芳环的取代反应（2）：亲核取代反应
1 概述
在芳环亲核取代反应中，进攻试剂是负离子、或具有未共享电子对的基团。最佳的离去基团是能够独立存在的基团，即最弱的碱，如：Br-等。
在反应过程中，离去基团带着原来连接着它的价键电子对，离开芳环；而亲核试剂则带着电子对和芳环结合。
2 反应机理
芳环的亲核取代反应机理主要有四种，分别是：双分子机理（SNAr2）、单分子机理（SNAr1）、苯炔机理和SRN1机理。
2.1 SNAr2机理（加成-消除历程）
大部分发生在芳环上的亲核取代反应都是按SNAr2机理进行的。该机理包括两步：
动力学研究结果表明该反应为二级反应。第一步通常是决定速率的，但也有例外。
支持该机理的证据很多，如：反应动力学、取代基、溶剂效应等，尤其是反应中间体的离析。
2.2 SNAr1机理
SNAr1机理比较少见。事实上，只有最有效的离去基团，如重氮基团，才能按这样的机理进行反应：
SNAr1机理可以通过以下事实证明：
（1）反应速率对重氮盐为一级的，和Y-的浓度无关；
（2）加入高浓度的卤化物盐类，则产物为芳香卤化物，但反应速率与加入的盐类的浓度无关；
（3）由苯基重氮盐形成苯酚的速度，在水中和在重水中一样；
（4）芳环上的吸电子取代基降低反应速度；而给电子取代基，在间位上提高反应速度，在对位上降低反应速度；
（5）芳环上的取代基对反应速率的影响与单分子裂解时的反应速率一致；
（6）使用邻位重氢化的作用物进行反应时，同位素效应约为1.22；
（7）利用标记的亚硝酸和苯胺或甲苯胺作用时形成的重氮盐，可以证明反应的第一步是可逆的键断裂；
（8）在重氮盐的分解作用里形成的碳正离子也可通过氢转移反应得到证明。
2.3 苯炔机理（消除-加成历程）
某些芳环亲核取代反应的机理和SNAr1机理、SNAr2机理是不同的。这些反应有以下特点：
（1）反应主要发生在没有活化基团的芳香卤化物上；
（2）需要比较强的碱来催化；
（3）进攻基团并不总是进入离去基团的位置上。
该机理包括两步：
*表示离去基团连接的碳原子位置；Y表示进攻基团。一个典型的Z为H。
反应产物1、2的量几乎是相等的。
支持该机理的一些证据：
（1）若芳基卤包括两个邻位取代基，这个反应就不能发生；
（2）变位（cine）取代；
（3）反应在液NH3中与KNH2作用时，卤化物的反应性顺序是：Br > I > Cl >> F。
（4）稳定的苯炔复合物得到离析。
2.4 SRN1机理（苯炔-自由基机理）
存在苯炔反应和自由基反应的一种机理。
SRN1机理的应用范围广泛。反应的效率与取代产物中自由基负离子的能级有关。
3 反应活性
3.1 底物结构的影响
3.1.1 定位效应
按SNAr2机理进行的亲核取代反应，吸电子基团能加速反应的进行，尤其是离去基团邻、对位的吸电子基团。
按苯炔机理进行的亲核取代反应，，有两个因素影响进攻基团的位置。
（1）苯炔形成的方向
当取代基在离去基团的邻位或对位时，只能形成一种苯炔，没有选择。
当取代基在离去基团的间位时，苯炔可以通过两个不同的途径形成：
在这种情况下，总是脱掉酸性比较强的氢。
（2）亲核试剂进攻位置
形成的苯炔有两个位置可以被进攻。有利于亲核试剂进攻的位置是导致形成比较稳定的碳负离子中间体的位置。
3.1.2 反应活性
（1）SNAr2机理
吸电子取代基有致活作用，特别是在离去基团的邻位和对位的吸电子取代基的致活作用更大，而给电子取代基则有致钝作用。
芳环里的杂氮原子也有强的致活作用，成为季铵离子后，作用更大。
3.2 离去基团的影响
在芳环亲核取代反应中，不仅卤素、硫酸根、磺酸基、NR3+可以作为离去基团，而且NO2、OR、OAr、SO2R和SR等也可以作为离去基团。尤其是，硝基是一个特别好的离去基团。
离去基团的活泼顺序大致排列为：F > NO2 > OTs > SOPh > Cl、Br、I > N3 > NR3+ > OAr、OR、SR、SO2R、NH2。但是，离去基团的离去能力主要还是要看亲核试剂的性质。
在卤素中，氟是比较好的离去基团。其他的卤素活性都很接近，它们的次序一般是Cl > Br > I，但也有例外。
SNAR1机理中，只有N2+是重要的离去基团。
3.3 亲核试剂的影响
不同的底物和不同的反应条件将导致不同的亲核性，因而不可能建立一个不变的亲核性次序，但是一个总的大致次序是：NH2- > Ph3C- > PhNH-（苯炔机理） > ArS- > RO- > R2NH > ArO- > OH- > ArNH2 > NH3 > I- > Br- > Cl- > H2O > ROH。
一般，亲核性和碱性强度有依赖关系，但是，也有例外，如：OH-的碱性比ArO-的强，但它是一个比较差的亲核试剂。
同族原子的亲核性依据它们在周期表中的位置由上而下的顺序递增。
奇怪的是，除个别情况外，氰负离子不能作为亲核试剂使用。
参考文献
[1] [美]史密斯,马奇编著,李艳梅译.March高等有机化学——反应、机理与结构.化学工业出版社,2009.
[2] 高振衡编.物理有机化学.高等教育出版社,1983.