溶劑化效應在有機反應中的作用*

羅浩文，劉 磊，王語馨，魏宇航

(1 吉林大學藥學院，吉林 長春 130012；2 吉林大學化學學院公共化學教學與研究中心，吉林 長春 130021)

各類型的有機反應，在反應過程中，絕大多數離不開溶劑提供的液體環境，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，不同的溶劑對反應的影響也是不同的。尤其是在有機反應當中，因為有機化合物結構豐富多樣，并且有機反應比無機反應更為復雜，反應步驟更多，涉及到的中間體也更多，所以有機化合物受到溶劑影響的位點更多，有機反應受到溶劑的影響程度更大。溶劑與反應分子的相互作用，形成溶劑膜的溶劑化過程，會對有機物分子的電子結構和有機分子的能量造成影響，進而對反應的反應歷程以及產物的選擇性造成影響。溶劑化效應指的正是反應體系中的溶劑對反應的平衡，反應速率、反應的立體結構的影響。

1 溶劑化效應的基本原理

1.1 溶劑分類

溶劑可以大致分為質子性溶劑和非質子性溶劑兩大類。質子溶劑是指一類具有給出質子的能力的溶劑，這類溶劑往往會降低溶液中親核試劑的親核性。非質子性溶劑則與此相反。非質子性溶劑又包括偶極溶劑和非極性非質子溶劑[1-3]。偶極溶劑又稱為極性非質子溶劑，這類溶劑的溶劑分子具有極性，且往往是偶極負端裸露在外，但不易給出質子。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。而非極性非質子溶劑，不具有極性也不能給出質子，例如已烷、苯和乙醚都屬于非極性非質子溶劑。

1.2 溶劑化

溶劑化指的就是溶質分子在溶液體系中被溶劑分子緊密包圍的過程。溶劑化發生的程度和難易程度，取決于溶劑與溶質分子相互作用的強度和溶劑分子和溶劑分子之間的相互作用強度。這些相互作用包括一些特定結構的相互作用，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分子之間的相互作用強于溶劑分子之間的相互作用，那么溶劑化便容易發生。反之，溶質分子則無法被溶劑分子很好的溶劑化。

2 溶劑化效應對化學反應產物的影響

溶劑化效應可以引起反應的區域選擇性改變。區域選擇性即指在有機反應中，反應物存在多個理論上的反應位點，但是只在某一個反應位點發生反應。

舉一個簡單的例子，比如萘環與乙酰氯在AlCl3催化下的Friedel-Crafts反應[4]。當以硝基苯作為溶劑時，得到的產物的90%都是β位的取代產物。這是因為在極性溶劑硝基苯存在的環境下，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酰基正離子被溶劑化的程度更高，整個粒子團的體積變大，易進攻空間位阻小的β位，所以得到了β位取代的主要產物(圖1)。

圖1 以硝基苯為溶劑的萘環與乙酰氯的酰基化反應

當該反應以二硫化碳作為溶劑時，得到的α位和β位取代的產物比例約為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位可以得到兩個含有苯環的共振結構式，然而進攻β位只能得到一個含有苯環的共振結構式；進入α位產物更穩定，所以產物以α位為主(圖2)。

圖2 以二硫化碳為溶劑的萘環與乙酰氯的?；磻?/p>

3 溶劑化效應對化學平衡的影響

3.1 溶劑化引起酸堿離解平衡常數(酸度)順序的改變

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

圖3 醋酸的水解

3.2 溶劑化引起互變異構平衡的改變

酮式和烯醇式[6]的含量也會受到溶劑的影響，比如乙酰乙酸乙酯在非極性溶劑的環境下(圖4)，烯醇式的含量會提高，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%。這是因為乙酰乙酸乙酯形成氫鍵的過程，實際上是鍵合之后的氫顯示出的正電荷對電負性大的原子比如N、O的孤對電子的吸引，形成氫鍵后，羰基氧上的孤電子對吸引并控制住了帶部分正電荷的氫，通過氫鍵形成六元螯合環，分子極性降低，分子在極性溶劑乙醇中溶劑化程度相對下降，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化

4 溶劑化效應對有機反應中間體和立體化學的影響

4.1 溶劑對親核取代反應的影響

4.1.1 SN1反應

對于SN1反應來說，溶劑的極性越大，對反應越有利。這一點我們可以從親核取代反應的過渡態去考慮。SN1反應形成碳正離子時，離去基團和親核受體處于過渡態，過渡態的正電中心和負電中心間距變大，是一個分子的極性增大的過程。此時溶劑的極性越大，與過渡態形成的偶極-偶極相互作用就越強，就能提供更多的能量輔助親核受體過渡態的形成，有利于SN1反應。除此以外，假如溶劑是質子溶劑，那么就可以提供質子給離去基團質子化，或者與其形成氫鍵，有效地穩定了反應體系中的負電荷，催動離解反應的發生，有效地提高了反應決速步的反應速率，有利于SN1反應。

4.1.2 SN2反應

由SN2反應的反應機理可知，反應的過渡態形成的過程，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渡態的過程。溶劑在攻擊底物形成過渡態的過程中，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，形成過渡態需要克服的阻力越大。所以，在一般情況下，溶劑的極性增強，不利于SN2反應。

當我們具體考慮溶劑對SN2反應的影響程度時，則要根據具體的反應類型來分析。對于形成過渡態時電荷產生的反應，比如叔胺的取代，溶劑極性的變化就對其影響很大；對于形成過渡態時電荷分散的反應，比如簡單的鹵代烴和氫氧根離子的反應，形成中間體時，電荷被分散，此時極性的增大對于反應的影響就比較小。除此以外，也有一些特別的SN2反應的在溶劑極性增大時反而對反應有利，反應式[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該只是單純的溶劑效應，還需要考慮中間產物對甲苯酚鈉在溶劑體系中的解離度。對甲基苯酚鈉的在水中的解離度遠遠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，反而利于反應的發生。

