《中级有机化学》章末总结3

第三章介绍酸和碱，依然是基础知识的部分。

第3章 酸和碱

酸和碱作为试剂参与有机反应，许多反应只有在酸或碱催化下才能进行。有机里较常用的是Brønsted酸碱理论和Lewis酸碱理论，Lewis酸碱理论的范围更广，但有时也显得太过宽泛。

3.1 Brønsted酸碱理论

Brønsted酸是能给出质子的物种，Brønsted碱则是能得到质子的物种，酸给出质子后的酸根称为酸的共轭碱，同理，碱得到质子后的物种称为碱的共轭酸。

酸性的强弱可用$pK_a$定量描述：

$$
HA + B^- \rightleftharpoons A^- + BH \quad K_a=\frac {[A^-][HB]}{[HA][B]}
$$

$pK_a$不仅与$HA$的分子结构有关，也和测定环境有关。同种物质在不同溶剂中测得的$K_a$也不同，例如苯甲酸在水中的$pK_a$为4.2，在DMSO中的$pK_a$为11.1，在乙腈中的$pK_a$为21.51。

与水相比，DMSO具有较小的相对介电常数，较小极性的溶剂能更好地溶剂化$HA$，而不是$A^-,H^+$。所以低极性溶剂往往削弱酸的解离能力，而高极性溶剂会增加酸的解离能力。

酸分子自身的体积会影响溶剂化效果，大体积的共轭碱碱的溶剂化效果较差；但是大体积共轭碱自身由于体积增大，可以分散负电荷，导致结构稳定，称为体积效应（size effect）。许多因素的效果可能是相反的，通常最重要的是酸分子结构本身。

周期性和杂化类型都会影响酸性，例如s轨道成分占比越多，碳电负性越强，相应的酸性也更强。

取代基对酸性也有很大影响，主要是诱导效应和共轭效应，这部分在基础有机里介绍很多了，我在此不多赘述。大多数情况下，不论取代基是吸电子基还是给电子基，邻位取代苯甲酸酸性比对位取代苯甲酸异构体的酸性强。

氢键对酸性也有很大影响，一个经典例子是邻羟基苯甲酸，邻羟基苯甲酸的酸性比其他异构都要强，一个原因就是因为酸根存在分子内氢键，结构更稳定。

另一个例子是cis-丁烯二酸，一级解离后的酸根会形成分子内氢键，这使得一级解离增强，二级解离减弱。

构象对于含$\alpha-H$的羰基化合物的酸性有一定影响，烯醇互变要满足轨道方向性的要求，当$\sigma(C-H)$成键轨道和后面羰基$\pi^(C=O)$反键轨道呈90°时才能发生相互作用，电子才能从$\sigma(C-H)$填充到$\pi^(C=O)$，发生烯醇互变。

超强酸指的是那些酸性超过100%浓硫酸的酸，如六氟合锑酸，甚至可以质子化烷烃，生成氢气和碳正离子。

3.2 动力学酸性和热力学酸性

以硝基甲烷脱质子反应为例，在第一步被攫取质子时，经历一个过渡态，这一步反应的活化能称为动力学酸性，脱质子的活化能越大，动力学酸性就越弱。如果用同位素交换反应速率来衡量，动力学酸性越弱则交换速率越慢。

硝基甲烷脱质子后形成负离子，再共振形成$C=N$双键得到最终产物，原料和产物的势能差对应的是热力学酸性。因为酸碱平衡指的是酸和酸根之间的平衡，具有热力学特征。

3.3 碱和超强碱

在Brønsted酸碱理论中，碱的强弱可以用共轭酸的$pK_a$描述，$pK_a$值越大，共轭酸越强，碱就越强。

影响碱强度的因素包括溶剂化作用、共轭效应和诱导效应及立体效应，和影响酸性的因素相同。

根据IUPAC的定义，碱性强于二异丙基氨基锂（LDA）的碱称为超强碱。如果使用固有气相碱性（intrinsic gas phase basicity, GB）指标来判断，该值超过1,8-二氨基萘的碱被认为是超强碱。

3.4 Lewis酸碱理论

能给出电子对的物种为Lewis碱，能接受电子对的物种为Lewis酸。所有的Lewis碱都是Brønsted碱，但很多Lewis酸并非Brønsted酸，如$BF_3, AlCl_3, TiCl_4$等。

当$B(C_6F_5)_3$和三烷基膦作用时，由于空间位阻，并没有得到Lewis酸碱中心原子直接加合的产物，即没有$P-B$键的生成，而是得到了对空气和水稳定的两性离子，发生了五氟苯环上的亲核取代反应。这样由于空间位阻而产生的两性离子称为受阻Lewis酸碱对（frustrated lewis pair, FLP）。

一些FLP可以实现氢气的活化，可以实现一些无金属条件的氢解反应。

3.5 软硬酸碱理论

软硬酸碱理论（hard and soft acid and bases, HSAB）将酸和碱分别分为硬（hard）和软（soft）两类。硬酸/硬碱是指那些较高电荷密度、较小半径的粒子；软酸/软碱则是指那些低电荷密度、较大半径的粒子。

硬酸/硬碱一般具有小尺寸、高价态、低级化、大电负性的特征，软酸/软件一般具有大尺寸、低价态、高极化、小电负性的特征。

HSAB理论认为，通过“软亲软，硬亲硬”的结合方式生成的化合物更稳定。

（ 软亲软是为了加强成键的轨道作用，扩大共价键性质；硬亲硬是为了加强成键的电荷相互作用，扩大离子键性质。 ）

3.6 酸碱催化的反应

很多有机反应在酸碱催化条件下进行，如F-C烷基化和酯水解。

多数有机反应可看作Lewis酸和Lewis碱的反应，提高Lewis碱的给电子能力（提高HOMO能级），或提高Lewis酸接受电子的能力（降低LUMO能级），都将降低反应活化能，提升反应速率。

3.7 亲核试剂和亲电试剂

亲核试剂（nucleophile）是富电子物种，是电子对供体。亲电试剂（electrophile）则是缺电子物种，是电子对受体。

当一个富电子性物种和质子反应时，这一富电子物种表现出碱性；当这一富电子物种亲核进攻缺电子碳原子时，该物种表现出亲核性。亲核试剂表现的碱性和亲核性的变化顺序并不一定相同。

衡量亲核性强弱的一种方法是Swain-Scott方程：

$$
lg(k/k_0)=sn
$$

式中$k$为反应速率常数，$k_0$为标准反应（溴甲烷在水中的亲核取代）的速率常数，$s$为亲电物质对亲核试剂的敏感性，$n$为亲核性的强弱。

$n$越大则亲核试剂亲核性越强，$s$越大则亲电试剂越敏感，发生亲核取代反应的速率越快。

亲核性和碱性的强弱主要有以下影响因素，包括电负性、立体效应、溶剂效应等。

亲核性是一个动力学概念，但一些双亲核试剂反应的最终产物有时取决于产物的热力学稳定性。

两可亲核试剂在发生亲核反应时具有一定的区域选择性，这种选择性可用HSAB来解释。

总结

截至到第三章，基本知识的复习就结束了，后面正式开始各类型反应的具体介绍，到时候应该比这些内容更有意思。