6.7苯環(huán)上取代反應(yīng)的定位效應(yīng)及反應(yīng)活性

一、定位效應(yīng)

苯上六個氫原子是等同的，它的一取代產(chǎn)物只有一種。苯環(huán)上已有一個取代基，環(huán)上剩余的五個氫原子，兩個在鄰位，兩個在間位，一個在對位，應(yīng)生成三種取代物。

如果五個位置的反應(yīng)速度相同，則其二取代物的比例應(yīng)為:鄰：間：對=2:2:1。實際情況如何呢？甲苯與硝基苯硝化時：

甲苯主要生成鄰對位取代產(chǎn)物（鄰+對>90%)，硝基苯主要生成間位取代產(chǎn)物（間>90%)。磺化、鹵代等取代反應(yīng)中也有類似的規(guī)律。可見第二個取代基進入的位置，與親電試劑的類型無關(guān)，僅與環(huán)上原有取代基的性質(zhì)有關(guān)，受環(huán)上原有取代基的控制。我們稱這種效應(yīng)為定位效應(yīng)（orientationeffect)

由表6-2中產(chǎn)物的比例可見，取代基效應(yīng)大致可分為兩類：(1)鄰對位定位基

第一類定位基為鄰對位定位基，它們使第二個取代基主要進入它的鄰對位。常見的鄰對位定位基有：

這類基團一般與苯以單鍵相連，除烴基外，通常與苯相連的原子如

帶有未成鍵的電子對。(2)間位定位基

第二類定位基為間位定位基，它們使第二個基團主要進入它的間位。常見的第二類定位基有：

這些基團與苯環(huán)相連的原子上有極性雙鍵，或帶有正電荷。另一些強拉電子基團如—CF3，—CC13，也是第二類定位基。二、活化與鈍化作用

甲苯及硝基苯硝化時除產(chǎn)物不同外，它們進行親電取代的活性也不同。甲苯硝化的速度為苯的25倍，硝基苯繼續(xù)硝化的速度為苯的6x10-8倍(表6-3）甲基使苯環(huán)活化，硝基使苯環(huán)鈍化。

從表6-3中的數(shù)據(jù)可見，基團對苯環(huán)的影響十分明顯。—N(CH3)2取代的苯比苯約活潑二千億倍，而硝基苯活性僅約為苯的六億分之一。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)將取代基對苯環(huán)活性影響的能力排列如下：

強烈活化—NH2，—NHR，—NR2,—0H

中等活化—NHC0R，—OR，—0C0R

弱活化—R，—Ar

弱鈍化

—F，—C1，—Br，—I

鈍化

，—N02，—CF3，—CN，—S03H，

—CHO，—COR，—COOH—COOR，—CONR2

從排列的順序可見，第一類定位基除鹵素外，均使苯環(huán)活化。第二類定位基使苯環(huán)鈍化。注意！苯環(huán)上帶有第二類定位基不能進行傅一克反應(yīng)，鹵素比較特殊，為弱鈍化的第一類定位基。

所謂活化及鈍化，是指取代苯與苯在取代反應(yīng)中的相對速度。甲基活化苯環(huán)，表示甲苯反應(yīng)速度比苯快。硝基鈍化苯環(huán)，表示硝基苯反應(yīng)速度比苯慢。反應(yīng)的速度與反應(yīng)的歷程密切相關(guān)。在苯的親電取代反應(yīng)的兩步歷程中，一般來說，親電試劑進攻苯環(huán)，形成碳正離子間體的一步是速度決定步驟。

取代苯進一步反應(yīng)形成碳正離子中間體，其穩(wěn)定性與原有取代基的性質(zhì)有關(guān)。

甲基為給電子基團，可分散環(huán)上的正電荷，其中間體2的穩(wěn)定性比1大，因此反應(yīng)速率比苯大。硝基為拉電子基團，增加環(huán)上的正電荷，其中間體3的穩(wěn)定性比1小，反應(yīng)速率比苯差。

