活化/去活化取代基與定向作用 Activating/Deactivating Versus Directing Effects

有機化學的基礎366

Johann Strauss - Rosen aus dem Süden - Walzer

1.     我們已經知道，有取代基的芳香環會朝鄰ortho、對para方向進行取代反應，有可能是因為它的取代基是活化基（例如烷基），也可能因為它的取代基是去活化基（例如氯）。

2.     另一方面，有取代基的芳香環會朝向間meta方向進行取代反應，是因為它的取代基是去活性的。

3.     初學者在學習芳香性化合物親電性取代反應時經常對鹵素的作用感到困擾，因為鹵素打破「有活化基的芳香環都是在鄰ortho、對para位置進行取代反應，有去活化基的芳香環都是在間meta的位置進行取代反應」的規則。

注：鹵素是去活化基，有鹵素的芳香環在鄰ortho、對para位置進行取代反應，這與有活化基的芳香環進行親電性取代反應的位置一樣。

4.     我們將探討活化與去活化基的起源，親電性芳香取代反應朝鄰、對方向與朝間方向進行的原因，協助初學者瞭解為什麼鹵素的取代反應跳脫一般法則。

5.     因為芳香環上的取代基對穩定中間產物碳陽離子的能力不同，因此取代基可分為有活化作用與去活化作用。取代基到底活化作用或去活化作用有多強，區別的標準是依據，「取代基」對「有取代基或氫的芳香環」所變成的「中間產物碳陽離子」的穩定能力。

6.     如果取代基穩定碳陽離子的能力超過氫原子，那麼這個取代基是有活化作用的；如果芳香環產生的碳陽離子，被取代基干擾而不穩定的程度，比被氫原子干擾還要嚴重，那麼這個取代基是去活性的。

7.     取代基的定向作用導因於他們穩定中間產物的碳陽離子的能力不同。在芳香性親電性取代反應，所有的中間產物碳陽離子身上都連結著定向作用的取代基，不同之處在於他們引導親電性攻擊的碳的位置不同（與原取代基相對ortho、相鄰para或相間meta）。

8.     因此活化基和去活化基的定向作用不同。毫不意外地，活化基的定向作用是引導親電姓氏既朝芳香化合物鄰ortho與對para的位置攻擊鍵結。

9.     中度去活化基鹵素，對三種碳陽離子中間產物（鄰ortho、對para、間meta）的穩定能力都低於氫原子；不過，鹵素在親電性試劑攻擊芳香環的間meta的位置時破壞穩定度的力量比較低。

多取代基 Multiple Substituents

10. 當苯環連接超過一個以上的取代基，比較強的活化基（或比較弱的去活化基）將主導反應。

11. 舉例來說，鄰甲基苯甲醚o-methylanisole的取代反應方向，受到較強的活化基－OCH3原子團引導，使親電性試劑朝－OCH3原子團的鄰ortho、對para位置攻擊鍵結；鄰甲基苯甲醚o-methylanisole的取代方向比較不受活化力較弱的的甲基原子團影響。

12. 當芳香環上所連接的取代基，其中一個是活化的，另一個是去活化的，由活化基主導芳香環親電性取代反應的定向作用。

13. 舉例來說，對-氯甲苯 p-chlorotoluene的硝化作用nitration，使硝基原子團nitro group在活化基甲基的相鄰ortho的碳鍵結；硝基原子團鍵結的位置對氯來說是間meta的位置，而氯引導是鄰ortho、對para定向作用，所以這個反應不是由氯來主導鍵結位置。

14. 最後，當芳香環連接的二個取代基都是去活化基，這種芳香化合物進行親電性取代反應時，引進的第三個原子團，其鍵結位置將受到比較弱的去活化基的引導。

15. 間-硝基氯苯m-nitrochlorobenzene 的硝化作用進行親電性取代反應產生的產物，第二個硝基原子團nitro group攻擊的位置是「間-硝基氯苯」的「氯」的鄰ortho、對para。

