同一台引擎，五種不同的燃料
上一篇裡你搭好了親電芳香取代那台兩步走的引擎：芳香環伸出去、與一個親電試劑成鍵，生成帶正電的芳基正離子（這是慢步），然後吐出一個質子、把它的芳香圈環重新扣合起來。那一套機理本身從不改變。從一個有名反應換到下一個，變的只有一件事——你餵給它哪個親電試劑。把這個心理模型理順，下面五個反應就不再是五件要背的東西，而成了一件事配五位客人。
不過有一個反覆出現的問題。苯雖然富電子卻很懶——它的 pi 雲被鎖在那個超穩定的芳香圈環裡，所以它只肯為一個真正飢餓的親電試劑動一動。光禿禿的溴（Br2）或者光禿禿的硝酸，單憑自己還不夠餓。於是這些反應幾乎每一個都有同樣的開場白：一個幫手，把一個還行的親電試劑磨成一個嗷嗷待哺的。那個幫手通常是一個路易斯酸——一個電子對的接受者，正是酸那一階裡的路易斯酸鹼概念。連著五次留意它；一旦你看出這個套路，那些催化劑就不再顯得隨意了。
鹵化與硝化：製造一個飢餓的親電試劑
先從芳香鹵化說起——往環上裝一個 -Cl 或 -Br。一個溴分子 Br2 只有弱弱的親電性；苯對它不屑一顧。加一個路易斯酸，比如 FeBr3（氯化時用 AlCl3），一切就變了。鐵有空軌道，會從一個溴上抓走一對孤對電子，這就把電子密度拽走、讓另一頭的溴變得貧電子、懸在那裡——實際上就是一個掙扎著要離去的「Br+」等價體。這下環的 pi 電子就能去進攻那個被活化的溴了，鐵則把剩下的 Br 當作 FeBr4- 帶走，於是你又回到了標準的芳基正離子機理。注意路易斯酸只幹了一件事：把溫順的 Br2 變成了兇猛的親電試劑。
芳香硝化裝的是 -NO2 基團，它是這整一階裡最有用的反應之一——一部分原因在於，正如你馬上會看到的，那個硝基是通往胺以及十幾種其他官能團的發射台。這裡真正的親電試劑是硝鎓離子 NO2+，一個短粗的線形正離子，貪婪地飢渴電子。你把濃硝酸和濃硫酸混在一起來製造它：硫酸是更強的酸，所以它把硝酸質子化，硝酸隨後失去一分子水、留下 NO2+。環去進攻中央的氮原子，照例失去一個質子之後，你就得到了硝基苯。這一次沒有金屬路易斯酸——改由硫酸來扮演活化的角色。
有兩個值得記住的誠實註腳。第一，碘太不活潑，直接對環碘化通常需要一個氧化劑來誘使它進行；而氟太猛烈，往往會把環直接毀掉——所以實踐中的「鹵化」大多指氯化和溴化。第二，催化劑的全部用意是就地製造出真正的親電試劑；一旦你能叫出那個真正的親電試劑的名字（類 Br+ 的物種、NO2+，其餘幾個以此類推），你就理解了這個反應，那張試劑清單也就變成了你幾乎能自己重新推出來、而非死背的東西。
磺化：一個能聽令倒著跑的反應
芳香磺化往環上裝一個磺酸基 -SO3H。親電試劑是三氧化硫 SO3（或它質子化後的形式），在發煙硫酸裡生成——就是溶進了額外 SO3 的硫酸。SO3 裡的硫本來就貧電子，因為三個氧都在拉扯它，所以它不需要單獨的金屬催化劑；環直接進攻那個硫，失去質子之後你就得到了苯磺酸。
磺化有一個其他反應都沒有的性格特點，而且真的很有用：它是可逆的。把苯磺酸放在稀的水合硫酸裡加熱，-SO3H 基團就會掉回去，把純苯還給你。這是一個乾淨的範例，展示了一個你能用條件去操縱的化學平衡——濃的、富 SO3 的酸把磺化往前推；熱的、稀的、水多的酸把它推回來。因為你能裝上 -SO3H、之後又不留痕跡地把它卸掉，它就成了一個理想的臨時佔位符：把它停在一個你想留空的位置上，跑另一個反應，然後再把它剝掉。你將在兩篇之後規劃多步合成時，正好用到這個「封閉基團」的把戲。
傅-克烷基化：強大，但它會作弊
最後兩個反應是有名的傅-克這一對，它們特別之處在於會鍛造一根新的碳碳鍵——它們是真正在搭建分子的骨架，而不只是往上掛一個雜原子。傅-克烷基化把一個烷基，比如 -CH2CH3，接到環上。你拿一個鹵代烷（比方說 CH3CH2Cl）加一個路易斯酸（AlCl3）；鋁把氯拽掉，剩下的就是一個碳正離子——這裡是 CH3CH2+——一個教科書式的親電試劑。環去進攻它、失去一個質子，你就把一個乙基焊到了苯上。
