苯环的亲电取代反应
苯环有一环状大π键，具有芳香性，主要发生亲电取代反应（electrophilic substitution reaction），亲电取代反应有卤化、硝化、磺化、烷基化和酰基化。
苯的全部代表性共振式如下图所示，蓝色箭头表示电子对的转移，黑色双箭头为共振符号。
理想状态下，苯环上的派电子是均匀分布的，但若其受到扰动改变了电荷分布，就会出现上图中一个碳原子带正电荷，而另一个碳原子带负电荷的瞬时存在形式，即共振极限式，简称为共振式。苯环上的各个碳原子是等价的，每个碳原子都可能带有电荷，且彼此之间带有正电荷或负电荷的概率是相等的，共振式也能反映出这一点。
苯环亲电取代反应的影响因素
对芳环上的亲电取代反应来说，芳环上电子云密度高，有利于亲电试剂的进攻。芳环上取代基的电子效应直接影响了芳环上电子云密度，取代基通常通过诱导效应和共轭效应两种方式来影响芳环上的电子云密度。
如果直接与芳环相连的原子或原子团有比碳原子更强的电负性，则通过σ键传递表现为吸电子诱导效应。如原子或原子团的电负性比碳原子小，则表现为给电子的诱导效应。
共轭效应是指当取代基上p（或π）轨道和苯环上的p 轨道交盖形成更大的共轭体系时，如原子或原子团通过共轭 作用使苯环上电子云密度增加，表现为给电子共轭效应，如使苯环电子云密度降低，表现为吸电子共轭效应。
取代基往往同时既具有诱导效应，又具有共轭效应。诱导效应的方向和共轭效应的方向可以相同，也可以相反，它们作用的总结果直接与芳环上亲电取代反应的反应活性有关。取代基使芳环上的电子云密度增加的，有利于亲电取代反应，反应活性比苯环大，这类取代基称为致活基团。若取代基使芳环 上的电子云密度降低的，则不利于亲电取代反应，反应活性比 苯环小，这类取代基称为致钝基团。
常见的活化基团有:－O－、－OH、－OR、－NH2（NHR、NR2）、－NHCOR、－OOR、－R；钝化基团有：一NO2、 —CHO、—COR、－COOH 、—Cl、－CCl3等。一般而言，直接与芳环相连的原子上带正电荷或具有重键的杂原子基固均属钝化基团。
一般来说，邻对位定位基都是推电子的活化基团（卤素除外），可向苯环供电子使苯环的π电子云密度增加，有利于亲电取代反应的进行，但邻位和对位的电子云密度比间位增加得多些。卤素因p轨道上的未共电子对能分散σ络合物中碳正离子的正电荷，也属邻、对位定位基团（但属弱钝化基团）。
甲苯的取代反应
甲苯上，碳原子不再等价，直接与甲基相连的碳原子（即α-碳）带有正电荷的概率更高，因为甲基是给电子基团，能分散碳正离子的正电荷使之更为稳定。由共振式又可知，当正电荷位于α-碳上时，负电荷只能出现在邻对位，而不能出现在间位。所以甲苯邻对位碳原子的电子云密度更高，芳香亲电取代反应优先发生于邻对位。
推而广之，凡是具有给电子共轭效应或给电子诱导效应、能稳定α位碳正离子的取代基，都能使邻对位电子云密度高于间位，是芳香亲电取代反应的邻对位定位基，也是芳香亲核取代反应的间位定位基；凡是具有吸电子诱导效应或吸电子共轭效应、使α位碳正离子更不稳定的取代基，都能使间位电子云密度相对较高，是芳香亲电取代反应的钝化基/间位定位基，也是芳香亲核取代反应的活化基/邻对位定位基；当一个取代基对苯环同时具有诱导效应和共轭效应时（如羟基、卤原子等），共轭效应的作用占主导地位。
甲苯的电荷分布直观化呈现
苯分子 (a)、硝基苯分子 (b)和甲苯分子 (c)的原子电荷分布
图呈现了由Gaussian软件计算绘制的苯分子、硝基苯分子、甲苯分子的原子电荷分布图。在苯分子的图中，借助红绿两色的对比可清晰感受到电荷的正负差异，即苯分子中碳原子带负电，氢原子带正电，而每个碳原子间、氢原子间的电荷数值完全一样。在另外2幅图中,色彩的鲜艳程度与具体数值的结合更加直观地传递了电荷大小的差异。
只要将硝基苯分子、甲苯分子与苯分子各自的原子电荷分布图稍做对比，就可感知到当取代基存在时，原本完全一致的几个碳原子发生了变化，有的负电荷增大，有的负电荷减小。仔细分析硝基苯分子的原子电荷分布图，可以读出间位碳原子的电荷数值为-0.162，相较邻、对位碳原子的电荷数值为-0.112与-0.107，学生根据“同性相斥、异性相吸”很轻松就可以指出负电荷更多的间位碳原子更易与带正电的硝基正离子结合。继续分析甲苯分子的原子电荷分布图，可以读出邻、对位碳原子的电荷数值为-0.166与-0.140，均比间位碳原子的电荷数值-0.138更负，说明邻、对位碳原子更易与带正电的硝基正离子结合。
参考资料：
https://www.docin.com/p-2300671631.html
https://www.zhihu.com/question/431805768/answer/1592955738
http://www.hxzxs.cn/plus/view.php?aid=15982
范博韬,丁伟.化学软件辅助下的高中化学可视化教学——芳香烃的取代反应[J].化学教育(中英文),2024,45(07):104-110.DOI:10.13884/j.1003-3807hxjy. 2023020202.
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