24精细有机合成中的溶剂效应

1、2.4 2.4 精细有机合成中的溶剂效应精细有机合成中的溶剂效应n溶剂的分类溶剂的分类n“相似相溶相似相溶”原则原则n电子对受体（电子对受体（epaepa）溶剂和电子对给体（）溶剂和电子对给体（epdepd）溶剂溶剂n溶剂极性对反应速率的影响溶剂极性对反应速率的影响n有机反应中溶剂的使用和选择有机反应中溶剂的使用和选择n溶剂对有机反应的影响溶剂对有机反应的影响n溶液和溶解作用溶液和溶解作用n溶剂和溶质之间的相互作用溶剂和溶质之间的相互作用库仑力库仑力( (静电引力静电引力) )：离子：离子- -离子力、离子离子力、离子- -偶极力偶极力范德华力范德华力( (内聚力内聚力) )：偶极：偶极- -

2、偶极力、偶极偶极力、偶极- -诱导偶诱导偶 极力、瞬时偶极极力、瞬时偶极- -诱导偶极力诱导偶极力专一性力：包括氢键缔合作用、电子对给体受体作用、溶剂专一性力：包括氢键缔合作用、电子对给体受体作用、溶剂 化作用、离子化作用合离解作用等。化作用、离子化作用合离解作用等。非专一性力非专一性力( (普遍）普遍）（特定）（特定）2.4.1 2.4.1 溶剂的分类溶剂的分类n按化学结构分类按化学结构分类无机溶剂无机溶剂：水、液氨、液体二氧化硫、氟化氢、浓：水、液氨、液体二氧化硫、氟化氢、浓 硫酸、熔融氢氧化钠和氢氧化钾、四氯硫酸、熔融氢氧化钠和氢氧化钾、四氯 化钛、三氯化磷合三氯氧磷等。化钛、三氯化磷合

3、三氯氧磷等。有机溶剂有机溶剂：脂烃、环烷烃、芳烃、卤代烃、醇、醚、：脂烃、环烷烃、芳烃、卤代烃、醇、醚、 酚、醛、酮、羧酸、羧酸酯、硝基物、酚、醛、酮、羧酸、羧酸酯、硝基物、 胺、腈、酰胺、砜和亚砜、杂环化合物等。胺、腈、酰胺、砜和亚砜、杂环化合物等。n按偶极矩和介电常数分类按偶极矩和介电常数分类（1 1）偶极矩（偶极矩（）：）： 指偶极分子中电量相等的两个相反电荷中指偶极分子中电量相等的两个相反电荷中的一个电荷的电量（的一个电荷的电量（q q），与这两个电荷间距），与这两个电荷间距离（离（d d）的乘积，单位：德拜（）的乘积，单位：德拜（d d）。即：）。即：q qd dcl例：例：1.54

4、d1.54d极性溶剂：分子中具有永久偶极的溶剂。极性溶剂：分子中具有永久偶极的溶剂。 有机溶剂的偶极矩有机溶剂的偶极矩在在0 05.5d5.5d之间。之间。无极性溶剂无极性溶剂 分子中没有永久偶极的溶剂，如环己烷、苯等。分子中没有永久偶极的溶剂，如环己烷、苯等。2.5d2.5d的有机溶剂，如氯苯、二氯甲烷等。的有机溶剂，如氯苯、二氯甲烷等。 偶极矩主要影响在溶质（分子或离子）偶极矩主要影响在溶质（分子或离子）周围溶剂分子的定向作用。周围溶剂分子的定向作用。（2 2）介电常数（）介电常数（） 也叫电容率或相对电容率，是表示电介质也叫电容率或相对电容率，是表示电介质或绝缘材料或绝缘材料电性能的一个

5、重要参数电性能的一个重要参数。 具有永久偶极或诱导偶极的溶剂分子被充具有永久偶极或诱导偶极的溶剂分子被充电的电容器板强制形成一个有序排列，即极化电的电容器板强制形成一个有序排列，即极化作用，作用，极化作用越大，介电常数越大极化作用越大，介电常数越大。 介电常数表示溶剂分子本身分离出电荷的介电常数表示溶剂分子本身分离出电荷的能力，或溶剂使它偶极定向的能力。能力，或溶剂使它偶极定向的能力。 极性溶剂：极性溶剂：15152020非极性溶剂：非极性溶剂：15152020 介电常数主要影响溶剂中离子的溶剂化作介电常数主要影响溶剂中离子的溶剂化作用和离子体的离解作用。用和离子体的离解作用。 有机溶剂的介电

6、常数有机溶剂的介电常数在在2 2190190之间，之间，越大，溶剂极性越强越大，溶剂极性越强。（3 3）溶剂极性的本质溶剂极性的本质溶剂化作用溶剂化作用 每一个被溶解的分子或离子被一层或几每一个被溶解的分子或离子被一层或几层溶剂分子或松或紧地包围的现象，叫做层溶剂分子或松或紧地包围的现象，叫做溶溶剂化作用剂化作用，它包括溶剂与溶质之间所有专一，它包括溶剂与溶质之间所有专一性和非专一性相互作用的总和。性和非专一性相互作用的总和。（4 4）溶剂极性参数溶剂极性参数 实验极性参数实验极性参数e et t(30)(30)值值n按按lewislewis酸碱理论分类酸碱理论分类lewislewis酸碱理论

