大学化学, 2020, 35(7): 142-150 doi: 10.3866/PKU.DXHX201911039

师生笔谈

从核磁共振的化学位移探讨取代苯亲电取代反应的活性和区域选择性

王永强,

An Insight into Activity & Regioselectivity of Electrophilic Substitution of Benzenes Based on Chemical Shift of Nuclear Magnetic Resonance

Wang Yongqang,

通讯作者: 王永强, Email: wangyq@nwu.edu.cn

收稿日期: 2019-11-22   接受日期: 2019-12-18  

基金资助: 陕西省一流专业建设经费
西北大学研究生课程建设项目
国家自然科学基金.  NSFC-21572178
国家自然科学基金.  NSFC-21971206

Received: 2019-11-22   Accepted: 2019-12-18  

摘要

亲电取代反应是一类基本的有机反应,其中以苯环上的亲电取代反应最常见。该反应的反应活性及反应的位点与苯环上已有的取代基有很大的关系。本文从波谱学的角度,利用核磁数据,阐述了已有的取代基如何影响苯环的电子云密度,进而影响苯环亲电取代反应的活性和取代的位置。本文视角新颖,将对学生的学习及科研产生启发。

关键词: 亲电取代反应 ; 波谱学 ; 有机化学教学

Abstract

Electrophilic substitution reaction, especially electrophilic aromatic substitution, is a common and basic organic reaction. In the reaction, the substituents on the aromatic ring affect the rate of further substitution, as well as the orientation of new groups. In this paper we describe an insight into electrophilic substitution reaction from the view of spectroscopy. We utilize the data of nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy to disclose how the substituents affect electron cloud of the aromatic ring, and further affect the reactivity and the position of substitution. The paper would inspire students in their study and research.

Keywords: Electrophilic substitution reaction ; Spectroscopy ; Organic chemistry teaching

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本文引用格式

王永强. 从核磁共振的化学位移探讨取代苯亲电取代反应的活性和区域选择性. 大学化学[J], 2020, 35(7): 142-150 doi:10.3866/PKU.DXHX201911039

Wang Yongqang. An Insight into Activity & Regioselectivity of Electrophilic Substitution of Benzenes Based on Chemical Shift of Nuclear Magnetic Resonance. University Chemistry[J], 2020, 35(7): 142-150 doi:10.3866/PKU.DXHX201911039

1 引言

亲电取代反应是一类基本的有机化学反应,是指化合物分子中的原子或原子团被亲电试剂取代的反应。最重要的亲电取代反应是苯环上的芳香亲电取代反应,即亲电试剂取代苯环上的氢。该反应对于含有苯环的化合物非常普遍,因而在我们有机化学苯和芳香烃章节的教学中占据很大的篇幅。典型的苯环上的芳香亲电取代反应有卤化、硝化、磺化、Friedel-Crafts烷基化、Friedel-Crafts酰基化等(图1)。这些反应的机理大体相似(图2) [1, 2]:苯环与亲电试剂E+通过电荷转移形成π络合物,接着亲电试剂E+与苯环的一个碳原子直接结合,形成σ络合物。此时,与亲电试剂E+形成σ键的这个碳原子由sp2杂化变成sp3杂化,碳环不再是原来的稳定的芳香体系,而是缺电子共轭体系(五中心四电子)。这种缺电子共轭体系有极强的失去质子而恢复原来稳定的共轭体系的趋势。所以σ络合物很快在碱(负离子)的作用下失去质子,使体系恢复到稳定的芳香体系。其中,中间体π络合物通过碘与苯反应生成不稳定的棕红色碘苯络合物(图2A,其在500 nm处有吸收)的实验得到了证实。中间体碳正离子(σ络合物)的存在也已被实验证实,例如,碳正离子B和碳正离子C (图2)被成功制备、并分离。

