5.6　芳环上亲电取代反应的定位规律

5.6.1　两类定位基

当一元取代苯再进行取代反应时，新引入的取代基可以进入原取代基的邻位、间位和对位，得到二元取代苯的邻位产物、间位产物以及对位产物三种不同的异构体。那么，哪一种产物是主产物？其取代反应比苯容易些还是困难些？实验结果表明，这与苯环上原有的取代基有关。例如，烷基苯比苯更容易发生亲电取代反应，而且新引入的取代基主要进入烷基的邻位以及对位；硝基苯比苯更难发生亲电取代反应，而新引入的取代基主要进入硝基的间位。不难看出，第二个取代基进入苯环的位置以及难易程度受到苯环上原有取代基的影响，这种现象称为苯环取代基的定位作用或定位效应。苯环上原有的取代基被称为定位基。根据大量的实验事实，可将苯环上的取代基分为两类。

第一类为邻、对位定位基　这类定位基能使第二个取代基主要进入其邻位以及对位，一般都能使苯环活化（卤素除外），故又称为致活基。常见的邻、对位定位基（定位作用由强到弱排列）有：—O-、—N（CH3）2、—NH2、—OH、—OCH3、—NHCOCH3、—OCOCH3、—CH3、—X等。

此类定位基的结构特征是定位基中与苯环相连的原子一般只具有单键，通常具有孤对电子或带有负电荷，是供电子基，因此具有使苯环电子云密度增加的作用。

第二类为间位定位基　这类定位基能使第二个取代基主要进入其间位，一般都能使苯环钝化，故又称为致钝基。常见的间位定位基（定位作用由强到弱排列）有：—N+（CH3）3、—NO2、—CN、—SO3H、—CHO、—COCH3、—COOH、—COOCH3、—CONH2等。

此类定位基与苯环相连的原子一般具有不饱和键或带有正电荷，是吸电子基，因此具有使苯环电子云密度降低的作用。

5.6.2　芳环上亲电取代定位规律的理论解释

取代苯的定位作用是定位基和苯环相互影响的结果。苯环是一个特殊的环状闭合共轭体系，π电子高度离域，环上电子云密度完全平均化。但当苯环上有了取代基以后，取代基通过苯环产生的诱导效应或共轭效应使苯环上电子云密度有所增加或者降低，并且由完全平均化变为不均匀分布。因此，苯环上原有的取代基会影响苯环发生亲电取代反应的难易以及新引入基团进入苯环的位置。下面分别讨论两类定位基对苯环的影响及其定位效应。

（1）邻、对位定位基的定位作用　这类定位基能够通过诱导效应或p-π共轭效应向苯环供电子，使苯环上电子云密度增大，使苯环活化，被称为致活基。因此，有利于亲电取代反应的发生。下面以—CH3,—OH和—X为例进行简要的分析。

①甲基　甲苯分子中的甲基在苯环上具有供电子的诱导效应（+I），向苯环提供电子。同时，甲基的C—Hσ键与苯环的π键形成σ-π超共轭体系，这种超共轭效应也使苯环活化。诱导效应和超共轭效应都使苯环上电子云密度增加，而且在甲基的邻位和对位上增加更为显著（如图5-2所示）。因此，甲苯比苯更容易发生亲电取代反应，而且反应的产物主要是邻、对位产物。

②羟基　羟基是一个较强的邻、对位定位基。羟基对苯环的影响表现在两个方面：一方面，羟基中氧的电负性较大，产生吸电子的诱导效应（-I），使苯环上电子云密度降低；另一方面，羟基氧上的未共用电子对与苯环的大π键形成p-π共轭体系，对苯环产生供电子的共轭效应（+C），使苯环上电子云密度增加。在这两种方向相反的电子效应中，供电子的共轭效应占主导地位，总的结果是羟基使苯环上电子云密度增加，并且在羟基的邻位和对位上增加更为显著（如图5-3所示）。因此，苯酚比苯更容易发生亲电取代反应，而且反应的产物主要是邻位以及对位产物。

③卤素　卤素的情况比较特殊，它是钝化苯环的邻、对位定位基。卤素对苯环也具有吸电子的诱导效应（-I）和供电子的p-π共轭效应（+C），但由于卤素的电负性大，吸电子的诱导效应（-I）占主导地位，总的结果是卤素使苯环上电子云密度降低，但卤素的邻位和对位上电子云密度相对而言高于间位，故卤代苯比苯更难发生亲电取代反应，而且反应的产物主要是邻位以及对位产物。

（2）间位定位基　这类定位基能够通过诱导效应或π-π共轭效应从苯环吸电子，使苯环上电子云密度降低，使苯环钝化，被称为致钝基。因此，不利于亲电取代反应的发生。下面以—NO2为例进行简要的分析。

硝基中氮的电负性比碳大，因此硝基对苯环具有吸电子的诱导效应（-I）；同时硝基与苯环存在吸电子的π-π共轭效应（-C）。两种作用的方向一致，均使苯环上电子云密度降低（图5-4），尤其是硝基的邻位和对位降低更多，而间位降低相对较少。因此，硝基苯比苯更难发生亲电取代反应，而且反应的产物主要是间位产物。

5.6.3　二元取代苯的亲电取代定位规则

当二元取代苯再进行取代反应时，第三个取代基进入苯环的位置，则由苯环上原有的两个取代基的定位效应来决定。遵循的规律是：活化基团的定位作用超过钝化基团；强定位基团的影响大于弱定位基团；取代基的定位作用具有加合性。因此，二元取代苯的亲电取代定位规则可以分为以下几种情况。

当两个取代基属于同一类时，第三个取代基进入苯环的位置，主要由其中较强的定位基决定。例如：

当两个取代基不同类时，第三个取代基进入苯环的位置，主要由其中的邻、对位定位基决定。例如：

若两个取代基的定位效应一致，则其作用相互加强。

5.6.4　亲电取代定位规律在有机合成上的应用

（1）预测反应的主要产物　应用亲电取代定位规律，可以判断化合物进行亲电取代反应时的取代位置，预测反应的主要产物。但需要说明的是，芳烃亲电取代反应的定位效应是很复杂的，受很多因素的影响。因此，在预测反应的主要产物时，还要考虑到空间位阻、反应条件、亲电试剂的性质、催化剂的特性等因素。

（2）选择适当的合成路线　在有机合成中，亲电取代定位规律可以帮助我们选择适当的合成路线。

例如，以苯为原料合成间氯苯磺酸，由于氯是邻、对位定位基，而磺酸基是间位定位基，因此，合成路线应该是先磺化，然后氯代。

又如，以甲苯为原料：若要合成间硝基苯甲酸，合成路线应该是先氧化再硝化；若要合成对硝基苯甲酸，合成路线应该是先硝化再氧化。