7、：酸是电子对受体（酸碱理论：酸是电子对受体（epaepa） 碱是电子对给体（碱是电子对给体（epdepd）: : a + :b a b a + :b a b 酸酸(epa) (epa) 碱碱(epd) (epd) 酸酸- -碱配合物碱配合物 亲电试剂亲电试剂 亲核试剂亲核试剂 epa/epdepa/epd配合物配合物 epaepa溶剂溶剂：具有缺电子或酸性部位，亲电试剂，：具有缺电子或酸性部位，亲电试剂， 择优使择优使epdepd或负离子溶剂化或负离子溶剂化。 如水、醇、酚、羧酸等。如水、醇、酚、羧酸等。epdepd溶剂溶剂：具有富电子或碱性部位，亲核试剂，：具有富电子或碱性部位，亲核试剂，

8、择优使择优使epaepa或正离子溶剂化或正离子溶剂化。 如：醇、醚、羰基化合物中的氧如：醇、醚、羰基化合物中的氧 氨类和氨类和n n杂环化合物中的氮原子杂环化合物中的氮原子质子给体溶剂质子给体溶剂：主要是酸，如：主要是酸，如h2so4、ch3cooh质子受体溶剂质子受体溶剂：主要是碱，如：主要是碱，如nh3、ch3con(ch3)2两性溶剂两性溶剂：既可接受质子，又可提供质子，如：既可接受质子，又可提供质子，如h2on 按按brbrnstednsted 酸碱理论分类酸碱理论分类n按起氢键给体的作用分类按起氢键给体的作用分类质子传递型溶剂质子传递型溶剂：氢键给体，质子给体，：氢键给体，质子给体，

9、epaepa。 如羟基、氨基、羧基和酰胺基如羟基、氨基、羧基和酰胺基非质子传递型溶剂非质子传递型溶剂：氢键受体，：氢键受体，epdepd。 如如o、nn按专一性溶质、溶剂相互作用分类按专一性溶质、溶剂相互作用分类质子传递型溶剂质子传递型溶剂：含有能与电负性元素：含有能与电负性元素( (f、cl、o、s、 n、p) )相结合的氢原子，相结合的氢原子，1515。 水、醇、酚、羧酸、氨、未取代酰胺等水、醇、酚、羧酸、氨、未取代酰胺等非质子传递极性溶剂非质子传递极性溶剂：高介电常数：高介电常数，高偶极矩。，高偶极矩。 丙酮、丙酮、dmf、硝基苯、乙腈、二甲、硝基苯、乙腈、二甲 基亚砜、环丁砜等基亚砜、

10、环丁砜等非质子传递非极性溶剂非质子传递非极性溶剂：低介电常数，低偶极矩。：低介电常数，低偶极矩。 烷烃、环烷烃、芳烃、卤代烃、烷烃、环烷烃、芳烃、卤代烃、 叔胺、二硫化碳叔胺、二硫化碳2.4.2 “2.4.2 “相似相溶相似相溶”原则原则 一个溶质易溶于一个溶质易溶于化学结构相似化学结构相似的溶剂，的溶剂，而不易溶于化学结构完全不同的溶剂。而不易溶于化学结构完全不同的溶剂。 极性溶质易溶于极性溶剂，非极性溶质极性溶质易溶于极性溶剂，非极性溶质易溶于非极性溶剂。易溶于非极性溶剂。2.4.3 2.4.3 电子对受体电子对受体(epa)(epa)溶剂和电子对溶剂和电子对给体给体(epd)(epd)溶

11、剂溶剂h3ccon(ch3)2互 变 异 构h3ccon(ch3)2+h3ccomn(ch3)2+ m+- m+位阻小位阻小位阻大位阻大正离子正离子m的溶剂化的溶剂化2.4.4 2.4.4 溶剂极性对反应速度的影响溶剂极性对反应速度的影响nhoughes-ingoldhoughes-ingold规则规则n溶剂对亲电取代反应的影响溶剂对亲电取代反应的影响n溶剂对亲核取代反应的影响溶剂对亲核取代反应的影响n硬软酸碱原则（硬软酸碱原则（hsabhsab）与溶剂效应的关）与溶剂效应的关系系2.4.4.1 houghes-ingold2.4.4.1 houghes-ingold规则规则n 对于从起始反应

12、物变为活化配合物时对于从起始反应物变为活化配合物时电荷电荷密度增加密度增加的反应，的反应，溶剂极性增加，使反应溶剂极性增加，使反应速度加快速度加快。异性电荷分离异性电荷分离电荷密度增加电荷密度增加s sn n1 1反应反应rx+rx-r+x-+例：例：k1+-h3ccch3ch3clh3cch3ccch3ch3cl25离 解+-+ch3ch3cl溶剂溶剂c2h5ohch3ohhcooh h2o hconh224.5524.5532.7032.7058.558.578.3978.39111.0111.0(d)(d)1.731.731.701.701.821.821.821.823.373.37极

