水合反應(yīng)水合作用

有機(jī)不飽和烯烴酸催化的水合作用

酸催化水合反應(yīng)中，一般使用稀硫酸進(jìn)行催化，處理烯烴可合成醇，遵循馬爾科夫尼科夫規(guī)則（Markovnikov's rule），反應(yīng)屬于親電加成，產(chǎn)生碳正離子中間體（SN2），可為任意一級(jí)碳正離子，反應(yīng)過(guò)程中，如形成的碳正離子不穩(wěn)定（例如一級(jí)碳正離子），電子或基團(tuán)會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移，形成更加穩(wěn)定的碳正離子作為中間體。因?yàn)樵谒?，烯烴與醇化物存在化學(xué)反應(yīng)平衡，所以該反應(yīng)可逆。

如右圖所示，電子和功能團(tuán)的轉(zhuǎn)移，趨向生成三級(jí)碳正離子。

水合反應(yīng)總公式可表示為：

反應(yīng)中，親電的氫用于斷裂雙鍵，使產(chǎn)生碳正離子。

酸催化下，反應(yīng)原理如下：

酸催化水合反應(yīng)溫度控制

因?yàn)樗戏磻?yīng)與脫水反應(yīng)存在化學(xué)平衡，脫水反應(yīng)在較高溫度下有優(yōu)先性，于是水合反應(yīng)當(dāng)盡量控制在稍低的溫度，以免平衡逆向。根據(jù)產(chǎn)物不同，反應(yīng)控制的溫度也不同。

1. 一級(jí)碳正離子：低于170攝氏度

2. 二級(jí)碳正離子：低于100攝氏度

3. 三級(jí)碳正離子：低于25攝氏度

酸催化水合反應(yīng)相對(duì)速率

有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)速率往往與反應(yīng)中間碳穩(wěn)定性相關(guān)，穩(wěn)定性越高，反應(yīng)速率相對(duì)越高。

在酸催化水合反應(yīng)中，可形成三級(jí)碳正離子中間體的反應(yīng)物往往反應(yīng)最快，其次則是二級(jí)碳正離子，再其次則是一級(jí)碳正離子，如前文所言，一級(jí)碳正離子由于其能量過(guò)高，甚至?xí)o(wú)法形成。

形成碳正離子的步驟，是水合反應(yīng)中的速率決定性步驟，而形成三級(jí)碳正離子的速率可以是形成二級(jí)碳正離子的百倍，中間體穩(wěn)定的重要性對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響可見(jiàn)一斑。

金屬離子之水合反應(yīng)情形

Na nH₂O → [Na(H₂O)_n]

Al₃ 6H₂O → [Al(H₂O)₆]³ → [H₃O] [Al(H₂O)₅OH]²

PCl₃ 6H₂O → H₃PO₃ 3H₃O 3Cl^-

溶質(zhì)的分子或離子與溶劑的分子相結(jié)合的作用稱為溶劑化作用。對(duì)于水溶液來(lái)說(shuō)，這種作用稱為水合作用。

如無(wú)水硫酸銅與水作用生成五水硫酸銅：CuSO₄ 5H₂O=CuSO₄˙5H₂O

有機(jī)化學(xué)中指分子中的不飽和鍵（雙鍵或三鍵）在催化劑作用下與水化合的作用。如乙烯與水在一定溫度、壓力和催化劑的條件下，發(fā)生反應(yīng)生成乙醇：

CH₂=CH₂ H₂O=CH₃CH₂OH

在美容化妝品的產(chǎn)品宣傳中，經(jīng)常看到“水合作用”的提法，例：某款產(chǎn)品含某種成份能提升肌膚細(xì)胞的水合作用。那么，什么是細(xì)胞間的水合作用？

我們都知道細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，細(xì)胞的外層是一種生物膜，稱為細(xì)胞膜，屬于半透膜（或稱選擇透過(guò)性），它既能使細(xì)胞維持穩(wěn)定代謝的胞內(nèi)環(huán)境，又能調(diào)節(jié)和選擇物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞。

細(xì)胞吸收的重要介質(zhì)是水，任何細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)元素的攝入都首先要溶于水中，或水解成細(xì)胞可吸收的大小，然后通過(guò)濃度擴(kuò)散的方式通過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞體內(nèi)，這個(gè)過(guò)程就是“水合作用”。

