5.6　芳環(huán)上親電取代反應(yīng)的定位規(guī)律

5.6.1　兩類定位基

當一元取代苯再進行取代反應(yīng)時，新引入的取代基可以進入原取代基的鄰位、間位和對位，得到二元取代苯的鄰位產(chǎn)物、間位產(chǎn)物以及對位產(chǎn)物三種不同的異構(gòu)體。那么，哪一種產(chǎn)物是主產(chǎn)物？其取代反應(yīng)比苯容易些還是困難些？實驗結(jié)果表明，這與苯環(huán)上原有的取代基有關(guān)。例如，烷基苯比苯更容易發(fā)生親電取代反應(yīng)，而且新引入的取代基主要進入烷基的鄰位以及對位；硝基苯比苯更難發(fā)生親電取代反應(yīng)，而新引入的取代基主要進入硝基的間位。不難看出，第二個取代基進入苯環(huán)的位置以及難易程度受到苯環(huán)上原有取代基的影響，這種現(xiàn)象稱為苯環(huán)取代基的定位作用或定位效應(yīng)。苯環(huán)上原有的取代基被稱為定位基。根據(jù)大量的實驗事實，可將苯環(huán)上的取代基分為兩類。

第一類為鄰、對位定位基　這類定位基能使第二個取代基主要進入其鄰位以及對位，一般都能使苯環(huán)活化（鹵素除外），故又稱為致活基。常見的鄰、對位定位基（定位作用由強到弱排列）有：—O-、—N（CH3）2、—NH2、—OH、—OCH3、—NHCOCH3、—OCOCH3、—CH3、—X等。

此類定位基的結(jié)構(gòu)特征是定位基中與苯環(huán)相連的原子一般只具有單鍵，通常具有孤對電子或帶有負電荷，是供電子基，因此具有使苯環(huán)電子云密度增加的作用。

第二類為間位定位基　這類定位基能使第二個取代基主要進入其間位，一般都能使苯環(huán)鈍化，故又稱為致鈍基。常見的間位定位基（定位作用由強到弱排列）有：—N+（CH3）3、—NO2、—CN、—SO3H、—CHO、—COCH3、—COOH、—COOCH3、—CONH2等。

此類定位基與苯環(huán)相連的原子一般具有不飽和鍵或帶有正電荷，是吸電子基，因此具有使苯環(huán)電子云密度降低的作用。

5.6.2　芳環(huán)上親電取代定位規(guī)律的理論解釋

取代苯的定位作用是定位基和苯環(huán)相互影響的結(jié)果。苯環(huán)是一個特殊的環(huán)狀閉合共軛體系，π電子高度離域，環(huán)上電子云密度完全平均化。但當苯環(huán)上有了取代基以后，取代基通過苯環(huán)產(chǎn)生的誘導效應(yīng)或共軛效應(yīng)使苯環(huán)上電子云密度有所增加或者降低，并且由完全平均化變?yōu)椴痪鶆蚍植肌Ｒ虼耍江h(huán)上原有的取代基會影響苯環(huán)發(fā)生親電取代反應(yīng)的難易以及新引入基團進入苯環(huán)的位置。下面分別討論兩類定位基對苯環(huán)的影響及其定位效應(yīng)。

（1）鄰、對位定位基的定位作用　這類定位基能夠通過誘導效應(yīng)或p-π共軛效應(yīng)向苯環(huán)供電子，使苯環(huán)上電子云密度增大，使苯環(huán)活化，被稱為致活基。因此，有利于親電取代反應(yīng)的發(fā)生。下面以—CH3,—OH和—X為例進行簡要的分析。

①甲基　甲苯分子中的甲基在苯環(huán)上具有供電子的誘導效應(yīng)（+I），向苯環(huán)提供電子。同時，甲基的C—Hσ鍵與苯環(huán)的π鍵形成σ-π超共軛體系，這種超共軛效應(yīng)也使苯環(huán)活化。誘導效應(yīng)和超共軛效應(yīng)都使苯環(huán)上電子云密度增加，而且在甲基的鄰位和對位上增加更為顯著（如圖5-2所示）。因此，甲苯比苯更容易發(fā)生親電取代反應(yīng)，而且反應(yīng)的產(chǎn)物主要是鄰、對位產(chǎn)物。

