取代基定位效應

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。 這種效應稱為取代基定位效應(Substituent Positioning Effects)。

基本介紹

  • 中文名:取代基定位效應
  • 外文名:Substituent Positioning Effects
  • 性質:含有取代基的苯衍生物
  • 代表元素:基除鹵素
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效應解析

苯環上已有的取代基叫做定位取代基。
1、鄰對位定位取代基
①概念:當苯環上已帶有這類定位取代基時,再引入的其它基團主要進入它的鄰位或對位,而且第二個取代基的進入一般比沒有這個取代基(即苯)時容易,或者說這個取代基使苯環活化。
②特徵:這類取代基中直接連於苯環上的原子多數具有未共用電子對,並不含有雙鍵或三鍵
③定位取代效應按下列次序而漸減:
-N(CH3)2 , -NH2 , -OH , -OCH3 , -NHCOCH3 , -R , (Cl,Br,I為鈍化)
2、間位定位取代基
①定義:當苯環上己有在這類定位取代基時,再引入的其它基團主要進入它的間位,而且第二個取代基的進入比苯要難,或者說這個取代基使苯環鈍化。
②特徵:取代基中直接與苯環相連的原子,有的帶有正電荷,有的含有雙鍵或三鍵。
定位效應按下列次序而漸減:
-N+(CH3)3 , -NO2 , -CN , -SO3H , -CHO , -COOH
三甲銨基硝基氰基磺酸基醛基羧基
3、取代定位規律並不是絕對的。實際上在生成鄰位及對位產物的同時,也有少量間位產物生成。在生成間位產物的同時,也有少量的鄰位和對位產物生成。
4、苯環的取代定位規律的解釋
當苯環上連有定位取代基時,苯環上電子云密度的分布就發生變化。這種影響可沿著苯環的共軛鏈傳遞。因此共軛鏈上就出現電子云密度較大和電子云密度較小的交替現象,從而使它表現出定位效應
① 鄰對位定位取代基的定位效應:
鄰對位定位取代基除鹵素外,其它的多是斥電子的基團,能使定位取代基的鄰對位的碳原子的電子云密度增高,所以親電試劑容易進攻這兩個位置的碳原子。
鹵素和苯環相連時,與苯酚羥基相似,也有方向相反的吸電子誘導和共軛兩種效應。但在此情況下,誘導效應占優勢,使苯環電子云密度降低,苯環鈍化,故親電取代反應比苯難。但共軛使間位電子云密度降低的程度鄰對位比間位更明顯,所以取代反應主要在鄰對位進行。
②間位定位基的定位效應:
這類定位取代基是吸電子的基團,使苯環上的電子云移向這些基團,因此苯環上的電子云密度降低。這樣,對苯環起了鈍化作用,所以較苯難於進行親電取代反應。
鄰對位中間體均有一種穩定的共振式(鄰對位定位基的影響)。
在間位定位基的影響下,在三個可能的碳正離子中間體中,鄰對位共振式中正電荷是在連有吸電子基的碳上,它使碳正離子中間體更不穩定。所以間位碳正離子中間體是最有利的。

定位效應

①如環上的取代基為-NH2(-NHR、-NR2,R為烷基)、-OH、-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。
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了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 如環上的取代基為 -F、-Cl、-Br、-I、-CH2Cl、-CHCl2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。
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。

定位規律

如果苯環上已經有了兩個取代基,當引入第三個取代基時,影響第三個取代基進入的位置的因素較多。定性地說,兩個取代基對反應活性的影響有加和性。
1.苯環上已有兩個鄰對位定位取代基或兩個間位定位取代基,當這兩個定位取代基的定位方向有矛盾時,第三個取代基進入的位置,主要由定位作用較強的一個來決定。
2.苯環上己有一個鄰對位定位取代基和一個間位定位取代基,且二者的定位方向相反,這時主要由鄰對位定位取代基來決定第三個取代基進入的位置。
3.兩個定位取代基在苯環的1位和3位時,由於空間位阻的關係,第三個取代基在2位發生取代反應的比例較小。

其他定位效應

當一個環上有兩個取代基時,其定位指向較複雜,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。
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)。

規律套用

主要意義:預測反應的主產物,幫助我們選擇適當的合成路線,少走彎路;既能獲得較高的收率,又可避免複雜的分離手續。

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