溶劑化效應(yīng)在有機(jī)反應(yīng)中的作用*

羅浩文，劉 磊，王語(yǔ)馨，魏宇航

(1 吉林大學(xué)藥學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012；2 吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院公共化學(xué)教學(xué)與研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130021)

各類型的有機(jī)反應(yīng)，在反應(yīng)過(guò)程中，絕大多數(shù)離不開溶劑提供的液體環(huán)境，這些溶劑起到的作用絕不僅僅是溶解。由于不同溶劑各方面性質(zhì)的差異，比如分子的極性、得失電子的能力、形成氫鍵的能力、親水性和疏水性，不同的溶劑對(duì)反應(yīng)的影響也是不同的。尤其是在有機(jī)反應(yīng)當(dāng)中，因?yàn)橛袡C(jī)化合物結(jié)構(gòu)豐富多樣，并且有機(jī)反應(yīng)比無(wú)機(jī)反應(yīng)更為復(fù)雜，反應(yīng)步驟更多，涉及到的中間體也更多，所以有機(jī)化合物受到溶劑影響的位點(diǎn)更多，有機(jī)反應(yīng)受到溶劑的影響程度更大。溶劑與反應(yīng)分子的相互作用，形成溶劑膜的溶劑化過(guò)程，會(huì)對(duì)有機(jī)物分子的電子結(jié)構(gòu)和有機(jī)分子的能量造成影響，進(jìn)而對(duì)反應(yīng)的反應(yīng)歷程以及產(chǎn)物的選擇性造成影響。溶劑化效應(yīng)指的正是反應(yīng)體系中的溶劑對(duì)反應(yīng)的平衡，反應(yīng)速率、反應(yīng)的立體結(jié)構(gòu)的影響。

1 溶劑化效應(yīng)的基本原理

1.1 溶劑分類

溶劑可以大致分為質(zhì)子性溶劑和非質(zhì)子性溶劑兩大類。質(zhì)子溶劑是指一類具有給出質(zhì)子的能力的溶劑，這類溶劑往往會(huì)降低溶液中親核試劑的親核性。非質(zhì)子性溶劑則與此相反。非質(zhì)子性溶劑又包括偶極溶劑和非極性非質(zhì)子溶劑[1-3]。偶極溶劑又稱為極性非質(zhì)子溶劑，這類溶劑的溶劑分子具有極性，且往往是偶極負(fù)端裸露在外，但不易給出質(zhì)子。氯仿、丙酮、二甲亞砜(DMSO)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和四氫呋喃(THF)都屬于偶極溶劑。而非極性非質(zhì)子溶劑，不具有極性也不能給出質(zhì)子，例如已烷、苯和乙醚都屬于非極性非質(zhì)子溶劑。

1.2 溶劑化

溶劑化指的就是溶質(zhì)分子在溶液體系中被溶劑分子緊密包圍的過(guò)程。溶劑化發(fā)生的程度和難易程度，取決于溶劑與溶質(zhì)分子相互作用的強(qiáng)度和溶劑分子和溶劑分子之間的相互作用強(qiáng)度。這些相互作用包括一些特定結(jié)構(gòu)的相互作用，比如氫鍵，也包括分子與分子之間普遍存在的偶極與偶極之間的靜電引力。假如溶劑分子和溶質(zhì)分子之間的相互作用強(qiáng)于溶劑分子之間的相互作用，那么溶劑化便容易發(fā)生。反之，溶質(zhì)分子則無(wú)法被溶劑分子很好的溶劑化。

2 溶劑化效應(yīng)對(duì)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的影響

溶劑化效應(yīng)可以引起反應(yīng)的區(qū)域選擇性改變。區(qū)域選擇性即指在有機(jī)反應(yīng)中，反應(yīng)物存在多個(gè)理論上的反應(yīng)位點(diǎn)，但是只在某一個(gè)反應(yīng)位點(diǎn)發(fā)生反應(yīng)。

舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，比如萘環(huán)與乙酰氯在AlCl3催化下的Friedel-Crafts反應(yīng)[4]。當(dāng)以硝基苯作為溶劑時(shí)，得到的產(chǎn)物的90%都是β位的取代產(chǎn)物。這是因?yàn)樵跇O性溶劑硝基苯存在的環(huán)境下，乙酰氯的C-Cl鍵異裂得到的?；x子作為親電試劑，帶正電荷的親電試劑?；x子被溶劑化的程度更高，整個(gè)粒子團(tuán)的體積變大，易進(jìn)攻空間位阻小的β位，所以得到了β位取代的主要產(chǎn)物(圖1)。

圖1 以硝基苯為溶劑的萘環(huán)與乙酰氯的?；磻?yīng)

當(dāng)該反應(yīng)以二硫化碳作為溶劑時(shí)，得到的α位和β位取代的產(chǎn)物比例約為3∶1。非極性溶劑二硫化碳不容易將親電試劑?；x子溶劑化，并且攻擊α位可以得到兩個(gè)含有苯環(huán)的共振結(jié)構(gòu)式，然而進(jìn)攻β位只能得到一個(gè)含有苯環(huán)的共振結(jié)構(gòu)式；進(jìn)入α位產(chǎn)物更穩(wěn)定，所以產(chǎn)物以α位為主(圖2)。

圖2 以二硫化碳為溶劑的萘環(huán)與乙酰氯的酰基化反應(yīng)

3 溶劑化效應(yīng)對(duì)化學(xué)平衡的影響

3.1 溶劑化引起酸堿離解平衡常數(shù)(酸度)順序的改變

溶劑化效應(yīng)對(duì)酸堿理解平衡常數(shù)的影響，最明顯體現(xiàn)在由一個(gè)電中性的酸分子在溶液中離解成陰離子和陽(yáng)離子的離解平衡常數(shù)上。比如HOAc在水中解離[5]得到H3O+和AcO-(圖3)，當(dāng)溶劑的極性越大，解離得到的離子越容易被溶劑化，離子對(duì)越容易離解成離子。

圖3 醋酸的水解

3.2 溶劑化引起互變異構(gòu)平衡的改變

酮式和烯醇式[6]的含量也會(huì)受到溶劑的影響，比如乙酰乙酸乙酯在非極性溶劑的環(huán)境下(圖4)，烯醇式的含量會(huì)提高，在乙醇中烯醇式的含量為10%～13%，而在正己烷中烯醇式的含量為49%。這是因?yàn)橐阴Ｒ宜嵋阴バ纬蓺滏I的過(guò)程，實(shí)際上是鍵合之后的氫顯示出的正電荷對(duì)電負(fù)性大的原子比如N、O的孤對(duì)電子的吸引，形成氫鍵后，羰基氧上的孤電子對(duì)吸引并控制住了帶部分正電荷的氫，通過(guò)氫鍵形成六元螯合環(huán)，分子極性降低，分子在極性溶劑乙醇中溶劑化程度相對(duì)下降，而在非極性溶劑正己烷中烯醇式的含量略高。

