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五元六元芳香環(huán)狀化合物匯總(2):五元芳香雜環(huán)親電取代定位效應

 新用戶67548723 2023-11-22 發(fā)布于北京
芳雜環(huán)定位效應的原理和苯環(huán)定位基原理有很多相似的地方,因此在學習芳雜環(huán)親電取代定位效應之前,先回顧一下苯環(huán)的定位基效應中,比較精簡的一些重要總結:

(1)致活的鄰對位取代基:-NH2 > -OH> -OCH3 > -NHCOCH3 > CH3 > Ph(活化能力由高到低)。致鈍的間位取代基:-N+(CH3)3 > -NO2 > -CN > -SO3H > -COCH3 > -COOH > -COOCH3 > -CHO(鈍化能力由高到低)。致鈍的鄰對位取代基:-F < -Cl < -Br < -I(鈍化能力由低到高)。

(2)是鄰對位取代還是間位取代取決于苯環(huán)碳正離子的相對穩(wěn)定性。與給電子基團連接的苯環(huán)碳行成的碳正離子由于給電子基團的電荷補充會相對穩(wěn)定,更容易在鄰對位取代,且苯環(huán)被活化;與吸電子基團連接的苯環(huán)碳行成的碳正離子由于吸電子基團效應會很不穩(wěn)定,苯環(huán)被鈍化,不易親電取代,即使發(fā)生也是間位取代。

(3)多定位基定位效應由強活化基團控制,其次是弱活化基團。

(4)有機合成中,關于芳香環(huán)親電取代的反應包括:氯甲基化反應、鹵化反應、硝化反應、磺化反應、傅克烷基化反應、傅克?;磻取F渲星叭齻€規(guī)屬于官能團轉化內(nèi)容,后兩個歸屬于延長碳鏈內(nèi)容。

由于篇幅有限,不再展開解釋上面幾個知識點以后再做補充。下面對五元芳香雜環(huán)的定位效應及多元取代定位規(guī)律進行分析。

01

吡咯、呋喃和噻吩的定位效應

作為富電子環(huán),吡咯、呋喃和噻吩的C2和C5位較C3和C4活潑,因此反應易在C2或C5上進行。主要原因是:C5位取代會行成的碳正離子(下圖上)C3取代行成的碳正離子(下圖下)穩(wěn)定但不同條件下仍有一定的C3取代產(chǎn)物生成。

空間位阻會影響芳香環(huán)親電取代的定位效應。氮取代吡咯會引起C3取代產(chǎn)物比例增加。有一個值得關注的應用,氮上三異丙基硅取代的吡咯進行硝化反應,C2和C5位的活性被完全封閉,只生成C3硝基取代的吡咯衍生物,再脫去三異丙基硅,實現(xiàn)吡咯的C3取代。

C2和C5位均被占據(jù)的情況下,反應會在C3和C4位進行(刑大本原文),本人在做噻吩親電溴代實驗時,控制當量能得到三種溴代噻吩產(chǎn)物,分別是C2取代(最多)、C2和C3取代(第二多)、C2、C3和C5取代(最少),由此推斷,五元芳香雜環(huán)在發(fā)生親電取代時,優(yōu)先2位(或5位)取代,進一步取代行成多取代產(chǎn)物取代位置和取代基類型有關。在不考慮空間位阻的情況下,若取代基是鄰對位取代基,則生成23取代產(chǎn)物,若為間位取代基時,易生成2,5取代產(chǎn)物

02

五元唑類芳香環(huán)定位效應

二唑:由于親電試劑或基團通常會在芳環(huán)相對富電子的位點進行反應,因此唑類芳雜環(huán)化合物的親電取代反應位點取決于吡咯類氮原子(或氧原子或硫原子)。因此在使用傳統(tǒng)的親電取代條件下,1,2-唑的親電取代反應主要在C4進行,1,3-唑主要在C4,C5進行(對噻吩、呋喃和無取代的吡咯來說,C4和C5位置對稱)。
對于氮取代吡唑,通過scifinder搜索發(fā)現(xiàn),無論取代基是吸電子基團(CF2H)還是給電子基團(CH3),親電取代反應仍然主要在C4進行。而咪唑在N質子化后,C4和C5位置不再對稱,表現(xiàn)出不同的親電取代活性,N甲基取代咪唑C4親電取代活性最高,其次C5。

三唑:由于三唑類衍生物相對于二唑更加缺電子,因此親電取代條件更加苛刻,有些結構甚至已不能通過親電取代來溴化或硝化反應。

1,2,5-三氮唑(1,2,3-三氮唑):對于N上無取代的對稱結構在親電取代溴化時,C3和C4位置相同,單取代產(chǎn)物互為異構體。N-取代的1,2,3-三氮唑環(huán)上過于缺電子已無法完成親電取代反應,而N取代的1,2,5-三氮唑在高溫混酸條件下能實現(xiàn)硝化。對于1,3,4-三氮唑(1,2,4-三氮唑),多通過自由基取代來鹵化。

03

多元取代定位效應

呋喃、噻吩、吡咯環(huán)上如有一個取代基,則對進入的第二個基團有定位效應。其和雜原子共同作用的結果如下:
1.C3有鄰對位定位基團取代,則后續(xù)基團進入相鄰的C2;若C3有間位定位基團取代,則后續(xù)基團進入已有基團的間位C5位。
2.C2位有取代的呋喃,無論取代基是鄰對位還是間位定位基團,第二位基團均進入C5位。噻吩和吡咯有所不同,若C2取代基為鄰對位定位基,后續(xù)基團主要進入C5位,其次是C3位,若C2取代基為間位定位基,后續(xù)基團主要進入C4位,其次是C5位。
3.空間位阻也會影響進入的第二基團定位效應。如已有取代基結構較大會影響鄰位的反應活性,或者吡咯的氮上有結構較大的基團取代,鄰位的親電取代活性將被封閉。

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