《有机化学》课件-6-7

6.7苯环上取代反应的定位效应及反应活性

一、定位效应

苯上六个氢原子是等同的，它的一取代产物只有一种。苯环上已有一个取代基，环上剩余的五个氢原子，两个在邻位，两个在间位，一个在对位，应生成三种取代物。

如果五个位置的反应速度相同，则其二取代物的比例应为:邻：间：对=2:2:1。实际情况如何呢？甲苯与硝基苯硝化时：

甲苯主要生成邻对位取代产物（邻+对>90%)，硝基苯主要生成间位取代产物（间>90%)。磺化、卤代等取代反应中也有类似的规律。可见第二个取代基进入的位置，与亲电试剂的类型无关，仅与环上原有取代基的性质有关，受环上原有取代基的控制。我们称这种效应为定位效应（orientationeffect)

由表6-2中产物的比例可见，取代基效应大致可分为两类：(1)邻对位定位基

第一类定位基为邻对位定位基，它们使第二个取代基主要进入它的邻对位。常见的邻对位定位基有：

这类基团一般与苯以单键相连，除烃基外，通常与苯相连的原子如

带有未成键的电子对。(2)间位定位基

第二类定位基为间位定位基，它们使第二个基团主要进入它的间位。常见的第二类定位基有：

这些基团与苯环相连的原子上有极性双键，或带有正电荷。另一些强拉电子基团如—CF3，—CC13，也是第二类定位基。二、活化与钝化作用

甲苯及硝基苯硝化时除产物不同外，它们进行亲电取代的活性也不同。甲苯硝化的速度为苯的25倍，硝基苯继续硝化的速度为苯的6x10-8倍(表6-3）甲基使苯环活化，硝基使苯环钝化。

从表6-3中的数据可见，基团对苯环的影响十分明显。—N(CH3)2取代的苯比苯约活泼二千亿倍，而硝基苯活性仅约为苯的六亿分之一。

根据实验数据将取代基对苯环活性影响的能力排列如下：

强烈活化—NH2，—NHR，—NR2,—0H

中等活化—NHC0R，—OR，—0C0R

弱活化—R，—Ar

弱钝化

—F，—C1，—Br，—I

钝化

，—N02，—CF3，—CN，—S03H，

—CHO，—COR，—COOH—COOR，—CONR2

从排列的顺序可见，第一类定位基除卤素外，均使苯环活化。第二类定位基使苯环钝化。注意！苯环上带有第二类定位基不能进行傅一克反应，卤素比较特殊，为弱钝化的第一类定位基。

所谓活化及钝化，是指取代苯与苯在取代反应中的相对速度。甲基活化苯环，表示甲苯反应速度比苯快。硝基钝化苯环，表示硝基苯反应速度比苯慢。反应的速度与反应的历程密切相关。在苯的亲电取代反应的两步历程中，一般来说，亲电试剂进攻苯环，形成碳正离子间体的一步是速度决定步骤。

取代苯进一步反应形成碳正离子中间体，其稳定性与原有取代基的性质有关。

甲基为给电子基团，可分散环上的正电荷，其中间体2的稳定性比1大，因此反应速率比苯大。硝基为拉电子基团，增加环上的正电荷，其中间体3的稳定性比1小，反应速率比苯差。

一般地说，推电子基团使环活化，吸电子基团使环钝化。

比较苯、甲苯、硝基苯取代反应中间体的稳定性，顺序为2>1>3。三、定位效应及活化作用的解释

定位效应与活化作用一样，也涉及反应速度问题。它是指在取代苯上不同位置反应的相对速度。

第一类定位基（除卤素）是给电子基团，可活化苯环，但它对邻对位的活化作用大于间位，因此邻对位的反应速度比间位的快，它是邻对位定位基。第一类定位基有两种类型，一类原子上带有未成键电子对，如：另一类是经基。

已知烃基是给电子基团，它可稳定碳正离子，使环活化。但为什么它对邻对位的作用更大呢？可从反应中生成的几种碳正离子中间体的稳定性来分析甲苯取代可生成三种碳正离子中间体，它们的共振式分别为：

虽然每种位置都有三种共振式，但在邻对位取代的中间体的共振式中，都有一个特别稳定的共振式。它们的共同特点是，甲基与碳正离子直接相连，这时甲基对碳正离子的稳定作用最大，它们是十分稳定的叔碳正离子。由它们参与形成的共振杂化体比间位稳定，因此邻对位反应速度比间位快，产物的相对比例大。

