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K_H、K_D ，反应物SH和S’H的分离系数用φ和φ’代替，那么K_H/K_D可以写成：

我们可以看出：氘代溶剂中反应的平衡常数K_D可以用普通溶液中的反应的平衡常数K_H和分离系数φ、φ‘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K_H/K_D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K_H/K_D=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S_N1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K_H，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k_R。同样的反应发生在重水中也是这么设(分别为K_D，k_R)。下面来看看是怎么用分离系数表示出k_H/k_D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（k_R）不涉及同位素效应，又因为k_H = K_H × k_R 、k_D = K_D × k_R，所以可以用K_H/K_D表示同位素效应k_H/k_D。接下来我们代入分离系数φ求解k_H/k_D。

k_H/k_D = 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k_H。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k_D。

动力同位素效果（KIE）k_H/k_D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k_H/k_D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.

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