而它作弊就作弊在這裡，這也是本篇裡最重要的一個陷阱。自由的碳正離子坐立不安：如果一次氫原子或烷基的 1-2 遷移能把它變成一個更穩定的正離子，它就會去做——這就是碳正離子重排，正是當初在 SN1/E1 那幾章裡給過你那些出人意料產物的同一種本能。你想用 CH3CH2CH2Cl 裝一個正丙基，可生成的伯碳正離子 CH3CH2CH2+ 幾乎會立刻挪走一個氫、變成穩定得多的仲碳正離子異丙基陽離子 (CH3)2CH+。環隨即抓住那個重排過的正離子，於是你分離到的是異丙苯，而不是你在紙上畫的正丙苯。這反應悄悄遞給了你錯的產物。
重排是頭號毛病，但傅-克烷基化還有另外兩個值得現在就知道的侷限，免得日後吃驚。它會過度烷基化：你剛裝上的那個烷基是給電子的，於是它讓環變得比先前更活潑，產物常常會再反應一次、給出多取代的一團亂。而它在強貧電子的環上徹底失靈——一個已經帶著像 -NO2 這種鈍化基團的環，懶到根本不去進攻那個正離子。這兩點其實都關乎環的電子富裕程度，並且直接連到下一篇的活化/鈍化概念。
傅-克醯基化：防重排的變通辦法
傅-克醯基化是那個優雅的補救。你不再用鹵代烷，而是用醯氯 R-C(=O)Cl（或酸酐），同樣配一個路易斯酸如 AlCl3。鋁把氯拉掉、生成一個醯基正離子 R-C(三鍵)O+，環去進攻那個羰基碳。產物是一個芳基酮——你把一個 -C(=O)R 基團焊到了苯上。機理上還是你已經熟知的那套 EAS 故事；只有親電試劑是新的。
醯基正離子正是關鍵所在，因為它不重排。它的正電荷由碳和氧分擔——氧的孤對電子形成那根額外的碳氧鍵，把電荷通過共振攤到兩個原子上。這種離域讓它對現狀很滿意，於是它沒有像光禿禿的烷基正離子那樣挪一個氫或烷基去「改善」自己的衝動。餵進一個直鏈的醯基，落到環上的就恰好是一個直鏈的醯基——不打亂。醯基化還會自我限制：新生成的酮的 -C(=O)R 基團是吸電子的，於是它鈍化了環、產物比起始物更不活潑，這就俐落地防止了纏著烷基化不放的那種過度取代。
五個反應一覽
把它們並排擺開，套路就一目了然了：每個反應都是同一套兩步走的 EAS，而每個催化劑的存在都只是為了鑄造出那個真正去進攻的親電試劑。如果你能憑記憶寫出右邊那一欄——為每個反應叫出那個真正的親電試劑——你就學會了本篇，因為在那一點之後，機理每一次都一模一樣。
Reaction Reagents (catalyst) Real electrophile Group added ----------- ----------------------- ------------------- ----------- Halogenation Br2 + FeBr3 / Cl2 + AlCl3 "Br+" / "Cl+"-like -Br / -Cl Nitration HNO3 + H2SO4 NO2+ (nitronium) -NO2 Sulfonation SO3 + H2SO4 (fuming) SO3 / +SO3H -SO3H (reversible!) FC alkylation R-Cl + AlCl3 R+ (carbocation) -R (REARRANGES!) FC acylation R-C(=O)Cl + AlCl3 R-C(+)=O (acylium) -C(=O)R (no rearrange)
最後一個向前的連接。到目前為止，我們說得好像新基團只是隨便落在環上某處，但在一個已經帶著取代基的苯上，它並不隨機落點——已經在場的那個基團會把進來的親電試劑導向特定的位置。這就是定位效應的故事，也正是緊接著下一篇的全部主題。先掌握這裡的五個反應，再學會它們的產物去哪裡，你就準備好從零規劃一個完全取代的環了。