芳香化合物的反應

芳正離子(arenium ion)

/ uh-REE-nee-um /

想像親電芳香取代進行到一半的那一刻:親電試劑剛剛抓住了環,但還沒有任何東西離開。此時某個環碳上同時連著一個氫和那個新基團,於是它從平面的 sp2 變成了更臃腫的 sp3 角。剩下的五個碳則共同分擔一份正電荷。這個轉瞬即逝、帶正電、部分被破壞的環,就是芳正離子——每一個 EAS 反應都要經過的關鍵中間體。

讓這個中間體不至於徹底不穩定的,是共振。那份正電荷並不死守在一個碳上,而是分散在剩下五個環碳中的三個上(相對於親電試劑連接處的兩個鄰位和一個對位)。畫出這三個共振結構,就能看到電荷在環上來回滑動,而真實的物種是這三者的單一雜化體——正是這種離域,才使芳正離子雖已不再芳香,卻仍穩定到足以生成。它有時被稱作 sigma 絡合物(因為新生成了一根 sigma 鍵),或惠蘭中間體(Wheland intermediate)。

芳正離子是整個機理的樞紐。生成它是緩慢的、決速的一步,因為這一步讓環付出了芳香性的代價。但它只是能量曲線上的一個谷底,而非終點:環急於奪回芳香性,於是一個鹼迅速從那個 sp3 碳上拿走質子,電子流回環中,芳香環復歸。弄清楚這個中間體上哪些位置帶正電,也正是化學家能預測「鄰對位 vs 間位」定位效應的依據——取代基效應說到底,不過是在說哪一個芳正離子更穩定。

當 NO2(+) 接到苯上時,生成的芳正離子可以畫成正電荷分別在相對於 NO2 的鄰位碳、間位碳、對位碳上——三個共振貢獻體。真實的離子是它們的雜化體,正電性集中在兩個鄰位碳和一個對位碳上。

三張共振圖、一個真實雜化體——電荷落在鄰位和對位碳上。

那三個共振結構並不是離子在其間閃爍切換的三個不同分子——它們是同一個離域物種的三種畫法。每當一個取代基的孤對電子或 pi 體系能再添出第四個共振結構、把電荷進一步攤開時,芳正離子就更穩定——這正是一切定位效應的根源。

又稱
sigma-complexWheland intermediate苯鎓离子苯鎓離子sigma 络合物