有机化学：苯环上取代反应的定位规律

1.定位规律

当苯环上有了一个取代基A，再发生亲电取代引入第二个取代基E，理论上取代基E可以进入的位置可以有三种，即进入取代基A的邻位、间位和对位。

如果取代基E进入这五个位置的机会是一样的，则生成的二元取代产物的比例应该是2∶2∶1（因为有2个邻位、2个间位、1个对位），但事实并非如此，实际上得到的二元取代产物主要只有一种或者两种。

苯环上原有的取代基对新引入的取代基进入苯环的位置有一定的影响，而且对苯环再发生亲电取代反应的活性也有很大的影响。把苯环上原有取代基对新引入的取代基进入苯环的位置和难易程度的影响称为定位效应。苯环上原有取代基叫作定位基。

常见的定位基分为邻、对位定位基和间位定位基两大类：

（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—O-、—NR2、—NHR、—NH2、—OH、—OR、—NHCOR、—OCOR、—R、—Ph、—X（F、Cl、Br、I）等。这类定位基结构上的特点是：与苯环直接相连的原子上一般只具有单键或带负电荷，除碳以外，都带有未成键的电子对，这些原子或基团一般具有给电子作用。另外，这类基团对苯环具有活化作用（-X例外），因此又称为致活基。

（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。常见的间位定位基有：—、—NO2、—CF3、—CCl3、—CN、—SO3H、—CHO、—COR、—COOH、—COOR、—CONH2等。这些基团的结构特点是：与苯环相连的原子带正电荷或有极性重键。由于这些基团具有强吸电子作用，对苯环具有钝化作用，因此又称之为致钝基。另外一些基团如—CF3、—CCl3也具有强吸电子作用，因此，也是第二类定位基。

2.定位规律的理论解释

苯分子中含有闭合的环状大π键，大π键电子云均匀地分布在每一个碳原子上。当苯环上连有一个取代基后，由于受到取代基的诱导效应或者共轭效应等电子效应的影响，不但使苯环上的电子云密度升高或者降低，而且使苯环上的电子云分布发生变化，导致电子云分布不均匀。因此，进一步发生亲电取代反应的难易程度及其取代基进入苯环的主要位置也会随已有取代基的不同而不同。下面以几个典型的定位基为例作简要解释。

（1）邻、对位定位基　一般来说，它们是供电子基（X例外），即为致活基团，可以通过供电子的共轭效应（+C）和供电子的诱导效应（+I）效应对苯环供电子，使苯环电子云密度增加，尤其在邻、对位上增加较多，因此取代基主要进入邻、对位。

1）甲基（—CH3）　从诱导效应考虑，甲基是一个供电子基团，所产生的供电子的诱导效应（+I）使苯环上的π电子云密度增加；从共轭效应考虑，甲基的C—H键的σ电子和苯环上的π电子形成了σ-π超共轭体系，所产生的供电子的超共轭效应也使苯环上的π电子云密度增加。诱导效应和超共轭效应的影响是一致的，都使苯环上π电子云密度增加，甲基的存在使苯环再发生亲电取代反应更容易，因此甲基是活化基团。由于电子共轭传递的结果，使邻位和对位增加的π电子相对间位多一些，所以取代基主要进入甲基的邻位和对位。

2）羟基（—OH）　从诱导效应考虑，羟基是一个吸电子基团，所产生的吸电子的诱导效应（-I）使苯环上的π电子云密度降低；从共轭效应考虑，氧原子的p轨道上的孤对电子与苯环的π电子形成p-π共轭体系，氧原子上的p孤对电子向苯环转移，产生供电子的共轭效应（+C），使苯环上π电子云密度增加。诱导效应和共轭效应的影响是相反的，供电子的共轭效应（+C）大于吸电子的诱导效应（-I），总的影响是使苯环上π电子云密度增加。羟基的存在使苯环再发生亲电取代反应更容易，因此羟基是活化基团。由于电子的共轭传递，使邻位和对位增加的π电子相对间位多一些，所以取代基主要进入羟基的邻位和对位。