一般地說，推電子基團使環(huán)活化，吸電子基團使環(huán)鈍化。

比較苯、甲苯、硝基苯取代反應(yīng)中間體的穩(wěn)定性，順序為2>1>3。三、定位效應(yīng)及活化作用的解釋

定位效應(yīng)與活化作用一樣，也涉及反應(yīng)速度問題。它是指在取代苯上不同位置反應(yīng)的相對速度。

第一類定位基（除鹵素）是給電子基團，可活化苯環(huán)，但它對鄰對位的活化作用大于間位，因此鄰對位的反應(yīng)速度比間位的快，它是鄰對位定位基。第一類定位基有兩種類型，一類原子上帶有未成鍵電子對，如：另一類是經(jīng)基。

已知烴基是給電子基團，它可穩(wěn)定碳正離子，使環(huán)活化。但為什么它對鄰對位的作用更大呢？可從反應(yīng)中生成的幾種碳正離子中間體的穩(wěn)定性來分析甲苯取代可生成三種碳正離子中間體，它們的共振式分別為：

雖然每種位置都有三種共振式，但在鄰對位取代的中間體的共振式中，都有一個特別穩(wěn)定的共振式。它們的共同特點是，甲基與碳正離子直接相連，這時甲基對碳正離子的穩(wěn)定作用最大，它們是十分穩(wěn)定的叔碳正離子。由它們參與形成的共振雜化體比間位穩(wěn)定，因此鄰對位反應(yīng)速度比間位快，產(chǎn)物的相對比例大。

另一類帶有孤對電子的原子團，如

。氧與氮電負性比碳大，它們具有誘導的拉電子作用，那么怎么解釋它們對環(huán)的強烈的活化作用呢？下面以苯酚的取代反應(yīng)為例說明原因。

苯酚鄰位取代中間體有四個共振式：

其中7特別穩(wěn)定。在7中，氧上的孤對電子轉(zhuǎn)移給帶正電荷的苯環(huán)，這種共振的給電子作用大大超過了誘導的拉電子作用。兩種矛盾的電子效應(yīng)總的結(jié)果是，羥基是給電子基團，它活化苯環(huán)。7特別穩(wěn)定的一個更重要的原因是，在這個結(jié)構(gòu)中，氧與苯以雙鍵相連，式中所有的原子(除氫外）都是八隅體，具有穩(wěn)定的惰性氣體電子層結(jié)構(gòu)。（例如銨離子NH4+能以一個帶正電荷的、獨立的、穩(wěn)定的原子團存在，是因為氮是穩(wěn)定的八隅體。）

在對位和間位取代的中間體的共振式中，間位僅有三個，其中沒有特別穩(wěn)定的共振式，對位與鄰位情況類似。因此鄰、對位取代速度大大地超過間位，羥基強烈活化鄰對位。

與羥基類似的基團都有這種作用，它們通過孤對電子與苯環(huán)的共振形成八隅體，穩(wěn)定碳正離子，這種穩(wěn)定作用比烴基與苯環(huán)的超共軛作用大得多，因此它們對苯有較強的致活作用。

第二類定位基是使苯環(huán)鈍化的間位定位基。

類基團都是強拉電子的。含極性雙鍵的基團，如一

NO2，由于極性雙鍵的拉電子作用，使與苯相連的原子上帶有正電荷，它們也是拉電子的。這幾類基團均使苯環(huán)鈍化，但它們對苯環(huán)鄰對位的鈍化作用大于間位，相比之下間位取代速度比鄰對位快。下面結(jié)合硝基苯的反應(yīng)，說明這種影響的差別。硝基苯受親電試劑進攻，有三種位置：

