溶媒効果

酸または塩基のイオン化平衡は、溶媒の変化によって影響を受ける。溶媒の影響は、酸性度や塩基性度だけでなく、誘電率や、酸塩基平衡において特定の物質を優先的に溶媒和して安定化させる能力にも起因する。したがって、溶媒和能力や誘電率の変化は、酸性度や塩基性度に影響を与える可能性がある。

上記の表から、水が最も極性の高い溶媒であり、次いでDMSO、そしてアセトニトリルであることがわかる。次の酸解離平衡について考えてみよう。

HA ⇌ A ⁻ + H ⁺

上記に挙げた溶媒の中で最も極性が高い水は、DMSOやアセトニトリルよりもイオン化種をより安定化させます。イオン化、ひいては酸性度は、水中で最大となり、DMSOやアセトニトリルでは最小となります。これは、アセトニトリル（ACN） ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}、ジメチルスルホキシド（DMSO）^{[ 5 ]} 、および水の25 ℃におけるpKa値を_{示す以下の表からもわかります。} 

多くのカルボニル化合物はケト-エノール互変異性を示す。この効果は、水素結合エノールを形成できる1,3-ジカルボニル化合物において特に顕著である。平衡定数は溶媒の極性に依存し、低極性ではシス-エノール型が、高極性ではジケト型が優勢となる。シス-エノール型で形成される分子内水素結合は、溶媒との分子間水素結合の競合がない場合に顕著になる。その結果、水素結合に容易に関与しない低極性溶媒は、分子内水素結合によるシス-エノール型の安定化を可能にする。

溶媒は、遷移状態理論に基づいて説明できる平衡溶媒効果を通じて反応速度に影響を与える可能性があります。本質的に、反応速度は、溶媒による出発物質と遷移状態の溶媒和の差によって影響を受けます。反応物分子が遷移状態に進むと、溶媒分子は遷移状態を安定化するように配向します。遷移状態が出発物質よりも安定化されている場合、反応はより速く進行します。出発物質が遷移状態よりも安定化されている場合、反応はより遅く進行します。しかし、このような溶媒和の差には、溶媒の迅速な再配向緩和（遷移状態の配向から基底状態の配向への復帰）が必要です。したがって、平衡溶媒効果は、鋭い障壁を持ち、弱い双極性で迅速に緩和する溶媒を持つ反応で観察されます。^{[ 6 ]}

平衡仮説は、遷移状態理論が破綻するような非常に速い化学反応には当てはまりません。強い双極性を持つ、ゆっくりと緩和する溶媒が関与するこのような場合、遷移状態の溶媒和は反応速度に大きな影響を与えません。代わりに、溶媒の動的な寄与（摩擦、密度、内部圧力、粘度など）が反応速度に大きな影響を与えます。^{[ 6 ] [ 9 ]}

溶媒が脱離反応および求核置換反応に及ぼす影響は、もともとイギリスの化学者エドワード・D・ヒューズとクリストファー・ケルク・インゴールドによって研究された。^{[ 10 ]}イオンまたは双極子分子と溶媒との間の純粋な静電相互作用のみを考慮した単純な溶媒和モデルを用いて、初期状態および遷移状態におけるすべての求核反応および脱離反応は、異なる電荷タイプ（中性、正電荷、または負電荷）に分類された。^{[ 6 ]} ヒューズとインゴールドは、これらの状況で予想される溶媒和の程度について、いくつかの仮定を立てた。

• 電荷の大きさが増加すると、溶媒和が増加する。
• 非局在化が進むと溶媒和は減少する
• 電荷の喪失は電荷の分散よりも溶媒和を低下させる^{[ 6 ]}

これらの一般的な仮定がもたらす影響を、以下の例で示します。

• 溶媒の極性が増加すると、中性またはわずかに帯電した反応物から活性錯体に電荷が生じる反応の速度が加速される。
• 溶媒の極性が増加すると、反応速度が低下する。これは、活性錯体の電荷が出発物質に比べて少ないためである。
• 反応物と活性錯体の電荷にほとんど差がない場合、溶媒の極性の変化は反応速度にほとんど、あるいは全く影響を与えない。^{[ 6 ]}

