在形成元配合物时，并没有形成新键，所以活化能△E1很小，元配合物的形成速率和解离速率都很快，它们对反应速率和产物都没有大的影响。因此不把它当作一个独立的反应步骤。在。配合物中，苯环的闭合共轭体系被破坏，因此生成。配合物的活化能△E2比较大，。配合物是一个能量比苯高的不稳定的活泼中间体，为了使自已稳定，它或者快速地脱落E+变为起始反应物苯（即k2<k1），而没有发生正反应，或者快速脱落H+而变为产物（即k2》k1，k-1），即发生了亲电取代反应，而且生成产物的活化能△E3一般小于活化能AE2，即整个反应过程中。配合物的生成是反应的控制步骤。2.1.2苯环上已有取代基的定位规律实验证明，在进行亲电取代反应时，可以把苯环上已有取代基乙按其定位效应大致分为两类。第一类定位基，亦称邻、对位定位基，可使苯环活化（卤原子例外），并使新的取代基主要进人其邻位和对位，属于这类取代基的主要有：—O-、—N(CH3)2、—NH2、-OH、-OCH3、-NHCOCH3、—OCOCH3、--F、—CI、—I、--CH5、--CH3、—C2H5、—CH2COOH、-CH2F等。第二类定位基，亦称间位定位基，可使苯环钝化，并使新进入的取代基主要进入其间位（大于40%），属于这类取代基的主要有：+N(CH3)3、—CF3、--NO2、—CN、-SO3H、—COOH、CHO、-COOCH3、COCH3、—CONH2、—+NH3、—CCI3等。上述两类取代基的次序是按它们的定位能力由强到弱排列的。表2-1列出了苯的单取代物在特定条件下进行一硝化时的异构体生成比例和相对于苯的反应速率常数k相对。从表2-1还可以看出，硝化剂、溶剂、温度和添加剂等因素都会影响异构体的生成比例。表2-1苯的单取代物在一硝化时的异构产物比例和相对反应速率常数相对于苯的异构产物生成比例/%已有取代基反应条件反应速率常邻位间位对位数欠相对H1AcONO2;Ac2O,25℃,HNO266.033.0-OHAcONO2;Ac2O,25℃H2NCONH40.060. 0HNO;H2SO,(1:1),45℃40.060.0-OCH3约2×105AcONO2;Ac20,1071.0(0. 5)28.0HNO;H2SO,(1:1),20℃19.42.178.5-NHCOCHS很快AcONO2,Ac2O,20℃67.82.529.7-CH3AcONO2:0℃61.41.637.027. 0-C,HsAcONO2;0℃45.93. 350.822.8±1.9—CH(CH))2AcONO2;0℃28.04.567.517.7±0.7-C(CH3)3AcONO2;0℃6.810.083.215.1±0.8-CH,OCH3AcONO2;25℃51.36.841.96.48-CH2COOC2HsAcONO2;25℃54.313.132. 63.86CH,CIAcONO2;25℃33.613. 952.50.711-CH2CNAcONO2+25℃24.420. 155.50.345-CH2FAcONOzAc20,约25℃28.317.354.4-FHNO;67.5%H2SO4,25℃13.00.686.00.1177