雖然每種位置都有5個共振式，但在進攻鄰或?qū)ξ粫r，都有一個特別不穩(wěn)定的共振式。它們之所以不穩(wěn)定，是由于帶正電荷的碳與拉電子的硝基直接相連，其他的共振式總是相隔一個或兩個碳。由它們參與組成的鄰對位的共振雜化體的穩(wěn)定性不如間位（如圖6-6)。換句話說，硝基對間位的鈍化作用小于鄰對位，因此間位反應(yīng)速度快，硝基是間位定位基。

鹵素比較特殊，它是起鈍化作用的鄰對位定位基。鹵素的電負性比碳的大，它具有較強的拉電子作用。鹵代苯進行親電取代時，鹵素誘導的拉電子作用，使形成的碳正離子中間體穩(wěn)定性不如苯。

鹵素使苯環(huán)鈍化。這是鹵素的拉電子效應(yīng)引起的。那為什么鹵素不是間位定位基，卻是鄰對位定位基呢？這與鹵素的結(jié)構(gòu)特點有關(guān)，鹵素P軌道上有孤對電子，孤對電子可與苯環(huán)共振，因此鹵素除有拉電子的誘導效應(yīng)，還有給電子的共振效應(yīng)。下面以氯苯為例說明共振效應(yīng)在控制定位中的作用。

親電試劑進攻氯苯的鄰位：

在進攻鄰位和對位時，氯上的P電子可與苯環(huán)共振，形成特別穩(wěn)定的共振式8和9，8和9中原子（除氫外）都是八隅體，這種共振作用在進攻間位時不存在。共振結(jié)果P電子轉(zhuǎn)移到苯環(huán)的鄰位和對位，部分抵消了誘導的拉電子效應(yīng)，因此鹵素對鄰對位的鈍化作用小于間位，它是鄰對位定位基。共振效應(yīng)控制了鹵代烴的取向。四、二取代苯的定位

二取代苯的定位效應(yīng)比較復雜，但在許多情況下，仍可作出明確的預測。1)兩個定位基定位效應(yīng)一致，第三個基團進入它們共同確定的位置。例如:

在間二氯苯的取代反應(yīng)中，盡管符合間二氯苯的定位效應(yīng)有兩種位置，但由于兩個氯原子的位阻，第三個基團很難進入它們之間，因此產(chǎn)物主要為一種。這種位阻效應(yīng)是普遍的現(xiàn)象。2)兩個取代基定位效應(yīng)相矛盾，第三個取代基進入什么位置呢？

定位效應(yīng)本質(zhì)上是反應(yīng)速度問題，致活基團加快取代速度，致鈍基團減慢反應(yīng)速度，可以預計當兩個取代基定位效應(yīng)相矛盾時，一般可根據(jù)基團的致活能力順序來判斷第三個基團取代的位置。

(1)兩個取代基不同類，定位效應(yīng)受鄰對位取代基控制，但產(chǎn)物主要在間位定位基的鄰位，而不是它的對位，例如:稱這種現(xiàn)象為鄰位效應(yīng)，原因尚不清楚。(2)兩個取代基為同一類，定位效應(yīng)受致活能力較強的基團的控制，例如:如致活能力差別不大，就很難預測主要產(chǎn)物，如:五、定位效應(yīng)在合成中的應(yīng)用

有機合成的目的是要制備一個純凈的化合物，為了合成含多個取代基的純凈的芳香化合物，需運用定位效應(yīng)，設(shè)計合理的路線。例如：以苯為原料合成間硝基溴苯時，需先硝化后溴代。硝基是間位定位基，主要得到間位取代產(chǎn)物。

如要制對硝基溴苯，則需利用溴的定位效應(yīng)，先溴代后硝化。

這里涉及鄰、對位異構(gòu)體的分離，對位產(chǎn)物對稱性強，往往熔點較高，可用重結(jié)晶的方法進行分離，鄰位產(chǎn)物分離較困難。

某些反應(yīng)受條件限制，如傅一克反應(yīng)環(huán)上不能帶第二類定位基，在設(shè)計合成路線時