(本篇适用于化竞或者强基)在比较有机物的酸碱性时,我们常使用的是酸碱质子理论:
凡是可以释放质子(H+)的分子或离子为酸,凡是能接受氢离子的分子或离子则为碱。
酸碱质子理论可以用以下反应式说明:
酸 + 碱 ⇌ 共轭碱 + 共轭酸
酸性强弱的影响因素
1 共轭碱的稳定性影响
酸电离形成其共轭碱和H+ ,当生成的共轭碱越稳定,则该酸越容易给出质子,即其酸性越强。或者说,酸性越强,其共轭碱的碱性越弱;酸性越弱,其共轭碱的碱性越强。
例如:选择性必修3中我们学过的苯酚具有的酸性,而醇却不能表现出明显的酸性。就是因为酚中羟基与sp2杂化的碳原子相连,而乙醇分子中羟基与sp3杂化的烷基相连,苯环的吸电子诱导效应使酚更易电离出H+,呈现明显酸性;或者从另一个角度理解,当苯酚电离出H+后,得到的苯氧根离子中氧的负电荷就可以因与苯环共轭而分散,从而增强其稳定性,促进苯酚进一步电离出H+,呈现明显酸性。
2 H一A的结合强度影响
H—A的强度与其原子间的电子云密度正相关,即H—A间的电子云密度越大时,H—A的共价键强度越大,共价键越不容易断裂,对应酸的酸性越弱。当H—A的邻位存在一个吸电子基时,则可以使H—A的电子云密度降低,使H—A的结合强度下降,从而增强HA的酸性。
例如:甲酸的酸性强于乙酸(甲酸的pKa值为3.77,乙酸的pKa值为4.74)。乙酸分子中的甲基 (-CH3)有推电子效应,会使羧基中羟基的O—H键间电子云密度比甲酸分子的羧基中羟基的O—H键间电子云密度大电离出的氢离子较少,酸性相对较弱。甲酸中与C=O相连的是H,没有-CH3的推电子效应,H更易电离,酸性强。
3 溶剂化作用的影响
酸电离后的阴离子受到溶剂化作用而稳定。因此,酸电离后形成的阴离子越容易与溶剂形成溶剂化作用,酸就越容易电离,即酸性越强。
例如:乙醇的酸性强于环己醇,就是因为乙醇去质子后得到的乙氧根离子能更有效地形成溶剂化,而环己醇去质子后的阴离子由于其环己基体积较大,导致其不易形成有效的溶剂化作用,所以环己醇的酸性较乙醇的酸性弱。
4 分子内氢键的影响
氢键是一种特殊的分子间作用力,它主要影响物质的熔沸点、溶解度等物理性质,特别是在生物大分子,超分子中存在着很重要的影响,有机物分子中也可以通过形成氢键影响到有机物的酸性。
例如:邻硝基苯酚的酸性弱于对硝基苯酚,就是因为邻硝基苯酚分子中存在如下图所示分子内稳定的环状结构的氢键而降低了其酸性。
也是之前做的化竞中的电子效应和空间效应(1 电子效应)小牛试刀第一题的答案。
(1)A 中羧基连接着1个烷基,1个给电子基,会使羧基电子云密度增大而酸性减弱,是4种物质中酸性最弱的酸;B中的羧基连接1个三氟甲基,是1个具有很强吸电子能力的基团,使酸性增强,是4种物质中酸性最强的酸;C、D 都是芳香酸,羧基与苯环直接相连,由于苯环碳是sp2杂化,具有吸电子诱导效应,使酸性强于饱和一元酸的酸性,即强于 A 的酸性,又由于 C 中苯环羧基对位连有1个甲氧基,有一定的给电子诱导效应,但由于其离羧基比较远,影响较小,同理D中苯环羧基对位连有1个硝基,是1个强吸电子基团,但同样离羧基比较远,因此对羧基的影响也同样比较小。
(2) A、E 是羟基氢具有的酸性,而 B、C、D都是碳氢酸(指有机化合物中C—H键的电离产生的酸,其共轭碱为碳负离子), 一般情况下都是氧氢酸的酸性强于碳氢酸,但在本题 B 中2个羰基间碳原子上的氢原子不仅受到了2个强吸电子的羰基作用,同时还受到强吸电子基三氟甲基的作用,使分子离解1个氢离子后的碳负离子上的电子云得到十分有效的分散,从而形成了稳定性很强的阴离子,所以其酸性更强,强于 A 中酚的酸性;由于苯环的吸电子效应,酚酸性强于醇酸性;C、D 中都是酮羰基的吸电子诱导效应,使其邻位碳氢的酸性增强, 而 C 中的对位还有1个酮羰基,也具有一定的吸电子诱导效应,但同样由于离得比较远,影响不大,所以也只是使C的酸性强于D。
