誘導效應Inductive Effect

有機化學的基礎197

1.      酸的酸性強弱，受到極性官能基的影響，極性官能基會誘導分子內的電子往某個方向集中。我們可以透過比較一系列結構類似的酸，看到拉動電子的官能基對「酸」的影響。

2.      舉例來說，我們可以從一連串丁酸的pKa值觀察到，陰電性的「氯」愈靠近酸的「羧基carboxyl group」，引出來的酸性愈強。

3.      比較四種丁酸的pKa與構造：4-氯丁酸4-chlorobutanoic acid、3-氯丁酸3-chlorobutanoic acid、2-氯丁酸2-chlorobutanoic acid、丁酸butanoic acid：

 

4.      陰電性原子（氯Cl）透過一連串σ鍵，把電子拉向自己。

 

5.      「誘導效應inductive effect」會極化一連串σ鍵，造成電子密度從酸基移往陰電性原子方向，因此穩定了去質子化後的「陰離子anion」。

6.      取代基吸電子的能力愈強，「羧基carboxyl group」的酸性就更強。

7.      例如「硝酸基－NO2」吸電子的能力比「氯」強，因此，「硝基乙酸nitroacetic acid／O2NCH2CO2H」的酸性比較強，pKa＝1.68，「氯乙酸 chloroacetic acid」的酸性較弱，pKa＝2.9。

8.      「誘導效應inductive effect」是透過化學鍵傳導的力量，因此，必須穿透的化學鍵愈少，誘導效應愈強。所以，陰電性元素愈靠近酸基，誘導效應愈強。

9.      更進一步地說，陰電性原子的數量愈多，吸電子的力量愈強，去質子化後的陰離子愈穩定。

10.  所以，酸性強度依序是：醋酸acetic acid＜單氯乙酸monochloroacetic acid＜二氯乙酸dichloroacetic acid＜三氯乙酸trichloroacetic acid。

11.  誘導效應，跟改變直接與「氫H」鍵結的原子「X」，造成的效果相比，力量非常小，但是卻非常重要。舉例來說，「三氯醋酸trichloroacetic acid」的酸性就比「單氯醋酸monochloroacetic acid」大10倍。

n   翻譯編寫 Marye Anne Fox, James K. Whitesell《Organic Chemistry》

徐弘毅：

1.      「誘導效應」影響酸性強弱的原因是，它穩定解離後的「陰離子／共軛鹼」。

2.      化學平衡是正反應與逆反應競爭的結果。正反應速率差不多的幾種酸，解離出來的質子濃度差不多，照理說酸性應該一樣，但是，因為「誘導效應」造成每種分子的逆反應速率不同，造成達到平衡之後的質子濃度差很大。

3.      「三氯醋酸trichloroacetic acid」的酸性比「單氯醋酸monochloroacetic acid」大10倍，這就是因為「誘導效應」，穩定了解離後的「三氯醋酸陰離子」，使得它不太需要再跟對手競爭「質子」，就能保持平衡，這樣一來，逆反應的速率大大減慢，因此酸性增加。

4.      但是，「單氯醋酸monochloroacetic acid」解離後的穩定度比較低，逆反應的速率較高，有一些「陰離子」與剛解離出去的「質子」復合，這樣一來就減少質子的濃度，降低酸性。

5.      「三氯醋酸trichloroacetic acid」質子濃度愈來愈高，「單氯醋酸monochloroacetic acid」的質子濃度卻停在一個位置不再增加了，隨著時間過去，二種酸的質子濃度差距拉大到10倍。「三氯醋酸」比「單氯醋酸」酸10倍。

6.      造成「誘導效應」的陰電性原子，可以看成是分子的引力重心，吸引所有電子往它的方向靠近或流動。陰電性原子就像地心引力，使得在地球上所有的東西都往下掉，水往低處流。

7.      所以一個外表中性的分子系統，並不是裡面每一個地方都中性，而是有些地方正電極性強一些，有些地方正電極性弱；正電極性強的位置，只要多吸一點電子靠近集中，調和之後，表現出來的性質就是中性。

8.      由於「三氯醋酸」分子系統中的電子，本來就深深受陰電性強的「氯」原子群吸引控制，「氫原子核」的引力對電子來說不太重要，因此，「氫原子核」脫離，對它們沒有太大的影響，解離後的「陰離子」自然保持較高的穩定度。

9.      依據萬有引力定律，1.引力的大小與距離平方成反比，2.與二個物體的質量乘積成正比。

公式：E=G(m1×m2)/R²。E：力量。G牛頓常數，固定的比例關係。m1、m2二個質點的質量。R距離。

10.  萬有引力定律的意思是，宇宙中二個互相吸引的星球（物體），1.距離愈長引力愈小，距離愈短引力愈大；2這二個星球的質量愈大，引力愈大，質量愈小，引力愈小。

11.  而分子系統內各原子彼此的引力關係，就像宇宙中每一個星球或星系彼此的引力關係。陰電性原子愈靠近酸基，彼此的距離愈短，原子對電子的引力愈大。

12.  這就是為什麼，教科書說：「誘導效應inductive effect」是透過化學鍵傳導的力量，因此，必須穿透的化學鍵愈少，誘導效應愈強。所以，陰電性元素愈靠近酸基，誘導效應愈強。

13.  另一方面，分子群的數量較多，加起來的總體質量較大，它們對電子的引力就更大。所以，「誘導效應inductive effect」的另一個原則是，陰電性原子的數量愈多，吸電子的力量愈強，去質子化後的陰離子愈穩定。