16. 第二個原子團攻擊「間-硝基氯苯」的位置，對原本的硝基來說，是鄰ortho與對para的位置，但是依據慣例，強去活化基硝基原子團引導的親電性攻擊應該是間meta的位置，因此「間-硝基氯苯」的硝化作用不是由強去活化基硝基原子團主導的，而是由比較弱的去活化基氯主導的。

利用取代作用進行合成 Using Substituent Effects in Synthesis

17. 許多有特殊化學反應性質的取代基彼此可以互換，我們可把芳香環上拉電子的原子團轉換成釋出電子的原子團，或者倒過來交換也可以。

18. 舉例來說，拉電子的硝基－NO2可還原成提供電子的氨基－NH2，一個能提供電子的烷基可氧化成拉電子的－CO2H羧基。經由反應將各種取代基引介到芳香環的順序，深深受到各種異構產物的區域選擇性化學的控制（芳香化合物的某些位置比較容易與取代基起反應，這就是區域選擇性）。

19. 我們將以苯製備成間-氯苯酸m-chlorobenzoic acid和對-溴苯酸p-bromobenzoic acid為例說明。首先我們注意到，這二種反應的產物都必須(1)將芳香環上的一顆氫原子更換成鹵素。(2)將芳香環上的另一顆氫原子更換成羧基－CO2H。

20. 製造羧基的方法是，先用福瑞德－克萊福特Friedel-Crafts烷化作用將苯的其中一個氫原子更換為烷基，然後再氧化芳香環上的烷基成羧基－CO2H。

21. 如果我們採用的方法是先將苯氯化，那麼氯取代基將引導接續下來的取代反應（烷化）朝鄰與對的位置攻擊與鍵結：

22. 最後形成鄰與對-氯甲苯混合物o-and p-chlorotoluene。烷基如果要在氯苯鄰ortho的位置攻擊與鍵結，會面臨σ鍵（受到氯的陰電性影響）有比較強的拉電子的誘導力（可能比較無法提供鍵結電子）與立體阻礙這二個問題。

23. 氯苯進行福瑞德－克萊福特烷化作用時，烷基不可能連接在氯苯的間meta的位置。（因為這個位置產生的碳陽離子，無法透過氯提供未鍵結電子來穩定）

24. 如果反應進行的次序顛倒，先烷化苯產生甲苯，然後再氯化甲苯，會得到同樣份量的鄰與對-氯甲苯混合物o-and p-chlorotoluene，因為甲基CH3會引導接續的取代反應朝鄰ortho、對para位置鍵結：

25. 不過，如果我們先對苯進行福瑞德－克萊福特烷化作用，將甲基引介到苯上鍵結，然後再氧化甲基成羧基－CO2H，羧基會引導接續下來的氯化取代反應朝間meta的位置取代原本的氫原子（因此苯甲酸氯化作用後將產生間的氯苯酸 m-chlorobenzoic acid）。圖8

26. 有二條路徑可以合成對-溴苯酸p-bromobenzoic acid，如下圖：

27. 化學家會視他們第二步驟所需的產物決定選擇哪一條路徑進行反應，舉例來說，依據走哪一條路徑製造出來的混合物比較容易分離來做決定。

28. 舉例來說，液態的鄰-溴甲苯（熔點－26℃）與固態的對-溴甲苯（熔點28℃）用結晶化的方法就可以輕易地分離開來。間-溴甲苯異構物的熔點也很低，是－40℃。（原則上左右比較對稱的異構物，熔點比較高）

29. 另一方面，這三種異構物的沸點差距就太小，無法用蒸餾法輕易地分離開來。鄰-溴甲苯的沸點是181℃、間-溴甲苯的沸點是183.7℃、對-溴甲苯的沸點是184.5℃。

30. 我們也可以忽略第一步驟，直接用甲苯或溴苯作為合成溴苯酸的反應物質。重點是我們必須知道有好幾條路徑可以進行合成。

31. 設計化學合成方法的重點不僅是瞭解我們想要的產物需要經由什麼樣的反應辦到，也需要知道使用這些反應的順序。這一點對於要在芳香環上放入多個取代基的合成法尤其重要。

n   翻譯編寫 Marye Anne Fox, James K. Whitesell《Organic Chemistry》