13、性极性小小大大k k1(1(相对相对) )1 19 91220012200335000335000430430n 对于从起始反应物变为活化配合物时对于从起始反应物变为活化配合物时电电荷密度降低荷密度降低的反应，的反应，溶剂极性增加，使反溶剂极性增加，使反应速度减慢应速度减慢。s sn n2 2反应反应电荷分散电荷分散电荷密度降低电荷密度降低yrx-rxy-+rx-y+例：例：溶剂溶剂ch3coch3c2h5ohch3oh(ch2oh)2h2o20.720.724.5524.5532.732.737.737.778.3978.39(d)(d)2.862.861.731.731.701.702.2

14、82.281.821.82k k（相对）（相对）13000130004444161617171 1i*-+ ch3ik i* -ch3i -ich3i-+n对于从起始反应物变为活化配合物时对于从起始反应物变为活化配合物时电荷密度电荷密度变化很小或无变化变化很小或无变化的反应，的反应，溶剂极性的改变对溶剂极性的改变对反应速度的影响极小反应速度的影响极小。局限性局限性： 忽略了溶剂的类型、溶剂的忽略了溶剂的类型、溶剂的epdepd和和epaepa性质性质及专一性溶剂化作用对反应速度的影响。及专一性溶剂化作用对反应速度的影响。2.4.4.2 2.4.4.2 溶剂对亲电取代反应速度的影响溶剂对亲电取代

15、反应速度的影响溶剂溶剂转化率转化率/%/%偶极矩偶极矩/d/d介电常数介电常数二氧六环二氧六环0 00.450.452.212.21氯苯氯苯1.371.371.541.545.655.651,1,2,2-1,1,2,2-四氯乙烷四氯乙烷3.313.311.711.718.008.001,2-1,2-二氯乙烷二氯乙烷8.378.371.861.8610.4510.45乙酐乙酐15.3215.322.822.8220.7020.70n,n-n,n-二甲基甲酰胺二甲基甲酰胺17.5617.563.863.8636.7136.71硝基苯硝基苯28.6728.674.214.2134.8234.82表表

16、 苯绕蒽醌在不同溶剂中一溴化的转化率苯绕蒽醌在不同溶剂中一溴化的转化率oohbrbrohbrbr-obr+ hbr（溶剂化）（溶剂化）（溶剂化）（溶剂化）br2+（溶剂化）（溶剂化）（溶剂化）（溶剂化）（弱极性）（弱极性）（非极性）（非极性）（- -配合物，极性较强配合物，极性较强）（- -配合物，强极性配合物，强极性）2.4.4.3 2.4.4.3 溶剂对亲核取代反应速度的影响溶剂对亲核取代反应速度的影响n质子传递型溶剂对质子传递型溶剂对s sn n反应速度的影响反应速度的影响n非质子传递极性溶剂对非质子传递极性溶剂对s sn n反应速度的影响反应速度的影响n质子传递型溶剂对质子传递型溶剂对

17、s sn n1 1反应速度的影响反应速度的影响 质子传递型溶剂使负离子溶剂化，有利于质子传递型溶剂使负离子溶剂化，有利于负离子的离去和碳正离子的形成，负离子的离去和碳正离子的形成，使反应速度使反应速度加快加快。rx + hsr+x-hsr + x+-hs+ y-ryn质子型传递溶剂对质子型传递溶剂对s sn n2 2反应速度的影响反应速度的影响情况一情况一：对活化配合物负端的氢键缔合作用：对活化配合物负端的氢键缔合作用比对反应质点比对反应质点y y的氢键缔合作用强。的氢键缔合作用强。有利于离去基团的离去，使反应加速有利于离去基团的离去，使反应加速y + rx + hsy+rx-hsy r +

18、x+-hs情况二情况二：对反应质点的专一性溶剂化作用强。：对反应质点的专一性溶剂化作用强。降低了亲核试剂的反应活性，降低了亲核试剂的反应活性，使反应速度降低使反应速度降低。y-rx-shhs + y + rx-例：例： i- br- cl- f-专一性溶剂化作用专一性溶剂化作用 小小 大大反应活性反应活性 大大 小小 属于属于epdepd溶剂，优先使正离子专一性溶剂化，溶剂，优先使正离子专一性溶剂化，并使负离子成为裸露负离子，并使负离子成为裸露负离子，亲核活性增加亲核活性增加。n非质子传递极性溶剂对非质子传递极性溶剂对s sn n反应速度的影响反应速度的影响2.4.4.4 2.4.4.4 硬软酸碱原则（硬软酸碱原则（hsabhsab原则）与溶原则）与溶剂效应的关系剂效应的关系n硬酸和硬碱指的是由硬酸和硬碱指的是由电负性高电负性高的的小原子或小小原子或小分子分子构成的酸和碱。构成的酸和碱。硬酸：硬酸：h h+ +、lili+ +、nana+ +、bfbf3 3、alclalcl3 3、氢键给体、氢键给体hxhx等；等；硬碱：硬碱：f f- -、