芳香化合物的反应

亲电芳香取代(electrophilic aromatic substitution)

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

苯环是出了名的“知足”。它六个 pi 电子均匀地分布在环上,赋予它一种叫芳香性(aromaticity)的特殊稳定,而苯环可不愿放弃这份稳定。所以当苯环反应时,它几乎从不让自己的 pi 体系被永久撕开——相反,它做一次巧妙的交换:用环上某个氢原子去换一个新基团,同时让整个环原封不动。这种交换就是亲电芳香取代,是芳香化学的招牌反应。

这个名字本身就道出了逻辑。环上富含电子的 pi 云充当一个弱的亲核试剂,去吸引一个亲电试剂(electrophile,即缺电子、带正电或被极化的物种)。机理只有两步。第一步,环上两个 pi 电子伸出去与亲电试剂成键,把它“抬”到某个环碳上,生成一个带正电、被共振稳定的中间体,叫做芳正离子(arenium ion,又称 sigma 络合物)。这一步很慢,因为它暂时破坏了芳香性。第二步,一个碱把那同一个碳上还连着的氢拽走,电子重新落回环中,芳香性得以恢复。净变化就是:一个 H 被新基团换掉,而环完好如初。

这一个机理就是装点苯环的万能钥匙。只要选对亲电试剂,你就能装上卤素(卤化)、硝基(硝化)、磺酸基(磺化)、烷基或酰基(两种傅-克反应)。几乎所有能直接挂到苯环上的东西,都是靠 EAS 挂上去的;而学会预测在一个已有取代基的环上、下一个基团落在何处,是整个学科中最有用的预测本领之一。

苯 + Br2(用 FeBr3 催化)-> 溴苯 + HBr。Br(+) 这个亲电试剂与环成键,生成芳正离子,随后失去一个氢——环上一个 H 换成一个 Br,而芳香环安然无恙。

加上亲电试剂、丢掉一个质子、保住环——这就是 EAS 的两步节奏。

EAS 是取代,不是加成:尽管第一步看起来像烯烃的亲电加成,但环不肯停留在非芳香状态,于是它踢掉一个质子,而不是再加上第二个基团。正是这种“恢复芳香性”的驱动力,才使反应以交换收场。

又称
EAS亲电芳香族取代反应親電芳香族取代反應