圖4 乙酰乙酸乙酯的異構(gòu)化

4 溶劑化效應(yīng)對(duì)有機(jī)反應(yīng)中間體和立體化學(xué)的影響

4.1 溶劑對(duì)親核取代反應(yīng)的影響

4.1.1 SN1反應(yīng)

對(duì)于SN1反應(yīng)來(lái)說(shuō)，溶劑的極性越大，對(duì)反應(yīng)越有利。這一點(diǎn)我們可以從親核取代反應(yīng)的過(guò)渡態(tài)去考慮。SN1反應(yīng)形成碳正離子時(shí)，離去基團(tuán)和親核受體處于過(guò)渡態(tài)，過(guò)渡態(tài)的正電中心和負(fù)電中心間距變大，是一個(gè)分子的極性增大的過(guò)程。此時(shí)溶劑的極性越大，與過(guò)渡態(tài)形成的偶極-偶極相互作用就越強(qiáng)，就能提供更多的能量輔助親核受體過(guò)渡態(tài)的形成，有利于SN1反應(yīng)。除此以外，假如溶劑是質(zhì)子溶劑，那么就可以提供質(zhì)子給離去基團(tuán)質(zhì)子化，或者與其形成氫鍵，有效地穩(wěn)定了反應(yīng)體系中的負(fù)電荷，催動(dòng)離解反應(yīng)的發(fā)生，有效地提高了反應(yīng)決速步的反應(yīng)速率，有利于SN1反應(yīng)。

4.1.2 SN2反應(yīng)

由SN2反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理可知，反應(yīng)的過(guò)渡態(tài)形成的過(guò)程，是由電荷比較密集的親核受體或者是親核試劑形成電荷被分散的中間過(guò)渡態(tài)的過(guò)程。溶劑在攻擊底物形成過(guò)渡態(tài)的過(guò)程中，需要克服原本溶液中親核受體和親核試劑與溶劑分子之間的相互作用。溶液的極性越大，形成過(guò)渡態(tài)需要克服的阻力越大。所以，在一般情況下，溶劑的極性增強(qiáng)，不利于SN2反應(yīng)。

當(dāng)我們具體考慮溶劑對(duì)SN2反應(yīng)的影響程度時(shí)，則要根據(jù)具體的反應(yīng)類型來(lái)分析。對(duì)于形成過(guò)渡態(tài)時(shí)電荷產(chǎn)生的反應(yīng)，比如叔胺的取代，溶劑極性的變化就對(duì)其影響很大；對(duì)于形成過(guò)渡態(tài)時(shí)電荷分散的反應(yīng)，比如簡(jiǎn)單的鹵代烴和氫氧根離子的反應(yīng)，形成中間體時(shí)，電荷被分散，此時(shí)極性的增大對(duì)于反應(yīng)的影響就比較小。除此以外，也有一些特別的SN2反應(yīng)的在溶劑極性增大時(shí)反而對(duì)反應(yīng)有利，反應(yīng)式[7]如圖5所示。

圖5 2-二乙氨基乙基-4-甲基醚的合成

此處我們考慮的不應(yīng)該只是單純的溶劑效應(yīng)，還需要考慮中間產(chǎn)物對(duì)甲苯酚鈉在溶劑體系中的解離度。對(duì)甲基苯酚鈉的在水中的解離度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其在乙醇中的解離度，這意味著在水中可以得到的反應(yīng)的親核試劑更多，所以在極性更大的水溶液中，反而利于反應(yīng)的發(fā)生。

4.1.3 分子內(nèi)親核取代反應(yīng)

對(duì)于分子內(nèi)親核取代反應(yīng)來(lái)說(shuō)，不同類型的溶劑對(duì)反應(yīng)有不同的影響，以2-丁醇和亞硫酰氯的反應(yīng)為例，不同溶劑得到不同產(chǎn)物。用乙醚做溶劑時(shí)，發(fā)生分子內(nèi)取代反應(yīng)，得到的主要是構(gòu)型保持的產(chǎn)物，其反應(yīng)式見圖6，機(jī)理見圖7。

圖6 2-丁醇與二氯亞砜反應(yīng)得到構(gòu)型保持產(chǎn)物

圖7 2-丁醇與二氯亞砜反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理

而用吡啶做溶劑的時(shí)候得到的是構(gòu)型翻轉(zhuǎn)的產(chǎn)物(圖8)。

圖8 2-丁醇與二氯亞砜反應(yīng)得到構(gòu)型翻轉(zhuǎn)產(chǎn)物

這是因?yàn)榉磻?yīng)的中間產(chǎn)物氯化氫和氯代亞硫酸酯可以和吡啶反應(yīng)[8]，產(chǎn)生游離的氯離子。氯代亞硫酸酯與吡啶反應(yīng)后，一方面令反應(yīng)無(wú)法按照分子內(nèi)親核取代的機(jī)理來(lái)進(jìn)行，另一方面增大了空間位阻，使得游離的氯離子更傾向于從背面進(jìn)攻，最終得到了構(gòu)型翻轉(zhuǎn)的產(chǎn)物，機(jī)理見圖9。

