羥基和甲氧基對羧酸酸性的影響分析

華遠照

鄭州大學化學學院，綠色催化研究所，鄭州 450000

有機化學教材和教學中經常對常見取代基的電子效應進行比較排序，對于電子效應差距比較大的基團，它們在多種應用場景中的順序都是相同的，教材一般都做了詳細分析。但是對于電子效應接近的基團，例如羥基和甲氧基，教科書上則很少提及，或者干脆將二者不做區分[1]。究其原因，是二者在不同的比較體系中，造成的結果順序可能不一致，成了有機化學教學中的難點。由于基團在表現影響力的時候受多重因素的制約，有時候不同因素導致的影響并不一致，例如同一基團可表現出吸電子的誘導效應和供電子的共軛效應；有時候同一因素卻表現不同的效果，例如氫鍵對羧酸酸性的影響。因此，每當遇見具體問題的時候，教材或者教師也是用一句話來解釋“羥基在這里的整體吸電子能力比甲氧基大，或者反之”，往往沒有具體的相關分析。教材規避的結果導致學生在學習的時候會感到困惑、迷茫，遇見問題的時候也很難準確分析，得到正確結論；甚至很多教師在授課過程中也很疑惑，難以給出正確解釋。筆者在教學過程當中，每年都會遇到有困惑的學生詢問相同的問題。本文通過總結教學過程中的經驗，利用文獻報道的數據和實例，通過推理分析，較為合理地解釋了羥基和甲氧基對羧酸酸性的影響。

1 羥基和甲氧基對羧酸影響的方式分析

羥基和甲氧基可能通過電子效應、氫鍵、空間位阻等對羧酸的酸性進行影響。(1) 電子效應方面：在已有的文獻報道中[2]，盡管各自使用的理論模型和計算方法有差異，而且得到的具體數據也有一定差異，但是這些研究結果都顯示―OH的電負性比―OCH3的電負性大，因而―OH的吸電子誘導能力比―OCH3的要稍強。同時，當它們和sp2雜化的碳原子相連時，氧原子采取sp2雜化方式，氧原子上占據未參與雜化的p軌道上的孤對電子還會產生供電子的共軛效應。(2) 氫鍵方面：羥基在形成氫鍵時，不僅有提供孤對電子的氧原子，還可以提供活潑氫原子，因此形成氫鍵的能力遠大于甲氧基。(3) 位阻方面：甲氧基的位阻效應比羥基大。盡管甲基通過氧原子和母體化合物相連，但是一些情況下，特別是當氧原子采取sp2雜化方式的時候，甲氧基有可能會產生較大的位阻效應。

2 羥基苯甲酸和甲氧基苯甲酸的酸性大小分析

從實驗數據可知，鄰羥基苯甲酸(pKa= 2.98)的酸性明顯大于鄰甲氧基苯甲酸(pKa= 4.09)[1]。排除掉相差不大的誘導效應、共軛效應和鄰位效應，鄰羥基苯甲酸和鄰甲氧基苯甲酸最大的差別在于氫鍵。在鄰羥基苯甲酸中，由于Oa原子和苯環直接相連，所以其和Ob原子一樣，都采取sp2雜化方式，其中有一對孤對電子占據未參與雜化的p軌道，并以供電子的效應參與了和苯環的p-π共軛，導致其周圍只剩下一對孤對電子，所以Oa原子的電子云密度降低，與質子結合的能力反而低于Ob原子，因此在鄰羥基苯甲酸中是酚羥基的Ha原子和羧基的羰基Ob原子形成分子內氫鍵(I)[3]，分子解離掉羧基上氫原子之后生成的負離子會有兩個共振形式，這樣的分子內氫鍵的生成使得負離子更加穩定，所以羧酸的解離度增大，酸性增強(圖1)，而鄰甲氧基苯甲酸中則不存在這樣的氫鍵因素。

圖1 鄰羥基苯甲酸和鄰甲氧基苯甲酸的酸性比較

由于共軛效應傳遞受阻，取代基的共軛效應對芳環的鄰、對位影響比較大，對芳環間位的影響很小，所以在考慮間位取代的苯甲酸酸性時，可以只考慮取代基誘導效應的影響。根據前面所述，羥基的吸電子誘導效應稍大于甲氧基，因此間羥基苯甲酸酸性(pKa= 4.08)略強于間甲氧基苯甲酸(pKa= 4.09) (圖2)[1]。

圖2 間/對位羥基苯甲酸和甲氧基苯甲酸的酸性比較

當兩個取代基分別在羧基對位時候，誘導效應由于距離較遠而變得微弱，此時主要考慮共軛效應的影響。二者供電子的p-π共軛效應，使得對位取代的芳酸酸性減弱，小于未取代的苯甲酸。同時由于甲基上氫原子和甲氧基鄰位芳環上氫原子的位阻作用，導致氧原子和苯環的供電子p-π共軛程度減弱，因此使得甲氧基苯甲酸的酸性降低的較少，已有文獻以及相應的晶體結構證實了這一點[4]。

3 α-羥基乙酸和α-甲氧基乙酸的酸性對比分析

α-羥基乙酸和α-甲氧基乙酸的酸性對比是有機化學教學與學習過程中，讓很多學生、甚至包括很多教師都感到疑惑的地方。在這兩個體系中，羥基和甲氧基中氧原子都是sp2雜化方式，不涉及共軛效應，所以要考慮的因素主要是基團的誘導效應和氫鍵。