置換反応で使用される溶媒は、本質的に求核剤の求核性を決定します。この事実は、気相でより多くの反応が行われるにつれてますます明らかになっています。^{[ 11 ]} そのため、溶媒条件は反応のパフォーマンスに大きく影響し、特定の溶媒条件は、ある反応機構を別の反応機構よりも優先します。SN1反応の場合_、溶媒が中間体カルボカチオンを安定化する能力は、適切な溶媒としての実現可能性に直接的に重要です。極性溶媒が_SN1反応の速度を増加させる能力は、極性溶媒が反応中間体種、すなわちカルボカチオンを溶媒和し、それによって出発物質に対する中間体のエネルギーを低下させることの結果です。次の表は、_tert-ブチルクロリドと酢酸（CH3CO2H _）、メタノール（CH3OH ）、および水（H2O _）との相対的な加溶媒分解速度を示し_{ています。}

S _N 2 反応の場合、状況は全く異なり、求核剤の溶媒和がないことで S _N 2 反応の速度が上昇します。どちらの場合 (S _N 1 または S _{N 2) も、遷移状態を安定化する (S N} 1) か、反応物出発物質を不安定化させる (S _N 2)能力は、_活性化ΔG ^‡を低下させ、それによって反応速度を上昇させる働きをします。この関係は、ΔG = –RT ln K (ギブズ自由エネルギー) の式に従います。S _N 2 反応の速度式は、求核剤と試薬の両方に対して一次となる二分子反応です。S _N 2 反応機構と S _N 1 反応機構の両方が実行可能となる決定要因は、求核剤の強さです。求核性と塩基性は関連しており、分子の求核性が高くなるほど、その求核剤の塩基性も高くなります。この塩基性の増加は、溶媒がプロトン性の場合、S _N 2 反応機構に問題を引き起こします。 プロトン性溶媒は、塩基性の良い強い求核剤と酸塩基的に反応し、求核剤の求核性を低下または除去します。次の表は、1-ブロモブタンとアジド（N ₃ ^{– ）の}_SN 2反応の相対反応速度に対する溶媒極性の影響を示しています。プロトン性溶媒から非プロトン性溶媒に変更すると、反応速度が著しく増加します。この違いは、プロトン性溶媒（非プロトン性溶媒ではない）と強い求核剤との間の酸塩基反応に起因します。立体効果も相対反応速度に影響を与えることは事実ですが、^{[ 12 ]} _SN 2反応速度に対する溶媒極性の原理の実証のために、立体効果は無視できます。

右側は_SN1反応と_SN2反応の比較です。左側は_{SN1反応の座標図です。極性溶媒反応条件ではΔG} ^‡_活性化が減少していることに注目してください。これは、極性溶媒が非極性溶媒条件よりもカルボカチオン中間体の形成をより安定化させるという事実から生じます。これはΔEa、ΔΔG‡活性化で明らかです。右側はSN2反応の座標図です。非極性_溶媒反応^条件_では_ΔG ^‡_活性化が減少していることに注目してください。極性溶媒は、求核剤の負電荷を溶媒和することで、非極性溶媒条件よりも反応物をより安定化させ、求電子剤との反応を阻害します。

荷電した遷移金属錯体（カチオンまたはアニオン）が関与する反応は、特に極性媒体において、溶媒和によって劇的に影響を受ける。化学変換中に金属種の電荷が変化すると、ポテンシャルエネルギー面（活性化エネルギーと相対安定性）に30～50 kcal/molもの変化が生じると計算されている。^{[ 13 ]}

多くのフリーラジカルに基づく合成では、反応速度を低下させ、計画された反応が望ましくない経路をたどる原因となる大きな速度論的溶媒効果が見られる。^{[ 14 ]}