圖9 游離的氯離子從背面進(jìn)攻反應(yīng)的中間產(chǎn)物

4.1.4 兩可親核試劑參與的親核取代反應(yīng)

兩可親核試劑即試劑分子上的親核取代的進(jìn)攻原子有2個(gè)[9]的試劑，比如β-萘酚鈉鹽[10-11]，在不同的條件下，α位的C端和O端都有親核進(jìn)攻的機(jī)會(huì)。反應(yīng)式如圖10所示。

圖10 β-萘酚鈉鹽與芐基溴在不同溶劑下的反應(yīng)

在酸性較強(qiáng)的質(zhì)子溶劑2,2,2-三氟乙醇中，由于β-萘酚鈉鹽的氧原子容易和溶劑形成氫鍵，親核性降低，所以由α位的C進(jìn)攻。但在DMF溶劑中，由于DMF溶劑的偶極負(fù)端是裸露在外的，所以對(duì)其它分子的偶極正端和陽(yáng)離子有比較好的溶劑化效果，此時(shí)對(duì)β-萘酚鈉離子有較好的溶劑化作用，利于得到β-萘酚鈉離子，有利于從O端進(jìn)行親核取代反應(yīng)。

4.1.5 親核取代反應(yīng)和消除反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)

親核取代反應(yīng)和消除反應(yīng)常常會(huì)在一個(gè)反應(yīng)體系中同時(shí)發(fā)生，溶劑可以影響這兩個(gè)反應(yīng)的選擇性。對(duì)于SN1和E1這兩個(gè)反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)，溶劑對(duì)反應(yīng)的影響和影響程度同樣取決于這兩個(gè)反應(yīng)的過(guò)渡態(tài)的差異，對(duì)于SN1的碳正離子過(guò)渡態(tài)而言，其電荷比較集中，容易被極性溶劑溶劑化，極性大的溶劑有利于SN1反應(yīng)的進(jìn)行，相比較而言，溶劑極性小有利于消除產(chǎn)物的生成。對(duì)于SN2和E2這兩個(gè)反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)，我們也從反應(yīng)的過(guò)渡態(tài)進(jìn)行分析，E2反應(yīng)的過(guò)渡態(tài)，偶極正端和偶極負(fù)端的距離更大，電荷分布更加的分散。SN2反應(yīng)的偶極正端和偶極負(fù)端的距離更短，過(guò)渡態(tài)電荷分布更為集中，更容易被極性溶劑極化，所以極性溶劑有利于SN2反應(yīng)的進(jìn)行。

湯青云的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[12]也證明了上面的結(jié)論。

在叔丁基溴與氫氧化鈉的反應(yīng)中(圖11)，發(fā)生了SN1反應(yīng)和E1反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)。采用純乙醇和80%乙醇得到的消除產(chǎn)物的產(chǎn)率出現(xiàn)了明顯的差異，加入分子極性更強(qiáng)的水使得消除產(chǎn)物的產(chǎn)率明顯的下降了。在純乙醇溶劑環(huán)境中，消除產(chǎn)物的產(chǎn)率為19%，而在80%的乙醇水溶劑中，消除產(chǎn)物的產(chǎn)率下降至12.6%。

圖11 叔丁基溴與氫氧化鈉在不同溶劑中的反應(yīng)

