軟硬酸堿理論及在合成中應用

科學家在研究親核反應時發現某些親電中心如RCO⁺、H⁺等很容易和某些不易極化的試劑如F^-、OH^-等反應，而另一些親電中心如R⁺、Br⁺等很容易和一些易極化的試劑如I^-、CN^-等反應，故提出了酸堿的硬度和軟度的概念。因為有機物也是可以被作為酸堿兩部分來處理，一旦將酸堿分為軟硬兩部分，便出現了一條簡單的規則：既硬酸優先和硬堿結合，軟酸優先和軟堿結合。

酸堿的硬度或軟度的特點可定性的表述如下：
硬酸：具有較高的正電荷，親電中心原子較小，一般外層沒有孤電子對，用分子軌道理論描述是最低未占軌道(LUMO的能量高。常見的硬酸如RCO⁺、H⁺、堿金屬和堿土金屬正離子、Al³⁺、Fe³⁺、BF₃等。
軟酸：具有較低的正電荷，親電中心原子較大，一般外層有孤電子對，LUMO的能量較低。常見的軟酸如過度金屬離子Cu⁺、Ag⁺、I₂、Br₂、RC⁺、BF₃ 和卡賓等。
硬堿：親核中心電負性強，極化度低，難被氧化，吸附外層電子的能力較強；用分子軌道理論描述是最高已占軌道(HOMO)的能量較低。常見的硬堿如F^-、OH^-、AcO^-、Cl^-、CO₃^2-、SO₄^2-、NO₃^-、RO^-、ROH、RNH₂、NH₃ 等。
軟堿：親核中心電負性弱，極化度大，易被氧化，吸附外層電子的能力較弱；HOMO的能量較高。常見的軟堿如I^-、CN^-、SR^-、H^-、R₂S、CO、(RO)₃P 等。

 

但軟度和硬度劃分並不嚴格，不少酸堿可以納入交界類型。一般同周期中的元素從左到右如CH₃^-、NH₂^-、OH^-、F^-硬度增加；同族元素從上到下F^-、Cl^-、Br^-、I^-硬度減小；同一試劑一般講電負性較大的原子為硬端，如^-CN中N 端為硬端而C端為軟端。對親電中心，中心部位的電正性越強越硬，RCO⁺比RC⁺硬；不同的鹵代烴中，鹵素電負性越大，它連接的碳越硬；此外同一原子軟硬度也不是固定不變的，隨其電荷數改變而改變如SO₄^2-為硬堿，S₂O₄^2-為軟堿，SO₃^2-為交界堿。

 

軟硬酸堿理論最大的成就在於應用。它能說明和解釋許多化學現象，在溶解度規律、配體選擇，絡合化學方麵均有很好應用。如BF₃是硬酸、BH₃是軟酸、BMe₃是交界酸、BF₃易和硬堿結合，如BF₃·Et₂O，而BH₃易和軟堿結合，如BH₃·SMe₂；這主要是軟堿可以使與它結合的酸軟化，同樣硬堿可以使與它結合的酸硬化。這種硬-硬，軟-軟的群集現象也稱為類聚作用。對我們來說它最大應用價值在合成反應的選擇性方麵。

這是因為：酮在堿性條件下易發生烯醇互變異構，同一試劑一般講電負性較大的原子為硬端，故O為硬端而C端為軟端；而Et⁺與CF₃SO₂⁺比為軟酸，根據軟硬酸堿理論，Et⁺更容易與C 端結合、而CF₃SO₂⁺更容易與O 端結合。

這是因為：酰胺易發生互變異構，同一試劑一般講電負性較大的原子為硬端，故O為硬端而N端為軟端；MeI中I^-為軟堿，而e₂SO₄中的SO₄^2-為硬堿，根據軟堿可以使與它結合的酸軟化，同樣硬堿可以使與它結合的酸硬化，故MeI中的Me⁺與Me₂SO₄中Me⁺比為軟酸，根據軟硬酸堿理論，MeI中的Me⁺容易與N端結合、而Me₂SO₄中比Me⁺更容易與O端結合。

這是因為：對於親電中心，中心部位的電正性越強越硬，RCO⁺比RC⁺硬；PhS^-為軟堿，而EtO^-為硬堿，根據軟硬酸堿理論，PhS^-中容易與RC⁺結合、而EtO^-更容易與RCO⁺結合。上述隻是軟硬酸堿理論在合成反應的選擇性中的一部分；如果我們掌握其理論，將為我們以後的學習工作帶來極大的幫助。