Кислотность и основность органических соединений

Реакционная способность органических соединений тесно связана с понятиями “кислотность“ и “основность“. Для оценки кислотности и основности органических соединений наибольшее значение имеют две теории – теория Бренстеда (протолитическая) и теория Льюиса.

Согласно определению Бренстеда, кислоты – это нейтральные молекулы или ионы, способные отдавать протон (доноры протонов); основания по Бренстеду – нейтральные молекулы или ионы, способные присоединять протон (акцепторы протонов). Кислота Льюиса – это акцептор электронной пары, основания Льюиса – донор электронной пары.

В принципе большинство органических соединений можно рассматривать как кислоты, поскольку в них содержатся связи С-Н, N-H, O-H, S-H. Сила кислоты определяется стабильностью аниона, образующегося в результате диссоциации этой кислоты. Чем стабильнее анион, тем сильнее кислота. Стабильность аниона зависит от многих факторов:

а) способности атома, связанного с водородом, удерживать электронную пару после ухода протона (т.е. электроотрицательности);

б) размера этого атома;

в) возможности делокализации (распределения отрицательного заряда по другим атомам);

г) способности растворителя сольватировать анион.

В качестве меры кислотности используют константу равновесия реакции ионизации (Ка):

А ¾ Н Аˉ + Н⁺ [ Аˉ] [ Н⁺]

кислота анион про- [АН]

Кислоты тон

Для удобства часто вместо Ка используют рКа= ¾ lg Ка

Кислотность различных классов органических соединений с одинаковыми радикалами увеличивается в следующей последовательности:

R – H2С – H Алканы	R-NH-H Амины	R-O-H Спирты	R-S-H Тиолы	Фенолы	R – СOOH Карбоновые кислоты
рКа 50	рКа 30	рКа 18	рКа 12	pКа 10	рКа 4,7
СН кислоты	NH кислоты	ОН кислоты	SH кислоты	ОН кислоты	ОН кислоты

Причиной самой слабой кислотности С-Н кислот является то, что углерод обладает низкой электроотрицательностью и проявляет слабую способность удерживать отрицательный заряд на анионе. Поэтому образование карбанионов является энергетически невыгодным процессом:

СН₄ СН₃ ˉ + Н⁺

карбанион

(метил-анион)

Среди насыщенных соединений заметную кислотность проявляют спирты (О-Н-кислоты), что обусловлено достаточной электроотрицательностью атома кислорода, т.е. способностью удерживать электронную пару в анионе, тем самым, стабилизируя его:

R¾O¾H R¾Oˉ + H⁺

спирт алкоксид-

анион

Стабильность аниона R – Oˉ значительно повышается с появлением возможности делокализации отрицательного заряда либо за счет электроотрицательного элемента в радикале, либо по системе сопряженных связей. Так, например, увеличение кислотности нарколана (Br₃C–CH₂-OH) объясняется влиянием –I эффекта трех атомов брома в радикале (стабилизирующий фактор).

Увеличение кислотности фенолов по сравнению с алифатическими спиртами объясняется стабильностью фенолят-аниона, отрицательный заряд которого делокализуется по ароматическому кольцу вследствие +М эффекта.

Br₃C–CH₂-OH Br₃CCH₂O^¾ + H⁺

Тиолы проявляют более сильные кислотные свойства по сравнению со спиртами благодаря большему размеру атома серы, в котором отрицательный заряд лучше делокализуется, стабилизируя тиолят-анион.

Карбоновые кислоты в данном ряду – самые сильные кислоты.

Это объясняется образованием стабильного карбоксилат-аниона при диссоциации карбоновых кислот. Карбоксилат-анион стабилизирован за счет делокализации отрицательного заряда по системе сопряжения:

(¾)

Изменение основности будет противоположно изменению кислотности. Чем выше основность, тем ниже кислотность.

Спирты

Производные углеводородов, в которых один или несколько атомов водорода замещены на ОН-группы, называют спиртами. Общая формула R-O-H.

Классификация:

1) по атомности – по количеству ОН-групп на одно- и многоатомные спирты;

2)по характеру радикала – предельные и непредельные; алифатические и ароматические;

3) по характеру атома углерода, с которым связана ОН-группа, – первичные, вторичные, третичные спирты.

Одноатомные спирты

Изомерия 1) изомерия углеродного скелета;

2) изомерия по положению гидроксильной группы.