季铵化反应中的溶剂效应

季铵化反应中的溶剂效应蒋波詹晓力*陈丰秋(浙江大学化学工程与生物工程系杭州 310027)摘要季铵化反应是一类重要的S N2亲核取代反应，溶剂对该反应的影响很显著。

本文综述了近年来季铵化反应中溶剂效应的研究进展，介绍了季铵化反应速率的经验关联式、Abraham提出的季铵化反应过渡态理论，以及量子化学和分子模拟在季铵化反应的溶剂效应研究中的应用，并讨论了不同研究方法取得的结果和存在的问题。

关键词季铵化溶剂效应热力学从头计算法Advances in Solvent Effect of QuaternarizationJiang Bo, Zhan Xiaoli*, Chen Fengqiu(Department of Chemical and Biochemical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027)Abstract Quaternarization is an important S N2 nucleophilic substitution reaction; solvent has remarkable effect on it. The recent advances in solvent effect of quaternarization were summarized. We emphasized on the empirical correlation of quaternarization reaction rate, quaternarization transition state theory proposed by Abraham, quantum chemistry and molecular simulation which were implied to study the solvent effect quantitatively. The results acquired by different methods and problems were discussed.Key words Quaternarization, Solvent Effect, Thermodynamics, Ab initio method在季铵化反应中随着反应的进行，中性的反应物逐渐生成了离子型的产物季铵盐R1R2R3R4NX[1]，其产物季铵盐根据结构的不同有很多用途：当R1=C n C2n+1(n≥12)，R2=R3=R4=CH3时，可以用作阳离子型表面活性剂；当R1=Bz，R2=R3=R4=C n C2n+1(n=2～4)，或R1=R2=R3=R4=C4H9时，可以用作相转移催化剂[2]；R1=R2=R3=R4=C n C2n+1(n≤4)时可以用作支持电解质[3]；R1= (OCH3)3Si(CH2)3，R2=R3=CH3, R4=C n C2n+1 (n≥12)时可以用作织物抗菌整理剂[4]，等。

影响季铵化反应的因素有反应物的结构、溶剂、反应温度等，其中溶剂对季铵化反应的影响很显著，因为季铵化反应表现出独特的对溶剂的依赖性 [5]。

所以随后出现了许多不同季铵化反应体系中溶剂效应的研究报道，但并没有文献对季铵化反应中的溶剂效应进行系统的归纳。

本文综述了季铵化反应中溶剂效应的研究历程，即从最初的经验关联式到现在从分子模拟的角度进行研究。

1 溶剂效应的早期研究Menschutkin[6]首次系统地研究了溶剂对季铵化反应速率的影响，他以三乙胺和乙基碘的季铵化反应为研究对象，发现在不同种类的溶剂中季铵化反应速率差别显著，溶剂极性越大季铵化反应速率越快，在丙酮中的反应速率是己烷中的1000倍。

为了表彰他对季铵化反应研究的贡献，此后把季铵化反应也称作Menschutkin反应。

1.1 溶剂效应的经验性研究蒋波男，27岁，博士生，现从事高分子合成与表征。

*联系人，E-mail: xlzhan@2005-10-07收稿，2006-01-18接受Menschutkin 发表第一篇关于季铵化中溶剂效应研究的文章之后，溶剂对季铵化反应的影响就成为研究的一个热点，许多研究者试图去解释为什么在不同溶剂中季铵化反应速率有显著差别。

起初，研究者把季铵化反应速率常数与溶剂的物理性质参数，如介电常数ε、偶极矩μ、溶度参数δH 等关联，希望得出一个广泛的关联式，来解释甚至预测不同溶剂对季铵化反应的影响。

Grimm 等[7]在很广的溶剂介电常数范围内研究了季铵化反应速率常数，但没有给出关于速率常数和溶剂介电常数之间的关联式；Raymond 等[8~11]在详细研究了吡啶及其衍生物的季铵化反应后认为溶剂介电常数越高，季铵化反应速度越快；Eagle 等[12]在水-醇混合溶剂中给出了反应速率常数与溶剂介电常数的定量关系；Kosower 等[13]则在醇溶剂中给出了反应速率常数与反应的频率因子Z 之间的确定关系，并以lg K 对Z 作图得到一条直线；Kerr 等[14]关联了反应速率常数与偶极矩的关系，但并不太成功；Wang 等[15]认为溶度参数对季铵化反应速率有影响，以ln K 2对δH 作图，两者呈线性关系；Nrvrcna 等[16]认为对季铵化反应速度影响大的是溶剂的相对介电常数和相对折射率。

虽然上述研究者提出了众多经验性关联式，但是没有一个可以很好地解释所有溶剂中的季铵化反应速率的差别，因此认为不能仅仅用一个溶剂参数来解释溶剂效应[17]。

Glasstone 等[18]提出了一个比较成功的关联介电常数和反应速率常数的方程(式(1))：∑+−++−−=RT r r r KT K K ϕμμμεε)(1211ln ln 3*2*3B 2B 3A 2A 02 (1) 式中K 2为在溶剂2中的反应速率常数，K 0是介电常数ε=1时的速率常数，μA 、μB 、μ*为反应物A 、B 和过渡态的偶极矩，r A 、r B 、r *为反应物A 、B 和过渡态的半径，φ是非静电力的贡献，这个方程被称作Kirkwood 方程。

