第三节苯环上取代基的定位规律
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苯环上的取代定位规则之相礼和热创作大量实验现实标明,当一些基团处于苯环上时,苯环的亲电取代反应会变得容易进行,同时教唆再进入的基团将连接在它的邻位或对位.例如,当苯环上已存在一个甲基时(即甲苯),它的卤化、硝化和磺化等反应,反应温度均远低于苯,且新基团的导入均进入苯环上甲基的邻或对位:甲基的这种作用称为定位效应.在这里甲基是一个邻、对位指向基,具有活化苯环的作用,称为活化基.类似的活化基团还有许多,它们也被称为第一类取代基,并按活化才能由大到小的顺序陈列如下:
-NH2,-NHR,-NR2,-OH>-NHCOR,-OR,>-R,-Ph>-X
处于这一顺序最末的卤素是个特例.它一方面是邻、对位指向基,另一方面又是使苯环致钝的基团,这是由于卤素的电负性宏大于碳,因此其吸电子效应已超出了本人的供电子才能,这就使环上的电子云密度比卤素进入前有所降低,因此使亲电试剂的进攻显得不力.此称为钝化作用.
还有许多比卤素致钝力更强,而且使再进基团进入间位的取代基,它们被称为间位指示基或第二类取代基,按其致钝才能由大到小的顺序陈列如下:
-NR3+,-NO2,-CF3,-CCl3>-CN,-SO3H,-CH=O,-COR,-COOH,-COOR
稀有的取代基的定位作用见表
由于取代基的指向和活化或钝化作用,在合成一个指定化合物时,采纳哪种路线就必须事前作片面考虑.如:欲合成下列化合物时,显然b-路线是合理的.
假如以苯为质料,欲合成对-硝基苯甲酸(此物质在后面章节将学到)时,则应该先对苯进行甲基化后再进行硝化,末了将甲基氧化:。
苯环上亲电取代反应的定位规律苯环上亲电取代反应的定位规律基本概念:定位基:在进行亲电取代反应时,苯环上原有取代基,不仅影响着苯环的取代反应活性,同时决定着第二个取代基进入苯环的位置,即决定取代反应的位置。
原有取代基称做定位基。
一、两类定位基在一元取代苯的亲电取代反应中,新进入的取代基可以取代定位基的邻、间、对位上的氢原子,生成三种异构体。
如果定位基没有影响,生成的产物是三种异构体的混合物,其中邻位取代物40%(2/5)、间位取代物40%(2/5)和对位取代物20%(1/5)。
实际上只有一种或二种主要产物。
例如各种一元取代苯进行硝化反应,得到下表所示的结果:1.第一类定位基对苯环的影响及其定位效应以甲基、氨基和卤素原子为例说明。
甲基在甲苯中,甲基的碳为sp3杂化,苯环碳为sp2杂化,sp2杂化碳的电负性比sp3杂化碳的大,因此,甲基表现出供电子的诱导效应(A)。
另外,甲基C—H σ 键的轨道与苯环的π 轨道形成σ—π 超共轭体系(B)。
供电诱导效应和超共轭效应的结果,苯环上电子密度增加,尤其邻、对位增加得更多。
因此,甲苯进行亲电取代反应比苯容易,而且主要发生在邻、对位上。
亲电试剂E+进攻甲基的邻、间、对位置,形成三种σ 络合物中间体,三种σ 络合物碳正离子的稳定性可用共振杂化体表示:进攻邻位:进攻对位:进攻间位:亲电试剂进攻苯生成的σ 络合物的碳正离子也可以用共振杂化体表示:苯环上亲电取代反应的定位规律显然,共振杂化体Ⅰ和Ⅱ比Ⅲ稳定,因为Ⅰc和Ⅱb的正电荷在有供电基的叔碳上,较分散。
而在Ⅲ中,正电荷都分布在仲碳上,不稳定。
所以甲基是邻对位定位基。
共振杂化体Ⅲ比Ⅳ稳定,虽然在Ⅲ和Ⅳ中的共振极限结构式都是正电荷分布在仲碳上,但甲基有供电性,使Ⅲ的正电荷可以分散在环和甲基上,因此,甲基活化了苯环。
从共轭效应和共振论两种观点分析、考察甲苯的亲电取代反应,都得出甲基是第一类定位基、有活化苯环作用的一致结论。
苯环上原有的取代基对新导入取代基有影响,这种影响包括反应活性和进入位置两个方面。
通常,苯环上原有的第一取代基称为定位基,从大量实验事实的分析总结中发现,定位基的定位作用遵循一定的规律,这一规律称为苯环上亲电取代反应定位规律(又称定位规则)。
下面分别讨论定位基的类型;定位规则的理论解释;二元取代苯的定位规律;定位规律的应用。
(一)定位基的类型1.邻、对位定位基。
这类定位基的结构特征是定位基中与苯环直接相连的原子不含不饱和键(芳烃基例外),不带正电荷,且多数具有未共用电子对。
