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软硬酸碱理论及在合成中应用

(2023-09-05 19:10:45) 下一个

科学家在研究亲核反应时发现某些亲电中心如RCO+、H+等很容易和某些不易极化的试剂如F-、OH-等反应,而另一些亲电中心如R+、Br+等很容易和一些易极化的试剂如I-、CN-等反应,故提出了酸碱的硬度和软度的概念。因为有机物也是可以被作为酸碱两部分来处理,一旦将酸碱分为软硬两部分,便出现了一条简单的规则:既硬酸优先和硬碱结合,软酸优先和软碱结合。

酸碱的硬度或软度的特点可定性的表述如下:
硬酸:具有较高的正电荷,亲电中心原子较小,一般外层没有孤电子对,用分子轨道理论描述是最低未占轨道(LUMO的能量高。常见的硬酸如RCO+、H+、碱金属和碱土金属正离子、Al3+、Fe3+、BF3等。
软酸:具有较低的正电荷,亲电中心原子较大,一般外层有孤电子对,LUMO的能量较低。常见的软酸如过度金属离子Cu+、Ag+、I2、Br2、RC+、BF3 和卡宾等。
硬碱:亲核中心电负性强,极化度低,难被氧化,吸附外层电子的能力较强;用分子轨道理论描述是最高已占轨道(HOMO)的能量较低。常见的硬碱如F-、OH-、AcO-、Cl-、CO32-、SO42-、NO3-、RO-、ROH、RNH2、NH3 等。
软碱:亲核中心电负性弱,极化度大,易被氧化,吸附外层电子的能力较弱;HOMO的能量较高。常见的软碱如I-、CN-、SR-、H-、R2S、CO、(RO)3P 等。

 

但软度和硬度划分并不严格,不少酸碱可以纳入交界类型。一般同周期中的元素从左到右如CH3-、NH2-、OH-、F-硬度增加;同族元素从上到下F-、Cl-、Br-、I-硬度减小;同一试剂一般讲电负性较大的原子为硬端,如-CN中N 端为硬端而C端为软端。对亲电中心,中心部位的电正性越强越硬,RCO+比RC+硬;不同的卤代烃中,卤素电负性越大,它连接的碳越硬;此外同一原子软硬度也不是固定不变的,随其电荷数改变而改变如SO42-为硬碱,S2O42-为软碱,SO32-为交界碱。

 

软硬酸碱理论最大的成就在于应用。它能说明和解释许多化学现象,在溶解度规律、配体选择,络合化学方面均有很好应用。如BF3是硬酸、BH3是软酸、BMe3是交界酸、BF3易和硬碱结合,如BF3·Et2O,而BH3易和软碱结合,如BH3·SMe2;这主要是软碱可以使与它结合的酸软化,同样硬碱可以使与它结合的酸硬化。这种硬-硬,软-软的群集现象也称为类聚作用。对我们来说它最大应用价值在合成反应的选择性方面。

这是因为:酮在碱性条件下易发生烯醇互变异构,同一试剂一般讲电负性较大的原子为硬端,故O为硬端而C端为软端;而Et+与CF3SO2+比为软酸,根据软硬酸碱理论,Et+更容易与C 端结合、而CF3SO2+更容易与O 端结合。

这是因为:酰胺易发生互变异构,同一试剂一般讲电负性较大的原子为硬端,故O为硬端而N端为软端;MeI中I-为软碱,而e2SO4中的SO42-为硬碱,根据软碱可以使与它结合的酸软化,同样硬碱可以使与它结合的酸硬化,故MeI中的Me+与Me2SO4中Me+比为软酸,根据软硬酸碱理论,MeI中的Me+容易与N端结合、而Me2SO4中比Me+更容易与O端结合。

这是因为:对于亲电中心,中心部位的电正性越强越硬,RCO+比RC+硬;PhS-为软碱,而EtO-为硬碱,根据软硬酸碱理论,PhS-中容易与RC+结合、而EtO-更容易与RCO+结合。上述只是软硬酸碱理论在合成反应的选择性中的一部分;如果我们掌握其理论,将为我们以后的学习工作带来极大的帮助。

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