4.1.3 分子內親核取代反應

對于分子內親核取代反應來說，不同類型的溶劑對反應有不同的影響，以2-丁醇和亞硫酰氯的反應為例，不同溶劑得到不同產物。用乙醚做溶劑時，發生分子內取代反應，得到的主要是構型保持的產物，其反應式見圖6，機理見圖7。

圖6 2-丁醇與二氯亞砜反應得到構型保持產物

圖7 2-丁醇與二氯亞砜反應的反應機理

而用吡啶做溶劑的時候得到的是構型翻轉的產物(圖8)。

圖8 2-丁醇與二氯亞砜反應得到構型翻轉產物

這是因為反應的中間產物氯化氫和氯代亞硫酸酯可以和吡啶反應[8]，產生游離的氯離子。氯代亞硫酸酯與吡啶反應后，一方面令反應無法按照分子內親核取代的機理來進行，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攻，最終得到了構型翻轉的產物，機理見圖9。

圖9 游離的氯離子從背面進攻反應的中間產物

4.1.4 兩可親核試劑參與的親核取代反應

兩可親核試劑即試劑分子上的親核取代的進攻原子有2個[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端都有親核進攻的機會。反應式如圖10所示。

圖10 β-萘酚鈉鹽與芐基溴在不同溶劑下的反應

在酸性較強的質子溶劑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進攻。但在DMF溶劑中，由于DMF溶劑的偶極負端是裸露在外的，所以對其它分子的偶極正端和陽離子有比較好的溶劑化效果，此時對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端進行親核取代反應。

4.1.5 親核取代反應和消除反應的競爭

親核取代反應和消除反應常常會在一個反應體系中同時發生，溶劑可以影響這兩個反應的選擇性。對于SN1和E1這兩個反應的競爭，溶劑對反應的影響和影響程度同樣取決于這兩個反應的過渡態的差異，對于SN1的碳正離子過渡態而言，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反應的進行，相比較而言，溶劑極性小有利于消除產物的生成。對于SN2和E2這兩個反應的競爭，我們也從反應的過渡態進行分析，E2反應的過渡態，偶極正端和偶極負端的距離更大，電荷分布更加的分散。SN2反應的偶極正端和偶極負端的距離更短，過渡態電荷分布更為集中，更容易被極性溶劑極化，所以極性溶劑有利于SN2反應的進行。

湯青云的實驗結果[12]也證明了上面的結論。

在叔丁基溴與氫氧化鈉的反應中(圖11)，發生了SN1反應和E1反應的競爭。采用純乙醇和80%乙醇得到的消除產物的產率出現了明顯的差異，加入分子極性更強的水使得消除產物的產率明顯的下降了。在純乙醇溶劑環境中，消除產物的產率為19%，而在80%的乙醇水溶劑中，消除產物的產率下降至12.6%。

圖11 叔丁基溴與氫氧化鈉在不同溶劑中的反應

2-溴丙烷與氫氧化鈉的反應中(圖12)，發生了SN2反應和E2反應的競爭。加入的水分子可以更好的和中間體的碳正離子發生溶劑化，使得取代產物的比例增多，消除產物的產率從71%下降到了59%。綜上可知，在SN1與E1的競爭以及SN2與E2的競爭中，極性大的水有利于過渡態電荷更集中的SN1與SN2反應發生。

圖12 2-溴丙烷與氫氧化鈉在不同溶劑中的反應

4.2 溶劑對親電加成反應的影響

對于親電加成反應[13]，一般有兩種機理，碳正離子機理或環鎓離子機理，中間體分別為碳正離子中間體(圖13)和環鎓離子中間體(圖14)。

圖13 碳正離子中間體

圖14 環鎓離子中間體

理論上認為在一個親電加成反應中，兩種機理都有可能發生，但是兩種路徑得到的產物比例取決于兩個過渡態的穩定性，過渡態能量越低，反應越容易發生。

在極性溶劑中，由于碳正離子機理的過渡態產生的碳正離子電荷集中，與溶劑分子的溶劑化程度更高，過渡態的能量更低，所以，碳正離子中間體比環鎓離子在中間體的溶劑化程度更好。極性溶劑對碳正離子機理有利，得到的產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環鎓離子機理有利，得到的產物也以反式加成為主。

5 結 語

本文論述了溶劑分類、溶質-溶劑分子間相互作用、溶劑化作用的基本原理、溶劑化效應對化學反應產物的影響、溶劑化效應對化學平衡的影響、溶劑對親核取代反應的影響、溶劑對兩可親核試劑參與的親核取代反應的影響、溶劑對分子內親核取代反應的影響、溶劑對親核取代反應和消除反應的競爭的影響和溶劑對親電加成反應的影響。

溶劑通過影響有機反應中間體以及過渡態，進而影響有機反應結果。對于不同類型的有機反應，分析溶劑化效應的角度都不一樣。例如在考慮溶劑對簡單的親核取代反應和分子內親核取代反應的影響時，需綜合考慮了溶劑對親核試劑和反應的中間體的影響。對于兩可親核試劑參與的反應則考慮氫鍵的形成以及溶劑對溶質的解離效果。對于親核取代反應和消除反應的競爭，則針對反應的過渡態進行分析。這些實例充分的說明了，我們需要仔細分析溶液體系中溶劑分子和溶質分子可能發生的電荷相互作用，充分考慮各方面對反應影響程度，包括反應的速率、反應的空間效應，結合反應的機理和特點，合理地解釋反應的機理和反應產物。