续表相对于苯的异构产物生成比例/%已有取代基反应条件反应速率常邻位间位对位数欠相对-CI35.00.9464.00.064HNO:67.5%HSO.25℃-Br43.00.956.0HNO3;67.5%H2SO.,25℃0.060-145.01. 354.0HNO3;67.5%H2SO.,2500.125-CHCl2AcONO2;Ac2O,20～30℃23.333. 842.90.302CH2NO2HNO3,Ac20,25℃22.554.722.80.112-CCl,6. 828.7AcONO2;Ac2O,20~30℃64.5COONH2HNO3115℃27.069.6<3.0-COOC,Hs24.172.0AcONOz:AcO.184.03.67×10~3-COCHHNO3;98.1%H2SO4,2519.578.50~2.0HNO(d1.55);-8~10℃(19)72.1(9)-CHO90.8HNO;7.3%SO,H2SO.-8~10℃80.2<10~3-COOHHNO310℃18.51. 317.0-CNHNO310℃81.0<2.0-SO,HHNO3;H2SO约60.0HNOs;Ac20,25℃8.188.63. 33.51×103—SO2CHs5.0HNO3;82%H2SO436.059.0+NH,1. 5HNOs;98%H2SO462.038.093×10~830.015.2×10-8+NH2CHHNO3198%H2SO4(70)约5.3×10-8+NH(CH,)2HNO3;98%H2SO78.022.0_+N(CH)3HNO;98.7%H2SO4<2.089.011.01.75×1084.7593.91.395.8×108HNO3;H2SO.0C-NO2HNO3H2SO4,90℃8~9.0约90.01~2.0-CFs6.091.03.06.7×10-5HNO3H2SO0℃注：AcONO2表示CH3COONO2。括号内数据为摘自不同文献。2.1.3苯环上取代定位规律2.1.3.1已有取代基的电子效应关于电子效应的理论解释，在大学有机化学教材中已有详细叙述，本章将各种取代基归纳为以下三类。（1）取代基Z只具有供电诱导效应例如各种烷基，取代基的供电诱导效应+I使苯环活化，而且是邻、对位定位。其中甲基还具有供电超共轭效应十T超，所以甲基的活化作用比其他烷基大，见表2-1中的相对反应速率常数<相对。(2）取代基中同苯环相连的原子具有未共用电子对例如：一O--NR2、NHR、—NH2、-OH、—OR、—NHCOR、—OCOR、—F、—CI、-Br、—1等，它们的未共用电子对和苯环形成供电共轭效应十T，所以它们都是邻、对位定位基。除了一O以外，上述取代基还具有吸电的诱导效应一I，这会影响取代基的活化作用。对于氨基和羟基，其I+T/>-I)，所以它们都使苯环活化，对于卤原子，其I十T/<}一I)，所以都使苯环钝化。（3）取代基具有吸电诱导效应取代基有吸电诱导效应一I，而且和苯环相连的原子没有8
未共用电子对，例如：—NR3、—NO2、-CF3、—CN、-SO:H、—CHO、—COR、COOH、一COOR、CONH2、一CCl3和一NH3等，它们都使苯环钝化，而且是间位定位基。在一NR3中，与苯环相连的氮原子上带有正电荷，使苯环强烈钝化，而且是很强的间位定位基（见表2-1）。从表2-1中还可以看出一NH3有些特殊性，苯胺在98%硫酸中硝化时，生成62%间位异构体。但苯胺在82%硫酸中硝化，则只生成36%间位异构体。这可能是因为在82%硫酸中，苯胺并未完全质子化为CHs—NH3，仍有部分苯胺处于游离状态的CsHs一NH2，而一NH2是使苯环活化的邻、对位定位基的缘故。+NHNH2(2-3)一SO3H是强酸性的，必须考虑它的离子化，一SO：似乎应该是邻、对位定位基，但苯磺酸在硝化时，生成约60%的间位异构体（见表2-1)，即一SO3H是弱的间位定位基。这可以解释如下：与苯环相连的硫原子是偶极的正端，它的吸电作用超过了离苯环较远的带负电荷的氧原子的供电作用，因此一SO3H使苯环钝化，而且是弱的间位定位基。cOto(2-4)OaCo综上所述，可以把各种取代基的定位作用归纳如表2-2所示。