图1

图1   典型的苯环上的芳香亲电取代反应


图2

图2   苯环上的芳香亲电取代反应的机理


在苯环的亲电取代反应中有一个很重要的概念——取代基的定位效应,即已有取代基对后进入基团进入苯环的位置产生制约作用。根据对苯环的反应活性的影响,取代基分为致活基和致钝基;根据对苯环的反应位置的影响,分为邻对位定位基和间位定位基。对于致活基团,如甲基,为邻对位定位基;对于致钝基团,如硝基,为间位定位基。对于这些定位规律的解释,一般使用中间体碳正离子极限式的稳定性(共振理论)来解释(图3图4)。取代基的定位效应与取代基的诱导效应、共轭效应、超共轭效应等电子效应密切相关,如硝基苯,由于硝基的吸电子诱导效应和吸电子共轭效应,使得苯环电子云密度大大降低,而且硝基的邻对位相对于间位电子云密度降得更多,因此,硝基苯与亲电试剂生成的碳正离子的电正性比简单苯生成的碳正离子电正性还强,稳定性差,故硝基苯发生亲电取代反应时比苯慢,速率大约只有苯的百万分之一[3],而且以电子云密度相对于邻对位较高的间位取代为主。可见,取代基的定位效应与电子云密度息息相关。那么,能否从电子云密度入手,理解取代基的定位效应呢?本文就这方面的知识进行初步探究。

图3

图3   甲苯的定位效应


图4

图4   硝基苯的定位效应


2 核磁共振谱图数据与基团致活、致钝效应

我们知道,在核磁共振谱(1H NMR和13C NMR)中,化学位移是电子云密度的函数,如甲苯的核磁共振谱(图5)。在1H NMR谱图中H原子的化学位移δ值小,该H原子处于高场,该处的电子云密度大;反之,H原子的化学位移δ值大,该H原子处于低场,该处的电子云密度小。而且,1H NMR和13C NMR具有很强的一致性,即H原子处于低场,则与其相连的C处于低场;反之亦然。

图5

图5   甲苯的1H NMR和13C NMR谱图


下面我们看,苯环上取代基对化学位移的影响。课本上[3],―NH2,―OMe,―OOCCH3均为致活基,且其致活顺序为―NH2 > ―OMe > ―OOCCH3 (图6)。这三个化合物的1H NMR数据表明[4],其苯环上H原子的化学位移δ值均小于苯(δH= 7.27),说明这三个化合物苯环上的电子云密度皆大于苯的电子云密度,因此这三个基团均为致活基团;而苯胺的苯环相应位置上δH最小,苯甲醚的次之,乙酸苯酚酯的较大,因而,从化学位移(电子云密度)角度,―NH2,―OMe,―OOCCH3的致活顺序与课本上的完全一致。

图6

图6   苯胺、苯甲醚和乙酸苯酚酯的1H NMR谱图数据及致活顺序


再看下面这个例子,课本上[1],―NO2,―COCH3,―CHO均为致钝基,其致钝顺序为―NO2 > ―COCH3 > ―CHO (图7)。来看三个化合物的1H NMR数据,其苯环上H原子的化学位移δ值均大于苯(δH= 7.27),说明这三个化合物苯环上的电子云密度皆小于苯的电子云密度,因此这三个基团均为致钝基团;而硝基苯苯环相应位置上δH最大,苯乙酮的次之,苯甲醛的较小,因而,从化学位移(电子云密度)角度,―NO2,―COCH3,―CHO三个致钝顺序也与课本上的一致。

图7

图7   硝基苯、苯乙酮和苯甲醛的1H NMR谱图数据及致钝顺序


那么,卤素作为取代基的情况会是怎样呢?如图8所示,氯苯、溴苯和碘苯苯环上H原子的化学位移δ值均大于苯(δH= 7.27),说明这三个基团均为致钝基团;而氟苯苯环上H原子的化学位移δ值均小于苯(δH= 7.27),说明氟苯苯环上的电子云密度大于苯的电子云密度,取代基F有可能是致活基团。这与我们教科书介绍的取代基F为致钝基不一致。那么,取代基F到底是致活基还是致钝基,这需要大量的实验所证明,目前这方面的研究工作,我们正在进行之中。再来看,这些卤素的致钝顺序;课本上,其致钝顺序为I > Br > Cl > F。我们看这些化合物的1H NMR数据,碘苯的苯环相应位置上δH最大,溴苯的次之,氯苯再次,氟苯最小,因而,从化学位移(电子云密度)角度,卤素致钝顺序也与课本上的完全吻合[3]

