例講高中化學奧林匹克競賽中的有機物酸性比較

唐生岳

(江蘇省大豐高級中學)

有機物酸堿性的比較是高中化學奧林匹克競賽、高校強基筆試的重要考點,每年的高中化學奧林匹克競賽初賽中都會從酸性比較、堿性比較、碳正離子穩定性等角度進行有機化學基礎知識的考查.經過科學家的研究與探索,形成了各種不同的酸堿理論,從不同的角度描述物質的酸堿性.目前主流的酸堿理論包括酸堿電離理論、酸堿質子理論、酸堿電子理論、軟硬酸堿理論等.其中在比較有機物的酸堿性時,我們常使用的是酸堿質子理論.因此,本文從酸堿質子理論論述有機物酸性的比較.

1 酸堿質子理論概述

酸堿質子理論指出凡是能給出質子的物質(可以是中性分子,也可以是離子)都是酸,凡是能結合質子的物質(可以是中性分子,也可以是離子)都是堿,從而在此基礎上提出了共軛酸堿對概念:酸?堿＋質子.即酸給出質子后變成堿,而堿結合質子后變成酸,這一對酸堿稱為共軛酸堿對.這樣,對于酸堿之間的反應就可以表述為酸1＋堿1＝酸2＋堿2,其中酸1是堿2 的共軛酸,而堿1 是酸2 的共軛堿.可以用一個通式表示:B＋HA＝BH＋＋A－.

比如:HS－＋H2O?H2S＋OH－,反應中HS－是堿,得到的產物H2S是其共軛酸,而反應中提供質子的水作為酸參加反應,得到的OH－是水的共軛堿.

2 酸性強弱的影響因素

2.1 共軛堿的穩定性影響

酸電離形成其共軛堿和H＋,當生成的共軛堿越穩定,則該酸越容易給出質子,即其酸性越強.或者說,酸性越強,其共軛堿的堿性越弱;酸性越弱,其共軛堿的堿性越強.

比如,選擇性必修3中我們學過的苯酚具有的酸性,而醇卻不能表現出明顯的酸性.就是因為酚中羥基與sp2雜化的碳原子相連,而乙醇分子中羥基與sp3雜化的烷基相連,苯環的吸電子誘導效應使酚更易電離出H＋,呈現明顯酸性;或者從另一個角度理解,當苯酚電離出H＋后,得到的苯氧根離子中氧的負電荷就可以因與苯環共軛而分散,從而增強其穩定性,促進苯酚進一步電離出H＋,呈現明顯酸性.

2.2 H—A 的結合強度影響

H—A 的強度與其原子間的電子云密度正相關,即H—A 間的電子云密度越大時,H—A 的共價鍵強度越大,共價鍵越不容易斷裂,對應酸的酸性越弱.當H—A 的鄰位存在一個吸電子基時,則可以使H—A的電子云密度降低,使H—A 的結合強度下降,從而增強HA 的酸性.

比如,我們中學就熟知的甲酸的酸性強于乙酸的酸性,其實質就是乙酸的羧基與1個甲基相連,而甲基是給電子基,會使羧基中羥基的O—H 鍵間電子云密度比甲酸分子的羧基中羥基的O—H 鍵間電子云密度大,從而使得甲酸的酸性強于乙酸.

2.3 溶劑化作用的影響

酸電離后的陰離子受到溶劑化作用而穩定.因此,酸電離后形成的陰離子越容易與溶劑形成溶劑化作用,酸就越容易電離,即酸性越強.

比如,乙醇的酸性強于環己醇,就是因為乙醇去質子后得到的乙氧根離子能更有效地形成溶劑化,而環己醇去質子后的陰離子由于其環己基體積較大,導致其不易形成有效的溶劑化作用,所以環己醇的酸性較乙醇的酸性弱.

