芳环上取代基定位效应的研究
浅谈苯环的亲电取代定位效应
对芳环上 的亲电取代反应来说 ， 环上电子云密度高 ， 芳 有 利 于 亲 电试 剂 的进 攻 ． 环 上 取 代 基 的 电 子 效 应 直 接 影 响 了 芳 芳 环 上 电子 云 密 度 ， 代 基 通 常 通 过 诱 导 效 应 和 共 轭 效 应 两 取 种 方 式 来 影 响芳 环上 的 电 子 云 密 度 ． 如 果 直 接 与 芳 环 相 连 的 原 子 或 原 子 团 有 比碳 原 子 更 强 的 电 负性 ， 通 过 键 传递 表 现 为 吸 电 子 诱 导 效 应 ． 原 子 或 原 则 如 子 团 的 电负 性 比碳 原 子 小 ， 表 现 为给 电子 的诱 导 效 应 ． 则 共 轭 效 应 是 指 当 取 代 基 上 的 Ｐ 或 ） 道 和 苯 环 上 的 Ｐ （ 轨
两大类 ： （ ） 、 位 定 位 基 ， 称 为 Ｏ ｏｔｏ 、 （ ｇａ 定 位 基 ， １邻 对 又 （ｒｈ ） ｐ ｐ ｒ） 它 使 新 基 主要 进 入它 的 邻 位 和 对 位 （ ｐ ６ ） ｏ－＞ Ｏ ． ｇ
一
般使 苯 环活 化 ， 电取 代 反应 易 于进行 ， 卤素 等例 外 ． 亲 但
浅 谈 苯 环 的亲 电取 代 定 位 效 应
■ 于 富 门
芳 香 族 化 合 物 是 高 考 的 重 点 ， 中 苯 环 的 取 代 反 应 比 较 其 常 见 ， 文 对 苯 环 的 取 代 反 应 做 ｝ 总 结 与 概 括 ， 出 定 位 效 本 ｊ ｊ 给 应 ， 对 其的应用进行 了阐述． 并 具 有 亲 电性 的 缺 电 子 的 物 种 如 正 离 子 ， 被 极 化 的 双 原 易 子 分 子 如 卤素 Ｘ 一 Ｘ 一等 称 为 亲 电 试 剂 ， 环 上 的 Ｈ 被 亲 汁 。 苯 电试剂（ 下称 取 代 基 ） 代 的 反 应 称 为 亲 电 取 代 ． 环 上 新 导 取 苯
高等有机第七章+芳环上的取代反应.
7.1.3 π-络合物
HE
E+Nu- fast
E+ slow
p-络合物
HE
E
fast
+ H+
决定反应 速度步骤
动力学同位素效应可以证明此步反应速度较快
7.1.4 动力学同位素效应
用氘或氚标记苯环进行亲电取代，kH/kD或kH/kT的数值
接近1，说明C——H键断裂的步骤不是决定反应速率的
步骤。 例如：
-CF3具有强烈的-I
使苯环钝化
进攻邻位
CNFO32
H E
CNFO32
H E
CNOF23
H E
CNFO32
+ E+
对位
NCOF23
NCOF23
不稳定
CNOF32
间位
HE
CNFO32
HE
NCOF23
HE 不稳定
CNOF23
H
H
H
E
E
E
进攻邻位
NH2 H E
NH2 + E+
对位 间位
NH2 HE
NH2
加成－消除机理(Ar-SE)进行的：
HE
E
E+Nu-
k1 k-1
k2
σ－络合物
芳正离子，Wheland络合物
一般地，k2>k1,k-1,所以， σ－络合物生成步骤是决定反应 速度步骤。
7.1.1 σ-络合物存在的证明
一、分离鉴定
Me
Me Et
EtF, BF 3
- 80 oC
H
BF4
Me
Me
Me
Me
NO2+ 本位进攻生成的σ-络合物可以发生几种反应：
芳环的亲电取代、亲核取代反应及芳环取代基的反应
两个钝化基存在时，则弱钝化基决定定位） —— 活性作用大小接近时，获得混合物 —— 空阻大的位置难进入
多取代苯的定位效应：
多取代苯的定位效应：
位阻较大
多取代苯的定位效应：
二、取代基对芳环亲电取代反应的影响
总反应机理如下：
E
+E
H
Step 1: 亲电试剂进攻苯环的
键，形成碳正离子
Nu
E 取代产物具有芳香性
E
Nu
加成产物失去芳香性
