芳環的取代反應（2）：親核取代反應
1 概述
在芳環親核取代反應中，進攻試劑是負離子、或具有未共用電子對的基團。最佳的離去基團是能夠獨立存在的基團，即最弱的堿，如：Br-等。
在反應過程中，離去基團帶著原來連接著它的價鍵電子對，離開芳環；而親核試劑則帶著電子對和芳環結合。
2 反應機理
芳環的親核取代反應機理主要有四種，分別是：雙分子機理（SNAr2）、單分子機理（SNAr1）、苯炔機理和SRN1機理。
2.1 SNAr2機理（加成-消除歷程）
大部分發生在芳環上的親核取代反應都是按SNAr2機理進行的。該機理包括兩步：
動力學研究結果表明該反應為二級反應。第一步通常是決定速率的，但也有例外。
支持該機理的證據很多，如：反應動力學、取代基、溶劑效應等，尤其是反應中間體的離析。
2.2 SNAr1機理
SNAr1機理比較少見。事實上，只有最有效的離去基團，如重氮基團，才能按這樣的機理進行反應：
SNAr1機理可以通過以下事實證明：
（1）反應速率對重氮鹽為一級的，和Y-的濃度無關；
（2）加入高濃度的鹵化物鹽類，則產物為芳香鹵化物，但反應速率與加入的鹽類的濃度無關；
（3）由苯基重氮鹽形成苯酚的速度，在水中和在重水中一樣；
（4）芳環上的吸電子取代基降低反應速度；而給電子取代基，在間位元上提高反應速度，在對位元上降低反應速度；
（5）芳環上的取代基對反應速率的影響與單分子裂解時的反應速率一致；
（6）使用鄰位重氫化的作用物進行反應時，同位素效應約為1.22；
（7）利用標記的亞硝酸和苯胺或甲苯胺作用時形成的重氮鹽，可以證明反應的第一步是可逆的鍵斷裂；
（8）在重氮鹽的分解作用裡形成的碳正離子也可通過氫轉移反應得到證明。
2.3 苯炔機理（消除-加成歷程）
某些芳環親核取代反應的機理和SNAr1機理、SNAr2機理是不同的。這些反應有以下特點：
（1）反應主要發生在沒有活化基團的芳香鹵化物上；
（2）需要比較強的堿來催化；
（3）進攻基團並不總是進入離去基團的位置上。
該機理包括兩步：
*表示離去基團連接的碳原子位置；Y表示進攻基團。一個典型的Z為H。
反應產物1、2的量幾乎是相等的。
支持該機理的一些證據：
（1）若芳基鹵包括兩個鄰位取代基，這個反應就不能發生；
（2）變位（cine）取代；
（3）反應在液NH3中與KNH2作用時，鹵化物的反應性順序是：Br > I > Cl >> F。
（4）穩定的苯炔複合物得到離析。
2.4 SRN1機理（苯炔-自由基機理）
存在苯炔反應和自由基反應的一種機理。
SRN1機理的應用範圍廣泛。反應的效率與取代產物中自由基負離子的能級有關。
3 反應活性
3.1 底物結構的影響
3.1.1 定位效應
按SNAr2機理進行的親核取代反應，吸電子基團能加速反應的進行，尤其是離去基團鄰、對位元的吸電子基團。
按苯炔機理進行的親核取代反應，，有兩個因素影響進攻基團的位置。
（1）苯炔形成的方向
當取代基在離去基團的鄰位或對位時，只能形成一種苯炔，沒有選擇。
當取代基在離去基團的間位時，苯炔可以通過兩個不同的途徑形成：
在這種情況下，總是脫掉酸性比較強的氫。
（2）親核試劑進攻位置
形成的苯炔有兩個位置可以被進攻。有利於親核試劑進攻的位置是導致形成比較穩定的碳負離子中間體的位置。
3.1.2 反應活性
（1）SNAr2機理
吸電子取代基有致活作用，特別是在離去基團的鄰位和對位元的吸電子取代基的致活作用更大，而給電子取代基則有致鈍作用。
芳環裡的雜氮原子也有強的致活作用，成為季銨離子後，作用更大。
3.2 離去基團的影響
在芳環親核取代反應中，不僅鹵素、硫酸根、磺酸基、NR3+可以作為離去基團，而且NO2、OR、OAr、SO2R和SR等也可以作為離去基團。尤其是，硝基是一個特別好的離去基團。
離去基團的活潑順序大致排列為：F > NO2 > OTs > SOPh > Cl、Br、I > N3 > NR3+ > OAr、OR、SR、SO2R、NH2。但是，離去基團的離去能力主要還是要看親核試劑的性質。
在鹵素中，氟是比較好的離去基團。其他的鹵素活性都很接近，它們的次序一般是Cl > Br > I，但也有例外。
SNAR1機理中，只有N2+是重要的離去基團。
3.3 親核試劑的影響
不同的底物和不同的反應條件將導致不同的親核性，因而不可能建立一個不變的親核性次序，但是一個總的大致次序是：NH2- > Ph3C- > PhNH-（苯炔機理） > ArS- > RO- > R2NH > ArO- > OH- > ArNH2 > NH3 > I- > Br- > Cl- > H2O > ROH。
一般，親核性和鹼性強度有依賴關係，但是，也有例外，如：OH-的鹼性比ArO-的強，但它是一個比較差的親核試劑。
同族原子的親核性依據它們在週期表中的位置由上而下的順序遞增。
奇怪的是，除個別情況外，氰負離子不能作為親核試劑使用。
參考文獻
[1] [美]史密斯,馬奇編著,李豔梅譯.March高等有機化學——反應、機理與結構.化學工業出版社,2009.
[2] 高振衡編.物理有機化學.高等教育出版社,1983.