表2-2定位取代基的分类和定位作用举例定位作用活化作用电子机理类型邻对位活化Ar-2-0-+I,+T邻对位活化-CH,+I,+T起Ar2邻对位活化1C,Hs,CH(CH,)2,—C(CHs)3+I,+TAr间位钝化SO,I+I<I-TIAr-z活化-OH,OCH3,NH2,N(CH,)2,NHCOCH3邻对位1-II<I+TIAr-邻对位稍钝化Ar2F,-Cl,-Br,-11-II>I+TI邻对位+ZCH2CI,--CH,CN活化或钝化-1gAr间位钝化Ar--z-Is-N(CHa)a,—CFs,CCls,-CH2NO2间位钝化1,-T-NO2，CN,-COOH,CHOAr注：Z一取代基。2.1.3.2已有取代基的空间效应苯环上已有取代基的空间效应是多方面的，这里只介绍空间位阻作用。从表2-1可以看出，单烷基苯在一硝化时，随着烷基体积的增大，邻位异构产物的生成比例减少。应该指出，这种空间位阻的解释，只有在已有取代基的电子效应相差不大时才能成立，如果已有取代基的电子效应相差较大时，则电子效应的差别起主要作用。从表2-1可以看出，4种卤代苯在一硝化时，随着卤原子所占空间的增大，邻/对比不是减少了，而是增加了，这可以用4种卤原子的诱导效应来解释。4种卤原子的电负性是F》CI>Br>I（分别是4.0、3.2、3.0和2.7）。其吸电子效应的次序是IF>—Ic>—IBr>—I，吸电诱导效应9
一I对距离较近的邻位的影响比距离较远的对位大一些，因此邻位异构产物的生成比例是氟苯<氯苯<溴苯<碘苯。2.1.3.3亲电试剂的电子效应亲电试剂E+的活泼性对定位作用也有重要影响。表2-3列出了甲苯在不同亲电取代反应中异构产物比例和甲苯相对于苯的反应速率常数比kT/kB。表2-3甲苯在亲电取代反应中的异构产物比例和相对反应速率常数异构产物比例/%kr/kB反应类型反应条件间位邻位对位165037.6Cl2(CH:CN,25℃)62.4-34059.80. 5卤化Cl2(CHCOOH,25℃)39.76074. 62. 232.2HCIO,HCIO,(H2O,25℃)1179. 31.4589.3C.HsCOCI(AICls,CzH.Cl2,25℃)C-酰化1281. 171. 2597.6CHCOCI(AICl3CH,Cl225℃)364.559磺化31.0H2SO-H20(25℃)HNO(CHCOOH-H2O,45℃)24.556.53.540.0硝化2161.71.936.4HNO(CHNO2,25℃)9.95.7055.734.4CHaBr(GaBr3,CHsCH3,25C)2.4738.421.040.6CHsBr(GaBr3,C,HsCHs.25)C-烷化（短时间）1. 8226.226.247.2CH(CH)zBr(GaBr3,CH,CH,25C)67.91. 62032.1C(CHa),Br(GaBrs,CHsCH3,25C)kT/kB实际上是将等摩尔比的甲苯和苯的混合物用不足量的试剂进行某一亲电取代反应时，甲苯和苯的转化率之比。当E+极活泼时（即亲电能力极强时），E+每次与甲苯分子或~5苯分子碰撞几乎都能发生反应，即E+进攻甲苯或进攻苯几乎没有选择性，因此篇～号～0.833。同理，E+进攻甲苯环上不同位置的选择性也很差，结果生成了较多的间位异构产物。例如，甲苯的C-烷化就接近这种情况，这也说明CH3、tH2CH3、H(CH3)2和七(CH3)3等烷基正离子都是非常活泼的亲电质点。反之，当E+极不活泼时，它进攻甲苯和进攻苯的选择性很好，这时kT/kB主要取决于甲基的活化作用，因此kT/kB很大。同理，这时E+进攻甲苯上各不同位置的选择性也较好，几乎不生成间位异构产物。