КИСЛОТНОСТЬ И ОСНОВНОСТЬ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Кислотность и основность – важнейшие понятия, определяющие многие фундаментальные физико-химические свойства и биологическую активность органических соединений.
Теории кислот и оснований:
— теория электролитической диссоциации (Аррениус);
— протолитическая теория (Бренстед-Лоури, 1923 г.);
— теория Льюиса (1925 г.).
Протолитическая теории Бренстеда
Кислота – это вещество, способное отдавать протон. Основание – это вещество, способное присоединять протон. Кислота + основание = сопряженная пара
Кислоты
Атом, с которым связан протон, – центр кислотности. Центрами кислотности могут быть атомы C, O, N, S: Соответственно – CH-, OH-, NH- и SH-кислоты.
Основания
Центрами основности являются атомы, имеющие неподеленную пару электронов (n-электроны): N, O, S. Соответственно различаются аммониевые, оксониевые и тиониевые основания (n-основания). Это могут быть нейтральные молекулы или анионы.
Существуют также π-основания – соединения с кратными связями или сопряженной системой π-связей. Они присоединяют протон, образуя сопряженные кислоты – π-комплексы.
Количественная оценка кислотности
Сила кислоты – это степень сдвига вправо следующего равновесия:
Количественной мерой кислотности являются:
Ка – константа кислотности
рКа = -lgKa – показатель кислотности
сила кислоты↑ → Ка↑ → рКа↓
Количественная оценка основности
Сила основания – это степень сдвига вправо следующего равновесия:
Из этих соотношений следует, что для сопряженной пары мерой основности основания В может быть кислотность сопряженной кислоты ВН+: рКВ = 14 – рКВН+
Сила основания↑ → КВ↑ → рКВ↓ → рКВН+↑
Качественная оценка кислотности
Сила кислоты определяется устойчивостью сопряженного основания (аниона).
Чем стабильнее анион, тем сильнее кислота.
Устойчивость аниона, в свою очередь, зависит от следующих факторов:
— свойства атома в центре кислотности – его электроотрицательность и поляризуемость
— степень делокализации (-)-заряда в анионе в результате сопряжения;
— действие окружающих заместителей;
— способность аниона к сольватации.
Факторы, определяющие кислотность
1. Свойства атома в центре кислотности
а) электроотрицательность
С увеличением электроотрицательности атома Х полярность связи Х-Н увеличивается, прочность её уменьшается, облегчается отрыв протона. В результате кислотность увеличивается. ЭО↑ → Кислотность↑
б) поляризуемость
С увеличением радиуса атома Х увеличивается длина связи и её поляризуемость, связь легче разрывается, кислотность увеличивается: Радиус атома↑ → Кислотность↑
Ряд увеличения кислотности: CH < NH < OH < SH
2. Делокализация заряда по сопряженной системе
Делокализация заряда по сопряженной системе увеличивает стабильность аниона и соответственно увеличивает кислотность.
2. Влияние заместителей
а) электроноакцепторы
Электроноакцепторы способствуют делокализации заряда в анионе, увеличивают его устойчивость и, следовательно, увеличивают кислотность.
б) электронодоноры
Электронодоноры препятствуют делокализации заряда в анионе, уменьшают его устойчивость и, следовательно, уменьшают кислотность.
3. Эффект сольватации
Сольватация образующего аниона способствует его устойчивости и увеличивает кислотность. (!) Чем меньше размер иона и чем больше в нем локализован заряд, тем легче он сольватируется.
Качественная оценка основности
Наиболее сильные основания – анионы: HO—, RO—, NH—2, SH—
Нейтральные молекулы в реакциях с кислотами образуют ониевые соли:
Выделяются три типа органических оснований:
Сила основания определяется стабильностью образующегося катиона, а также доступностью
неподеленной пары электронов для присоединения протона. На силу основания влияют те же факторы, что и на силу кислоты, но направление действие их противоположно.
Амины – наиболее сильные основания. Они образуют с кислотами устойчивые соли растворимые в воде. Это свойство аминов широко применяется для их выделения и очистки, а также для получения растворимых лекарственных форм.
Ряд уменьшения основности: R-NH-R > R-O-R > R-S-R
— основность оксониевых оснований уменьшается за счет большей ЭО кислорода;
— тиониевые основания более слабые, чем оксониевые потому, что больший радиус серы увеличивает длину связи S-H в катионе, делает её менее прочной и тем самым снижает устойчивость катиона.
На силу оснований большое влияние оказывают заместители у центра основности:
а) электроноакцепторы
Электроноакцепторы увеличивают (+)-заряд на катионе, уменьшают его устойчивость и, следовательно, уменьшают основность.
б) электронодоноры
Электронодоноры уменьшают (+)-заряд на катионе, увеличивают его устойчивость и, следовательно, увеличивают основность.
Включение неподеленной электронной пары в сопряженную систему понижает её доступность для присоединения протона и снижает основность:
Амиды:
Из-за такого сопряжения основность амидов по сравнению с аминами резко снижена, в водных растворах амиды не протонируются (их основность ниже, чем у воды):
Теория кислот и оснований Льюиса
Кислота – акцептор электронов; Основание – донор электронов
При взаимодействии кислот и оснований образуются донорно-акцепторные комплексы:
