甲(乙)基在甲(乙)苯亲电取代反应中的定位作用和定位能力讨论

在有机化学的亲电取代反应定位法则教学中,甲基代表烷基,作为芳烃亲电取代反应定位效应的典型例子,但甲基不同于乙基等烷基,具有不同的定位能力,烷基是如何影响芳环的结构从而影响取代基定位,教材和教学中描述较简单,不便于学生领会和比较。该文就此问题进行探讨,结果表明,烷基苯RAr(R=Me、Et)的R在空间的位置影响烷基苯的能量和原子电荷密度,从而影响烷苯的亲电取代反应。(1)烷苯的R—Ar键旋转形成不同构象,其中的最大与最小体系能量值之差ΔE,ΔE(Me)<ΔE(Et),{ΔE(Me)=0.0000084a.u,ΔE(Et)=0.0068029a.u},甲苯比乙苯的R—Ar单键更容易自由旋转。在EtAr,C8-C7-C1平面与苯环垂直时,体系能量[E(90)=-308.661166a.u.]最低,为较稳定的优势构象。(2)甲基和乙基均向苯环供电子,虽甲(乙)苯环的碳原子所带电荷之和都不及苯,但甲苯比乙苯的环碳上电子密度大,∑Q(Me,30)=-1.02794<∑Q(Et,90)=-1.010487。(3)甲(乙)苯化合物中,均为邻、对位碳原子电子密度大于苯环碳{甲基:邻位qC2(30)=qC6(30)=-0.212118,对位-0.20724～-0.20728;乙基:邻位qC2(90)=qC6(90)=-0.209509,对位q(90)(-0.20695)},间位碳原子的电子密度小于苯环碳[甲基间位-0.19153～-0.19228;乙基间位q(90)=-0.192171],甲、乙苯的邻、对位有利于亲电取代反应,且甲基大于乙基的定位能力。(4)亲电试剂Me+与苯环反应形成邻、对位的碳正离子中间体比间位碳正离子中间体稳定,有利于生成邻、对位取代产物,因此,甲、乙基均为邻、对位定位基。