攻击3.在碳上A会产生昊图公司产物和NH的侵袭3.在碳B上的结果是元产品。
那么环上的取代基是如何影响三键的加成的呢?
由于芳香的pi-系统与三键成直角，因此不相关的是是否能向环上贡献一个孤对(如OCH)3.)，或者从它那里接受一对孤对(比如NO2）.
然而,归纳效应仍然是相关的(即通过单键发生的电子抽离效应)。
为什么?除了三键，碳上还会产生负电荷，而吸电子基团可以稳定负电荷:距离越近越好。
亲核试剂加到亚炔上的一个关键原理就是加成倾向于使负电荷更靠近能吸电子的取代基。
两个关键的例子。
注意，这只适用于像CF这样的吸电子基团3.，而不是像CH这样的给电子基团3.或烷基。有趣的是OCH3.在这些例子中表现得像一个吸电子基团，因为氧孤对不能与三键相互作用。
请参阅[注1更多的例子。
5.苄基发生Diels Alder反应
在Diels-Alder反应中，苄基也能与二烯反应。苄基的三键起着二亲性的作用:
6.苄基的结构
多年来，通过亲核试剂或二烯的捕集实验，苯一直无法被分离和表征。它生得快死得早。
最终，苯被困在6K(即高于绝对零度6度)的冷冻氩中，并通过各种光谱方法进行研究。三键约1.26 Å，比乙烯(1.20 Å)长(也弱)，相邻的C-C键约1.38 Å，略短于苯。
（见参考）.其他碳碳键的长度都在苯的0.01 Å以内。
7.摘要:苯亲核取代反应
还有最后一种芳香族取代反应我们需要考虑的是一种被称为桑德梅尔反应的反应，它使用氮气(N2)作为离去基团。下次再详细讲。
在下一篇文章:重氮盐反应与桑德梅尔反应
笔记
- 另一些代换的例子
- 苯的生成方法
- 罗伯茨退化研究
其他一些取代苯的例子
当一个雅利安是由p-氯甲苯的混合物帕拉和元得到product。
当一个吸电子取代基，比如CF3.用来代替CH3.，更多的帕拉形成-大约60:40，有利于帕拉。(统计数据倾向于元2:1)。
这是因为攻击在帕拉位置使负电荷更靠近吸收电子的基团。
有趣的是,哟3.给出了与CF相同的比率3.(比例)。这就意味着氧只是一个吸电子基团，而不是给电子基团。(进一步证明了氧孤对不能与三键相互作用。)
与昊图公司-系列，结果更加引人注目。与CH3.，大约等量的混合昊图公司和元得到product。与CF3.和哟3.，只有元是观察到的。
一些生成苄基的方法
除了像NaNH这样的强碱，苄还可以通过其他几种方式生成2或KNH2。
格氏试剂的行为很像碳原子。所以另一种形成苄基的途径是从二卤苯开始的o-溴氟苯并用金属镁处理格氏形成，然后这个“阴离子”甚至可以取代一个“好”离去基团像氟一样形成三键
另一种方法是生成离去基团可以不可逆地以气体的形式离开，比如CO2或者N2。
在下面的第一个反应中，紫外光破坏了弱O-O键，然后均溶解导致两个CO的损失2生成苄基的分子。
在第二个例子中，市售的(而且便宜)邻氨基苯酸与HNO一起转化为重氮离子2和盐酸。热导致CO的损失2和N2：
这只是冰山一角。如需更多阅读，这一讲是关于亚利安的普林斯顿麦克米伦研究小组的埃里克·韦林(Eric Welin)写的这本书是一本很好的介绍。
降解研究。
如今，罗伯茨的标记实验结果可以通过一种叫做核磁共振(NMR)的技术在5分钟内确定。
但在1954年，这种技术还不存在。因此，有必要通过众所周知的化学反应将产物分解成更简单的成分，即所谓的“降解”技术，来确定比例。
苯胺通过重氮盐的生成和与水的取代转化为苯酚。加氢与兰尼镍在高压下环己醇，再用铬酸氧化成环己酮。施密特反应将环己酮转化为A内酰胺，水解为游离酸。第二次施密特反应释放出CO2，它被氢氧化钡捕获。CO的放射性2二胺产物被发现大致相等(并且每一个都是酸前体总反应活性的一半)，从而证实了氮的攻击发生在两个不同的碳上。
我们的化学祖先必须完成约伯的工作才能得到一个结构。
是谁比任何人都更努力地发展和推广了核磁共振作为一种确定有机化合物结构的技术，从而使我们摆脱了这种痛苦?
约翰·罗伯茨，他在关于苄基的研究发表后不久就开始了这项研究。
测试你自己!