Glasstone 等没有用溶剂的某一种性质来关联反应速率常数，而是选择了某一种性质的函数来关联速率常数，认为非静电力对季铵化反应的影响可以忽略，用静电力(以介电常数表示)完全可以解释季铵化反应中的溶剂效应，并且成功用于二元混合溶剂中许多季铵化反应[19]。

但是后来有人认为Kirkwood 方程不具有普遍意义。

Wanatabe 等[20]用这个方程研究了在五种高介电常数的溶剂中丁基溴与吡啶、四甲基吡啶的反应，发现忽略非静电力项φ不合适,因为若上述方程正确，当溶剂介电常数高于30时，应该对反应有相同的影响,但实验并非如此。

同时他们还注意到了一些例外：丁基溴和吡啶的反应速率常数在四氢噻吩砜(ε=42)中是在碳酸异丙烯酯(ε=65)中的两倍，这些结果不能用静电力来解释，他们把这种在四氢噻吩砜中速率常数的增高归因为依赖于分子结构的短程力的影响。

Kirkwood 方程也不能解释芳香族溶剂中的季铵化反应。

Reinheimer 等[1]以苯、氯苯、溴苯、碘苯为溶剂，考察了低介电常数的芳香族溶剂中的季铵化反应，发现季铵化反应速率常数随苯环上取代基可极化性的降低而降低，以反应速率对溶剂取代基的可极化度作图得到一条直线。

说明在芳香族溶剂中溶剂可极化程度是影响季铵化反应速率的重要因素。

Caldin 等 [21]也从他们的实验中得出了类似的结论。

Kirkwood 方程的成功之处在于提出了溶剂静电力(以介电常数表示)对季铵化反应影响的确切关系式，这个因素在某些溶剂的季铵化反应中的确起到了很大的作用，因此也可以解释一些溶剂对季铵化反应的影响。

不足之处是仅仅考虑了溶剂静电力的影响，而忽略了溶剂的其它效应。

所以对于某些溶剂中的季铵化反应而言，用这个方程依然不能解释。

Auriel 等[22]用Drougard 等[23]提出的溶剂活度参数半定量地研究了杂环化合物和卤代苯的季铵化反应，他们认为溶剂对反应的影响除了溶剂的物理性质以外，还可以通过与反应物之间相互作用来影响，所以用这个参数来解释溶剂效应要优于用单一溶剂物理参数来解释，发现脂肪族非质子型溶剂可以得到很好的解释，而芳香族溶剂、脂肪族质子型溶剂却不能。

Goncalves 等[24]认为溶剂与反应物之间的相互作用力是造成季铵化反应中溶剂效应的主要原因，并以此来解释溶剂对季铵化反应的影响。

他们提出经验的TAKA 方程(式(2))。

2H 432*10δβαπa a a a a P ++++= (2)式中P 代表反应活性，π*、α、β分别为极性/可极化度参数、质子给予参数、质子接受参数，δH 2为溶剂内聚能密度，a 0～a 4为回归系数，用相关分析法得出了五个回归系数，回归系数的大小反应了不同相互作用的强弱，发现在季铵化反应中溶剂-反应物之间的静电力作用(用极性参数表示)对反应的影响很大，而氢键的影响不大，同时还认为溶剂的重排对季铵化反应的影响也很明显。

他们还提出用目标因子分析(Target Factor Analysis)的方法可以更好地分析溶剂-反应物之间的相互作用，并且不用事先假设溶剂-反应物相互作用的类型。

以上试图通过关联反应速率常数与溶剂的某一、两种物理性质或者物理性质的函数来找到一个具有普遍意义的经验性关联式，但是并没有一个关联式能解释所有的溶剂对季铵化反应的影响。

因为溶剂对季铵化反应速度常数的影响涉及氢键、静电力、非静电力，在不同溶剂中其中之一将占主导，不可能只用一个溶剂物理性质代表所有溶剂的溶剂效应，比如在芳香族溶剂中，非静电力的影响很重要，在极性非质子型溶剂中静电力的影响很重要[20]。

1.2 溶剂效应的热力学研究由于反应速率常数与溶剂物理参数的关联式不能很好地解释季铵化反应中的溶剂效应，研究者们开始考虑从热力学角度来解释溶剂的影响，其中以Abraham 的贡献最大。

受到Halban 等[25]关于溶剂对速率常数的影响不能仅仅由溶剂对反应物的影响来解释的启发，Haberfield 等[26]把溶剂对季铵化反应的影响分为对初始态和过渡态的影响，从反应焓的角度出发计算了吡啶与对硝基苄氯反应的过渡态焓值，发现在非质子型溶剂中焓值比较低，认为是由于过渡态的溶剂化造成的，过渡态对反应的影响要大于初始态对反应的影响。

但是季铵化反应速率与焓值联系不大，而与Gibbs 自由能联系紧密，于是Abraham 等[27]按照Haberfield 的思想同样把溶剂对季铵化反应的影响分为初始态和过渡态的影响，见式(3)。

≠≠Δ−Δ+Δ=Δ∑12θθ)Reactant ()Tr (G G G G t t (3)式中)Y (θt G Δ表示把Y 从溶剂1转移到溶剂2的标准自由能变化，Tr 代表转移，≠ΔG 为反应的过渡态Gibbs 自由能变化。