14含氮芳香化合物

考研有机化学《含氮芳香化合物》章节思维导图，希望可以帮助到大家梳理。

14含氮芳香化合物

• 芳香硝基化合物
  • 还原反应
    • 单分子还原
      • 用硫化铵、硫氢化钠、硫化钠等还原，可以将二硝基化合物进行选择性还原，但无法预测还原哪一个
    • 双分子还原
      • 亚硝基苯＋苯基羟胺或硝基苯＋苯胺缩合成氧化偶氮苯（双分子还原产物)，加入Fe/HCl生成苯胺
      • 两分子硝基苯与Zn＋NaOH生成氢化偶氮苯
      • 亚硝基有类似羰基的性质，既能发生类似羟醛缩合型的反应，也能发生亲核加成反应
  • 联苯胺重排
    • 氢化偶氮苯在酸催化下可以发生重排，生成4，4'–二氨基联苯
    • 反应特点
      • 氢化偶氮苯对位有取代基时，重排在邻位发生
      • 当对位是磺酸基或羧基时，重排依然在对位发生，因为磺化反应是可逆的，羧基容易脱羧
      • N–取代苯胺也能发生类似重排
  • 芳香亲电取代反应
    • 芳香硝基化合物由于对苯环的吸电子作用使得苯环电子密度小，因此不容易发生亲电取代反应，亲电取代反应的条件都要比苯剧烈
  • 芳香亲核取代反应——SN2Ar机理
    • 反应式
      • 芳香硝基化合物的邻对位有易离去基团时，容易发生亲核取代反应，离去基团被亲核试剂取代掉
      • 邻对位有易离去基团的硝基苯＋亲核试剂，生成邻对位新取代基的硝基苯
    • 反应机理
      • 亲核试剂先进攻离去基团连接的碳，形成σ负离子，然后离去基团带着负电荷离去，重新形成苯环结构
    • 反应特点
      • 硝基在芳香亲核取代反应中是邻对位定位基
      • 除了硝基，其他吸电子基团也能起到活化或加速芳环亲核取代反应速率的作用
        • 这些基团以及它们对反应速率影响由大到小的排列次序如下：－N2＋，－N＋，－NO，－NO2，－CF3，－COR，－CN，－COOH，－Cl，－Br，－I，－C6H5
        • 其他吸电子基在亲核取代中也是邻对位定位基，因为形成的共振式中有和吸电子基直接相连的碳负离子，吸电子基可以稳定碳负离子。邻对位连有的吸电子基越多，越容易发生亲核取代反应
      • 除了羟基，其他带负电荷或含有孤对电子对的亲核试剂如：H－，HS－，RO－，CN－，SCN－等也能进行芳环的亲核取代反应
      • 除了卤素，其他取代基当其邻位、对位或邻对位都有吸电子基团时，也同样可以被亲核试剂取代，其中最常见的可被取代的基团以及它们的活泼顺序如下
        • －F＞－NO2＞－Cl，－Br，－I＞－N2＞－OSO2R＞ －NR3＋＞－OAr＞－OR，－SR，－SAr＞－SO2R＞－NR2
        • 这里卤素的离去能力和卤代烃的亲核取代反应相反，因为卤素电负性越大，吸电子能力越强，C–X键极性越大，碳正电性越强，越易受亲核试剂进攻，同时形成的σ负离子越稳定，活化能越低，越容易反应
  • 硝基邻对位侧链α－H的反应
    • 由于硝基的吸电子作用，其邻对位烷基侧链α–H有一定的酸性，类似羰基的α–H，在强碱的作用下，能发生缩合、烷基化反应
• 芳香胺
  • 芳香胺的氧化
    • N上有氢的芳香胺极易氧化，用不同的氧化剂进行氧化，氧化产物不同
  • 芳香胺芳环上的亲电取代反应
    • 卤化
      • 除了碘代反应，氯化和溴化反应都会直接生成2，4，6–三卤苯胺
    • 磺化
      • 由于氨基会与硫酸反应形成盐，因此需要加热进行反应，用浓硫酸，主要得对位取代产物。用发烟硫酸为磺化试剂主要的间位取代产物
    • 硝化
      • 苯胺容易被硝酸氧化，因此通常用乙酰化的苯胺进行消化，然后再水解掉乙酰基。
      • 三级苯胺在稀酸中消化生成邻位对位产物，在浓酸中消化生成间位产物
    • F－C酰基化反应
      • 有氢的氨基可以和酰氯反应，因此需要先用乙酰基保护后再酰基化
      • 氮原子上没有氢时，可以直接进行酰基化
    • 维尔斯迈尔反应
      • N，N－二甲基苯胺与三氯氧磷和N，N–二甲基甲酰胺（DMF）作用，可以在对位引入甲酰基
      • 反应机理
        • 三氯氧磷先与DMF反应形成亚胺盐中间体
