讯阳文艺网氟化氢的沸点
溶解（dissolution）和结晶（crystallization）是两个相反的物理变化过程，可以说是药物处方前研究最重要的两个概念。常规的溶解和结晶都是在溶剂中完成的，因此，溶剂的性质会对溶解和结晶过程产生很大影响。溶剂的种类非常多，常见的溶剂按官能团划分包括醇、酮、醚、酯、杂环等。不同的溶剂，其性质可以说千差万别。ICH对于溶剂残留的限度也有明确的指导意见。在结晶过程中，不合适的溶剂可能导致不能得到目标晶型、溶剂残留超标，甚至得到溶剂化物。而在溶解过程中，不合适的溶剂可能导致不能达到目标溶解度、化合物发生降解等问题。所以，对于溶剂性质以及它与溶质相互作用的理解可以指导实验中溶剂的选择。“相似相溶”是经常用到的一个溶解度判断依据，它的本质也可以用溶剂效应来解释。溶剂的选择除了对结晶和溶解过程有影响，在特定的情况下对化学反应也有很大影响。溶剂会使溶质分子的反应活性、自由能等发生变化。很多反应在气相中很难发生，但却可以在溶液中完成，而在溶液中反应速率又很大程度上取决于溶剂的种类。
常见的物质状态包括固态、液态、气态。较之于气态和结晶状态，液态是最复杂的。因为气体分子可以应用统计热力学，晶体可以用X射线单晶衍射或者粉末衍射进行研究。而液体中的分子一方面快速运动，同时分子间又保持相当的粘结性，无规则、迅速变化的液体结构需要用统计的方法才能研究，并且只有对结构非常简单的液体才可能得到较为满意的结果（当液体分子可以形成氢键，如质子性液体（proticliquid），情况就更为复杂）。
水是最常见的一种溶剂，它的三态（冰，水，水蒸气）也广泛存在于自然界中。人们已经对固态的冰有了深入的研究，发现其存在多种晶型现象。但是对于液态水的内部精细结构研究还在进行中。科学家们提出了多种结构模型，但都不能完美的解释水的物理化学性质以及一些反常的现象。下图展示的就是水的结构，水的多种存在形式与不同的结构区域表明液态水结构的复杂性。从图中我们可以看出，液态水中既存在水分子规则排列的区域（orderedregion），也存在水分子随机分布的区域（randombound water）。除此以外，也有单分子的水或者通过氢键连接在一起的聚集体分布在随机的空洞（randomholes）、晶格空位（latticevacancies）或者笼（cages）中。相比于人们对液态水结构性质的掌握，对于其它溶剂的理解则更加缺失。不过，通过对溶剂微观结构和宏观性质的总结，仍有一些理论或者经验可以借鉴使用。
1. 溶液形成过程
溶液是溶剂（solvent）和溶质（solute）通过混合形成的均质液体。如果溶解的过程是自发地发生的，那么它必然伴随着自由能的减少，即ΔGsol<0。为了更好地理解溶解的过程，我们可以设想把溶剂化过程分解成几步，其中各步的能量变化如下图所示。
(a) 在溶剂中产生一个cavity或space（减少溶剂-溶剂相互作用）
(b) 将一溶质分子从大块的溶质中分开（减少溶质-溶质的作用力）
(c) 将溶质分子插入cavity的焓变（产生溶质-溶剂的相互作用力，即溶剂化）
(d) 混合溶质和溶剂的熵变
其中(a), (b)两项均使得自由能增加，它们和溶剂、溶质各自的蒸气热有关。这两项必须被(c)项平衡。如果溶剂和溶质化学性质类似，则(a), (b)的作用力大小与(c)相当，那么溶解度就大。而如果溶剂和溶质化学性质相差较大，则 (c)项所需要的能量比较大，溶解度也就较低。
2. 溶剂化作用
溶剂化（Solvation）描述的是溶剂和溶质之间的相互作用。它们之间的作用会影响溶质的很多性质，包括溶解度、反应性、颜色等等。溶剂化同样对溶剂的性质也有影响，包括黏度和密度等。溶剂化作用发生时，离子会被溶剂的同心壳层（concentricshell of solvent）所包围。溶剂化就是溶质和溶剂分子再重构形成溶剂化复合物的过程。如下图所示，氯化钠溶解到水中时，水分子形成壳状，围绕在钠离子附近。水中带有电负性的氧原子以电负性被吸引到钠离子上。氯离子带负电，会吸引水分子中带正电的氢原子。根据离子的电荷，可以形成不同分子厚度的壳状物。溶质被水溶剂化称之为水合作用（hydration）。固体物质的溶解度取决于晶格能和溶剂化之间的竞争。
