利用电子密度差分图辅助取代苯的亲电取代反应教学

柏一慧 翁雪香 沈佳平

(浙江师范大学化学与生命科学学院 浙江金华321004)

芳香亲电取代反应的定位规律是有机化学教学中的重要内容。在目前的有机化学教材中，一般采用经典的共振杂化理论分析第一步反应形成的碳正离子中间体，通过比较其稳定性来解释取代基对反应活性的影响以及定位规律。如在解释苯酚中羟基的邻位定位效应时，给出其邻位取代中间体的4个共振式(图1)，并指出共振式4的所有原子都为八隅体，其所代表的共振杂化体结构稳定，故该共振杂化体所代表的中间体稳定，因而邻位取代速度较大［1］。由于共振论本身是个教学难点，以共振论来解释取代苯的亲电取代反应时，还需要另外涉及八隅体规则、p-π共轭、电子转移等多种概念，会让初次接触有机化学理论的学生难以理解。此外，因为没有量化的概念，共振论在解释较为复杂的取代基如—CH2CONH2，—CH2COCH3等的定位效应时，显得力不从心。

图1 苯酚邻位取代中间体的4个共振式

Gaussian软件是一个功能强大的量子化学计算软件，该软件不仅在科学研究方面发挥了重要的作用，同时也成为有机化学教学中的重要工具［2］。对于传统教学手段难以表达的、抽象的有机化学问题，Gaussian软件可以通过计算化学反应中涉及的化合物的性质，以接近实验事实的数据、图表等形式，直观地给出反应的模拟过程。

对于取代苯的亲电取代反应的教学，Gaussian软件可通过计算取代苯表面的电荷密度、局部电荷的Mullinken电荷、APT(原子极化张量)电荷和NBO(自然键轨道)电荷，给出取代苯的电子密度的相对分布。例如，图2给出的是甲苯的表面电荷密度立体图，但该图展现出来的是整个分子的比较模糊的电子密度分布形象，多种电子云交织在一起，混沌不清，因而从该图很难看清电子分布的高低。而Mullinken电荷、APT电荷和NBO电荷所表示的相对电荷密度，因为适用的体系不同，误差很大，且直观度不高，也不适合引入教学中。

图2 甲苯的表面电子密度分布图

电子密度差分图可以很好地弥补上述情况的不足。利用某个体系的电子密度减去其各组成片段在自由状态下的电子密度，即可得到该体系的电子密度差分图。这种差分图可以清晰、直观地表现出各片段在组合成分子前后的电子密度的差异，对于展示分子形成过程中电子密度的变化、探究化学键的本质非常有用，可成为有效的教学手段［3］。利用Multiwfn软件可以方便地做出电子密度差分图［4］。

本文先用Gaussian软件对18种一取代苯分子及其组成片段的几何构型进行全优化，计算出取代苯及其组成片段的电子密度;然后利用Multiwfn软件得到取代苯的立体电子密度差分图。

1 一取代苯的选取

选取具有广泛代表性的18种一取代苯，其中特别选取了一些容易混淆的取代基，如:—CH2CONH2，—CH2COCH3，—NHCOCH3，—C(CH3)3，—OCH3，—COOCH3，—CONH2等。

2 计算方法

对取代苯分子及其组成片段的几何构型采用Gaussian03软件的DFT方法在B3LYP/6-311++G*＊水平下优化。该方法可对大多数有机分子进行较精确的模拟［5］。因取代苯的主要化学性质取决于取代基对苯环的影响，所以取代苯的组成片段可处理为苯自由基和取代基自由基。构型优化后，用Multiwfn软件做取代苯分子与苯自由基和取代基自由基的密度差分立体图，密度差数值与isovalue的符号相同和相反的等值面分别以浅灰色和深灰色显示(浅灰色等值面体现了电子密度增加的区域;深灰色的面体现了电子密度降低的区域)。为使对比更清晰，可适当调节密度差分图的isovalue。将isovalue设为0.0015，以使等值面区域在苯环原子上得到清晰体现;将isovalue设为0.065，以使等值面区域主要在取代基原子上体现。

3 结果与讨论

所得结果如表1所示。表1中各图能清晰地反映苯环以及取代基的电子密度变化，直观地给出发生亲电取代反应的部位。例如—CH2CONH2，其定位效应在教学中属于比较难解释的。表1中给出了PhCH2CONH2的电子密度差分图，当体系isovalue设为0.0015时，可以清楚地看出取代基的成键状态，并可以清楚地观察到苯环上的电子密度变化。苯环上取代基的邻位碳上有较多的浅灰色和较少的深灰色出现，综合来看是电子密度增加;间位主要是深灰色，为电子密度减少;对位电子密度变化不明显。这显示出—CH2CONH2邻、对位碳附近的电子密度大于间位碳附近的电子密度，预测PhCH2CONH2的亲电反应会优先发生在取代基的邻、对位碳上，但该取代基的定位效应相对较弱。这与共振理论的解释是一致的。

根据上述分析，从表1可以看出，PhNO2、PhCF3、PhSO3H的取代基邻、对位碳上深灰色明显，间位电子密度变化不明显，应为较强的间位定位;PhCOCH3、PhCOOH、PhCHO、PhCOOCH3、PhCONH2的取代基邻、对位碳上有深灰色，间位电子密度变化不明显，应为中等强度的间位定位;PhNH2、PhOH、PhOCH3的取代基间位有深灰色，邻、对位浅灰色明显，应为较强的邻、对位定位;PhNHCOCH3、PhCH3、PhC(CH3)3的取代基间位有深灰色，邻位、对位有浅灰色，应为中等强度邻、对位定位;PhCH2COCH3、PhCH2CONH2、PhCl、PhF的取代基间位有深灰色，邻位浅灰色多于深灰色，对位电子密度增减不明显，应为较弱的邻、对位定位。该结果均与共振理论的解释吻合。

表1 一取代苯的电子密度差分图

4 结语

本文得到了18种具有广泛代表性的一取代苯的立体电子密度差分图，通过分析取代苯的电子密度差分图，很好地解释了亲电取代反应中取代基的定位规律，与共振理论的解释一致。使用这些电子密度差分图可向学生清晰地展示取代苯的电荷分布变化，具有直观的教学效果，可大大降低教学难度，使学生对复杂的取代苯亲电取代反应的定位效应认识更加清晰，从而提高学生的学习兴趣，为进一步深入学习有机反应打好基础。本文结果可直接作为教学素材。

［1］王积涛，胡青眉，张宝申.有机化学.天津:南开大学出版社，1998

［2］Foresman J B，Frisch A. Exploring Chemistry with Electronic Structure Methods:A Guide to Using Gaussian. Gaussian Publisher，1996

［3］Lu T，Chen F. Acta Phys-Chim Sin，2012，28(1) :1

［4］Lu T，Chen F. J Comput Chem，2012，33(5) :580

［5］Hehre W J，Ｒandom L，Schleyer P V Ｒ，et al. Ab Initio Molecular Orbital Theory. New York:Wiley，1986