例如甲苯在非质子传递溶剂乙中的氟化就接近这种情况，这也说明分子态氯在没有Lewis酸催化剂的存在下是很弱的亲电质点。硝化时kt/kB不太大，而且生成1.9%～3.5%间硝基甲苯，这说明硝化质点（NO等）具有中等活性。从表2-3中的氯化反应还可以看出kr/k和异构产物比例还与反应条件有关。在乙腈或乙酸介质中，对氯分子的极化作用很弱，所以只生成0.5%的间位异构产物。在水介质中，氯分子、HCIO或HCIO4强烈极化，并生成CI+，CI+具有中等活性，选择性差，kT/kB小，所以生成了2.2%间位异构产物。(2-5)Clz+H20HCIO+H++CI(2-6)HCIO+H+HzO+CI+2.1.3.4亲电试剂的空间效应由表2-3还可以看出，甲苯在乙腈中氯化时，氯化剂是分子态氯，它甚至与乙腈配位，体积大，所以邻位异构产物的生成比例只有37.6%；而在水介质中氟化时，氯化剂主要是10
CI+，体积小，所以邻位异构体的生成比例增加到74.6%。2.1.3.5新取代基的空间效应新取代基E的空间效应也会影响邻位异构产物的生成比例。例如表2-3中甲苯C-烷化时，随着烷基体积的增大，邻位异构产物的生成比例随之减少。在叔丁基化时，几乎不生成邻位异构产物，这可能是因为迅速异构化的缘故。又如在25℃甲苯在乙酸中氯化时，邻位异构产物的生成比例是59.8%，而溴化时则下降为32.9%。2.1.3.6反应的可逆性对于不可逆的亲电取代反应，电子效应对定位起主要作用，但是对于可逆的亲电取代反应，则空间效应对定位起主要作用。例如甲苯在无水三氯化铝存在下用丙烯进行异丙基化时，在0℃是不可逆反应，各异构产物的生成比例主要取决于各异构的配合物的相对稳定性，在。配合物中异丙基和甲基不在同一平面上，空间位阻比较小，结果还是生成了34%的邻异丙基甲苯。CHsCH:~34%-1% ~ 2%￥25%?65% ~ 70%41%28%~30%丙烯，AICl0℃丙烯，AIC3，110℃但是在110℃进行异丙基化时，它变成可逆反应，各异构产物的生成比例主要取决于各异构产物之间的平衡关系。在烷基化产物中异丙基和甲基处于同一平面上，其中邻位体由于空间位阻大，稳定性差，它将通过质子化-脱异丙基和再异丙基化而转变为稳定性较高的间位体，而间位体经生成就不易再质子化-脱异丙基，所以在可逆烷基化时，间异丙基甲苯将成为主要产物。另外，如表2-3所示，甲苯在25℃进行叔丁基化时几乎没有邻位异构产物，这不只是因为空间效应，而且与反应的可逆性有关。关于磺化反应的可逆性见4.1.1.52.1.3.7反应条件的影响（1）温度前面已经提到，温度升高可以使不可逆的C-烷化反应和磺化反应转变为可逆反应。另外，温度对于不可逆的亲电取代反应的异构产物的生成比例也有一定影响，一般说来，升高温度使E+进攻苯环上不同位置的选择性变差，副产物增加（见4.1.1.5）。（2）催化剂催化剂可以因改变亲电试剂的电子效应、空间效应以及改变反应历程等方面来影响异构取代产物的生成比例，这将在以后结合具体亲电取代反应叙述（见3.2.1.2）。（3）介质介质的酸碱度、溶剂的类型（质子传递型、非质子传递型、电子对受体、电子对给体等）都会影响异构取代产物的生成比例，这也将在以后结合具体亲电取代反应叙述（见11.4.1.5)。2.1.4苯环上已有两个取代基时的定位规律当苯环上已有两个取代基，需要引人第三个取代基时，新取代基进人苯环的位置主要取决于已有取代基的类型、它们的相对位置和定位能力的相对强弱。一般可分为两个已有取代基的定位作用一致和不一致两种情况。2.1.4.1两个已有取代基的定位作用一致两个已有取代基的定位作用一致，这时仍可按前述定位规律来决定新取代基进人苯环的位置。（1）两个取代基属于同一类型（都属于第一类或都属于第二类）并处于间位时，其定位11