親核芳香取代(nucleophilic aromatic substitution)
/ noo-klee-oh-FILL-ik; SNAr /
苯的 pi 雲富電子,所以它的本能是吸引親電試劑、而非親核試劑——這正是尋常芳香取代之所以是親電的原因。但在合適的情形下,你可以反其道而行:讓一個親核試劑直接取代環碳上的離去基團。這就是親核芳香取代。它不會輕易發生,需要特別的幫助才能進行。
常見路線叫加成-消除,只有當兩樣東西同時存在時才會進行:環上有一個離去基團(通常是鹵素),以及一個或多個強吸電子基(如 -NO2)位於它的鄰位或對位。親核試劑加到帶離去基團的那個碳上,暫時破壞芳香性,生成一個帶負電的中間體,叫做邁森海默絡合物(Meisenheimer complex)。這個陰離子中間體是芳正離子的鏡像:EAS 生成由給電子基穩定的正中間體,而這裡負電荷由吸電子基穩定(-NO2 能透過共振吸收負電荷)。隨後離去基團離開,芳香性恢復。注意這裡的意外:氟在這裡是最好的離去基團,因為決速步是親核試劑的加成,而氟強烈的吸電子作用加快了這一步。
對於缺少那些活化基的環,還有第二條更奇特的路線——苯炔(benzyne,消除-加成)機理,它經由一個極其活潑、帶三鍵的環。無論哪條路線,親核芳香取代都是把一個源自親核試劑的基團(-OH、-OR、-NH2、-CN)直接裝到環碳上的變通辦法——這是 EAS 永遠做不到的;它在許多建立在缺電子芳香環上的藥物和染料的合成中不可或缺。
1-氯-2,4-二硝基苯與氫氧根順利反應,生成 2,4-二硝基苯酚 + 氯離子。位於氯的鄰位和對位的兩個 -NO2 基穩定了帶負電的邁森海默中間體,使取代得以發生。
正是強吸電子基使環能夠接受一個親核試劑。
這並不是環上的 SN2——幾何結構禁止背面進攻。加成-消除路線顛倒了通常的離去基團邏輯:氟勝過碘,因為決速步是親核試劑的加成、而非離去基團的離去,而氟的吸電子作用最能加快這步加成。