三卤化硼路易斯酸(BF3、BCl3)
/ BOR-on TRY-HAL-ide /
想象一个分子四处走动,桌边总空着一个座位,永远在邀请客人坐下。三卤化硼 BF3、BCl3、BBr3 正是如此:小巧、扁平、贪电子的分子,渴求一对孤对电子。它们是你会遇到的最干净的路易斯酸(电子对受体)范例之一。
在三卤化硼 BX3 中,硼与三个卤素键合成平面三角形、键角 120 度,使硼只有六个价电子,还有一个完全空着、垂直于平面竖起的 p 轨道。那个空轨道就是那把空座椅:任何带孤对电子的物种(氨、醚、氟离子)都能把电子给进去,形成加合物,硼由此变为四配位、四面体,例如 F3B-NH3 或 [BF4]-。有趣的是,路易斯酸性并不简单地随电负性走:BF3 比 BCl3、BBr3 更弱,因为在 BF3 中小小的氟的孤对电子会反向给进硼的空 p 轨道(π 反馈键),部分满足了它;较重的卤素与硼重叠不佳,让 p 轨道更空,于是酸性更强。
这些分子作为实用的催化剂和试剂而重要。BF3(常以其二乙醚配合物形式使用)通过活化羰基、生成阳离子来催化许多有机反应;BCl3 和 BBr3 能断裂醚键,并用于半导体加工。它们是路易斯酸碱理论、空轨道图景,以及 π 反馈键在调节酸性中出人意料作用的教科书锚点。它们也具腐蚀性,在潮湿空气中冒烟(水解成硼酸和卤化氢),因此须小心处理。
BF3 与氨反应生成加合物 F3B-NH3:氮的孤对电子落入硼的空 p 轨道,硼由 sp2(平面)重新杂化为 sp3(四面体),原本缺电子的硼现在有了完整的八隅体。
用给体的孤对电子填满硼的空轨道,会让它从平面 sp2 翻转为四面体 sp3。
一个自然的猜测是:既然氟电负性最强,BF3 就该是三卤化硼里最强的酸。事实恰恰相反:B-F 的 π 反馈键部分缓解了硼的饥饿,因此路易斯酸性的顺序其实是 BF3 < BCl3 < BBr3。