另一类带有孤对电子的原子团，如

。氧与氮电负性比碳大，它们具有诱导的拉电子作用，那么怎么解释它们对环的强烈的活化作用呢？下面以苯酚的取代反应为例说明原因。

苯酚邻位取代中间体有四个共振式：

其中7特别稳定。在7中，氧上的孤对电子转移给带正电荷的苯环，这种共振的给电子作用大大超过了诱导的拉电子作用。两种矛盾的电子效应总的结果是，羟基是给电子基团，它活化苯环。7特别稳定的一个更重要的原因是，在这个结构中，氧与苯以双键相连，式中所有的原子(除氢外）都是八隅体，具有稳定的惰性气体电子层结构。（例如铵离子NH4+能以一个带正电荷的、独立的、稳定的原子团存在，是因为氮是稳定的八隅体。）

在对位和间位取代的中间体的共振式中，间位仅有三个，其中没有特别稳定的共振式，对位与邻位情况类似。因此邻、对位取代速度大大地超过间位，羟基强烈活化邻对位。

与羟基类似的基团都有这种作用，它们通过孤对电子与苯环的共振形成八隅体，稳定碳正离子，这种稳定作用比烃基与苯环的超共轭作用大得多，因此它们对苯有较强的致活作用。

第二类定位基是使苯环钝化的间位定位基。

类基团都是强拉电子的。含极性双键的基团，如一

NO2，由于极性双键的拉电子作用，使与苯相连的原子上带有正电荷，它们也是拉电子的。这几类基团均使苯环钝化，但它们对苯环邻对位的钝化作用大于间位，相比之下间位取代速度比邻对位快。下面结合硝基苯的反应，说明这种影响的差别。硝基苯受亲电试剂进攻，有三种位置：

虽然每种位置都有5个共振式，但在进攻邻或对位时，都有一个特别不稳定的共振式。它们之所以不稳定，是由于带正电荷的碳与拉电子的硝基直接相连，其他的共振式总是相隔一个或两个碳。由它们参与组成的邻对位的共振杂化体的稳定性不如间位（如图6-6)。换句话说，硝基对间位的钝化作用小于邻对位，因此间位反应速度快，硝基是间位定位基。

卤素比较特殊，它是起钝化作用的邻对位定位基。卤素的电负性比碳的大，它具有较强的拉电子作用。卤代苯进行亲电取代时，卤素诱导的拉电子作用，使形成的碳正离子中间体稳定性不如苯。

卤素使苯环钝化。这是卤素的拉电子效应引起的。那为什么卤素不是间位定位基，却是邻对位定位基呢？这与卤素的结构特点有关，卤素P轨道上有孤对电子，孤对电子可与苯环共振，因此卤素除有拉电子的诱导效应，还有给电子的共振效应。下面以氯苯为例说明共振效应在控制定位中的作用。

亲电试剂进攻氯苯的邻位：

在进攻邻位和对位时，氯上的P电子可与苯环共振，形成特别稳定的共振式8和9，8和9中原子（除氢外）都是八隅体，这种共振作用在进攻间位时不存在。共振结果P电子转移到苯环的邻位和对位，部分抵消了诱导的拉电子效应，因此卤素对邻对位的钝化作用小于间位，它是邻对位定位基。共振效应控制了卤代烃的取向。四、二取代苯的定位

二取代苯的定位效应比较复杂，但在许多情况下，仍可作出明确的预测。1)两个定位基定位效应一致，第三个基团进入它们共同确定的位置。例如:

在间二氯苯的取代反应中，尽管符合间二氯苯的定位效应有两种位置，但由于两个氯原子的位阻，第三个基团很难进入它们之间，因此产物主要为一种。这种位阻效应是普遍的现象。2)两个取代基定位效应相矛盾，第三个取代基进入什么位置呢？

定位效应本质上是反应速度问题，致活基团加快取代速度，致钝基团减慢反应速度，可以预计当两个取代基定位效应相矛盾时，一般可根据基团的致活能力顺序来判断第三个基团取代的位置。

(1)两个取代基不同类，定位效应受邻对位取代基控制，但产物主要在间位定位基的邻位，而不是它的对位，例如:称这种现象为邻位效应，原因尚不清楚。(2)两个取代基为同一类，定位效应受致活能力较强的基团的控制，例如:如致活能力差别不大，就很难预测主要产物，如:五、定位效应在合成中的应用

有机合成的目的是要制备一个纯净的化合物，为了合成含多个取代基的纯净的芳香化合物，需运用定位效应，设计合理的路线。例如：以苯为原料合成间硝基溴苯时，需先硝化后溴代。硝基是间位定位基，主要得到间位取代产物。

如要制对硝基溴苯，则需利用溴的定位效应，先溴代后硝化。

这里涉及邻、对位异构体的分离，对位产物对称性强，往往熔点较高，可用重结晶的方法进行分离，邻位产物分离较困难。

某些反应受条件限制，如傅一克反应环上不能带第二类定位基，在设计合成路线时