如何比较亲核试剂的亲核性强弱?

学术   2025-01-09 08:01   上海  

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在先前的文章中,我们详细讨论了亲核取代反应遵循SN1还是SN2机理的关键要素,其中,亲核试剂的亲核性无疑是核心考量之一。本篇内容我们详细探讨如何全面理解和评估亲核试剂的亲核性。

亲核试剂的亲核性是指其在反应过程中与亲电试剂结合的能力,具体表现为对电正性中心的亲合能力。要判断亲核试剂的亲核性的强弱,首先需要判断碱性和可极化性。

碱性

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我们知道,亲核试剂的碱性越强,其给电子能力也越强。因此,一般而言,亲核试剂的碱性越强其亲核性越强。

但这里需要注意的是,碱性,作为一个热力学的概念,主要衡量的是一个基团与H⁺结合的能力,这种能力往往决定了基团在溶液中的酸碱性质。而亲核性,则是一个动力学过程,它特指一个基团对电正性中心,尤其是碳原子的亲近与结合能力。

所以说碱性和亲核性并不是一个概念。只不过在特定的条件下两者的趋势是一致的。因此我们可以利用容易测得的碱性的数据来推测试剂的亲核性。

可极化性

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可极化性是指一个分子或离子在外加电场作用下发生极化变形的能力。简单的理解就是电子云的"变形能力",可极化性越强,其电子云“变形能力”越强,越有形成共价键的倾向,即亲核能力越强。

一般而言,成键原子的体积越大,电负性越小,原子核对成键电子的束缚越小,可极化性就越大。此外弱键的电子结合松散,比强键电子的可极化性大。最后,处于离域状态的电子运动范围大,比处于定域状态的电子更易极化。

判断方法

在了解这两个核心要素之后我们开始探讨判断亲核试剂的亲核性的方法。首先,我们需要比较不同亲核试剂的碱性与可极化性(这里我们以A、B、C、D举例)。

图 1

若碱性与可极化性结果是一致的(如图 1),即碱性A>B>C>D,且可极化性A>B>C>D,那么亲核性的大小为A>B>C>D。

图 2

若碱性与可极化性结果是不一致的(如图 2),即碱性A>B>C>D,而可极化性A<B<C<D,那么亲核性的大小该如何比较呢?此时我们需要引入第三个关键因素-溶剂。

在前面的文章中我们提到过,溶剂分为质子溶剂于偶极溶剂。在不同的溶剂下亲核试剂的亲核性是有所区别的。

在质子溶剂中,亲核试剂被密集的质子所包围,抑制了碱性的作用。在此情境下,溶剂的可极化性特性占据了主导地位,成为影响亲核性的关键因素。因此图2中I-,Br-,Cl-,F-若在质子溶剂中,亲核性I->Br->Cl->F-

而在偶极溶剂中,亲核试剂得以较为自由地裸露于溶剂环境中,此时碱性占主导地位。因此图2中I-,Br-,Cl-,F-若在偶极溶剂中,亲核性I-<Br-<Cl-<F-

此外,我们需要补充一点,空间位阻对亲核性也有很大的影响,位阻越大,亲核性越弱。

总结

综合上述分析,我们可以系统地总结出如何有效比较不同亲核试剂的亲核性强弱。

当碱性和可极化性所呈现的趋势相同时,我们能够直接地判断出亲核试剂的亲核性强弱。然而,当碱性和可极化性的顺序不一致时,我们需要引入溶剂这一关键因素进行分析。在质子溶剂中,可极化性往往成为影响反应的主导因素;而在偶极溶剂中,碱性则占据更重要的位置。

本文是个人对于相关知识的理解与总结,仅用于学习交流,欢迎各位小伙伴批评指正。

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