2.4 分子內氫鍵的影響

氫鍵是一種特殊的分子間作用力,它主要影響物質的熔沸點、溶解度等物理性質,特別是在生物大分子、超分子中存在著很重要的影響,有機物分子中也可以通過形成氫鍵影響到有機物的酸性.比如,鄰硝基苯酚的酸性弱于對硝基苯酚,就是因為鄰硝基苯酚分子中存在如圖1所示分子內穩定的環狀結構的氫鍵而降低了其酸性.

圖1

3 競賽真題解析

例1(第34屆化學奧林匹克競賽初賽第8題,節選)(1)請按酸性從強到弱給以下化合物排序:_________.

(2)請按酸性從強到弱給以下化合物排序:________.

分析(1)觀察4個選項我們可以知道這是比較羧基酸性的問題.A 中羧基連接著1個烷基,是1個給電子基,會使羧基電子云密度增大而酸性減弱,是4種物質中酸性最弱的酸;B中的羧基連接1個三氟甲基,是1個具有很強吸電子能力的基團,使酸性增強,是4種物質中酸性最強的酸;C、D 都是芳香酸,羧基與苯環直接相連,由于苯環碳是sp2雜化,具有吸電子誘導效應,使酸性強于飽和一元酸的酸性,即強于A 的酸性,又由于C 中苯環羧基對位連有1 個甲氧基,有一定的給電子誘導效應,但由于其離羧基比較遠,影響較小,同理D 中苯環羧基對位連有1個硝基,是1個強吸電子基團,但同樣離羧基比較遠,因此對羧基的影響也同樣比較小,所以可知D 的酸性強于C的酸性,因而也就可以得到4種酸的酸性排序為B＞D＞C＞A.

(2)題干所給的5種物質中,A、E 是羥基氫具有的酸性,而B、C、D 都是碳氫酸(碳原子上的氫原子),一般情況下都是氧氫酸的酸性強于碳氫酸,但在本題B中2個羰基間碳原子上的氫原子不僅受到了2個強吸電子的羰基作用,同時還受到強吸電子基三氟甲基的作用,使分子離解1個氫離子后的碳負離子上的電子云得到十分有效的分散,從而形成了穩定性很強的陰離子,所以其酸性更強,強于A 中酚的酸性;由于苯環的吸電子效應,酚酸性強于醇酸性;C、D 中都是酮羰基的吸電子誘導效應,使其鄰位碳氫的酸性增強,而C中的對位還有1個酮羰基,也具有一定的吸電子誘導效應,但同樣由于離得比較遠,影響不大,所以也只是使C的酸性強于D.由以上分析和比較,我們可以得到酸性的強弱順序為B＞A＞E＞C＞D.

答案(1)B＞D＞C＞A.

(2)B＞A＞E＞C＞D.

題后反思本題是比較有機物的酸性強弱類試題,一般來說羧基酸性會強于酚的酸性,再強于醇的酸性,但由于受所連接基團的吸電子誘導效應或是給電子誘導效應的影響,會使其酸性出現變化.但我們也要注意誘導效應會隨著基團距離變遠而影響力迅速減小.比如三氟甲基、硝基、酰基都是強吸電子基,直接連接在酸性基團上時,會使酸性顯著增大,但如果距離較遠時,影響就會很小.在學習中,我們要能對一些常見酸的pKa大致范圍有所了解,這樣也會有助于我們解決問題,比如一般來說醇的pKa在16左右、酚的pKa在10左右、酮的pKa在22左右,但如果是二酮則其pKa在8左右……這些基礎知識的記憶有助于我們去分析問題和解決問題.

例2(第23屆化學奧林匹克競賽初賽第8題,節選)順、反-丁烯二酸的4 個酸常數分別為1.17×10－2,9.3×10－4,2.9×10－5,2.6×10－7.指出這些常數分別是哪種酸的幾級酸常數,并從結構與性質的角度簡述你做出判斷的理由.

分析由所給名稱“順、反丁烯二酸”可以畫出其結構如圖2所示.