其他邻、对位定位基，如—O-、—NR2、—NHR等，对苯环的电子效应与羟基相似。

3）卤素（—X）　从诱导效应考虑，卤原子是一个吸电子基团，所产生的吸电子的诱导效应（-I）使苯环上的π电子云密度降低；从共轭效应考虑，卤原子的p轨道上的孤对电子与苯环的π电子形成p-π共轭体系，卤原子上的p孤对电子向苯环转移，产生供电子的共轭效应（+C），使苯环上π电子云密度增加。诱导效应和共轭效应的影响也是相反的，由于卤素电负性比较大，吸电子的诱导效应（-I）大于供电子的共轭效应（+C），总的影响是使苯环上π电子云密度降低。卤素的存在使苯环再发生亲电取代反应更困难，因此卤素是钝化基团。由于电子的共轭传递，使邻位和对位减少的π电子相对间位少一些，所以取代基主要进入卤素（—X）的邻位和对位。

（2）间位定位基　间位定位基均为吸电子基，即为致钝基团，它们通过（-C）和（-I）效应使苯环的电子云密度降低，尤其是邻、对位降低得更多，所以其亲电取代反应主要取代电子云密度相对较高的间位，而且反应比苯困难。

从诱导效应考虑，硝基（—NO2）是一个吸电子基团，所产生的吸电子的诱导效应（-I）使苯环上的π电子云密度降低；从共轭效应考虑，硝基的π轨道和苯环的π轨道形成π-π共轭体系，氮氧双键（—N=O）的电负性大于苯环，使大π键的电子向硝基转移，产生吸电子的共轭效应（-C），使苯环上π电子云密度降低。诱导效应和共轭效应的影响是一致的，总的影响是使苯环上π电子云密度降低。硝基的存在使苯环再发生亲电取代反应更困难，因此硝基是钝化基团。由于电子的共轭传递，使间位减少的π电子相对邻、对位少一些，所以取代基主要进入硝基的间位。

其他间位定位基，如—CN、—SO3H等，对苯环的电子效应与硝基相似。(www.xing528.com)

上面对定位规律的理论解释主要从取代基的电子效应方面进行，实际上影响取代反应的因素是很多的，试剂的性质、催化剂的影响、反应的温度、溶剂以及取代基与试剂所占空间的大小等也会对定位产生影响，只是取代基的性质起主要作用。

思考题3-4　苯甲醚在进行氯代时，为何主要得到对位和邻位产物？从理论上解释。

3.二取代苯的定位规律

如果苯环上已经有了两个取代基，第三个取代基进入苯环的主要位置服从以下定位规则：

①两个取代基的定位效应一致时，取代基按定位规则进入取代位置。例如：

②两个取代基的定位效应不一致时，又可分为下列两种情况：

a.两个取代基不同类时，定位效应由邻、对位定位基决定，例如：

b.两个取代基属于同一类时，由定位效应较强的定位基决定，例如：

③由于空间位阻作用，处于间位的两个原子或基团之间的位置很少发生取代反应，例如：

4.定位规律的应用

苯环上取代反应的规律不仅可以用来预测反应的主要产物，更主要的是可以指导设计合理的合成路线。有机合成的目的是要制备一个纯净的化合物，因此在制备含多个取代基的芳香化合物时就要考虑定位效应，否则难以达到预期目的。例如，由苯合成邻硝基氯苯要先氯代后硝化，而合成间硝基氯苯则要先硝化后氯代。

又如，用甲苯制备4-硝基-2-氯苯甲酸时，考虑各个取代基的定位效应，要先硝化，再氯代，最后氧化。

在有机合成中，常常利用磺化反应可逆性进行占位或定位，只得到邻位产物。

思考题3-5　用箭头表示下列化合物进行硝化时硝基进入的位置：

思考题3-6　以苯或甲苯为原料合成下列化合物：

（1）间硝基溴苯　　（2）3-硝基-4-氯苯甲酸

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