芳香化合物的反應

親電芳香取代(electrophilic aromatic substitution)

/ ee-lek-troh-FILL-ik; EAS /

苯環是出了名的「知足」。它六個 pi 電子均勻地分布在環上,賦予它一種叫芳香性(aromaticity)的特殊穩定,而苯環可不願放棄這份穩定。所以當苯環反應時,它幾乎從不讓自己的 pi 體系被永久撕開——相反,它做一次巧妙的交換:用環上某個氫原子去換一個新基團,同時讓整個環原封不動。這種交換就是親電芳香取代,是芳香化學的招牌反應。

這個名字本身就道出了邏輯。環上富含電子的 pi 雲充當一個弱的親核試劑,去吸引一個親電試劑(electrophile,即缺電子、帶正電或被極化的物種)。機理只有兩步。第一步,環上兩個 pi 電子伸出去與親電試劑成鍵,把它「抬」到某個環碳上,生成一個帶正電、被共振穩定的中間體,叫做芳正離子(arenium ion,又稱 sigma 絡合物)。這一步很慢,因為它暫時破壞了芳香性。第二步,一個鹼把那同一個碳上還連著的氫拽走,電子重新落回環中,芳香性得以恢復。淨變化就是:一個 H 被新基團換掉,而環完好如初。

這一個機理就是裝點苯環的萬能鑰匙。只要選對親電試劑,你就能裝上鹵素(鹵化)、硝基(硝化)、磺酸基(磺化)、烷基或醯基(兩種傅-克反應)。幾乎所有能直接掛到苯環上的東西,都是靠 EAS 掛上去的;而學會預測在一個已有取代基的環上、下一個基團落在何處,是整個學科中最有用的預測本領之一。

苯 + Br2(用 FeBr3 催化)-> 溴苯 + HBr。Br(+) 這個親電試劑與環成鍵,生成芳正離子,隨後失去一個氫——環上一個 H 換成一個 Br,而芳香環安然無恙。

加上親電試劑、丟掉一個質子、保住環——這就是 EAS 的兩步節奏。

EAS 是取代,不是加成:儘管第一步看起來像烯烴的親電加成,但環不肯停留在非芳香狀態,於是它踢掉一個質子,而不是再加上第二個基團。正是這種「恢復芳香性」的驅動力,才使反應以交換收場。

又稱
EAS亲电芳香族取代反应親電芳香族取代反應