Nu
Step 2: 脱去一个质子， 回复芳香稳定结构
一、芳环的亲电取代反应及机制
2. Reaction coordinate diagrams:
一、芳环的亲电取代反应及机制
HCl
Cu HBr
N2+ Cl - 1) Cu, Na2SO3 2) H+
Cu
Cl Br
SO3H
四、芳环取代基的反应
5、 芳香重氮盐的偶联反应（与胺或酚反应）
——芳香重氮盐作为亲电试剂与非常活泼的芳香化合酚类或胺 类发生反应，生成偶氮化合物。
HO HO
+
CH3 +
N2+ Cl-
Br N2+ Cl-
particu larly s ta bl e
CH3
pa ra -
EH
m e ta-
CH3
E H
particu larly s ta bl e CH3
EH CH3 E H
CH3
EH CH3 E H
OH, OR；NH2, NHR, NR2：强致活基，邻对位定位基。
第五章_芳香性和芳环上的取代反应
Me EtF Me BF3, -80oC Me Me
Me H Et BF4 Me (I) Me
Me Et Me (II)
芳香正离子中间体
o 橙色固体, mp: -15 C
1. 取代定位法则 （1）取代定位法则仅预示反应的主要产物： 不绝对
CH3 CH3 COOH
59% 4% 37% 硝化作用 62% 磺化作用
(2) 当两个基团互为间位，由于空 间位阻，第三个取代基进入两个原 有基团间的机会非常小。
X
极少（无论X，Y是邻位或是间位定位）
Y
(3) 当间位定位基位于邻、对位基的间位时， 第三个取代基进入间位定位基的邻位而不是 其对位（邻位效应）。
NO2 NO2 Cl NO2 Cl NO2 NO2
1 6 5 4 2
用一个原子代替两个氢原子得1，6-桥-[10]环共轭多烯，有芳香性：
O X
(D)
(E) X= O, CH2, NH, NCH3
iii）大于[10]-轮烯的例子
[14]-轮烯
7.6 ppm （H之间相互作用小）有芳香性
H H HH H
0 ppm
H H
H H
有两对氢原子会发生相互作用，共轭能不高， 芳香稳定性不明显
即在某些环状正离子中无正统的芳香体系的骨架也无连续的p电子轨道排列但当体系由于不相邻碳上p轨道部分重叠且具有4n2个电子的环状排列时也会呈现出一定的芳香稳定在同芳香体系中外加原子的存在将破坏离域体系的物理连续性却不破坏离域系
第五章：芳香性和芳香化合物 的取代反应
在脂肪族碳原子上的取代反应主要为亲核取代 反应，而在芳香族主要为亲电取代反应，这是 由于芳香环上具有较高的电子云密度，进攻试 剂为正离子或偶极及诱导偶极的正的一端，而 离去的原子团不带成键电子对。 强吸电子基团取代的芳香化合物在一定条件下 也可以进行亲核取代反应。在亲核取代反应中， 进攻试剂是负离子或具有未共用电子对的原子 或基团，离去基团以弱碱负离子或分子的形式 离去，其实用价值不如亲电取代反应。
第八章芳环上的取代反应解析
（4）溶剂效应的影响
▪ 亲电取代反应通常在极性或非极性溶剂中 完成，溶剂效应对取代苯的邻对位比例有 一定的影响。
▪ 如取代苯在硝基烷中的氯代反应，得到大 量的对位异构体，因为氯化试剂与溶剂结 合后阻碍了在邻位上的进攻。
（5）螯合作用
▪ 当环上的取代基与亲电试剂发生络合时，通常发 生邻位取代。
▪ 如1-苯基-2-甲氧基乙烷在CH3CN中用N2O5硝化 比用混酸硝化有较高的邻对位比。邻位产物较多 的原因是因为通过螯合作用实现的。
▪ 常见的邻对位定位基有：-O-，-NR2，-NHR， -NH2，-OH，-OR，-NHCOR，-OCOR，SR，-R，-Ar，-COO-。
▪ 间位定对基有：-N+R3，-NO2，-CN，-SO3H， -CHO，-COR，-COOH，-COOR，-CONH2， -CCl3，-N+H3。