答案 (1)B>D>C>A (2)B>A>E>C>D
反思:一般而言,在评估有机物酸性强弱的问题中,通常羧基的酸性优于酚,而酚的酸性又优于醇。然而,这种顺序可能会因所连接基团对酸性的吸电子诱导效应或给电子诱导效应而发生变化。需要注意的是,诱导效应的影响随着连接基团的距离增加而迅速减小。例如,三氟甲基、硝基和酰基等强吸电子基团直接连接在酸性基团上时,会显著增强酸性,但如果它们与酸性基团的距离较远,则影响会减小。在学习过程中,了解一些常见酸的pKa值范围对我们分析和解决问题也很有帮助。例如,醇的pKa约为16,酚约为10,酮约为22,而二酮的pKa约为8......对这些基础知识的掌握有助于我们更好地应对各种问题。
顺-丁烯二酸失去一个H+离子后,分子内部形成了如图所示的环状结构,其中包含分子内氢键,从而提高了离子的稳定性。这有助于促进顺-丁烯二酸的一级电离,因此,顺-丁烯二酸的一级电离酸常数在所有酸中最大。类似地,由于羟基的氢参与形成了更为稳定的含有分子内氢键的环状结构,这使得第二个羧基的氢不容易电离出来。因此,顺-丁烯二酸的二级电离常数较反-丁烯二酸小,也即顺-丁烯二酸的二级电离酸常数是最小的。
反思:这道题目在比较酸性强弱,也就是酸常数大小方面相当复杂。然而,由于所涉及的两种物质是同分异构体,它们的比较焦点转移到了由于构型不同而导致的性质差异上。从酸性强弱比较的各种影响因素来看,唯一的解决途径似乎是通过形成氢键来建立更为稳定的结构进行分析。通过这种方式,问题也就迎刃而解了。
(1)由3种物质结构我们可以看出B、C是在苯环上羧基的对位连接异丙基、环丙基,这两个都是给电子基,会使酸性减弱。所以A的酸性是三者中最强的;B分子中对位是异丙基,而C中对位是环丙基,我们知道小环烃(基)具有较大的环张力,而能进行开环加成,也就是说具有一定“双键”性质,因此环丙基的碳原子倾向于sp2杂化,从而使其更易与苯环形成给电子超共辄效应,也就可以使酸性减弱,因此三者中C的酸性最弱。
(2)从A、B的分子结构来看,羰基α位氢的酸性是由于羰基的吸电子效应引起的,A分子中与氮原子相连的碳原子上各连有2个甲基,从而增大了氮原子所连基团的位阻,使得氮原子的绕轴旋转受阻,从而也就使得氮原子的p轨道与羰基的π键间不能有效形成共轭,但B分子中氮原子由于没有与A分子中类似的位阻,因而可以与羰基间形成共轭,从而有效降低了羰基的吸电子效应,即减弱了羰基α位氢的酸性,因此B的酸性更弱。
反思:在解答类似的问题时,我们必须注意比较对象的结构差异,以结构特征为切入点,深入探讨共轭碱的稳定性、共轭效应或空间位阻等因素。通过确定是哪一种或是哪几种因素综合影响了其酸性,我们可以更好地理解问题。
例4 比较下列3组物质的酸性强弱,并简要写出你的理由。
解答
(1)前者酸性小于后者;羰基的吸电子诱导效应影响物质的酸性,吸电子诱导效应受到基团距离的影响。
(2)前者酸性弱于后者;后者羧基电离后形成分子内氢键可以促进羧基的电离。
(3)前者酸性强于后者;由于位阻的原因,后者电离后不能形成更有效的溶剂化作用。
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