含有取代基的苯衍生物,在進行芳香族親電取代反應時,原有的取代基,對新進入的取代基主要進入位置,存有一定指向性的效應。

  單取代的苯衍生物的定位效應 ①如苯環上的取代基為-NH2(-NHR、-NR2,R為烷基)、-OOH、-OCH3(-OC2H5等)、-NHCOCH3、-C6H5、-CH3(-C2H5等)等(按定位效應由強到弱次序排列)時,其親電取代的反應性較苯高。在取代反應中,此類取代基導致得到大部分為鄰位和對位取代的異構體。此類取代基稱為有活化作用的鄰、對位取代基。

  取代基的定位效應是個反應速率問題。上鄰、對位反應快而上間位慢,就顯示鄰、對位定位效應;上間位反應快而上鄰、對位慢,就顯示間位定位效應。苯的親電取代反應歷程可以用通式表示如下(E為親電試劑):

穩定的活性中間體的能量低,與之相應的過渡狀態的能量也就低,活化能低,反應速率就快;過渡狀態能量高,活化能高,反應速率就慢。因此,不同的反應速率實質上反映瞭活性中間體的穩定性,而活性中間體的穩定性,可以用共振論的方法加以分析。例如用甲苯進行親電取代反應時,親電試劑E+可以進攻鄰、對位和間位。當親電試劑進攻鄰、對位時,有比較穩定的極限式(a,b)參與共振,CH3與帶正電荷的碳相連,CH3有給電子效應,可以中和部分正電荷,使正碳離子穩定,雜化產生的活性中間體也比較穩定。親電試劑進攻間位時,沒有比較穩定的極限式,沒有CH3與帶正電荷的碳相連的極限式參與雜化。因此,甲基是鄰、對位定位基。

  ② 如苯環上的取代基為 -F、-Cl、-Br、-I、-CH2Cl、-CH═CHNO2等時,則具有這些取代基的苯的親電取代反應性較苯低,即這些基使苯環鈍化。鄰位和對位鈍化程度較間位小,有利於形成鄰位和對位的取代異構體。此類取代基稱為有鈍化作用的鄰、對位取代基。

  這類取代基的情況比較特殊。如在氯苯中,氯原子是強的吸引電子的取代基,在進行親電取代反應時,它使苯環正碳離子的電荷更加集中,正碳離子不穩定,對苯環起鈍化作用;

如果親電試劑進攻鄰、對位,有比較穩定的極限式(c、e),這是由於氯原子的非共享電子對向苯環轉移,使(c、e)的每個原子均具有穩定的八隅體結構,由穩定極限式參與共振雜化所產生的活化中間體也較穩定。如親電試劑進攻間位,極限式(d)有六電子的碳,不如極限式(c、e)穩定。因此,氯原子是鄰、對位定位基。

  ③ 如苯環上的取代基為-NO2、-+NH3、-+NR3、-CF3、-+PR3、-+SR2、-SO3H、-SO2R、-COOH、-COOR、-CONH2、-CHO、-COR、-CN等時,則具有這些取代基的苯的親電取代反應性不如苯,即這些基團使苯環鈍化。鄰位和對位鈍化程度較間位大,在取代反應中,新取代基大多進入間位,形成間位異構體。這類取代基稱為有鈍化作用的間位取代基。

  這些取代基都有吸電子作用。例如當三氟甲基取代苯上的氫後,由於三氟甲基的吸電子作用,使連結三氟甲基和苯環的一對電子偏向三氟甲基一邊,使苯環正電荷更加集中,造成苯環的鈍化。

  當親電試劑進攻鄰、對位時,有特別不穩定的極限式(f、g)參與共振,使雜化產生的活化中間體不穩定:

  當親電試劑進攻間位時,沒有特別不穩定的極限式參與共振,使雜化產生的活性中間體相對地較穩定,因此,CF3是間位定位基。

  苯環上有兩個取代基的定位效應 當一個環上有兩個取代基時,其定位指向較復雜,但下列情況仍可作出預測:

  ①新取代基優先進入使兩個取代基可以處於相互加強定位作用的位置上。例如在化合物(h、i、j)中,應定位於箭頭所示的位置:

  ②當兩個原有的取代基的定位效應不一致時,第三個取代基進入苯環的位置一般決定於屬於第①類的那個原有取代基的影響(k)。

  ③如果兩個原有取代基屬於同一類型,則取代反應優先發生於定位效應較強的取代基所指示的位置(1)。

  ④在彼此處於間位的兩個取代基之間的位置,通常很少發生取代(m)。

  

參考書目

 南京大學有機化學教研室編:《有機化學》,人民教育出版社,北京,1978。

 R.T.莫裡森,R.N.博伊德著,復旦大學化學系有機化學教研組譯:《有機化學》,第3版,科學出版社,北京,1980。(R.T.Morrison and R.N.Boyd,Organic Chemistry,3rd ed.,Allyn &Bacon,Boston,1973.)