水合過(guò)程在有機(jī)化工中的最早應(yīng)用是1913年在德國(guó)用乙炔水合制乙醛。當(dāng)前在工業(yè)中的主要應(yīng)用有以下四方面：

①烯烴水合　制備醇類的重要方法，在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用的是乙烯水合制乙醇以及丙烯水合制異丙醇：

根據(jù)馬爾科夫尼科夫規(guī)則,只有乙烯水合可生成伯醇,其他烯烴水合均只能生成仲醇或叔醇。烯烴水合有直接水合和間接水合兩種方法。間接水合法是先用硫酸吸收烯烴成為硫酸酯，后者再進(jìn)行水解。這是較老的生產(chǎn)方法，現(xiàn)已為直接水合法所取代。直接水合法采用酸性催化劑（見(jiàn)酸堿催化劑），如用載于硅藻土上的磷酸催化劑、氧化鎢、磷鎢酸以及強(qiáng)酸性離子交換樹(shù)脂等。烯烴水合是放熱反應(yīng)，溫度低對(duì)平衡有利，但溫度的選定主要決定于催化劑的活性（見(jiàn)催化活性）。升高壓力能提高平衡轉(zhuǎn)化率，但以不致使氣相中的水蒸氣在催化劑表面凝結(jié)為限。

②環(huán)氧化合物水合　這是制取二元醇的重要方法，主要是環(huán)氧乙烷水合制乙二醇，以及環(huán)氧丙烷水合制丙二醇：

用硫酸為催化劑時(shí)反應(yīng)可在常壓下進(jìn)行，在加壓下可以不用催化劑。

③腈的水合　這是工業(yè)上制取酰胺的重要方法，如丙烯腈水合制丙烯酰胺：最好的催化劑是骨架銅催化劑（見(jiàn)金屬催化劑），又開(kāi)發(fā)了生物催化劑。

④炔烴水合　主要是乙炔水合制乙醛：

C2H2 H2O─→CH3CHO

很多強(qiáng)酸都可能形成相對(duì)穩(wěn)定的水合氫離子鹽晶體。這些鹽有時(shí)被稱為酸的一水合物。通常，任何具有10⁹或更高的電離常數(shù)的酸都可以形成水合氫離子鹽。而電離常數(shù)小于10⁹的酸一般不能形成穩(wěn)定的H₃O 鹽。

例如，鹽酸的電離常數(shù)為10⁷，在室溫下與水的混合物是液態(tài)的。而高氯酸的電離常數(shù)為10¹⁰，如果液體無(wú)水高氯酸和水以1:1的摩爾比結(jié)合，則反應(yīng)形成固體一水合高氯酸，即高氯酸的水合氫離子鹽：

H₂O HClO₄=H₃O ·ClO₄^-

也有很多的含有水合的H₃O 的例子，例如HCl·2H₂O中含有H₅O₂ （H₃O ·H₂O）,HBr·4H₂O中含有H₇O₃ （H₃O ·2H₂O）和H₉O₄ （H₃O ·3H₂O）

當(dāng)活性氫鍵水存在于壽鄉(xiāng)的飲食中時(shí)，與其營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)形成活性水合體，這種新的活性水合體口感極其柔和，辛辣飲食（如高度白酒）柔和化現(xiàn)象尤為明顯。這是長(zhǎng)壽飲食的特征性標(biāo)志。人人可以在任一壽鄉(xiāng)的最長(zhǎng)壽地點(diǎn)核實(shí)。

當(dāng)活性氫鍵水存在于壽鄉(xiāng)人體中時(shí)，與人體中的蛋白質(zhì)、DNA等形成活性水合體，這種新的活性水合體生物利用度將更加合理和有效，有利于廢物的排出，提高身體的滋養(yǎng)供給，免于抗病能力，促進(jìn)新陳代謝。

俗話說(shuō)，一方水土養(yǎng)一方人，壽鄉(xiāng)的這種活性氫鍵水據(jù)理論推測(cè)是由于壽鄉(xiāng)地下具有熱電性礦石導(dǎo)致的。這些熱電性礦石受地?zé)嶙饔茫稍诰植酷尫鸥唠妱?shì)，高電勢(shì)又使得飲食和人體中水份含水合氫鍵能，因而造就活性氫鍵水。它最終使得人體內(nèi)的所有物質(zhì)形成活性水合體。