苯环上亲电取代反应的定位规律

苯环上亲电取代反应的定位规律

苯环上亲电取代反应的定位规律
基本概念：定位基：在进行亲电取代反应时，苯环上原有取代基，不仅影响着苯环的取代反应活性，同时决定着第二个取代基进入苯环的位置，即决定取代反应的位置。原有取代基称做定位基。
一、两类定位基
    在一元取代苯的亲电取代反应中，新进入的取代基可以取代定位基的邻、间、对位上的氢原子，生成三种异构体。如果定位基没有影响，生成的产物是三种异构体的混合物，其中邻位取代物 40%（2/5）、间位取代物 40%（2/5）和对位取代物 20%（1/5）。实际上只有一种或二种主要产物。例如各种一元取代苯进行硝化反应，得到下表所示的结果：

1．第一类定位基对苯环的影响及其定位效应
    以甲基、氨基和卤素原子为例说明。
    甲基 在甲苯中，甲基的碳为 sp3 杂化，苯环碳为 sp2 杂化，sp2 杂化碳的电负性比 sp3 杂化碳的大，因此，甲基表现出供电子的诱导效应（A）。另外，甲基 C—H σ 键的轨道与苯环的 π 轨道形成 σ—π 超共轭体系（B）。供电诱导效应和超共轭效应的结果，苯环上电子密度增加，尤其邻、对位增加得更多。因此，甲苯进行亲电取代反应比苯容易，而且主要发生在邻、对位上。

    亲电试剂 E+ 进攻甲基的邻、间、对位置，形成三种 σ 络合物中间体，三种 σ 络合物碳正离子的稳定性可用共振杂化体表示：

 亲电试剂进攻苯生成的 σ 络合物的碳正离子也可以用共振杂化体表示：

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苯环上亲电取代反应的定位规律

显然，共振杂化体Ⅰ和Ⅱ比Ⅲ稳定，因为Ⅰc和Ⅱb的正电荷在有供电基的叔碳上，较分散。而在Ⅲ中，正电荷都分布在仲碳上，不稳定。所以甲基是邻对位定位基。共振杂化体Ⅲ比Ⅳ稳定，虽然在Ⅲ和Ⅳ中的共振极限结构式都是正电荷分布在仲碳上，但甲基有供电性，使Ⅲ的正电荷可以分散在环和甲基上，因此，甲基活化了苯环。
    从共轭效应和共振论两种观点分析、考察甲苯的亲电取代反应，都得出甲基是第一类定位基、有活化苯环作用的一致结论。
    氨基 在苯胺中，N—C 键为极性键，N有吸电子的诱导效应（C），使环上电子密度减少；但同时氮原子有孤对电子，与苯环形成供电的p—π共轭效应（D），使环上电子密度增加：
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    在这里，共轭效应大于诱导效应，所以综合效应使是环上电子密度增加，尤其是氨基的邻位和对位增加更多。因此，苯胺进行亲电取代反应比苯更容易，且主要发生在氨基的邻、对位上。
    考察生成的中间体σ络合物碳正离子的稳定性也得到同样的结论。
    （3）卤原子 卤原子比较特殊，是一类使苯环钝化的第一类定位基。以氯苯为例，在氯苯中氯原子是强吸收电子基，强的吸电子诱导效应使苯环电子密度降低，比苯难进行亲电取代反应。但氯原子与苯环又有弱的供电的 p-π 共轭效应（C的2p轨道与 Cl 的 3p 轨道形成 p-π 共轭体系，没有 C 的 2p 轨道与 N 的 2p 轨道形成的 p-π 共轭体系有效），使氯原子邻、对位上电子密度减少得不多，因此表现出邻对位定位基的性质。
    2．第二类定位基对苯环的影响及其定位效应
    以硝基苯为例说明。在硝基苯中，硝基存在着吸电子的诱导效应（E），还存在着吸电子的π-π共轭效应（F）：

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这两种电子效应都使苯环上电子密度降低，亲电取代反应比苯难；共轭效应的结果，使硝基的间位上电子密度降低得少些，表现出间位定位基的作用。
    亲电试剂进攻硝基苯时，形成邻、间、对三种 σ 络合物中间体：