2-溴丙烷與氫氧化鈉的反應(yīng)中(圖12)，發(fā)生了SN2反應(yīng)和E2反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)。加入的水分子可以更好的和中間體的碳正離子發(fā)生溶劑化，使得取代產(chǎn)物的比例增多，消除產(chǎn)物的產(chǎn)率從71%下降到了59%。綜上可知，在SN1與E1的競(jìng)爭(zhēng)以及SN2與E2的競(jìng)爭(zhēng)中，極性大的水有利于過(guò)渡態(tài)電荷更集中的SN1與SN2反應(yīng)發(fā)生。

圖12 2-溴丙烷與氫氧化鈉在不同溶劑中的反應(yīng)

4.2 溶劑對(duì)親電加成反應(yīng)的影響

對(duì)于親電加成反應(yīng)[13]，一般有兩種機(jī)理，碳正離子機(jī)理或環(huán)鎓離子機(jī)理，中間體分別為碳正離子中間體(圖13)和環(huán)鎓離子中間體(圖14)。

圖13 碳正離子中間體

圖14 環(huán)鎓離子中間體

理論上認(rèn)為在一個(gè)親電加成反應(yīng)中，兩種機(jī)理都有可能發(fā)生，但是兩種路徑得到的產(chǎn)物比例取決于兩個(gè)過(guò)渡態(tài)的穩(wěn)定性，過(guò)渡態(tài)能量越低，反應(yīng)越容易發(fā)生。

在極性溶劑中，由于碳正離子機(jī)理的過(guò)渡態(tài)產(chǎn)生的碳正離子電荷集中，與溶劑分子的溶劑化程度更高，過(guò)渡態(tài)的能量更低，所以，碳正離子中間體比環(huán)鎓離子在中間體的溶劑化程度更好。極性溶劑對(duì)碳正離子機(jī)理有利，得到的產(chǎn)物也以順式加成為主。反之，在非極性溶劑中，由于溶劑化的程度弱，并且環(huán)鎓離子有效地分散了電荷，降低了中間體的能量，所以非極性溶劑往往對(duì)環(huán)鎓離子機(jī)理有利，得到的產(chǎn)物也以反式加成為主。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文論述了溶劑分類、溶質(zhì)-溶劑分子間相互作用、溶劑化作用的基本原理、溶劑化效應(yīng)對(duì)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的影響、溶劑化效應(yīng)對(duì)化學(xué)平衡的影響、溶劑對(duì)親核取代反應(yīng)的影響、溶劑對(duì)兩可親核試劑參與的親核取代反應(yīng)的影響、溶劑對(duì)分子內(nèi)親核取代反應(yīng)的影響、溶劑對(duì)親核取代反應(yīng)和消除反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)的影響和溶劑對(duì)親電加成反應(yīng)的影響。

溶劑通過(guò)影響有機(jī)反應(yīng)中間體以及過(guò)渡態(tài)，進(jìn)而影響有機(jī)反應(yīng)結(jié)果。對(duì)于不同類型的有機(jī)反應(yīng)，分析溶劑化效應(yīng)的角度都不一樣。例如在考慮溶劑對(duì)簡(jiǎn)單的親核取代反應(yīng)和分子內(nèi)親核取代反應(yīng)的影響時(shí)，需綜合考慮了溶劑對(duì)親核試劑和反應(yīng)的中間體的影響。對(duì)于兩可親核試劑參與的反應(yīng)則考慮氫鍵的形成以及溶劑對(duì)溶質(zhì)的解離效果。對(duì)于親核取代反應(yīng)和消除反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)，則針對(duì)反應(yīng)的過(guò)渡態(tài)進(jìn)行分析。這些實(shí)例充分的說(shuō)明了，我們需要仔細(xì)分析溶液體系中溶劑分子和溶質(zhì)分子可能發(fā)生的電荷相互作用，充分考慮各方面對(duì)反應(yīng)影響程度，包括反應(yīng)的速率、反應(yīng)的空間效應(yīng)，結(jié)合反應(yīng)的機(jī)理和特點(diǎn)，合理地解釋反應(yīng)的機(jī)理和反應(yīng)產(chǎn)物。