        • 亚胺盐作为亲电试剂再与N，N–二甲基苯胺发生亲电取代反应
      • 用途
        • 在富电子体系的芳环中引入甲酰基
        • 能发生此反应的底物：苯酚、苯胺、呋喃、噻吩、吡咯和吲哚等富电子的芳环
  • 芳香胺的重氮化反应
    • 苯胺与亚硝酸或亚硝酸盐及过量的酸反应会生成芳香重氮盐
      • 芳香重氮盐可以发生芳香自由基反应，芳香SN1亲核取代反应，从而转变为其他官能团。还能通过还原转化为氢或肼
      • 芳香重氮盐还能发生偶联反应生成偶氮苯。
      • 因此芳香重氮盐是合成芳香化合物重要的中间体
  • 芳香重氮盐芳环上的取代反应
    • 重氮盐的芳香自由基反应
      • 桑德迈尔反应
        • 芳香重氮盐在CuCl或CuBr的催化下，可以与氢卤酸发生芳香自由基反应，生成重氮基被氯原子或溴原子取代的芳香卤代物。也可以用CuCN催化，与氰化钾反应生成芳香腈
        • 反应机理
          • 芳香自由基取代机理，先形成络合物，加热时酮转移给N一个电子，然后碳氮键均裂，形成苯自由基
        • 反应特点
          • 桑德迈尔反应一般只适合将重氮盐转化为氯和溴，不能转化为碘和氟
      • 加特曼反应
        • 芳香重氮盐在金属铜的催化下，也可以与氢氯酸或氢溴酸发生芳香自由基反应，生成重氮基被氯原子或溴原子取代的芳香卤代物
        • 反应机理
          • 芳香自由基取代机理
        • 反应特点
          • 加特曼反应一般也只适合将重氮盐转化为氯和溴，不能转化为碘和氟
          • 加特曼反应还可以在铜的催化下，用重氮盐与NaNO2，NaSO3，KSCN反应生成芳香硝基化合物，芳香磺酸化合物和芳香硫氰化合物
      • 刚穆伯－巴赫曼反应
        • 芳香重氮盐的芳基在碱性条件下，与其他芳香族化合物偶联成联苯或联苯衍生物的反应称为刚穆伯－巴赫曼反应
        • 反应机理
          • 芳香自由基取代机理。重氮盐在碱的作用下形成苯自由基，然后苯自由基取代另一芳香化合物芳核上的氢，发生芳香自由基反应
        • 反应特点
          • 苯环上无论有什么取代基，反应都主要在邻对位发生。
          • 一些重氮盐在碱性条件下或稀酸条件下也可以发生分子内的偶联反应，最初是普塑尔而在寻找合成菲环的新方法中发现的，故称为普塑尔反应
    • 芳香重氮盐的芳香SN1亲核取代反应
      • 芳香重氮盐的水解
        • 芳香重氮盐在酸的水溶液中会发生水解反应成酚
        • 反应机理
          • 芳香SN1亲核取代反应
            • 重氮盐分解成苯正离子和氮气的一步是决定反应速率的一步
        • 反应特点
          • 重氮盐的水解条件温和，是在苯环上引入酚羟基最重要的方法
          • 邻对位无论是什么取代基，均会使反应速率减慢
            • 因为邻对位有吸电子取代基时，会使生成的碳正离子不稳定，使重氮基解离速率降低。当邻对位有给电子取代基时，会降低重氮基与苯环碳之间的极性，使碳氮键具有双键性质，使重氮基解离速率降低
      • 席曼反应
        • 芳香重氮盐与氟硼酸反应可以生成氟硼酸盐，加热分解会生成福袋芳烃，称为席曼反应
        • 反应机理
          • 芳香SN1亲核取代反应
      • 奥拉反应
        • 将席曼反应中的氟硼酸替换为氯硼酸和溴硼酸后，可以制备氟代和溴代芳烃，称为奥拉反应
        • 反应机理
          • 芳香SN1亲核取代反应
        • 反应特点
          • 将席曼反应和奥拉反应结合起来，既可以将重氮盐转化为氯或溴，也能转化为氟。
      • 芳香重氮盐与碘化钠反应
        • 因为碘负离子亲核性强，芳香重氮盐可以直接与碘化钠反应生成碘苯
        • 反应机理
          • 芳香SN1亲核取代反应
        • 反应特点
