苯環(huán)上親電取代反應的定位規(guī)律

1、苯環(huán)上親電取代反應的定位規(guī)律教學目標：掌握兩類定位基的定位規(guī)律，定位規(guī)律的理論解釋及其在有機合成中的應用教學重點：定位規(guī)律及其應用教學安排：F20，F(xiàn)21>G4；50min基本概念：定位基：在進行親電取代反應時，苯環(huán)上原有取代基，不僅影響著苯環(huán)的取代反應活性，同時決定著第二個取代基進入苯環(huán)的位置，即決定取代反應的位置。原有取代基稱做定位基。一、兩類定位基    在一元取代苯的親電取代反應中，新進入的取代基可以取代定位基的鄰、間、對位上的氫原子，生成三種異構體。如果定位基沒有影響，生成的產(chǎn)物是三種異構體的混合物，其中鄰位取代物 40%（2/5）、間位

2、取代物 40%（2/5）和對位取代物 20%（1/5）。實際上只有一種或二種主要產(chǎn)物。例如各種一元取代苯進行硝化反應，得到下表所示的結果：     排在苯前面的取代硝化產(chǎn)物主要是鄰位和對位取代物，除鹵苯外，其它取代苯硝化速率都比苯快；排在苯后面取代硝化產(chǎn)物主要是間位取代物，硝化速率比苯慢得多。歸納大量實驗結果，根據(jù)苯環(huán)上的取代基（定位基）在親電取代反應中的定位作用，一般分為兩類：    第一類定位基又稱鄰對位定位基：O-，N(CH3)2，NH2，OH，OCH3，NHCOCH3，OCOCH3，F(xiàn)，Cl，Br，I，R，

3、C6H5 等。    第二類定位基又稱間位定位基：N+(CH3)3，NO2，CN，SO3H，CHO，COCH3，COOH，COOCH3，CONH2，N+H3 等。    兩類定位基的結構特征：第一類定位基與苯環(huán)直接相連的原子上只有單鍵，且多數(shù)有孤對電子或是負離子；第二類定位基與苯環(huán)直接相連的原子上有重鍵，且重鍵的另一端是電負性大的元素或帶正電荷。兩類定位基中每個取代基的定位能力不同，其強度次序近似如上列順序。苯環(huán)上親電取代反應的定位規(guī)律二、定位規(guī)律的電子理論解釋    在一取

4、代苯中，由于取代基的電子效應沿著苯環(huán)共軛鏈傳遞，在環(huán)上出現(xiàn)了電子云密度較大和較小的交替分布現(xiàn)象，因而環(huán)上各位置進行親電取代反應的難易程度不同，出現(xiàn)兩種定位作用。也可以從一取代苯進行親電取代反應生成的中間體 絡合物的相對穩(wěn)定性的角度進行考察，當親電試劑 E+ 進攻一取代苯時，生成三種絡合物：         Z 不同，生成的三種 絡合物碳正離子的穩(wěn)定性不同，出現(xiàn)了兩種定位作用。1第一類定位基對苯環(huán)的影響及其定位效應    以甲基、氨基和鹵素原子為例說明。  

5、  甲基 在甲苯中，甲基的碳為 sp3 雜化，苯環(huán)碳為 sp2 雜化，sp2 雜化碳的電負性比 sp3 雜化碳的大，因此，甲基表現(xiàn)出供電子的誘導效應（A）。另外，甲基 CH 鍵的軌道與苯環(huán)的 軌道形成 超共軛體系（B）。供電誘導效應和超共軛效應的結果，苯環(huán)上電子密度增加，尤其鄰、對位增加得更多。因此，甲苯進行親電取代反應比苯容易，而且主要發(fā)生在鄰、對位上。     親電試劑 E+ 進攻甲基的鄰、間、對位置，形成三種 絡合物中間體，三種 絡合物碳正離子的穩(wěn)定性可用共振雜化體表示：進攻鄰位：進攻對位：進攻間位： 親電試

6、劑進攻苯生成的 絡合物的碳正離子也可以用共振雜化體表示：苯環(huán)上親電取代反應的定位規(guī)律顯然，共振雜化體和比穩(wěn)定，因為c和b的正電荷在有供電基的叔碳上，較分散。而在中，正電荷都分布在仲碳上，不穩(wěn)定。所以甲基是鄰對位定位基。共振雜化體比穩(wěn)定，雖然在和中的共振極限結構式都是正電荷分布在仲碳上，但甲基有供電性，使的正電荷可以分散在環(huán)和甲基上，因此，甲基活化了苯環(huán)。    從共軛效應和共振論兩種觀點分析、考察甲苯的親電取代反應，都得出甲基是第一類定位基、有活化苯環(huán)作用的一致結論。    氨基 在苯胺中，NC 鍵為極性鍵，N有吸

7、電子的誘導效應（C），使環(huán)上電子密度減少；但同時氮原子有孤對電子，與苯環(huán)形成供電的p共軛效應（D），使環(huán)上電子密度增加：        在這里，共軛效應大于誘導效應，所以綜合效應使是環(huán)上電子密度增加，尤其是氨基的鄰位和對位增加更多。因此，苯胺進行親電取代反應比苯更容易，且主要發(fā)生在氨基的鄰、對位上。    考察生成的中間體絡合物碳正離子的穩(wěn)定性也得到同樣的結論。     （3）鹵原子 鹵原子比較特殊，是一類使苯環(huán)鈍化的第一類定位基。以氯

