有機化學的基礎362
From New Year's Concert, conducted by Zubin Mehta
1. 甲苯比苯600倍地容易進行親電性芳香溴化反應，因為甲苯的甲基原子團，比苯的氫原子更能夠穩定過渡狀態與芳基陽離子。
2. 方位Orientation。甲苯進行親電性溴化反應製造出來的產物大多是對－溴－甲苯para-bromo-toluene，而不是統計上的三種位置的苯取代基產物皆有。
3. 如果反應沒有其他因素影響，光從甲苯可以連接溴的位置來考量，五個碳中，有2個碳在甲基鄰近的位置可提供溴鍵結－鄰ortho，2個碳在與甲基間隔一個碳的位置提供溴鍵結－間meta，1個碳在甲基對面的碳的位置提供溴鍵結－對para；
4. 因此理論上溴化甲烷三種取代位置鄰ortho、間meta、對para的比例是2：2：1。但是實際上的實驗結果不是如此，甲苯親電性溴化反應的產物是，溴取代基在鄰ortho與對para的產物比例遠高過在間meta的位置（高於預測值）。
5. 親電性溴化反應進行的方式與親電性氯化反應一樣，如下圖：
6. 溴分子和路易斯酸（在這裡是FeBr3）錯合物製造出活性親電性試劑，將一當量的溴陽離子Br＋加掛到芳香環上。
7. 「甲苯」被「溴」這個親電性試劑攻擊，產生三種產物：一是甲基與溴彼此相對位置是鄰ortho，二是甲基與溴彼此相對位置是間meta，三是甲基與溴彼此相對位置是對para。每種反應的過程都會產生碳陽離子，碳陽離子透過共振保持穩定。
8. 親電性試劑溴離子Br+攻擊甲苯「鄰ortho」與「對para」的位置後產生的碳陽離子中間產物共有三種共振結構，其中一種共振結構在甲基取代基的位置帶正電荷。
9. 因為烷取代基能夠穩定碳陽離子，因此正電荷在與甲基鍵結的碳上的位置通常比較穩定。
10. 由於親電性試劑在苯的「鄰ortho」與「對para」的位置進行攻擊產生的碳陽離子，其三種共振結構中有一個是特別穩定的結構，這會提高碳陽離子的整體穩定性，有利於反應在速度決定步驟順利製造出碳陽離子。接著碳陽離子去質子化（脫去1個質子H+），製造出取代產物。
11. 當親電性試劑攻擊的位置是，與甲苯的甲基間隔一個碳的位置meta，製造出來的碳陽離子中沒有任何比較穩定的共振結構。
12. 甲苯進行親電性取代反應的產物傾向於生成二個取代基位置是鄰ortho或對para，這個現象背後的原因是甲基釋放電子給帶正電荷的碳，穩定了碳陽離子中間產物。
13. 因此，甲苯進行親電性取代反應製造出二取代基在鄰ortho或對para的位置的產物，過程要跨越的過渡狀態，其能量較低。
14. 如果甲基供給電子的影響這麼大，應該會有三分之二的產物二個取代基的位置是相鄰的ortho-substituted，三分之一的產物二個取代基的位置是相對的para-substituted。
15. 徐弘毅注：這句話的意思是，如果甲苯進行親電性取代反應的結果是產生二取代基在相鄰的ortho位置的產物，那麼，親電性試劑可以攻擊「連接甲基的碳」的「左邊的碳」或「右邊的碳」，有二個位置的機會；
如果甲苯進行親電性取代反應的結果是產生二個取代基在相對para的位置，那麼親電性試劑只能攻擊「連接甲基的碳」其「對面的碳」，只有一個攻擊位置的機會。
因此光從攻擊位置來看，應該會有三分之二的產物二個取代基的位置是相鄰的ortho-substituted，三分之一的產物二個取代基的位置是相對的para-substituted。
16. 可是事實上，二個取代基的位置是相對的para的產物比例大於預期，可見得還有其他的因素阻止二個取代基的位置是相鄰的ortho產物形成。到底是什麼原因呢？
17. 最可能的答案是，苯的烷基側鍊，使親電性試劑攻擊苯甲基對面碳ortho次數密度高於苯甲基相鄰的碳para。（甲基對面的碳是一大片開放空間，比較沒有阻礙）
18. 舉例來說，第三丁基苯t-butylbenezen 親電性磺酸化反應產生二個取代基彼此位置是相對para的產物，因為龐大的烷基阻擋親電性試劑攻擊緊鄰ortho烷基的碳。
19. 因此，電子（烷基穩定正電荷）的因素有利於親電性試劑對苯的鄰ortho與對para的位置攻擊，而立體阻礙則有利於對para的取代反應。
20. 活性Activation。甲苯的甲基，不僅控制了反應的區域選擇化學，引導親電性試劑攻擊甲苯鄰ortho與對para的位置，也加速反應的進行速率。
21. 甲苯溴化反應速度比苯溴化反應快，因為甲基能夠穩定過渡狀態，讓過渡狀態分子順利變成中間產物碳陽離子；甲苯的甲基穩定過渡狀態分子的能力高於苯的氫原子。
22. 甲苯的親電性取代反應產生鄰ortho與對para產物，這是因為親電性試劑攻擊的位置是甲基相鄰ortho的碳或甲基對面para的碳，而不是間隔一個碳meta時，形成的過渡狀態分子與中間產物比較穩定。
23. 衡量反應物質活性大小的方法是，將「有取代基的苯」與「沒有取代基的苯」加以比較出來的結果；衡量取代基攻擊的位置對反應結果影響的方法是，比較親電性試劑對「有取代基的苯」的鄰、間、對三種位置攻擊產生中間產物何者比較穩定。
24. 用另一個角度來看，去活性的原子團（鹵素），也是產生「鄰－對ortho-para位置」取代反應的原因；因為這些去活性的原子團對「鄰－對ortho-para位置」中間產物穩定度的破壞性，低於它們攻擊間meta的位置產生的中間產物。
25. 鹵素是去活性的原子團，鹵素與「有取代基的苯」進行的取代反應時，會攻擊「有取代基的苯」的鄰ortho、對para位置。
26. 換一個角度來看，一切有活性的原子團也會遵守鄰ortho、對para位置的法則。（因為活性原子團攻擊「有取代基的苯」的鄰ortho、對para位置比較能提高中間產物的穩定度）。
27. 烷基的活化天性在Friedel-Crafts烷化反應製造了一些問題：產物比初始反應物更容易起反應。因此，混合一當量的苯與鹵烷，再加上AlCl3，就會產生mono-單取代基、di-雙取代基、tri -三取代基的產物。
28. 烷基的活性造成Friedel-Crafts烷化反應不可避免的結果就是產生多烷基化的產物（例如，連接很多烷基的苯）。然而這個問題僅止於烷化反應。其他的親電性芳香取代反應的取代基是去活性的，能避免芳香環在取代反應後，繼續更進一步地進行反應。
n 翻譯編寫 Marye Anne Fox, James K. Whitesell《Organic Chemistry》
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