利用電子密度差分圖輔助取代苯的親電取代反應教學

柏一慧 翁雪香 沈佳平

(浙江師范大學化學與生命科學學院 浙江金華321004)

芳香親電取代反應的定位規(guī)律是有機化學教學中的重要內容。在目前的有機化學教材中，一般采用經典的共振雜化理論分析第一步反應形成的碳正離子中間體，通過比較其穩(wěn)定性來解釋取代基對反應活性的影響以及定位規(guī)律。如在解釋苯酚中羥基的鄰位定位效應時，給出其鄰位取代中間體的4個共振式(圖1)，并指出共振式4的所有原子都為八隅體，其所代表的共振雜化體結構穩(wěn)定，故該共振雜化體所代表的中間體穩(wěn)定，因而鄰位取代速度較大［1］。由于共振論本身是個教學難點，以共振論來解釋取代苯的親電取代反應時，還需要另外涉及八隅體規(guī)則、p-π共軛、電子轉移等多種概念，會讓初次接觸有機化學理論的學生難以理解。此外，因為沒有量化的概念，共振論在解釋較為復雜的取代基如—CH2CONH2，—CH2COCH3等的定位效應時，顯得力不從心。

圖1 苯酚鄰位取代中間體的4個共振式

Gaussian軟件是一個功能強大的量子化學計算軟件，該軟件不僅在科學研究方面發(fā)揮了重要的作用，同時也成為有機化學教學中的重要工具［2］。對于傳統(tǒng)教學手段難以表達的、抽象的有機化學問題，Gaussian軟件可以通過計算化學反應中涉及的化合物的性質，以接近實驗事實的數(shù)據(jù)、圖表等形式，直觀地給出反應的模擬過程。

對于取代苯的親電取代反應的教學，Gaussian軟件可通過計算取代苯表面的電荷密度、局部電荷的Mullinken電荷、APT(原子極化張量)電荷和NBO(自然鍵軌道)電荷，給出取代苯的電子密度的相對分布。例如，圖2給出的是甲苯的表面電荷密度立體圖，但該圖展現(xiàn)出來的是整個分子的比較模糊的電子密度分布形象，多種電子云交織在一起，混沌不清，因而從該圖很難看清電子分布的高低。而Mullinken電荷、APT電荷和NBO電荷所表示的相對電荷密度，因為適用的體系不同，誤差很大，且直觀度不高，也不適合引入教學中。

圖2 甲苯的表面電子密度分布圖

電子密度差分圖可以很好地彌補上述情況的不足。利用某個體系的電子密度減去其各組成片段在自由狀態(tài)下的電子密度，即可得到該體系的電子密度差分圖。這種差分圖可以清晰、直觀地表現(xiàn)出各片段在組合成分子前后的電子密度的差異，對于展示分子形成過程中電子密度的變化、探究化學鍵的本質非常有用，可成為有效的教學手段［3］。利用Multiwfn軟件可以方便地做出電子密度差分圖［4］。

本文先用Gaussian軟件對18種一取代苯分子及其組成片段的幾何構型進行全優(yōu)化，計算出取代苯及其組成片段的電子密度;然后利用Multiwfn軟件得到取代苯的立體電子密度差分圖。

1 一取代苯的選取

選取具有廣泛代表性的18種一取代苯，其中特別選取了一些容易混淆的取代基，如:—CH2CONH2，—CH2COCH3，—NHCOCH3，—C(CH3)3，—OCH3，—COOCH3，—CONH2等。

2 計算方法

對取代苯分子及其組成片段的幾何構型采用Gaussian03軟件的DFT方法在B3LYP/6-311++G*＊水平下優(yōu)化。該方法可對大多數(shù)有機分子進行較精確的模擬［5］。因取代苯的主要化學性質取決于取代基對苯環(huán)的影響，所以取代苯的組成片段可處理為苯自由基和取代基自由基。構型優(yōu)化后，用Multiwfn軟件做取代苯分子與苯自由基和取代基自由基的密度差分立體圖，密度差數(shù)值與isovalue的符號相同和相反的等值面分別以淺灰色和深灰色顯示(淺灰色等值面體現(xiàn)了電子密度增加的區(qū)域;深灰色的面體現(xiàn)了電子密度降低的區(qū)域)。為使對比更清晰，可適當調節(jié)密度差分圖的isovalue。將isovalue設為0.0015，以使等值面區(qū)域在苯環(huán)原子上得到清晰體現(xiàn);將isovalue設為0.065，以使等值面區(qū)域主要在取代基原子上體現(xiàn)。

3 結果與討論

所得結果如表1所示。表1中各圖能清晰地反映苯環(huán)以及取代基的電子密度變化，直觀地給出發(fā)生親電取代反應的部位。例如—CH2CONH2，其定位效應在教學中屬于比較難解釋的。表1中給出了PhCH2CONH2的電子密度差分圖，當體系isovalue設為0.0015時，可以清楚地看出取代基的成鍵狀態(tài)，并可以清楚地觀察到苯環(huán)上的電子密度變化。苯環(huán)上取代基的鄰位碳上有較多的淺灰色和較少的深灰色出現(xiàn)，綜合來看是電子密度增加;間位主要是深灰色，為電子密度減少;對位電子密度變化不明顯。這顯示出—CH2CONH2鄰、對位碳附近的電子密度大于間位碳附近的電子密度，預測PhCH2CONH2的親電反應會優(yōu)先發(fā)生在取代基的鄰、對位碳上，但該取代基的定位效應相對較弱。這與共振理論的解釋是一致的。

根據(jù)上述分析，從表1可以看出，PhNO2、PhCF3、PhSO3H的取代基鄰、對位碳上深灰色明顯，間位電子密度變化不明顯，應為較強的間位定位;PhCOCH3、PhCOOH、PhCHO、PhCOOCH3、PhCONH2的取代基鄰、對位碳上有深灰色，間位電子密度變化不明顯，應為中等強度的間位定位;PhNH2、PhOH、PhOCH3的取代基間位有深灰色，鄰、對位淺灰色明顯，應為較強的鄰、對位定位;PhNHCOCH3、PhCH3、PhC(CH3)3的取代基間位有深灰色，鄰位、對位有淺灰色，應為中等強度鄰、對位定位;PhCH2COCH3、PhCH2CONH2、PhCl、PhF的取代基間位有深灰色，鄰位淺灰色多于深灰色，對位電子密度增減不明顯，應為較弱的鄰、對位定位。該結果均與共振理論的解釋吻合。

表1 一取代苯的電子密度差分圖

4 結語

本文得到了18種具有廣泛代表性的一取代苯的立體電子密度差分圖，通過分析取代苯的電子密度差分圖，很好地解釋了親電取代反應中取代基的定位規(guī)律，與共振理論的解釋一致。使用這些電子密度差分圖可向學生清晰地展示取代苯的電荷分布變化，具有直觀的教學效果，可大大降低教學難度，使學生對復雜的取代苯親電取代反應的定位效應認識更加清晰，從而提高學生的學習興趣，為進一步深入學習有機反應打好基礎。本文結果可直接作為教學素材。

［1］王積濤，胡青眉，張寶申.有機化學.天津:南開大學出版社，1998

［2］Foresman J B，F(xiàn)risch 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