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同一瓶叔丁醇钾,换个溶剂就成"超强碱":聊一聊 tBuOK/DMSO 体系背后的化学逻辑

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基于我们对酸碱性的解读,相信大家对于什么样的碱,能攫取什么样的质子都有大概得谱了:

今天要聊的是一个异常情况,相信很多合成人都有这样的疑问:叔丁醇钾(tBuOK)明明是一种"碱性适中"的碱(共轭酸叔丁醇在水中 pKa 约 18)可当它被溶解在二甲基亚砜(DMSO)里,pKa却高达32,逼近LDA,能做一堆之前因为"碱力不够"才却能做的事。

所以这是因为什么呢?我们今天试图分析一下:

第一是"裸碱" 效应

在质子性溶剂(水、醇)里,负离子被氢键网络层层包裹,负电荷被分散,碱性被大幅削弱。


DMSO 是极性非质子溶剂:它的偶极矩高达 3.96 D、介电常数约 47,硫氧偶极能强烈溶剂化钾离子等正离子;但它的氢全部连在碳上,无法作为氢键给体与负离子作用。于是 t-BuO⁻ 的负电荷几乎裸露在外——文献里有个形象的说法,叫"裸负离子"(来自A. J. Parker 1962 年在 Quarterly Reviews上的经典综述)。


基于这种推断,往 t-BuOK/DMSO 体系里加 ,把 K⁺ 络合走,负离子能裸露得更彻底,碱性还能再上一个台阶(有看到确实有文献这么做)。

总之,我们要记住的是pKa 是"溶剂依赖"的,千万不要拿某个碱水中pKa硬套在其他溶剂中,判断一种碱能不能夺走某个质子,看的是酸碱平衡的位置,而平衡常数取决于溶剂。同一化合物在不同溶剂中的 pKa 可以相差十几到几十个单位。

物种

pKa(水中)

pKa(DMSO 中)

叔丁醇

≈ 18

≈ 32.2

15.7

≈ 31.4

DMSO 自身

≈ 35.1

第二是体系里还会生成"更碱的碱"

根据我们之前的分享:pKa+5的化合物的氢。

在如下平衡中:

tBuO⁻ + CH₃SOCH₃ ⇌ tBuOH + CH₃SOCH₂⁻(dimsyl )

虽然 DMSO(pKa ≈ 35)比叔丁醇(≈ 32)酸性更弱,这个平衡偏向左边;但只要 tBuO⁻ 足量,dimsyl 负离子就会持续以一定浓度存在,且dimsyl 是碳负离子型超强碱,一旦生成即参与反应并被消耗,拉动平衡右移。这解释了为什么 tBuOK/DMSO 体系有时会表现出碳负离子型反应性(如某些缩合、烷基化),而不只是氧碱的行为。

注:dimsyl 化学的奠基工作是 Corey 与 Chaykovsky 1965 年在 JACS 上的系列论文(后来以 Corey–Chaykovsky 反应之名写进了教科书)。


所以严格地说,tBuOK/DMSO 里用的从来不是"一种碱",而是 tBuO⁻ 与 dimsyl 钾的混合碱。

如果要更深入一点的话,tBuOK/DMSO 这个体系在最近十几年,在"碱"之上更近了一步——它还是电子给体。

2008 年,Itami 课题组首次报告芳基碘与吡啶在 tBuOK作用下的无金属偶联,在无过渡金属的芳基偶联里,它成为了单电子转移(SET)的发起者。


Org. Lett.2008, 10, 4673

2016 年,斯特拉斯克莱德大学 Murphy 与 Tuttle 课题组 在JACS上撰文《KOtBu: A Privileged Reagent for Electron Transfer Reactions?》给出了单电子转移(SET)进行的模式:

  • 大多数情况下,电子并非直接来自 tBuO⁻,而是来自原位生成的有机电子给体——其中就包括tBuOK 与 DMSO 反应生成的 dimsyl 负离子;

  • 钾盐碱性比钠盐、锂盐更强,根源在金属–氧键的差异;

  • 仅当受体底物的还原电位接近tBuOK 的氧化电位时(如四溴甲烷),才可能发生直接的电子转移。


    J. Am. Chem. Soc.2016, 138, 7402–7410

换句话说,t-BuOK/DMSO 的"超强"不仅体现在热力学的碱度上,还通过 dimsyl 等物种打开了电子转移化学的大门——这是它一瓶试剂能同时干碱和"还原剂"两份活的深层原因。

注:DMSO 偶极矩 3.96 D、介电常数 ≈ 47、Gutmann 给体数 29.8,取自物性手册与化学品资料库。

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