有機反應的溶劑Solvents for Organic Reactions

有機化學的基礎260

1.     溶劑，能透過許多管道改變有機反應。例如，「氯化第三丁基 t-butyl chloride」在水中轉變成「第三丁醇 t-butanol」。溶劑「水」不但是「溶劑」，同時扮演「反應物」的角色，這類反應稱為「水解反應solvolyses」。

2.     大部分的反應不會消耗掉「溶劑」，但「溶劑」在反應中扮演許多重要的角色。首先、「溶劑」能溶解「反應物」和「載體」，讓它們能夠彼此反應。第二、溶劑的選擇會影響反應路徑，或反應機制。第三、溶劑能控制反應溫度。

3.     選擇溶劑的標準是反應物的溶解度。要溶解像「氫氧化鈉NaOH」、「NaCN氰化鈉」、「NaN3疊氮化鈉」這類的「離子化合物」；最基本的，溶劑要把「離子」（溶質solvate）溶解成溶液。

4.     「質子性溶劑protic solvent」（水和醇）對「鹽類」（離子化合物）來說，是很好的溶劑，因為「質子」能與「陰離子」形成「氫鍵」，並且「氧」的「孤對電子」與「陽離子」互相吸引。

5.     「質子性溶劑」能促進「SN1反應」，因為「質子性溶劑」能穩定帶負電荷的「離去基」。

6.     而「無質子性溶劑aprotic solvents」促進SN2反應的理由則是相反的。因為「無質子性溶劑」不會穩定「陰離子」，它們對SN1反應不利，但有利於SN2反應路徑。

7.     許多「SN2」反應的「親核性試劑」，沒有辦法溶解於－像是「碳氫化合物 hydrocarbons」和「二氯甲烯 methylene chloride」－「非極性的無質子溶劑nonpolar aprotic solvents」，需要用「極性的無質子性溶劑」才能溶解。

8.     「極性的無質子性溶劑」，例如「二甲基亞碸DMSO」或「二甲基醯胺DMF」。這些溶劑透過分子上的「氧」與溶質交互作用，扮演「陽離子」穩定劑的作用，但不大會影響「陰離子」，因此，能讓「陰離子」自由地扮演「親核性試劑」的角色：

9.     像「四氫呋喃（THF）」這類「醇醚」，也有利於SN2反應。「環醚」的極性比「二甲基亞碸DMSO」和「二甲基醯胺DMF」更低，但仍有能力與「鉀金屬離子alkali metal ions」結合形成緊密的複合物complex。

10. 因為「環醚」在「烷基」的部分緊緊圈成一個環，環醚「氧」的「孤對電子」，比直鍊醚更容易與「陽離子」鍵結。

11. 「金屬陽離子」與「醚」互相吸引會減弱「金屬陽離子」和它的「反離子」之間的吸引力，「醚」具有更多我們想要的溶劑特性，在大多數的有機反應裡，「醚」比較不會跟反應物起反應。

12. 「溶劑」能控制反應溫度。大部分實驗室所進行的反應是散熱的，釋放熱能。大量的「溶劑」能減緩「散熱」反應造成的溫度上升。

13. 此外，反應的溫度會受限於溶劑的沸點（超過溶劑的沸點，溶劑就會蒸發帶走多餘的熱能）。基於種種理由，化學家會記憶背誦「常用有機溶劑的沸點」，因為蠻實用的。

n   翻譯編寫 Marye Anne Fox, James K. Whitesell《Organic Chemistry》

徐弘毅：

1.     SN2反應只有單一步驟，「載體」受到「親核性試劑」背側攻擊，「離去基」帶著「C－LG」的共價電子離開。

2.     因為SN2反應的「離去基」，是在「親核性試劑」撞擊下彈開的，依據慣性定律，「離去基」應該會筆直地朝向遠離「載體」的方向前進，直到碰撞上其他障礙物為止；因此，SN2反應的「離去基」，不容易回頭鍵結，反應不需要溶劑特別去穩定「離去基」。

3.     整個反應進行順利與否的關鍵是，「親核性試劑」能不能順利攻擊「載體」？反應物能不能順利跨越「過渡狀態」？

4.     非極性的「親核性試劑」與中性「載體」的SN2反應，在「極性溶劑」中進行得比較快。因為「極性溶劑」不會影響非極性的「親核性試劑」的活動力，卻能穩定帶負電荷的「過渡狀態」，使SN2反應順利進行。

5.     極性的「親核性試劑」與中性「載體」的SN2反應，在「非極性溶劑」中進行得比較快，在「極性溶劑」中進行得比較慢。因為「極性溶劑」會與極性的「親核性試劑」結合，阻礙SN2反應的進行。

6.     「無質子性溶劑aprotic solvents」能促進SN2反應是因為它不會與「陰離子」起反應，意思是「無質子性溶劑」不會吸引「親核性試劑」或「離去基」這些「陰離子」，所以它不會干擾反應的進行。

7.     許多「SN2」反應的「親核性試劑」，沒有辦法溶解於「非極性的無質子性溶劑」，需要用「極性的無質子性溶劑」才能溶解。

8.     有許多SN2反應的過度狀態具有「陽離子」的性質，需要「極性的無質子性溶劑」，像是DMSO或DMF來穩定；DMSO或DMF等溶劑透過分子上的「氧」與溶質交互作用，扮演「陽離子」穩定劑的作用。

9.     DMSO或DMF不會吐出「質子」，也沒有「正電極性」，因此不大會影響「陰離子」，能讓「陰離子」自由地扮演「親核性試劑」的角色。

10. SN1反應的【步驟1】：「載體」與「離去基」的化學鍵斷裂，會產生帶負電荷的「離去基」。【步驟2】：「親核性試劑」攻擊中間產物「碳陽離子」。【步驟3】：「親核性試劑」與「碳陽離子」結合成新的「產物」。速率決定步驟是【步驟1】。

11. 「質子性溶劑」能促進「SN1反應」，因為「質子性溶劑」能穩定帶負電荷的「離去基」。

12. 雖然「質子性溶劑」應該也會干擾「親核性試劑」，但是「離去基」被穩住，「碳陽離子」存在時間較長，更能增加「親核性試劑」攻擊的機會。

13. 此外，縱使「親核性試劑」稍微受一些干擾，但因為「親核性試劑」可以由兩側攻擊「碳陽離子中間產物」，仍然非常容易形成「產物」。