為了便于說明，我們把α-羥基乙酸中的氧原子分別編號為c、d和e (圖3，盡管Od和Oe在離子狀態下是等同的)。在分析羧酸酸性的時候，我們通常有兩個依據：一個是分析羧酸分子本身Oe―H鍵之間的電子云偏離程度，羰基碳上連接吸電子取代基，使得電子云進一步向氧(Oe)原子偏移，使氫正離子更容易離去，取代基吸電子能力越強，那么分子的酸性就越強；羰基碳上連接供電子取代基則相反。其二是看解離出的羧酸根負離子的穩定程度，羰基碳上連接吸電子取代基使羧酸根負離子的負電荷分散而穩定，解離平衡向右移動，導致酸性增強，同時如果羧酸根負離子能生成氫鍵的話，能夠較大程度上穩定羧酸根負離子，導致分子的解離度增大，進而酸性增大。

圖3 羥基乙酸和甲氧基乙酸的解離平衡

具體到α-羥基乙酸和α-甲氧基乙酸這兩個體系，首先從分子本身來看，羥基的吸電子誘導效應強于甲氧基，而在這個體系中又不存在共軛效應，因而羥基乙酸的酸性應該大于甲氧基乙酸，然而羥基乙酸的pKa= 3.83，而甲氧基乙酸的pKa= 3.53，很明顯甲氧基乙酸的酸性實際上是大于羥基乙酸[1,5]。上述分析和實驗事實的矛盾說明，除了羥基和甲氧基的誘導效應之外，還有其他因素影響著分子的酸性。根據鄰羥基苯甲酸的酸性分析方法，考慮羧酸根負離子(圖3，II)的穩定性時，同樣是羥基的吸電子誘導效應強于甲氧基，導致其上負電荷更加分散，并且從圖3中式(1)可以看出，羥基乙酸的羥基還能提供Hc和羧酸根的Oe有可能形成分子內氫鍵(III)，穩定羧酸根負離子，導致解離度增大，進而使酸性增大，而α-甲氧基乙酸負離子(IV)中則沒有這樣的分子內氫鍵的影響。照此推斷，羥基乙酸酸性也應該大于甲氧基乙酸。這兩種分析和前述取代苯甲酸的電子效應分析、氫鍵分析基本一致，看似天衣無縫，但是卻和實驗事實依然相反，這又是什么問題呢？筆者通過文獻查閱發現，在大多數情況下，A―H―B氫鍵中的氫原子總是位于或接近A原子和B原子形成的直線上，或者是形成氫鍵后恰好組成六元環(氫是六元環中的一個)。然而對于分子內的五元環氫鍵則很少見[6]，因此圖3中的分析，機械性地用很少存在的五元環氫鍵來類比六元環氫鍵的分析方法，結果得到了與事實相反的結論。

實際上在羥基乙酸分子中，由于同時含有醇羥基和羧基，因此一分子的醇羥基和另一分子的羧基會形成一種六元環的分子間氫鍵，如圖4所示。這種六元環氫鍵的形成，使得―OH的伸縮振動吸收峰向低頻移動[7]，到了3286 cm-1，同時氫鍵的形成相當于是幫助固定了羧基氫，使其不容易電離，故引起酸性有所下降，而甲氧基乙酸中則不存在這樣的六元環氫鍵，類似觀點在其他體系的性質解釋上也有體現[8,9]。

圖4 羥基乙酸的氫鍵分析

綜合考慮以上因素，我們有理由相信，羥基乙酸酸性小于甲氧基乙酸的原因可以作如下解釋：盡管羥基的吸電子誘導能力比甲氧基的稍大，但是羥基乙酸中六元環氫鍵(圖4)的生成反而一定程度上阻礙了羥基乙酸中H+的解離，而在甲氧基乙酸中卻不存在類似的氫鍵，因此導致了羥基乙酸的酸性反而略低于甲氧基乙酸。

4 結語

有機化學是依據實驗結果發展起來的一門學科，很多理論、規律、規則都是實驗事實或者經驗的總結，沒有像數學的公理定理那么有統一性。我們在有機化學的教學與學習中，往往會遇到很多棘手的問題，通過對大量文獻、實驗事實以及權威參考教材的分析，進行合理的歸納與演繹才是解決問題的突破口。本文通過兩組實例羧酸酸性大小的對比分析，重點討論了氫鍵的生成對羧酸酸性的不同影響。在鄰羥基苯甲酸和鄰甲氧基苯甲酸酸性對比時候，分子內氫鍵的生成增強了羧酸的酸性；然而在α-羥基乙酸和α-甲氧基乙酸酸性對比時候，氫鍵的生成反而導致羧酸的酸性有所降低，究其原因主要是因為形成氫鍵的方式不同造成的。這也同時提醒我們在有機化學的學習過程中，在使用推理法解決問題的時候，一定要根據具體問題進行詳細的、針對性的分析，注重文獻與實際實驗結果，切忌隨意套用經驗規則，否則可能會適得其反。同時經過這樣的實例分析，也能夠開闊學生的視野，培養他們靈活的思維方式，提高他們對有機化學的學習興趣。