▪ 邻对位定位，+C>-I），总的结果是供电子基； 间位定位基为吸电子基（如硝基）。
▪ 取代苯每个位置上分速度因数的确定：是以苯的 六个位置之一为比较标准，规定其值为1，若分 速度因数值大于1的，说明该位置的反应活性大 于苯，小于1者则反应活性小于苯。计算方法为：
fo = [(k取代苯/2)/(k苯/6)]×o-异构体(%)/100 fm = [(k取代苯/2)/(k苯/6)]×m-异构体(%)/100 fp = [(k取代苯/1)/(k苯/6)]×p-异构体(%)/100
Cl
OCH3
0.03
2.3X104
0.0009 0.14
0.25 5.5X104
▪ 对于不同的反应物进行相同的反应（即亲 核试剂相同），分速度因数的值不同，说 明不同的反应物对同一试剂的选择性不同， 这种选择性叫反应物选择性，它表明环上 原有的取代基对某一种亲电试剂使苯环活 化或钝化的程度。
第四章_芳环上的取代反应
6）原位取代 (Ipso取代):
在亲电取代反应中，亲电试剂取代苯环上原有的取代 基，称为原位取代。
CH3 NO2 +
CH3
NO2OAc Ac2O
CH3
CH3
CH(CH3)2
CH(CH3)2 82%
+ NO2 CH(CH3)2 NO2 8% 10%
苯环上原有取代基被取代的难易，取决于离去基团
带有正电荷的稳定性或形成产物的难易程度。
_
因为一级正丙基正离子重排为 更稳定的二级异丙基正离子： CH3CHCH2 H 正丙基正离子 重排 CH3CHCH3 异丙基正离子
B). 酰基化
O AlCl3 O CR + HCl 烷基 苯 基 酮
+ R CC l O O
( RCOOH)
(or RCOCR)
酰基化反应不会发生重排
酰基化历程
O RCC l + A lC l 3 O + O CR H RC AlCl 4 O RC AlCl4 O CR H + A lC l 4
fa st
E
+ s lo w σ-络合物芳正离子
E
fa st
p-络合物
芳正离子生成的一 + + H 步是决定反应速率 的一步
实验已经证实芳正离子的存在：
CH3 C2H5F/BF3 H3C CH3
-80℃
H C2H5 CH3 H3C BF4CH3 m. p: -15℃
苯环亲电取代反应进程－位能变化曲线图
+
5）螯合效应：当环上的取代基与亲电试剂发 生配位时，通常发生邻位取代。
H2 C HNO3 / H2 SO4 H2 C H2 C O CH 3 H2 C + NO 2 59% H2 C H2 C O CH 3
芳环上的取代反应
k p − R 6k C6 H 5 R % para fp = ( )( ) kH k C6 H 6 100
分速度因素可用竞争法测定。例如，将等mole的苯和甲苯与少 量硝酸在乙酐溶液中, 30ºC下反应，生成产物用色谱分析，所得 硝基苯与硝基甲苯mole数之比为1:27，硝基甲苯中邻、间、对 异构体分别占58.1、3.7和38.2%。而甲苯和苯的反应速度比实际 上与它们的产物量有关： 27 k
1
=
C6 H 5 R
k C6 H 6
把上述数据代入(4)、(5)、(6)式，即可求出各分速度因子：
6 × 27 38.2 6 × 27 58.1 )( ) = 62 fo = ( ) = 47 f p = ( )( 1 100 2 × 1 100 6 × 27 3.7 fm = ( )( )=3 2 × 1 100
对氯三氟甲基苯在消除步骤只能生成4三氟甲基苯炔由于三氟甲基距离较远对加成步骤的影响很小因此生成两种可能的加成产物的混合物其分量接近相等在消除加成机理中甲氧基的影响表现在氧原子吸引电子的能力上因此氯代苯甲醚与氨基钠反应的产物与氯代三氟甲基苯相似
第九章 芳环上的取代反应
