酸鹼與予體-受體化學

軟硬酸鹼(HSAB)原理(hard-soft acid-base principle)

/ H-S-A-B; 'aitch-ess-ay-bee' /

路易斯酸鹼理論告訴你金屬離子會抓住一對孤對電子,卻不告訴你當幾種給體同時在場時它會偏愛哪一個。為什麼銀(I)緊抓硫和碘,卻對氟不屑一顧,而鋁(III)恰好相反?拉爾夫·皮爾遜(Ralph Pearson)的軟硬酸鹼原理用一句出奇有預測力的口號回答了它:硬偏愛硬,軟偏愛軟。

把路易斯酸鹼按兩種秉性分類。硬的物種小、緊湊、電荷高、不易極化——電子雲被牢牢握住。硬酸:H+、Li+、Na+、Mg2+、Al3+、高氧化態的前過渡金屬。硬鹼:F-、OH-、O2-、NH3,以及氮、氧給體。軟的物種大、彌散、電荷低或為零、易極化——電子雲軟乎乎的。軟酸:Ag+、Hg2+、Pd2+、Pt2+、Cu+、Au+。軟鹼:I-、S2-、R3P、CN-、CO,以及重而易極化的給體。原理說穩定的組合是硬配硬(把鍵看作大體上是離子型的,電荷吸引電荷)和軟配軟(把鍵看作大體上是共價型的,軌道交疊好、彼此極化好)。軟硬錯配則給出較弱、較不穩定的鍵。這是一條植根於離子性與共價性匹配、以及 HOMO-LUMO 能級匹配的趨勢,而非精確計算。

HSAB 在無機和生物無機化學中處處證明自己的價值。它解釋了礦石為何如此分布(軟的汞、鎘、銅、銀以硫化物出現;硬的鎂、鋁、鈣以氧化物、碳酸鹽、矽酸鹽出現——地球化學按軟硬分類),解釋了兩可配體為何通過這個原子而非那個原子配位(硫氰酸根 SCN- 對軟金屬通過軟的硫配位、對硬金屬則通過較硬的氮配位),解釋了 Hg2+、Cd2+ 這類軟金屬毒物為何攻擊蛋白質中軟的硫位點,也指導了螯合療法配體的設計(用軟給體去俘獲軟的有毒金屬)。它還能合理化那個著名反應 LiI + CsF 生成 LiF + CsI:硬的 Li+ 最終配硬的 F-,偏軟的 Cs+ 配軟的 I-。

銀(I)是軟酸,生成難溶的 AgI,並熱衷於結合 CN- 和硫醚,但 AgF 易溶,銀對硬的 F- 幾乎沒有親和力。硬的鋁(III)恰好相反:AlF3 牢固,而 Al-I 鍵很弱。硬配硬、軟配軟者勝;錯配者敗。

軟的 Ag+ 偏愛軟的 I-/S;硬的 Al3+ 偏愛硬的 F-/O。軟硬匹配可預測溶解度與穩定性。

軟和硬是相對的,不是絕對的,這條原理是有用的經驗法則,而非嚴格定律——電荷和大小仍然重要,一根強但錯配的鍵仍可能勝過一根弱但匹配的鍵。不要用 HSAB 去推翻一個明確的穩定常數。

又稱
Pearson's principlehard and soft acids and bases皮尔逊原理皮爾遜原理