常见的邻、对位定位基及其反应活性(相对苯而言)如下:强致活基团:―NH2(―NHR,―NR2),―OH中致活基团:―OCH3(―OR),―NHCOCH3(-NHCOR)弱致活基团:―ph(―Ar),―CH3(-R)弱致钝基团:―F,―Cl,―Br,―I这类定位基多数使亲电取代反应较苯容易进行,但卤素例外。
2.间位定位基。
这类定位基的结构特征是定位基中与苯环直接相连的原子一般都含有不饱和键(-CX3例外)或带正电荷。
常见的间位定位基及其定位效应从强到弱顺序如下:―N+H3,―N+R3,―NO2,―CF3,―CCl3,―CN,―SO3H,―COH,―COR,―COOH,―COOR,―CONH2等。
这类定位基属致钝基团,通常使苯环上亲电取代反应较苯难进行,且排在越前面的定位基,定位效应越强,反应也越难进行。
(二)定位规则的理论解释苯环上的取代反应是亲电取代反应。
因此,从反应活性的角度分析,凡有助于提高苯环上电子云密度的基团,就能使苯环活化,反应活性提高;反之,凡是使环上电子云密度降低的基团,就能使苯环钝化,反应活性降低。
从反应位置的角度分析,当苯环上没有取代基时,环上六个碳原子的电子云密度是均等的;但当苯环上有取代基时,由于取代基的电子效应沿着苯环共轭体系传递。
在环上出现了出现了电子云密度的疏密交替分布现象。
第二个取代基总是进入苯环上电子云密度相对较大的部位,从而使这些碳原子上的取代物占了多数。
一、定位基定位效应之阿布丰王创作苯环上已有的取代基叫做定位取代基。
1、邻对位定位取代基①概念:当苯环上已带有这类定位取代基时,再引入的其它基团主要进入它的邻位或对位,而且第二个取代基的进入一般比没有这个取代基(即苯)时容易,或者说这个取代基使苯环活化。
②特征:这类取代基中直接连于苯环上的原子多数具有未共用电子对,其实不含有双键或三键。
③定位取代效应按下列次序而渐减:-N(CH3)2 , -NH2 , -OH , -OCH3 , -NHCOCH3 , -R , (Cl,Br,I)二甲氨基氨基羟基甲氧基乙酰氨基烷基卤素2、间位定位取代基①定义:当苯环上己有在这类定位取代基时,再引入的其它基团主要进入它的间位,而且第二个取代基的进入比苯要难,或者说这个取代基使苯环钝化。
②特征:取代基中直接与苯环相连的原子,有的带有正电荷,有的含有双键或三键。
③定位效应按下列次序而渐减:-N+(CH3)3 , -NO2 , -CN , -SO3H , -CHO , -COOH三甲铵基硝基氰基磺酸基醛基羧基3、取代定位规律其实不是绝对的。
实际上在生成邻位及对位产品的同时,也有少量间位产品生成。
在生成间位产品的同时,也有少量的邻位和对位产品生成。
4、苯环的取代定位规律的解释当苯环上连有定位取代基时,苯环上电子云密度的分布就发生变更。
这种影响可沿着苯环的共轭链传递。
因此共轭链上就出现电子云密度较大和电子云密度较小的交替现象,从而使它表示出定位效应。
① 邻对位定位取代基的定位效应:邻对位定位取代基除卤素外,其它的多是斥电子的基团,能使定位取代基的邻对位的碳原子的电子云密度增高,所以亲电试剂容易进攻这两个位置的碳原子。
卤素和苯环相连时,与苯酚羟基相似,也有方向相反的吸电子诱导和共轭两种效应。
但在此情况下,诱导效应占优势,使苯环上电子云密度降低,苯环钝化,故亲电取代反应比苯难。
但共轭使间位电子云密度降低的程度比邻对位更明显,所以取代反应主要在邻对位进行。
苯环上原有的取代基对新导入取代基有影响,这种影响包括反应活性和进入位置两个方面。
通常,苯环上原有的第一取代基称为定位基,从大量实验事实的分析总结中发现,定位基的定位作用遵循一定的规律,这一规律称为苯环上亲电取代反应定位规律(又称定位规则)。
下面分别讨论定位基的类型;定位规则的理论解释;二元取代苯的定位规律;定位规律的应用。
(一)定位基的类型1.邻、对位定位基。
这类定位基的结构特征是定位基中与苯环直接相连的原子不含不饱和键(芳烃基例外),不带正电荷,且多数具有未共用电子对。
常见的邻、对位定位基及其反应活性(相对苯而言)如下:强致活基团:―NH2(―NHR,―NR2),―OH中致活基团:―OCH3(―OR),―NHCOCH3(-NHCOR)弱致活基团:―ph(―Ar),―CH3(-R)弱致钝基团:―F,―Cl,―Br,―I这类定位基多数使亲电取代反应较苯容易进行,但卤素例外。
2.间位定位基。