8、苯為例，在氯苯中氯原子是強吸收電子基，強的吸電子誘導效應使苯環(huán)電子密度降低，比苯難進行親電取代反應。但氯原子與苯環(huán)又有弱的供電的 p- 共軛效應（C的2p軌道與 Cl 的 3p 軌道形成 p- 共軛體系，沒有 C 的 2p 軌道與 N 的 2p 軌道形成的 p- 共軛體系有效），使氯原子鄰、對位上電子密度減少得不多，因此表現(xiàn)出鄰對位定位基的性質(zhì)。    2第二類定位基對苯環(huán)的影響及其定位效應    以硝基苯為例說明。在硝基苯中，硝基存在著吸電子的誘導效應（E），還存在著吸電子的-共軛效應（F）： 

9、0;       這兩種電子效應都使苯環(huán)上電子密度降低，親電取代反應比苯難；共軛效應的結果，使硝基的間位上電子密度降低得少些，表現(xiàn)出間位定位基的作用。    親電試劑進攻硝基苯時，形成鄰、間、對三種 絡合物中間體：進攻鄰位： 進攻對位： 進攻間位：    共振雜化體 比 和 穩(wěn)定，因為在 和 中有正電荷分布在有強吸電子基團的叔碳上的極限結構式 c 和 b 不穩(wěn)定。因此，硝基是第二類定位基，取代反應發(fā)生在間位上。共振雜化體有強吸電子基團，

10、與相應的苯的共振雜化體相比， 不穩(wěn)定。因此，硝基表現(xiàn)出鈍化苯環(huán)的作用。苯環(huán)上親電取代反應的定位規(guī)律三、對鄰、對位產(chǎn)物比例的影響因素    1空間效應    環(huán)上有鄰對位定位基存在時，生成鄰位和對位產(chǎn)物的比例與定位基和新進入基團的體積有關系。這兩種基團體積越大，空間位阻越大，鄰位產(chǎn)物越少。烷基苯的硝化反應隨著烷基的體積增大，鄰位硝基苯的比例減少。烷基硝化反應時異構體分布苯環(huán)上原有定位基不變，隨著進入基團體積增大，鄰位異構體的比例也減少。如表所示。甲基苯烷基化時異構分布    2

11、反應溫度的影響    反應溫度不同，鄰、對位異構體的比例不同。如           3催化劑的影響   利用現(xiàn)代催化技術，可以控制取代基的定位作用，如使用有擇型催化作用的分子篩催化乙苯的乙基化，可以得到高選擇性的對二乙苯。工業(yè)上就是用分子篩催化合成對二乙苯。后者催化脫氫，得到交聯(lián)聚苯乙烯的共聚單體對二乙烯基苯：         甲苯與丙烯烷基化反應，使用不

12、同孔徑的分子篩催化劑，分別得到間甲基異丙苯和對甲基異丙基苯。已應用于工業(yè)生產(chǎn)裝置上。間甲基異丙基苯和對甲基異丙基苯分別是制備間甲基苯酚和對甲基苯酚的原料。四、二元取代苯的定位規(guī)律    當苯環(huán)上有兩個取代基時，第三個取代基進入苯環(huán)的位置，主要由原來的兩個取代基的性質(zhì)決定。大體上說，苯環(huán)上有兩個取代基時，有三種定位情況。苯環(huán)上親電取代反應的定位規(guī)律1苯環(huán)上原有兩個取代基對引入第三個取代基的定位作用一致，第三個取代基進入苯環(huán)的位置就由它們共同定位。例如，下列化合物引入第三個取代基時，第三個取代基主要進入箭頭所示的位置：   &#

13、160;    2苯環(huán)上原有兩個取代基，對進入第三個取代基的定位作用不一致，兩個取代基屬同一類定位基，這時第三個取代基進入苯環(huán)的位置主要由定位作用強的取代基所決定。如果兩個取代基定位作用強度較小時，得到兩個定位基定位作用的混合物：          3苯環(huán)上原有兩個取代基對引入第三個取代基的定位作用不一致，兩個取代基不同類定位基時，這時第三個取代基進入苯環(huán)的位置主要由第一類定位基定位：       

14、;                      在考慮第三個取代基進入苯環(huán)的位置時，除考慮原有兩個取代基的定位作用外，還應該考慮空間位阻，如 3-乙酰氨基苯甲酸的 2 位取代產(chǎn)物很少。五、定位規(guī)律在有機合成上的應用    應用定位規(guī)律可以選擇可行的合成路線，得到較高的產(chǎn)率和避免復雜的分離過程。例如由甲苯合成間硝基苯甲酸，應采用先氧化后硝化的步驟：&#

15、160;        由對硝基甲苯合成2，4-二硝基苯甲酸，其合成路線有如下兩條：             顯然第一條合成路線較合理，可以簡化分離步驟，同時硝化一步反應較第二條路線的硝化一步反應易進行，因為兩個取代基（CH3，NO2）的定位作用是一致的。    定位規(guī)律只適用于動力學控制的反應。例如，叔丁苯在 FeCl3 催化下，與叔丁基氯反應生成對二叔丁基苯：    苯