§ 25.1 芳环上的亲电取代 在没有取代基的情况下，芳香族化合物可以起亲电取代反应(H 被取代)。这类反应使芳烃成为各种衍生物，在合成上有广泛的 用途，对于它们的机理也进行了比较全面的研究。大多数亲电 取代反应是照下列模式进行的，即亲电试剂进攻芳环，生成σ络合物，然后离去基团(H)以正离子形式离去。
k C6 H 5 R = 2k o − R + 2k m − R + k p − R
苯起同一反应的速度常数为： k
C6 H 6
= 6k H
1 k H = k C6 H 6 6
芳环取代中的定位规律
芳环取代中的定位规律
芳环取代是有机化学中非常常见的反应之一，它指的是将芳环上的一个或多个氢原子替换为其他官能团。
在化学反应中，定位规律是非常重要的，因为它决定了反应产物的结构和性质。
在芳环取代中，定位规律有两种：电子效应和空间效应。
电子效应是指由于取代基对芳环的电子密度产生的影响。
对于电子给体取代基（如甲基、乙基等），它们会向芳环中心输送电子，增加芳环上的电子密度，因此更容易被亲电试剂攻击。
而电子受体取代基（如硝基、氰基等），则会吸引芳环上的电子，降低芳环上的电子密度，因此更容易被亲核试剂攻击。
空间效应是指由于取代基的体积和几何构型对反应的影响。
如果取代基体积较大，它可能会影响反应底物和试剂之间的空间排布，从而影响反应。
在某些情况下，取代基的几何构型也可能影响反应，例如在苯环的1,2位和1,3位上取代基的构型会影响它们对芳环上其他位置的反应活性。
总之，理解芳环取代反应中的定位规律是非常重要的，因为它可以帮助我们预测反应产物的结构和性质，并为有机化学合成和药物研究提供重要的指导。
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芳环上取代基定位效应的研究
摘要: 通过苯环上芳氢化学位移的变化, 判断苯环上取代基的定位效应及苯环亲电取代反应的强弱.
关键词: 化学位移; 定位效应; 亲电取代反应
1 取代基的定位分类
人们通过大量实验, 归纳出苯环亲电取代定位效应根据新基导入的位置和反应的难易分成3 类, 见表1. 第1 类, 邻、对位定位基. 主要使反应易于进行, 并使新导入的基团进入苯环的邻位或对位; 第2 类, 间位定位基. 主要使反应难于进行, 并使新导入基进入苯环的间位. 第3类定位基, 既使反应较难进行, 又使新基团导入邻位或对位.
原有取代基X 主要决定反应的难易
与产物异构体的量, X 的电子效应解答
了定位效应问题. 实验表明, 第1 类定
位基团活化苯环的顺序大体为[ 1] ) O-
> ) NR2 > ) NH2 > ) OH > ) OR > ) NHCOR> )
OCOR; 第2 类定位基钝化苯环, 强弱顺
序依次是[ 1] ) N+ R3 > ) NO2> ) CN > )
SO3H> ) C= O > ) COOH;第3 类定位基,
卤苯进行亲电取代反应速度是[ 1]
C6H5F > C6H5Cl U C6H5Br >
C6H5I.
芳烃亲电取代反应的定位效应是很复杂的, 定位效应的解释, 主要是经验性的[ 1] , 说不上什么/ 规律0或/ 法则0. 因为定位效应不仅与定位基的电子效应和主体效应有着密切的关系, 还与亲电试剂的种类、性质及反应条件有关. 现代物理实验方法的应用, 推动了有机化学的飞速发展. 利用红外光谱、拉曼光谱、偶极效应、核磁共振吸收及电子光谱等方法可以知道有关分子内原子振动频率、键能的大小、分子的电荷密度分布以及电子状态等有关物质的动态结构. 对芳环定位基的定位效应的解释, 应用核磁共振谱、芳氢化学位移变化进行研究, 发现定位基对芳环亲电取代反应速度以及新引入基团的位置与定位基对芳氢化学位移的变化有着紧密的联系, 可以通过芳氢化学位移的变化, 判断定位基定位效应.