②羥基　羥基是一個較強的鄰、對位定位基。羥基對苯環(huán)的影響表現(xiàn)在兩個方面：一方面，羥基中氧的電負性較大，產(chǎn)生吸電子的誘導效應(yīng)（-I），使苯環(huán)上電子云密度降低；另一方面，羥基氧上的未共用電子對與苯環(huán)的大π鍵形成p-π共軛體系，對苯環(huán)產(chǎn)生供電子的共軛效應(yīng)（+C），使苯環(huán)上電子云密度增加。在這兩種方向相反的電子效應(yīng)中，供電子的共軛效應(yīng)占主導地位，總的結(jié)果是羥基使苯環(huán)上電子云密度增加，并且在羥基的鄰位和對位上增加更為顯著（如圖5-3所示）。因此，苯酚比苯更容易發(fā)生親電取代反應(yīng)，而且反應(yīng)的產(chǎn)物主要是鄰位以及對位產(chǎn)物。

③鹵素　鹵素的情況比較特殊，它是鈍化苯環(huán)的鄰、對位定位基。鹵素對苯環(huán)也具有吸電子的誘導效應(yīng)（-I）和供電子的p-π共軛效應(yīng)（+C），但由于鹵素的電負性大，吸電子的誘導效應(yīng)（-I）占主導地位，總的結(jié)果是鹵素使苯環(huán)上電子云密度降低，但鹵素的鄰位和對位上電子云密度相對而言高于間位，故鹵代苯比苯更難發(fā)生親電取代反應(yīng)，而且反應(yīng)的產(chǎn)物主要是鄰位以及對位產(chǎn)物。

（2）間位定位基　這類定位基能夠通過誘導效應(yīng)或π-π共軛效應(yīng)從苯環(huán)吸電子，使苯環(huán)上電子云密度降低，使苯環(huán)鈍化，被稱為致鈍基。因此，不利于親電取代反應(yīng)的發(fā)生。下面以—NO2為例進行簡要的分析。

硝基中氮的電負性比碳大，因此硝基對苯環(huán)具有吸電子的誘導效應(yīng)（-I）；同時硝基與苯環(huán)存在吸電子的π-π共軛效應(yīng)（-C）。兩種作用的方向一致，均使苯環(huán)上電子云密度降低（圖5-4），尤其是硝基的鄰位和對位降低更多，而間位降低相對較少。因此，硝基苯比苯更難發(fā)生親電取代反應(yīng)，而且反應(yīng)的產(chǎn)物主要是間位產(chǎn)物。

5.6.3　二元取代苯的親電取代定位規(guī)則

當二元取代苯再進行取代反應(yīng)時，第三個取代基進入苯環(huán)的位置，則由苯環(huán)上原有的兩個取代基的定位效應(yīng)來決定。遵循的規(guī)律是：活化基團的定位作用超過鈍化基團；強定位基團的影響大于弱定位基團；取代基的定位作用具有加合性。因此，二元取代苯的親電取代定位規(guī)則可以分為以下幾種情況。

當兩個取代基屬于同一類時，第三個取代基進入苯環(huán)的位置，主要由其中較強的定位基決定。例如：

當兩個取代基不同類時，第三個取代基進入苯環(huán)的位置，主要由其中的鄰、對位定位基決定。例如：

若兩個取代基的定位效應(yīng)一致，則其作用相互加強。

5.6.4　親電取代定位規(guī)律在有機合成上的應(yīng)用

（1）預測反應(yīng)的主要產(chǎn)物　應(yīng)用親電取代定位規(guī)律，可以判斷化合物進行親電取代反應(yīng)時的取代位置，預測反應(yīng)的主要產(chǎn)物。但需要說明的是，芳烴親電取代反應(yīng)的定位效應(yīng)是很復雜的，受很多因素的影響。因此，在預測反應(yīng)的主要產(chǎn)物時，還要考慮到空間位阻、反應(yīng)條件、親電試劑的性質(zhì)、催化劑的特性等因素。

（2）選擇適當?shù)暮铣陕肪€　在有機合成中，親電取代定位規(guī)律可以幫助我們選擇適當?shù)暮铣陕肪€。

例如，以苯為原料合成間氯苯磺酸，由于氯是鄰、對位定位基，而磺酸基是間位定位基，因此，合成路線應(yīng)該是先磺化，然后氯代。

又如，以甲苯為原料：若要合成間硝基苯甲酸，合成路線應(yīng)該是先氧化再硝化；若要合成對硝基苯甲酸，合成路線應(yīng)該是先硝化再氧化。