图8

图8   卤代苯的1H NMR谱图数据及致钝顺序


芳杂环的情形又如何?我们经常遇到的五环芳杂环化合物有呋喃、噻吩和吡咯,六元芳杂环有吡啶。课本上介绍呋喃、噻吩和吡咯的亲电取代活性高于苯,而吡啶的亲电取代活性低于苯,亲电活性次序为:吡咯>呋喃>噻吩>苯>吡啶。我们来看它们的1H NMR数据(图9)。由于杂原子的不同,和杂原子相连的CH受到的诱导及共轭效应不好比较,我们就以距离杂原子较远的呋喃、噻吩和吡咯的β位及吡啶的对位比较,来说明各芳杂环化合物电子云密度的情况。呋喃、噻吩和吡咯三化合物的β位的H原子的化学位移δ值均小于苯(δH= 7.27),说明这三个化合物芳环上的电子云密度皆大于苯的电子云密度,说明呋喃、噻吩和吡咯较苯更富电子,其亲电取代活性高于苯;而吡啶对位的H原子的化学位移δ值(δH= 7.66)大于苯(δH= 7.27),说明吡啶较苯更缺电子,其亲电取代活性低于苯。呋喃、噻吩和吡咯三化合物的β位和吡啶对位的H原子的化学位移δ值次序为:6.24 (吡咯) < 6.38 (呋喃) < 7.12 (噻吩) < 7.27 (苯) < 7.66 (吡啶),因此,这些杂芳环电子云密度的大小顺序为:吡咯>呋喃>噻吩>苯>吡啶;由电子云密度推断出的亲电活性顺序也与课本上的一致。

图9

图9   吡咯、呋喃、噻吩、苯和吡啶的1H NMR谱图数据及致活顺序


再来看苯并芳杂环体系,吲哚和喹啉。如图10所示,吲哚环上(除4号位) H原子的化学位移δ值均小于苯(δH = 7.27),说明吲哚环上的电子云密度大于苯的电子云密度,吲哚较易发生芳香亲电取代反应[3]。喹啉环上H原子的化学位移δ值均大于苯(δH= 7.27),说明喹啉环上的电子云密度小于苯的电子云密度,其较难发生芳香亲电取代反应。

图10

图10   吲哚和喹啉的1H NMR谱图数据


从上述五类不同取代性质的例子,我们不难看出,核磁数据——化学位移的变化,可以很好地解释取代基的致活、致钝效应。

3 核磁共振谱图数据与取代基的定位效应

接下来,我们看核磁数据能否确定取代基的定位效应。首先,来看甲苯(图11),苯环上H原子的化学位移δ值均小于苯(δH= 7.27),说明甲基为致活基团;而甲基邻对位的δ值较间位的δ值小,说明甲基邻对位苯环上的电子云密度皆大于间位,因此,亲电取代反应优先选择电子云密度大的邻对位,这与课本及实验完全一致[1]

图11

图11   甲苯的1H NMR谱图数据及硝化反应


再看硝基苯(图12),硝基苯苯环上H原子的化学位移δ值均大于苯(δH= 7.27),说明硝基为致钝基团;而硝基间位的δ值较邻对位的δ值小,说明硝基间位苯环上的电子云密度大于邻对位,因此,亲电取代反应优先选择电子云密度大的间位,这与课本及实验也一致[1]

图12

图12   硝基苯的1H NMR谱图数据及硝化反应


接下来看,卤苯的亲电取代反应(图13)。氯苯芳环上H原子的化学位移邻对位的δ值较间位的δ值小,说明氯原子邻对位苯环上的电子云密度大于间位,因此反应优先选择电子云密度大的邻对位。而卤苯对位δ值均最小(图8),说明卤苯对位的电子云密度皆最大,因此,卤苯对位亲电取代占优势,这与课本及实验完全一致[1]