2 化学位移的变化判断取代基的定位效应
核磁共振可在有机化合物中, 依不同化学环境的质子共振信号出现在不同的
地方, 根据信号的位置可以推测质子所处的化学环境, 以推测分子结构. 影响化
学位移的主要原因是质子周围电子云密度. 它
的规律是: 如果所研究的氢原子核 ( 1H) 附
近有拉电子基团存在, 则它周围的电子云密度
降低, 化学位移向低场移动; 若有推电子基团
存在, 则它周围电子云密度增加, 化学位移向
高场移动.
芳香族质子的共振位置主要受苯环碳原子
局部电子密度的支配, 同时也受到苯环上取代
基X的影响, 有人认为多取代芳香族质子的化
学位移具有加和性, 提出了若干参数. 则苯环
芳氢的化学位移可以用D= 7. 41- E S 进行计
算, 该式为用DMSO 为溶剂, S 表示取代基对
苯环芳氢的影响.
从表2 可见, 在DMSO 溶剂中, 苯环上的
氢的化学位移均在7. 41ppm. 根据D= 7. 41- E
S 公式计算得到表3、表4、表5.
从表 3 可见, 这些取代基使苯环上芳氢的化
学位移均向高场移动, 也就是说, 这类基团是
推电子基团, 使苯环上电子云
密度增加, 因而苯环易于发生亲电取代反
应, 况且定位基作用, 苯环上邻位、对位的H
化学位移向高场移动比间位的H 向高场移动的
多, 因此, 邻位、对位电子云密度高, 易于发
生亲电取代反应, 这类基团为第1 类定位基.
邻、对位定位基活化苯环的顺序可从表中化学
位移向高场移动的多少判断, 化学位移越小、
越靠近高场, 苯环上电子云密度越高, 因此, 取代基对苯环的活化能力越强, 亲电取代越容易进行. 因此,第1 类定位基致活苯环的能力及亲电取代反应速度依次为) NHR> ) NH2> ) NR2> ) OH> ) OR> ) OCOR> ) CH3> ) CH2R> ) CHR2.
从表 4 可见, 这些取代基使苯环上的芳氢化学位移均向低场移动, 苯环上电子云密度减少, 也就是说, 该类取代基为吸电子基团, 钝化苯环, 使苯环上的亲电取代难以进行. 从表4 还可见, 间位上的H 化学位移向低场移动相对于邻、对位要少, 也就是芳环间位上的电子云密度相对比邻、对位电子云密度高, 因此, 这类取代基使苯环亲电取代反应发生在间位上. 芳氢化学位移越靠近低场, 说明取代基对苯环致钝能力越强, 表4 中D间位值可推断出取代基对苯环的致钝能力强弱
依次是) NO2 > ) CN > ) N = N ) Ar > ) CHO > ) COR U ) CO2H ( R) >
而亲电取代反应速度则是DH 越靠近高场,
越易发生反应. 因此, 亲电取代反应速度的
大小, 与致钝能力的顺序正好是相反. 表 4
列出的取代基为钝化苯环, 间位取代, 此类
基团为第2 类定位基.
从表5 可见, 芳氢的化学位移除I 取代
基间位上的氢化学位移向高场移动外,其它
均向低场移动. 因此, 卤素对苯环致钝作用.
苯环上亲电取代反应较难. 从表5 无法判定
卤苯的定位取向. 卤苯在亲电取代反应, 亲
电试剂向苯环进攻时, 发生反应的瞬间, 氯
原子上孤对电子对向苯环移动形成的中间体
R) 络合物是邻位和对位的比较移定, 产生
的主要产物是邻位和对位异构体[ 2] .因此
卤素是第3 类定位基.
综上所述, 核磁共振谱反映芳氢化学位移的变化规律, 以苯环上芳氢DH =7141ppm 为准, 向高场移动, 致活苯环, 亲电取代反应容易进行; 向低移动, 钝化苯环, 亲电取代反应难以进行. 从芳氢中化学位移推导出第1 类、第2 类定位基的定位能力及亲电取代反应速度的规律与以往化学反应得出的规律是一致的. 因此, 测定芳氢化学位移, 可以直观判断芳氢中取代基的定位效应.
参考文献:
[ 1] 东北师范大学, 华南师范大学, 上海师范大学, 等. 有机化学[M] . 北京: 高等教育出版社, 1986.
[ 2] 谷亨杰, 吴泳, 丁金昌. 有机化学[M] . 北京: 高等教育出版社, 1990. 159.。