    共振杂化体 Ⅲ 比 Ⅰ 和 Ⅱ 稳定，因为在 Ⅰ 和 Ⅱ 中有正电荷分布在有强吸电子基团的叔碳上的极限结构式 Ⅰc 和 Ⅱb 不稳定。因此，硝基是第二类定位基，取代反应发生在间位上。共振杂化体Ⅲ有强吸电子基团，与相应的苯的共振杂化体相比，Ⅲ 不稳定。因此，硝基表现出钝化苯环的作用。

苯环上亲电取代反应的定位规律

三、对邻、对位产物比例的影响因素
    1．空间效应
    环上有邻对位定位基存在时，生成邻位和对位产物的比例与定位基和新进入基团的体积有关系。这两种基团体积越大，空间位阻越大，邻位产物越少。烷基苯的硝化反应随着烷基的体积增大，邻位硝基苯的比例减少。

苯环上原有定位基不变，随着进入基团体积增大，邻位异构体的比例也减少。如表所示。

    2．反应温度的影响
    反应温度不同，邻、对位异构体的比例不同。如
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    3．催化剂的影响
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利用现代催化技术，可以控制取代基的定位作用，如使用有择型催化作用的分子筛催化乙苯的乙基化，可以得到高选择性的对二乙苯。工业上就是用分子筛催化合成对二乙苯。后者催化脱氢，得到交联聚苯乙烯的共聚单体对二乙烯基苯：
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    甲苯与丙烯烷基化反应，使用不同孔径的分子筛催化剂，分别得到间甲基异丙苯和对甲基异丙基苯。已应用于工业生产装置上。间甲基异丙基苯和对甲基异丙基苯分别是制备间甲基苯酚和对甲基苯酚的原料。
四、二元取代苯的定位规律
    当苯环上有两个取代基时，第三个取代基进入苯环的位置，主要由原来的两个取代基的性质决定。大体上说，苯环上有两个取代基时，有三种定位情况。

苯环上亲电取代反应的定位规律

1．苯环上原有两个取代基对引入第三个取代基的定位作用一致，第三个取代基进入苯环的位置就由它们共同定位。例如，下列化合物引入第三个取代基时，第三个取代基主要进入箭头所示的位置：
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    2．苯环上原有两个取代基，对进入第三个取代基的定位作用不一致，两个取代基属同一类定位基，这时第三个取代基进入苯环的位置主要由定位作用强的取代基所决定。如果两个取代基定位作用强度较小时，得到两个定位基定位作用的混合物：

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    3．苯环上原有两个取代基对引入第三个取代基的定位作用不一致，两个取代基不同类定位基时，这时第三个取代基进入苯环的位置主要由第一类定位基定位：

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    在考虑第三个取代基进入苯环的位置时，除考虑原有两个取代基的定位作用外，还应该考虑空间位阻，如 3-乙酰氨基苯甲酸的 2 位取代产物很少。
五、定位规律在有机合成上的应用
    应用定位规律可以选择可行的合成路线，得到较高的产率和避免复杂的分离过程。例如由甲苯合成间硝基苯甲酸，应采用先氧化后硝化的步骤：
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    由对硝基甲苯合成2，4-二硝基苯甲酸，其合成路线有如下两条：
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显然第一条合成路线较合理，可以简化分离步骤，同时硝化一步反应较第二条路线的硝化一步反应易进行，因为两个取代基（—CH3，—NO2）的定位作用是一致的。
    定位规律只适用于动力学控制的反应。例如，叔丁苯在 FeCl3 催化下，与叔丁基氯反应生成对二叔丁基苯：
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苯环上亲电取代反应的定位规律这与定位规律一致，但用过量的AlCl3为催化剂，则生成 1，3，5-三叔丁基苯：
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    这是因为在过量强酸作用下，烷基化和脱烷基化达成平衡，邻、对位烷基化快，脱烷基化也容易；间位烷基化慢，脱烷基化也较难，最后变成热力学上稳定的均三叔丁基苯。

六、关键词
定位基，定位规律，两类定位基，定位规律的性质解释，二元取代苯的定位规律，定位规律的应用

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/7b04b93d09a1284ac850ad02de80d4d8d05a019c.html