圖2

如果不考慮其構型對酸性的影響,兩者的酸性應該是相近的,但從4個酸常數我們可以知道兩者的酸常數相差很大.通過比較可以知道,兩者是構型不同的一對同分異構體,其中順-丁烯二酸電離出1個H＋后,分子內形成如圖3 所示的分子內氫鍵的環狀結構,使離子更為穩定,也就促進了順-丁烯二酸的一級電離,因而酸常數中最大的為順-丁烯二酸的一級電離酸常數;同理,由于羥基氫參與形成了含有分子內氫鍵的更為穩定的環狀結構,也就使其不容易電離出第二個羧基的氫,從而使順-丁烯二酸的二級酸常數小于反-丁烯二酸,即順-丁烯二酸的二級電離酸常數是最小的.從而也就可以得到結論:順-丁烯二酸的一級酸常數是1.17×10－2,二級酸常數是2.6×10－7,反-丁烯二酸的一級酸常數是9.3×10－4,二級酸常數是2.9×10－5.

圖3

答案順-丁烯二酸的一級酸常數是1.17×10－2,二級酸常數是2.6×10－7,反-丁烯二酸的一級酸常數是9.3×10－4,二級酸常數是2.9×10－5;因為順-丁烯二酸發生一級電離后形成含有分子內氫鍵的穩定環狀結構,從而也就使其一級電離更容易,而二級電離變得更困難,所以可以得到其一級酸常數最大,而二級酸常數最小.

題后反思本題從比較酸性強弱,也就是酸常數大小的角度看是比較難的,但由于兩者是一對順反異構體,因此其著眼點也就轉移到了因為構型不同而引起的性質差異.而從酸性強弱比較的各種影響因素來看,只能是通過氫鍵形成更為穩定結構來進行分析,這樣問題也就迎刃而解了.

例3(第35屆化學奧林匹克競賽初賽第8題,節選)(1)在水溶液中苯甲酸及其衍生物A、B、C 哪一個酸性最弱?

(2)下列化合物中哪一個羰基α 位氫的酸性較弱?

分析(1)由3種物質結構我們可以看出B、C是在苯環上羧基的對位連接異丙基、環丙基,這兩個都是給電子基,會使酸性減弱,所以A 的酸性是三者中最強的;B 分子中對位是異丙基,而C 中對位是環丙基,我們知道小環烴(基)具有較大的環張力,而能進行開環加成,也就是說具有一定“雙鍵”性質,因此環丙基的碳原子傾向于sp2雜化,從而使其更易與苯環形成給電子超共軛效應,也就可以使酸性減弱,因此三者中C的酸性最弱.

(2)從A、B的分子結構來看,羰基α位氫的酸性是由于羰基的吸電子效應引起的,A 分子中與氮原子相連的碳原子上各連有2個甲基,從而增大了氮原子所連基團的位阻,使得氮原子的繞軸旋轉受阻,從而也就使得氮原子的p軌道與羰基的π鍵間不能有效形成共軛,但B分子中氮原子由于沒有與A 分子中類似的位阻,因而可以與羰基間形成共軛,從而有效降低了羰基的吸電子效應,即減弱了羰基α位氫的酸性,因此B的酸性更弱.

答案(1)C.

(2)B.

題后反思解決此類試題時,我們需要找出比較對象的結構差異,從結構特征入手,從共軛堿的穩定性、共軛效應或空間位阻等因素中找出是哪一種影響因素或是哪幾種因素綜合影響了其酸性,這樣就可以使問題迎刃而解了.

變式訓練比較下列3組物質的酸性強弱,并簡要寫出你的理由.

答案(1)前者酸性小于后者;羰基的吸電子誘導效應影響物質的酸性,吸電子誘導效應受到基團距離的影響.

(2)前者酸性弱于后者;后者羧基電離后形成分子內氫鍵可以促進羧基的電離.

(3)前者酸性強于后者;由于位阻的原因,后者電離后不能形成更有效的溶劑化作用.

(完)