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(高级)参考资料和进一步阅读
在这前两篇论文中，诺贝尔奖获得者Georg Wittig描述了反应o-氟苯锂并建议他们通过两性离子中间(尽管在论文2中他也使用了三键结构o -苯炔)。
- Über die Bildung von Diphenyl aus fluorbenzund苯基‐锂(IV. Mitteil.)über Austauschreaktionen mit苯基量锂)
Georg Wittig, Gustav Pieper, Gerhard Fuhrmann
的误码率。1940，73(11), 1193 - 1197
DOI:10.1002 / cber.19400731113 - 苯基-锂，der Schlüssel zu einer neuen Chemie metallorganischer Verbindungen
Georg维蒂希
自然科学期刊1942年11月，第30卷，46-47期，第696-703页
DOI:1007 / BF01489519这些论文是J. D.罗伯茨教授的经典著作，他在其中使用了14c标记的氯苯和KNH2证明了苯的居间性14C标记后反应。 - 氯苯-1- c14与酰胺钾反应中的重排
约翰·d·罗伯茨，小霍华德·e·西蒙斯，l.a.·卡尔史密斯和c·惠顿·沃恩
美国化学学会杂志195375(13), 3290 - 3291
DOI:1021 / ja01109a523 - 卤代苯胺化反应机理
约翰·d·罗伯茨，多萝西·a·塞米诺，小霍华德·e·西蒙斯和l·a·卡尔史密斯
美国化学学会杂志195678(3), 601 - 611
DOI:1021 / ja01584a024 - TRIPTYCENE
Georg维蒂希
Org。Syn。1959年,39岁,75
DOI:10.15227 / orgsyn.039.0075
本程序在有机合成,可靠和独立测试的实验合成有机化学程序的来源，也是来自Georg Wittig，是制备苯的经典方法。 - 氟在温和条件下对邻三甲基硅基苯基三氟酯的1,2消除反应
林岛吉夫，田田高明，小林浩
列托人。1983年,1211 - 1214
DOI:10.1246 / cl.1983.1211
这是一篇在有机化学中极具影响力的论文，因为在这种化学作用下可以生成苄基极温和的条件(室温或以下)。 - 炔的直接酰基烷基化[2-(2-乙酰苯基)乙酸甲酯的制备]
大卫·c·埃伯纳，乌塔姆·k·坦巴尔，布莱恩·m·斯托尔茨
Org。Syn。2009年,86，161
DOI:10.15227 / orgsyn.086.0161
一个涉及苄基的现代合成程序的例子，使用Kobayashi开发的化学(参考文献6)。Brian Stoltz教授(加州理工学院)开发了(并继续开发)许多使用苄基的有趣的合成方法。 - 吲哚林的实验和计算研究:亲核添加物选择性的合成应用和起源
G-Yoon J. Im, Sarah M. Bronner, Adam E. Goetz, Robert S. Paton, Paul h - y。昌，k·n·霍克，尼尔·k·加格
美国化学学会杂志2010132(50), 17933 - 17944
DOI:10.1021 / ja1086485
Neil Garg教授(加州大学洛杉矶分校)与Stoltz教授一起完成了博士学位，并将苄基概念扩展到其他杂环，如吲哚，特别是发展了基于“吲哚”的化学。 - 《阿林化学的一个世纪
Hans Henning Wenk博士，Michael Winkler Dipl -化学。， Wolfram Sander教授。
化学。Int。艾德。2003年,42(5), 502 - 528
DOI:10.1002 / anie.200390151
很好的关于雅利安化学的综述。
很棒的帖子，詹姆斯!
我只是想指出在你们讨论取代亚炔的区域选择性时可能存在的复制/粘贴错误。在情况#2中(当三键在邻位碳和元碳之间)，你画的两个产物具有相同的结构，并且ChemDraw中伴随的文本是不正确的。
另外，你可能会对杰克·罗伯茨的这篇精彩报道感兴趣:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201612152
哦亲爱的。谢谢你抓住这个机会，哈罗德!固定的。
嘿!你要知道，错误依然存在。
谢谢你的所有帖子!他们帮了大忙!
(终于)修好了。谢谢你的唠叨!
出色的帖子，正如预期的那样。不过，还有一件小事:
“Benzyne经历Diels Alder反应
Diels-Alder反应中的二烯。苄基的三键起着二亲性的作用:
好像第一个短语的第一部分不见了。
开枪。谢谢你！固定的。
我经常使用这些有用的帖子，并推荐给我的朋友，所有的帖子都很棒，非常感谢
确定一下，决定速率的步骤是第二步，亲核试剂对芳基中间体的攻击，对吧?我在帖子里找不到这一点。
不，速率的决定步骤是芳基的形成(脱质子)。进攻速度很快。
我不明白为什么我所有的教科书(Clayden, Yurkanis, Vollhardt)都表明NH2-是亲核试剂，而不是NH3!NH3和你的解释很有道理。甚至我的教授都是用NH2-来教的。现在我不知道在考试中该怎么写。你有这方面的书吗?
顺便感谢这么好的网站!来自德国的问候
来自印度的爱…
在我们的文化中，老师是我们的上帝。
你证明了自己绝对是!
好文章! !但我有一个疑问……
为什么苯不发生共振?是因为它失去了香味吗?
这就是我们在决定产物时不考虑取代基共振效应的原因吗?
苄基的"三键"在与芳香系pi成90°的轨道上。它们不能与组成芳香环的轨道相互作用。
非常感谢，一如既往的精彩。可能是关于苯的最好的几页。向您致敬，先生
神奇的内容!谢谢你！
然而，我有些困惑;在抽认卡中提出的问题(“Quiz Yourself!”)中，第二种情况涉及元位置上的取代基。溶液给出了两种可能的苄基中间体;一个是m p和o p之间的三键。我们如何决定/预期哪一个将是主要的?
信息发布. .只是一个简单的问题，我们如何判断一个反应是按正常的加减反应进行，还是按苄基反应进行。任何参数，如温度/试剂等?
在芳基形成的情况下，寻找强碱(NaNH2)的存在。
“天都”做得好
优秀的. .的way you divided & explained the concept
谢谢你，先生。这有助于我理解这个概念，这对印度竞争性考试是非常重要的。
非常感谢。本网站的所有内容都非常翔实