从上面氯化钠的例子中我们也可以看出，溶剂化的本质还是分子间作用力。分子间作用力包括氢键（hydrogenbonding）、离子偶极作用（ion-dipoleinteractions）、范德华力（van derWaals forces）。其中范德华力包括偶极-偶极作用（dipole-dipole interaction）, 偶极诱导偶极作用（dipole-induced dipole interaction）, 诱导偶极-诱导偶极作用（induceddipole-induced dipole interaction）。溶解过程中发生哪种作用取决于溶剂和溶质分子的结构与它们的性质。溶剂的极性是决定溶剂化程度最重要的因素。极性分子有分子偶极矩，意味着溶剂分子的一部分具有更高的电子云分布。具有更多电子云分布的部位就带有负电荷。关于分子间作用力在以往的文章中已有较为详细的介绍，这边不再赘述。
极性溶剂分子可以溶剂化极性溶质和离子，因为它们可以通过静电作用使分子中带电部分朝向溶质分子，就如上面氯化钠溶解于水的例子。这可以使得体系稳定并在每个溶剂分子四周形成一个溶剂化的壳层结构（solvationshell），如果溶剂是水的话，这个壳层结构就称之为水合层（hydrationshell）。和溶质颗粒直接接触的溶剂分子与其它分子相比通常更难排列，这个区域称之为群聚区（cybotactic region）。极性溶剂通常具有高的介电常数。极性溶剂可以用于溶解无机物和离子化合物，例如盐。非极性溶剂不能溶剂化离子，离子是以离子对的形式存在的。
3. 影响溶剂性质的因素
1）极性
表示非定向（non-specific）的吸引和排斥力，具有静电作用的性质。在离子的或者极性的溶质和溶剂之间，具有这种相互作用的溶剂称为极性溶剂，溶剂能够溶剂化和稳定电荷的能力称为极性（polarity）。溶剂的偶极矩并不能反映它的溶剂化能力，因为溶剂化作用与溶剂、溶质的形状、大小（即立体因素）密切相关。例如，DMSO可以使正离子溶剂化而不能使负子最大程度地溶剂化。下表列举了一些常用溶剂的相对极性。从表中可以看出，在所有溶剂中水的极性是最大的，而环己烷、正己烷和庚烷是非极性的，极性指数为0。
溶剂的极性与溶剂分子结构相关，所以和分子中的官能团有很大关联。下表所示的是不同官能团对极性的影响。
溶剂的极性与溶剂分子的偶极矩有关，但是偶极矩并不能完全反映它的溶剂化能力，因为溶剂化作用还和溶剂以及溶质分子的形状、大小密切相关。例如，典型的非质子性极性溶剂DMSO可以有效地使正离子溶剂化，但是由于立体因素它溶剂化负离子的能力很弱，从而导致DMSO中的负离子具有很高的活性。
偶极矩与分子长轴一致的分子能很好地溶解离子，因为可以有数个溶剂分子同时接近离子；而当偶极矩沿着短轴时，溶剂化作用就不是十分有效，因为难以使几个溶剂分子同时接近离子。
“相似相溶原理”（Like Dissolves Like），具体含义是：微粒结构相似的溶质和溶剂间容易相溶；反之，则相溶困难。碘和白磷分子都是非极性分子，因此它们易溶于非极性的溶剂，如四氯化碳、二硫化碳等有机溶剂，而不易溶于带有极性的水；食盐、烧碱等离子化合物；氯化氢、氨等极性共价分子，它们都易溶于带有极性的水，而不易溶于非极性的有机溶剂。液体间的溶解性也是如此：植物油、矿物油等非极性或极性很小的分子，易溶于有机溶剂，而油、水互不相溶；酒精和水的相似之处在于分子间都存在着氢键，因此它们之间可以任意比例互溶。
对于气体和固体溶质来说，“相似相溶”也适用。对于结构相似的一类气体，沸点愈高，它的分子间力愈大，就愈接近于液体，因此在液体中的溶解度也愈大。如O2的沸点(90K)高于H2的沸点(20 K)，所以O2在水中的溶解度大于H2的溶解度。对于结构相似的一类固体溶质，其熔点愈低，则其分子间作用力愈小，也就愈接近于液体，因此在液体中的溶解度也愈大。