图13

图13   氯苯的1H NMR谱图数据及硝化反应


最后,来看看二元取代基的化学位移及定位效应。

1)若已有取代基的定位作用一致,则它们的作用互相加强(图14)[1]。邻硝基苯酚,酚羟基的邻对位是硝基的间位,其δ值小,电子云密度大,因此,亲电取代反应优先选择酚羟基邻对位。对硝基苯酚,酚羟基的邻位是硝基的间位,其δ值小,故亲电取代反应优先选择酚羟基邻位。

图14

图14   邻硝基苯酚和对硝基苯酚的1H NMR谱图数据


2)若已有取代基的定位作用不一致。

①多数情况,活化基团的作用超过钝化基团(图15) [1]。间羟基苯甲醛(13C NMR数据),除了醛基间位,其余芳碳化学位移δ值均小于苯(δC= 128.8),说明活化基团(―OH基)起主要作用,亲电取代反应主要发生在―OH基的邻对位。间硝基苯甲醚,除了硝基间位的化学位移δC值均大于苯(δC= 128.8),其他位置的δC值同样均小于苯,说明活化基团(―OCH3基)起主要作用,亲电取代反应优先选择电子云密度大的―OCH3基的邻对位,这与课本及实验一致。影响亲电取代反应的主要因素除电子效应外,位阻效应也是很重要的。尽管从13C NMR数据看,这两个化合物中醛基与羟基,及甲氧基与硝基中间位置的化学位移值最小,但由于该位置的空间位阻较大,因而该位置取代的产物少。

图15

图15   间羟基苯甲醛和间硝基苯甲醚的13C NMR谱图数据


②强活化基团的影响比弱活化基团大(图16) [1]。对甲基苯酚,羟基相对于甲基是强活化基团,因而其邻位的电子云密度大于甲基邻位的电子云密度,因此,亲电取代反应优先选择羟基的邻位。对甲基苯胺,氨基对苯环的活化作用大于甲基,氨基其邻位的电子云密度较甲基邻位的电子云密度大,化学位移δ值较小,因此,亲电取代反应主要在氨基的邻位。

图16

图16   对甲基苯酚和对甲基苯胺的1H NMR谱图数据


③两个基团的定位能力没有太大差别,主要得到混合物(图17) [1]。―Cl和甲基定位能力相差不多,因此,对氯甲苯中两个芳香H的化学位移接近,因此,芳环亲电取代的硝化反应产物的比例也相差不多。对于邻氯甲苯硝化反应,各个位置的化学位移相差不多,各个位置的取代的产物也大都能以相当的量分离得到。

图17

图17   对氯甲苯和邻氯甲苯的1H NMR谱图数据


4 结语

综上所述,我们可以看出用化学位移可以很好地解释和理解苯环上的芳香亲电取代反应。化学位移是电子云密度的函数,有机化学反应离不开电子云的相互作用,因此,可以预见很多有机化学反应可以从化学位移——电子云密度的角度加以理解。同时,还需指出质子的化学位移由于受到外界环境的变化而有所变化,因此,如果比较质子的化学位移必须控制相同(或大致相同)的化学环境才可比较。化学位移及其相关的核磁共振只是波谱学的分支之一,波谱学不仅可以用于化合物结构的鉴定,还可以用于化学反应的预测与化学反应的设计。

参考文献

邢其毅; 裴伟伟; 徐瑞秋; 裴坚. 基础有机化学, 北京: 高等教育出版社, 2012.

[本文引用: 9]

芳香亲电取代反应机理与芳烃经过C-H键活化官能团化的机理有所不同,该机理参见:

[本文引用: 1]

(a) Wang, D. Y.; Guo, S. H.; Pan, G. F.; Zhu, X. Q.; Gao, Y. R.; Wang, Y. Q. Org. Lett. 2018, 20, 1794.

[本文引用: 1]

(b) Zhang, X. L.; Pan, G. F.; Zhu, X. Q.; Guo, R. L.; Gao, Y. R.; Wang, Y. Q. Org. Lett. 2019, 21, 2731.

[本文引用: 1]

古练权; 汪波; 黄志纾; 吴云东. 有机化学, 北京: 高等教育出版社, 2008.

[本文引用: 4]

常建华; 董绮功. 波谱原理及解析, 北京: 科学出版社, 2017.

[本文引用: 1]

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