这类定位基的结构特征是定位基中与苯环直接相连的原子一般都含有不饱和键(-CX3例外)或带正电荷。
常见的间位定位基及其定位效应从强到弱顺序如下:―N+H3,―N+R3,―NO2,―C F3,―CCl3,―CN,―SO3H,―COH,―COR,―COOH,―COOR,―CONH2等。
这类定位基属致钝基团,通常使苯环上亲电取代反应较苯难进行,且排在越前面的定位基,定位效应越强,反应也越难进行。
(二)定位规则的理论解释苯环上的取代反应是亲电取代反应。
因此,从反应活性的角度分析,凡有助于提高苯环上电子云密度的基团,就能使苯环活化,反应活性提高;反之,凡是使环上电子云密度降低的基团,就能使苯环钝化,反应活性降低。
从反应位置的角度分析,当苯环上没有取代基时,环上六个碳原子的电子云密度是均等的;但当苯环上有取代基时,由于取代基的电子效应沿着苯环共轭体系传递。
在环上出现了出现了电子云密度的疏密交替分布现象。
第二个取代基总是进入苯环上电子云密度相对较大的部位,从而使这些碳原子上的取代物占了多数。
排在苯前面的取代硝化产物主要是邻位和对位取代物,除卤苯外,其它取代苯硝化速率都比苯快;排在苯后面取代硝化产物主要是间位取代物,硝化速率比苯慢得多。
归纳大量实验结果,根据苯环上的取代基(定位基)在亲电取代反应中的定位作用,一般分为两类:第一类定位基又称邻对位定位基:—O-,—N(CH3)2,—NH2,—OH,—OCH3,—NHCOCH3,—OCOCH3,—F,—Cl,—Br,—I,—R,—C6H5等。
第二类定位基又称间位定位基:—N+(CH3)3,—NO2,—CN,—SO3H,—CHO,—COCH3,—COOH,—COOCH3,—CONH2,—N+H3等。
两类定位基的结构特征:第一类定位基与苯环直接相连的原子上只有单键,且多数有孤对电子或是负离子;第二类定位基与苯环直接相连的原子上有重键,且重键的另一端是电负性大的元素或带正电荷。
两类定位基中每个取代基的定位能力不同,其强度次序近似如上列顺序。
苯环上亲电取代反应的定位规律二、定位规律的电子理论解释在一取代苯中,由于取代基的电子效应沿着苯环共轭链传递,在环上出现了电子云密度较大和较小的交替分布现象,因而环上各位置进行亲电取代反应的难易程度不同,出现两种定位作用。
也可以从一取代苯进行亲电取代反应生成的中间体σ络合物的相对稳定性的角度进行考察,当亲电试剂 E+进攻一取代苯时,生成三σ络合物:Z 不同,生成的三种σ 络合物碳正离子的稳定性不同,出现了两种定位作用。
1.第一类定位基对苯环的影响及其定位效应以甲基、氨基和卤素原子为例说明。
甲基在甲苯中,甲基的碳为 sp3杂化,苯环碳为 sp2杂化,sp2杂化碳的电负性比 sp3杂化碳的大,因此,甲基表现出供电子的诱导效应(A)。
另外,甲基 C—H σ 键的轨道与苯环的π 轨道形成σ—π 超共轭体系(B)。
供电诱导效应和超共轭效应的结果,苯环上电子密度增加,尤其邻、对位增加得更多。
因此,甲苯进行亲电取代反应比苯容易,而且主要发生在邻、对位上。
1 苯环上取代基的定位规则
1. 什么是苯环上取代基的定位规则?
苯环上原有取代基对新引入基团的位置及反应难易程度的影响,所具有的规律称为苯环上取代基的定位规则。
原有的取代基叫做定位基。
2。
定位基分为哪几类?
第一类:邻、对位定位基,若苯环上已带有这类基团,使苯环活化(卤素除外),使亲电取代反应容易进行,再取代时,第二个取代基主要进入它的邻位和对位。
常见的基团有:
-NR 2 ,-NHR ,-NH 2 ,-OH ,-NHCOR ,-OR ,-OCOR ,-R ,-Ar , -X
第二类:间位定位基,若苯环上已带有这类基团,使苯环钝化,使亲电取代反应较难进行,再取代时,第二个取代基主要进入它的间位。
常见的基团有:
-NR 3 ,-NO 2 ,-CN ,-SO 3H ,-CHO ,-COR ,-COOH ,-COOR
注:
2. 定位规则有什么用途?
苯环上取代基的定位规则可以解释取代苯进行亲电取代反应的难易,预测反应的主要产物,进而选择合理的合成路线。
例如,由甲苯合成间硝基苯甲酸,应采取先氧化后硝化的步骤,因为甲基氧化为羧基后再硝化,才能使硝基进入间位。
如果由甲苯制备邻位或对位硝基苯甲酸,则应先硝化后氧化,才能把硝基引入邻、对位。
+
KMnO
4 浓HNO 3/ H 2SO 4
2。