2）可极性化（polarizability）
这种作用是溶质、溶剂接近以后，通过各自的电场相互诱导形成的临时的偶极矩所产生的相互吸引。它是衡量一个分子内的电子云分布受外界电场作用下的变化，它用于评价非专一性相互作用（London, Dispersion Forces）（伦敦力，色散力）。色散力较弱，只有在非极性溶剂中当其他的溶剂化力较小时才会变得重要。
3）氢键（hydrogen bonding）
氢键对于溶剂的性质有很大影响。例如水和甲醇能够形成氢键，它们能够以任意比例互溶。实验可知四种酸的沸点顺序为：HF>HI>HBr>HCl，这是因为HI、HBr、HCl均属于分子晶体。从碘到氯原子核内的质子数减少，分子间的范德华力减小，从碘化氢到氯化氢的沸点依次减小。氟化氢的液体中由于氢键的存在，要打破氢键所消耗的能量很大，所以氟化氢的沸点最大。如果溶质和溶剂间能够形成氢键，则溶剂化效应较强，溶解度较大。
4）供体-受体相互作用（donor-acceptorinteraction）
供体-受体相互作用可以认为是供体分子和受体分子之间的电荷转移，但没有形成新的化学键。有机供体，例如tetrakis(dimethylamino)ethylene(TDAE)等不饱和氨基化合物和有机受体如具有吸电子基团的富勒烯（fullerenes）等。它们之间的相互作用使它们形成电荷转移复合物（charge-transfercomplex）。溶剂和溶质分子也可能是供体和受体的关系，它们之间产生作用后即会对溶解产生影响。
5)离子成对(ion pairs)
在极性较低的溶剂中，离子在很大程度上缔合成对，因为离子的反应活性受其附近电荷相反离子的影响很大，所以离子对现象对于理解许多有机反应是十分重要的。通常情况下离子对会减弱其中离子的反应活性，因此，设法削弱离子成对是增加离子反应活性的方法。
4. 溶剂分类
溶剂可以有多种分类方式，下图所示的是其中一种。首先分为极性和非极性溶剂，其中极性溶剂又可以分为质子溶剂和非质子溶剂。
a. 极性质子溶剂：
有供给H+的功能，大的偶极矩和能形成氢键，如水、醇、未完全取代的酰胺、羧酸
b. 极性非质子溶剂
有大的偶极矩、可作为氢键受体，没有酸性质子，如二甲亚砜、腈、N,N-二取代酰胺、酮
c. 非极性非质子溶剂
很小的偶极矩、没有氢键受/给体性质，如烃、卤代烃、酯
5. 相关概念
（1）偶极矩（dipolemoment）
偶极矩是正、负电荷中心间的距离和电荷中心所带电量的乘积，它是一个矢量，方向规定为从正电中心指向负电中心，用符号μ表示，单位为D（德拜）。从偶极矩的定义中我们可以知道，偶极矩是一个矢量，所以和分子的空间结构相关。例如下图的二氧化碳，虽然C=O是极性键，但由于CO2是完全对称结构，正负电荷中心距离为0（正负电荷中心重合），所以整个分子偶极矩也为0。水分子中的O-H键是极性键，虽然左右对称，但正负电荷中心并不重合，所以偶极矩不为0。
偶极矩在评价溶剂分子带有电荷或者偶极矩的溶质分子周围聚集状况时很重要。溶剂和溶质分子间相互作用的大小取决于溶剂和溶质分子偶极矩、分子的形状及大小。形成溶剂化层将伴随着放热（ΔH<0）、有序程度增加（ΔS<0）。
（2）介电常数(permittivity constant)
一种介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱外加的电场，这种削弱外加电场的能力可以用介电常数ε来衡量。通过测定溶剂对带相反电荷电极板间的电场的影响（即电极板的电容量），可得到该溶剂的介电常数，它和真空的介电常数的比值即为常用的相对介电常数(relative permittivity)，或简称介电常数。
介电常数是一个宏观的参数，它反映出溶剂屏蔽静电作用的能力。介电常数越大，说明这个溶剂越能够有效地屏蔽离子和偶极子两端的吸引和排斥作用，溶剂化作用越大。有大的分子偶极矩、分子可极化性，有氢键授/受体性质的溶剂具有大的介电常数。下表是一些常见溶剂的偶极性和介电常数。
(cm3×1024)
(Debye)
