化学部落~~格格

溶剂的同位素效应solvent isotope effect

译自Chem-Station网站日本版 原文链接:溶媒の同位体効果 solvent isotope effect
翻译:炸鸡

什么是溶剂的同位素效应?(solvent isotope effect)

溶剂的同位素效应是指使用被同位素(尤其是氢的同位素)标记的溶剂时显现出的同位素效应。

在化学研究中为了能用NMR等手段观察分子的化学性质或化学反应的进行状态,经常会用重水(D2O)或氘代甲醇(CD3OD)溶解分子(前提是分子可溶于水或甲醇)。当分子在重水(D2O)或氘代甲醇(CD3OD)中,原本的化学性质或反应特性可能会发生极大的改变。

  • 例1: 羧酸的酸解离度

羧酸在D2O中的酸度系数要比在H2O中的要小,酸解离度下降到了原来的二分之一。

  • 例2: 特殊酸催化剂催化的酯的水解
    由特殊酸催化剂(H3O+)催化的酯的水解的反应在D2O中的反应速度要比在H2O中的要快一倍逆同位素效应

怎么理解溶剂同位素效应

以上两个就是溶剂同位素效应的具体例子。和被同位素替换的分子的动力同位素效应相比,溶剂的同位素效应并不是特别为人熟知,但质子性重溶剂中,溶剂的同位素效应会更显著,这一点要注意。用氘代溶剂会比用其他同位素标记的分子省去很多麻烦,所以经常利用溶剂同位素效应来分析反应机理。

本篇记事参考了教科书[1],以前平衡的逆同位素效应为中心,介绍溶剂的同位素效应。

从分离系数上理解

有一个活泼氢的分子(反应物)SH和作为氘代溶剂的醇ROD进行同位素交换反应,当反应达到平衡时,有如下反应方程式。

(注:式子中的SH和SD中的S是反应物Substrate的缩写S,并非表示硫元素。)

分离系数φ可以用上式左右两边的物质的浓度来表示。例如[SD] 表示物质SD的浓度。

分离系数可以通过实验来测得,所以通过测定分离系数的值可以准确预测出同位素效应。分离系数的大小与分子和可交换氢之间的键的类型有关。可以依据键的类型大致预估分离系数的大小(下图)[1]

根据分离系数的大小,可以解释同位素效应和预测同位素效应的发生。

从反应平衡上理解

例1

如果反应物SH生成另一种反应物S’H的反应有反应平衡,那么可以假定把SH的活泼氢替换成氘原子而得到的SD也会拥有同样的反应平衡。

氘代前和氘代后的反应的平衡常数分别设为KHKD ,反应物SH和S’H的分离系数用φ和φ’代替,那么KH/KD可以写成:

我们可以看出:氘代溶剂中反应的平衡常数KD可以用普通溶液中的反应的平衡常数KH和分离系数φφ‘来表示。

仅仅通过数值计算我们可以做出如下预测:羧酸在重水D2O中的解离平衡常数比在普通水中的小,解离平衡常数减半。

为什么能做出上述的预测呢?下面以醋酸 (CH3CO2H)为例,思考下面的反应平衡。

非氘代反应和氘代反应的平衡常数用各物质的浓度来表示。

例2

我们可以得到KH/KD的大小,然后代入各个物质的分离系数,就得到以下等式。

(这里要注意:H2O要变成D2O需要替换两次氘原子(HDO, H2O),所以有两个分离系数,H3O+ 要变成D3O+ ,需要替换三次氘原子(D3O+, HD2O+, H2DO+),所以有三个分离系数。)

这里补充一个小知识:当酸的解离度很小的时候,解离度约与平衡常数K的平方根成正比,所以KH/KD=3.4可以推出酸在普通水中的解离度/酸在重水中的解离度=√3.4≈1.8(是重水中的解离度的近乎两倍)。如果把羧酸换成醇ROH同样也会有类似的结果[2]

