酸鹼與予體-受體化學

路易斯酸鹼定義(Lewis acid-base definition)

/ LOO-iss /

布朗斯特-勞里把酸性釘在質子上——可是許多聞起來分明就是酸鹼化學的反應,根本沒有質子參與。當 BF3 氣體遇到氨,它們瞬間結合成固體 F3B-NH3,多出一根嶄新的鍵,卻沒有任何 H+ 移動。為了抓住這一點,吉爾伯特·路易斯(Gilbert Lewis,同在1923年)更深入一層:拋開質子,盯住電子對。路易斯鹼是給出一對孤對電子的物種;路易斯酸是接受這對電子的物種。它們結合時形成一根共價鍵,而這根鍵的兩個電子都來自鹼。

這把酸性重新定義為對電子的渴望,把鹼性定義為給出孤對電子的能力。路易斯酸需要有地方放進來的電子對——一個低能空軌道(LUMO)。BF3 合格,因為硼只有六個價電子,還有一個空的 p 軌道;金屬陽離子如 Al3+、Fe3+、Cu2+ 也合格,因為它們有渴求電子密度的空軌道。路易斯鹼需要一對可供給出的孤對電子(一個高能 HOMO)——氨、水、氟離子、一氧化碳、膦。布朗斯特的質子本身只是一種特殊的、極小的路易斯酸:H+ 有一個空的 1s 軌道,所以當氨把孤對給 H+ 時就得到 NH4+。每個布朗斯特鹼都是路易斯鹼;路易斯的思路只是不要求酸必須是質子。

這是整個無機化學中最普適、最有用的定義。整個配位化學就是路易斯酸鹼化學:金屬離子(路易斯酸)接受配體(路易斯鹼)的孤對電子來搭建配合物。金屬中心的催化作用、缺電子的硼鋁化合物的行為、溶劑效應、以及軟硬酸鹼原理,全都建立在這個基礎上。路易斯酸與鹼的產物叫做加合物,給出的那對電子則形成一根配位(授受)鍵。

BF3 + NH3 得 F3B-NH3。氨(路易斯鹼)把氮上的孤對電子給入硼的空 p 軌道(BF3,路易斯酸)。形成一根新的 B-N 配位鍵;沒有質子移動。同樣的邏輯解釋了 Fe3+ 接受六個水分子的孤對而生成 [Fe(H2O)6]3+。

一個沒有質子的酸鹼反應:鹼給出孤對電子,酸用空軌道接受。

每個布朗斯特酸鹼反應都能改寫成路易斯說法,反之不行——BF3 + NH3 是一個無法用布朗斯特描述的路易斯酸鹼反應。路易斯是更寬的範疇;質子只是一種非常常見的路易斯酸。

又稱
electron-pair definition电子对理论電子對理論