Lewis syrer og baser

En Lewis syre er et kjemisk stoff som inneholder en tom orbital som er i stand til å akseptere et elektronpar fra en Lewis base for å danne et Lewis-addisjonsprodukt. En Lewis base er et hvilken som helst kjemisk stoff som har en fylt bane som inneholder et elektronpar som ikke er involvert i binding, men som kan danne en dativbinding med en Lewis syre for å danne et Lewis-addisjonsprodukt. For eksempel er NH₃ en Lewis base, fordi den kan donere sitt frie elektronpar. Trimetylboran (Me₃B) er en Lewis syre da den er i stand til å akseptere et fritt elektronpar.

I et Lewis-addisjonsprodukt deler Lewis syren og basen et elektronpar donert av Lewis basen og danner en dativbinding. I sammenheng med den kjemiske reaksjonen mellom NH₃ og Me₃B, vil det frie elektronparet fra NH₃ danne en dativbinding med den tomme banen til Me₃B for å danne et addukt NH₃ • BMe₃. Terminologien refererer til bidragene fra Gilbert N. Lewis.

Diagram over noen Lewis-baser og syrer

Begrepene nukleofil og elektrofil er mer eller mindre utskiftbare med henholdsvis Lewis base og Lewis syre. Imidlertid understreker disse uttrykkene, spesielt deres abstrakte substantiv, nukleofilisitet og elektrofilisitet, det kinetiske aspektet av reaktivitet, mens Lewis basiteten og Lewis surheten understreker det termodynamiske aspektet av dannelsen av addisjonsprodukter fra Lewis.

Beskrivelsen av addisjonsproduktet

I mange tilfeller er interaksjonen mellom Lewis basen og Lewis syren i et kompleks indikert av en pil som indikerer Lewis basen som donerer elektroner mot Lewis syren ved å bruke notasjonen av en dativbinding - for eksempel Me₃B←NH₃. Noen kilder indikerer Lewis basen med et par prikker (de eksplisitte elektronene som blir donert), som tillater konsistent representasjon av overgangen fra selve basen til komplekset med syren:

Me₃B + :NH₃ → Me₃B:NH₃

En midtpunkt kan også brukes til å representere et Lewis-addukt, slik som Me₃B•NH₃. Et annet eksempel er bortrifluoriddietyleterat, BF₃•Et₂O.

Eksempler

Store strukturelle endringer følger bindingen av Lewis basen til Lewis syren BF₃

Klassisk er begrepet "Lewis syre" begrenset til trigonale plane specier med en tom p-orbital, slik som BR₃ hvor R kan være en organisk substituent eller et halogenid. For eksempel blir til og med komplekse forbindelser som Et₃Al₂Cl₃ og AlCl₃ behandlet som et triagonaltplanar Lewis syrer. Metallioner som Na +, Mg2 + og Ce3 +, som alltid er kompleksbundet med ytterligere ligander, er ofte kilder til koordinativt umettede addisjonsprodukter som danner Lewis-addisjonsprodukter ved reaksjon med en Lewis base.

Andre reaksjoner kan ganske enkelt refereres til som "syrekatalyserte" reaksjoner. Noen forbindelser, slik som H₂O, er både en Lewis syrer og en Lewis baser, fordi de enten kan akseptere et elektronpar eller donere et elektronpar, avhengig av reaksjonen.

Lewis syrer er mangfoldige. Enkleste er de som reagerer direkte med en Lewis base. Men mer vanlige er de som gjennomgår en reaksjon før de danner addisjonsprodukter.

Enkle Lewis syrer

Noen av de mest studerte eksemplene på slike Lewis syrer er bor-trihalogenider og organoboraner, men andre forbindelser viser denne oppførselen:

BF₃ + F⁻ → BF₄⁻

I dette addisjonsproduktet er alle fire fluorsentrene (eller mer nøyaktig, ligandene) ekvivalente.

BF₃ + OMe₂ → BF₃OMe₂

Både BF₄⁻ og BF₃OMe₂ er Lewis base-addisjonsprodukter av bortrifluorid.

I mange tilfeller bryter addisjonsproduktene oktettregelen, for eksempel triiodidanionen:

I₂ + I⁻ → I₃⁻

Variasjonen i fargene på jodløsningene gjenspeiler løsemidlets evner til å danne addisjonsprodukter med Lewis syren I₂.

I noen tilfeller er Lewis syren i stand til å binde to Lewis baser, et kjent eksempel er dannelsen av heksafluorsilikat:

SiF₄ + 2 F⁻ → SiF₆²⁻

Komplekse Lewis syrer

De fleste forbindelser som anses å være Lewis syrer krever et aktiveringstrinn før dannelsen av addisjonsproduktet med Lewis basen. Velkjente tilfeller er aluminiumtrihalogenidene, som blir sett på som Lewis syrer. Aluminiumtrihalogenider, i motsetning til bortrihalogenider, eksisterer ikke i formen AlX₃, men som aggregater og polymerer som må nedbrytes av Lewis basen. Et enklere tilfelle er dannelsen av addisjonsprodukter av boran. Monomeret BH₃ eksisterer ikke naturlig, så addisjonsproduktene av boran genereres ved nedbrytning av diboran:

B₂H₆ + 2 H⁻ → 2 BH₄⁻

I dette tilfellet kan en intermediatet B₂H₇⁻ isoleres.

Mange metallkomplekser fungerer som Lewis syrer, men vanligvis bare etter å ha dissosiert en mer svakt bundet Lewis base, ofte vann.

[Mg(H₂O)₆]²⁺ + 6 NH₃ → [Mg(NH₃)₆]²⁺ + 6 H₂O

H⁺ som en Lewis syre

Protonet (H⁺) er en av de sterkeste, men er også en av de mest kompliserte Lewis syrene. Det er konvensjon å ignorere det faktum at et proton er sterkt solvatisert (bundet til løsemiddel). Med denne forenklingen i tankene kan syre-basereaksjoner sees på som dannelsen av addisjonsproduktene:

• H⁺ + NH₃ → NH₄⁺
• H⁺ + OH⁻ → H₂O

Lewis baser

En Lewis base er et atom- eller molekyl der den høyest okkuperte molekylære orbitalen (HOMO) er høyt lokalisert. Typiske Lewis baser er konvensjonelle aminer slik som ammoniakk og alkylaminer. Andre vanlige Lewis baser inkluderer pyridin og dets derivater. Noen av hovedklassene i Lewis baser er:

• Aminer med formelen NH_{3 − x}R_x hvor R = alkyl eller aryl. Beslektet med disse er pyridin og dets derivater.
• Fosfiner med formelen PR_{3 − x}A_x, hvor R = alkyl, A = aryl.
• Forbindelser av O, S, Se og Te i oksidasjonstilstand -2, inkludert vann, etere, ketoner.

De vanligste Lewis basene er anioner. Styrken til Lewis basen korrelerer med pK_a til foreldresyren: syrer med høye pK_a-er gir gode Lewis baser. Som vanlig har en svakere syre en sterkere konjugert base.

Eksempler på Lewis baser basert på den generelle definisjonen av elektronpar-donor inkluderer:

• Enkle anioner, slik som H⁻ og F⁻
• Andre specier med frie elektronpar, slik som H₂O, NH₃, HO⁻ og CH₃⁻
• Komplekse anioner, som sulfat
• Elektronrike π-system Lewis baser, som etyn, eten og benzen.