特殊酸催化剂(H3O+)催化的酯水解反应在重水D2O中的速度是普通水H2O中的两倍(逆同位素效应)。

以SN1型的加水分解(比如苯甲酸乙酯)为例。水解反应分为两个阶段:第一阶段为质子化平衡反应,设这段反应的平衡常数为KH,第二阶段为质子化体的分解反应,是决速步,设这段反应的速率常数为kR。同样的反应发生在重水中也是这么设(分别为KDkR)。下面来看看是怎么用分离系数表示出kH/kD的比值,这个比值表示氘代前反应的总速率与氘代后反应的总速率的比值,同时也标志着着同位素效应的强弱。

加课: 怎么理解动力学同位素效应

第一步的平衡常数可以用下式表示。

决速阶段(kR)不涉及同位素效应,又因为kH = KH × kRkD = KD × kR,所以可以用KH/KD表示同位素效应kH/kD。接下来我们代入分离系数φ求解kH/kD

kH/kD = 0.48,可以得知在重水中的酯水解反应速度是普通水中的约两倍(逆同位素效应)。

四级铵盐在碱性条件下进行的Hofmann消除反应,在重水中观察到速率比普通水中快7倍,这也可以用类似的方法解释[3]

另一方面,在没有第一步的平衡反应(即前平衡)的情况下,质子化作为反应的决速步骤时,一级同位素效应会起到重要作用,这会导致在重水中反应速率变慢。使用羧酸作为催化剂进行的乙烯醚水解反应(通常是酸催化反应)就是一个很好的例子[1]

参考文献

以上两个例子都是包含平衡阶段的反应的的同位素效应,但有时反应不仅仅要考虑平衡阶段的同位素效应,还要考虑动力学阶段和决速阶段的动力同位素效应(Kinetic Isotope Effect, KIE)。反应物 SH (starting material, sm)经过过渡态 TS(H)(transition state, ts)变成生成物 PH (product, pd)。设这个反应的反应速率常数为kH。氘代反应物SD同样经过过渡态TS(D)变成PD,反应速率常数设为kD

动力同位素效果(KIE)kH/kD可以用下面式子表示。反应物和生成物的分离系数可以通过测量得到,但过渡态的分离系数无法测得,所以过渡态的分离系数φ(ts)暂且用加权平均数来近似。(∏代表无穷乘积。x 代表过渡态接近生成物的程度(0~1)。)

需要考虑动力学同位素效应的场景有:分子(反应物)有易于与溶剂进行交换的质子(醇类的OH、酰胺的NH或活性亚甲基),催化剂里有可以被氘代的质子,氘代溶剂直接参与反应等。当反应的决速步涉及质子交换时,把反应溶剂换成氘代溶剂几乎都会减慢反应速度,但当反应的前一阶段为平衡反应时,会出现例2中那样的逆同位素效应,所以要格外注意kH/kD的计算值。

  1. 野依良治ほか編「大学院講義有機化学I(第一版)」東京化学同人, 1999.(第二版では詳細は削除)
  2. Albery, J. (1975). Solvent Isotope Effects. In: Caldin, E., Gold, V. (eds) Proton-Transfer Reactions. Springer, Boston, MA. https://doi.org/10.1007/978-1-4899-3013-2_9
  3. Clayden, Greeves, Warren, Organic Chemistry, 2nd eds. Oxford University Press, Chap 39, 2001.

本文版权属于 Chem-Station化学空间, 欢迎点击按钮分享,未经许可,谢绝转载.

Related post

  1. 高效全合成Ingenol
  2. Itami APEX反应 (一)
  3. 在创药开发上频繁使用到的有机反应
  4. 螺旋不对称守恒原理(一)
  5. 有機化合物の日本語名称12
  6. 有機化合物の日本語名称7
  7. 生物电子等排体 Bioisostere
  8. 螺旋不对称守恒原理(二)

Comment

  1. No comments yet.

  1. No trackbacks yet.

You must be logged in to post a comment.

Pick UP!

微信

QQ

广告专区

PAGE TOP