          • 只有碘可以直接碘化钠与重担重氮盐反应生成碘代芳烃，而由芳香重氮盐制备氯代、溴代和氟代只能用桑德迈尔反应、加特曼反应、席曼反应或者奥拉反应
    • 芳香重氮盐的偶联反应
      • 重氮盐正离子可以作为亲电试剂与酚和三级芳胺进行亲电取代反应，生成偶氮化合物。
      • 反应特点
        • 与酚偶联时，要在弱碱性（pH=8－10）条件下进行
          • 因为这样可以使酚羟基转变为氧负离子，增强给电子能力，有利于亲电取代反应。但是碱性不能太强，因为重氮盐在强碱作用下会转变成重氮氢氧化合物
        • 一般在对位发生偶联，对位有取代基时得邻位偶联产物。
        • 与三级芳胺偶联时，要在弱酸性（pH=5－7）条件下进行反应
          • 因为该反应在水溶液中进行。胺的溶解度不好，弱酸性会使胺形成铵盐，增加溶解度。胺与铵盐的是平衡的，当一部分胺反应后，就会再有一部分铵盐解离为胺进行反应，所以酸性不能太强。所有胺都转变成铵盐，降低胺的浓度，使反应减弱或终止。
        • 一级，二级芳胺的N上有氢，能与重氮盐反应生成苯重氮氨基苯，加热后会重排
    • 芳香重氮盐的还原
      • 去氨基还原
        • 重氮盐用乙醇或次磷酸还原，重氮基可以被氢取代
        • 用途
          • 可以用此反应，利用硝基或氨基的定位效应后，再将其重氮化后去氨基还原，生成原来的苯环，这样就可以灵活地在苯环引入基团了
      • 还原生成肼
        • 重氮盐用硫代硫酸钠、亚硫酸钠、亚硫酸氢钠或氯化亚锡加盐酸可还原为肼
        • 用途
          • 制备苯肼
• 苯炔
  • 制备
    • 可以用邻氨基苯甲酸制成重氮盐，受热分解会生成二氧化碳，氮气和苯炔
    • 也可以用邻二卤代苯与锂或镁反应制得
  • 二聚
    • 苯炔很活泼，可以发生自身二聚生成二联苯
  • 亲核加成
    • 许多亲核试剂都能与苯炔发生亲核加成，比如醇，烷氧负离子，烃基锂，羧酸银，氰化物等
      • 由于本缺发生反应的三键是sp2杂化轨道形成的，所以当三键两边化学环境不同时，电子效应只看诱导，不看共轭，生成更加稳定的碳负离子中间体
  • 亲电加成
    • 苯炔还能与卤素等亲电试剂发生亲电加成反应
  • 环加成
    • 苯炔的三键极其容易作为亲双烯体进行D－A反应，三件断开形成苯环
    • 与吡咯发生D－A反应生成的产物还能重排称α－萘胺
  • 苯炔中间体机理
    • 卤代苯本身很不容易发生亲核取代反应，将卤代苯加入液氨中加热也不会反应。但是将它加入强碱氨基钠的液氨溶液中时，却可以制备苯胺。且对甲基卤代烃除了生成对甲苯胺，还会生成间甲苯胺
    • 反应机理
      • 该反应是通过苯炔中间体机理进行的，卤代苯在强碱的作用下，先生成苯炔，然后再与亲核试剂发生亲核加成
    • 有取代的卤代烃发生苯炔中间体机理时，产物的书写方法
      • 先根据诱导效应判断生成的苯炔，哪个碳上的氢酸性大，消去哪个氢形成的苯炔
      • 根据亲核加成的碳负离子的稳定性选择加成位点
• 芳香化合物的合成
  • 硝基和氨基是引入官能团的核心
    • 苯环引入硝基后可以进行间位定位
    • 硝基苯还可以双分子还原生成氢化偶氮
    • 氢化偶氮苯可以进行联苯胺重排
    • 硝基还能被还原为氨基，再利用氨基的邻对位定位效应
    • 氨基重氮化后还能转化为其他各种官能团
    • 氨基重氮化后还能与苯酚和三级苯胺偶联
    • 氨基重氮化后还能还原消去
  • 在合成芳香化合物时，官能团的引入是要从整体把握的
    • 先看现有基团能不能通过各基团的定位效应，将各基团逐一引入
    • 当不能引入时，再看现有基团中有没有能由相反定位基团转化而来的，然后先合成其相反定位基，利用定位效应后，再将其转变为最终要合成的基团
    • 卤素，氰基，羧基，羟基等可以由重氮盐转化而来的基团，都可以作为间位或邻对位定位基处理，因为在合成的过程中要先引入硝基，此时可以利用硝基的间位定位，然后硝基还还原为氨基，再利用氨基的邻对位定位效应
    • 当取代基的直接定位和转化为上一步的基团都不行时，直接利用硝基和氨基的定位后，再重氮化还原掉