1963年美国的r.g.皮尔逊在研究配合物稳定性的基础上把路易斯酸碱系统地划分为软、硬和交界三大类,提出了“硬亲硬,软亲软,硬软交界不分亲近”的规则,简称shab(soft and hard acidsand bases)原则。即,硬酸优先和硬碱结合成稳定的化合物,软酸优先和软碱结合成稳定的化合物,而软酸和硬碱、软碱和硬酸都不能生成稳定化合物,至于交界酸碱,不论对方是软或硬,所生成的酸碱配合物稳定性差别不大。
作为电子对接受体的路易斯酸中,受电子原子体积小,正电荷高,极化率低,电负性高,不易变形,即对外层电子吸引力很强的称为硬酸;反之,受电子原子体积大,正电荷低,极化率高,电负性低,易变形,即对外层电子吸引力弱的称为软酸;介于两者之间的为交界酸。作为电子对给予体的路易斯碱中,给电子原子极化率低,电负性高,难氧化,不易变形,即对外层电子吸引力强的称为硬碱;反之,给电子原子极化率高,电负性低,易氧化,易变形,即对外层电子吸引力弱的称为软碱,介于两者之间的称为交界碱
这个规则不但能说明多种化学现象,能解释不少过去不能解释的问题,而且还能预测某些反应的规律。主要有以下几方面:
①说明化合物稳定性h+为硬酸,ho+为软酸,f-为硬碱,i-为软碱,氟化氢是硬-硬结合,次碘酸hoi是软-软结合所以稳定;而碘化氢和次氟酸hof都是软-硬匹配,因而稳定性差或不能稳定存在。酸碱双取代反应,总是以稳定的硬-硬和软-软加合物取代两个较不稳定的软硬不相匹配的酸碱加合物。自然界中硬金属镁、钙、锶、钡、铝等多与硬碱形成氧化物、氟化物、碳酸盐、硫酸盐等;而软金属铜、银、金、锌、铅、汞、钴、镍等则多与软碱s2-形成硫化物。
②说明溶解度相似相溶实质是硬溶质易溶于硬溶剂,软溶质易溶于软溶剂。硬-硬结合的离子型物质和极性化合物易溶于硬溶剂水;而非极性有机物(软溶质)易溶于苯(软溶剂)。③金属的电极电势若金属离子是硬酸,则较易与硬碱(水)结合,金属的电极电势偏高;若金属离子是软酸,与水结合力较弱,金属的电极电势偏低。
④说明类聚现象软配体趋向于使酸、碱变软,而硬配体趋向于使硬性增强。例如,f-为硬配体,h-为软配体,故bf3为硬酸,bh3为软酸,当它们与醚加合时,醚r2o是硬碱,硫醚r2s是软碱。所以,h3b∶sr2和f3b∶or2稳定,而h3b∶or2和f3b∶sr2不稳定。这种软——软或硬——硬相聚合的趋势称为类聚效应。
⑤异性双基配体与酸结合scn-,secn-,ocn-,cn-,cno-,s2o2-3都为异性双基配体。配位原子氧和氮属硬碱配体,亲硬酸;碳、硫和硒属软碱配体,亲软酸。所以硬酸皆与氧或氮原子键合;软酸皆与碳、硫和硒原子成键。例如,fe3+为硬酸与ncs-配位成〔fe(ncs)2〕+而不是〔fe(scn)2〕+,ag+是软酸与scn-配位成〔ag(scn)2〕-。
⑥加合反应的热效应硬酸和硬碱与水硬溶剂有强烈水合作用,硬酸与硬碱加合时要把离子周围的水化层去掉,需吸收能量,热效应一般吸热或放少量热;而软酸和软碱水合作用微弱,酸碱反应时主要是两者加合成键,故为放热,软度越高,放热越多。如:al3++f-→〔alf〕2+为硬酸硬碱结合,其δh为4.6kjmol-1;而hg2++br-→〔hgbr〕+为软酸软碱结合,其δh为42.7kjmol-1;
⑦取代反应的速率不论亲核取代还是亲电取代,凡是硬-硬取代产物或软-软取代产物的反应皆很迅速。例如,ch+3为软酸,rs-为软碱,而ro-为硬碱,ch+3与rs-取代反应的速率常数比ch+3与ro-取代反应的要大100倍。
⑧催化反应可说明许多催化剂的作用机理,例如,苯的烷基化可用三氯化铝催化,因为三氯化铝是硬酸,可与氯代烷中的硬碱cl-配合使其中软酸烷基成为正离子r+,从而对软碱苯核的反应性增大。再如,软金属催化剂铂、镍等可吸附软碱,对不饱和烃加氢起催化作用。若气体中有磷、砷、硫等软碱杂质时,这些杂质能吸附在金属表面,形成极稳定的软-软加合物,而使催化剂中毒。
shab规则是个简单而又易掌握的规则,它还可用于萃取剂选择的研究、生物体内微量元素生理作用的研究、常温下固氮的研究等。但是,它没有定量或半定量的标准,还是个定性规则,而且对某些问题的解释还有与事实不符合的。