物理有机化学浙江大学2010年第4章酸碱理论h

第4章酸碱理论,1、酸碱概念,1.Bronsted-Lowry酸碱质子论2.Lewis酸碱电子论按照质子论，酸是质子的给体，碱是质子的受体，酸放出一个质子,本身变成碱酸（A）碱（B）质子（H+）因此，酸碱反应的本质就是质子从酸迁移到碱，在有关质子迁移平衡的两个化合物中，一个必须是酸，另一个是碱例如，,Lewis酸碱电子论1923年Lewis提出了更为广义的酸碱电子论：凡是能接受电子对的任何分子、离子或原子团统称为酸，又称为电子对受体；凡是含有可给出电子对的分子、离子或原子团统称为碱，又称为电子对给体Lewis酸碱反应，实质上是形成配位键，产生加合物,常见的Lewis酸有SO3、BF3、AlCl3、SnCl4、FeCl3、ZnCl2、H+、Ag+、Ca2+、Cu2+等等常见的Lewis碱有C5H5N、(C2H5)2O、NH3、(CH3)3N、C6H5NH2、OH、CO32、HCO3、SH、CH3CO2等如果比较一下Bronsted-Lowry质子论与路易斯电子论，可以看出，对于碱来说多数是一致的例如，HO能接受一质子，HO也能给出电子对(Lewis)，而NaOH不能看做碱对于酸来说，两种理论很不一致按照Bronsted的定义，H不是酸，但按Lewis的定义，H是一个强酸同样，BH3、AlCl3不是质子给体，不能称为Bronsted酸反之，按照Lewis的定义，HCl、H2SO4、HNO3、CH3COOH都不作为酸，但它们都能给出质子，都是Bronsted酸这两种理论在有机化学中一直是兼容的，而且往往用于不同的场合,、2LevelingEffect如果说一个酸(HA)在溶剂S中是完全电离的，这就意味着它与溶剂的反应是完全的。,大部分羧酸在水中表现为弱酸，但当它们溶于液氨中却电离，因为它们与这强碱性溶剂的反应几乎是完全的可见，酸的表观强度往往依赖于溶剂接受质子的能力，即取决于溶剂的碱性,由于所有羧酸在液氨中具有相同的电离度，可以认为，强碱性的液氨对于溶于其中的羧酸的表观强度起了拉平的作用,因为布朗斯台德酸在溶液中的“电离”实际上就是酸提供质子给溶剂，而布朗斯台德碱的“电离”就是从溶剂中夺取质子，所以电离常数的大小主要取决于溶剂的酸性或碱性例如，2,4-二硝基苯胺在水溶液中是很弱的碱，以至很难测出2,4-二硝基苯胺离子的存在,假如有两种酸HX、HY，它们的电离常数分别为104和102那么,它们的0.lmolL-1水溶液的氢离子浓度将分别为0.099999molL-1和0.0999molL-1这样的差别在实验中无法区别，因此这两种酸的电离常数虽相差100倍，但它们在水溶液中的强度几乎相等,溶剂起到了拉平效应，必须在碱性更小的溶剂中才能区别这两种酸的强度例如，改用另一溶剂，它的碱性只有水的10-6，那么这两种酸在这一溶剂中的电离常数将分别为10-2和10-4(相差100倍)，它们的0.1molL-1溶液的氢离子浓度分别为0.027molL-1和0.0031molL-1，就易于区别了,4、酸度的测定酸和碱的强度可定量地用测量电离常数的方法来测定酸的强度是其给出质子的趋势的量度酸在水中的电离可表示如下,对于强酸来说，这个平衡强烈偏向右方；而在弱酸情况下，电离建立了平衡，其电离常数Ka可表示如下,lgKa实际上代表了酸的电离能力,即酸度,但通常用pKa表示,对于稀溶液,则用pH表示,5、AcidityFunctions但对于浓酸,因为有个活度的问题,所以溶液中H浓度与实际酸性并不一致,所以这时需要用另外的酸性标度.Hammett用弱碱性指示剂(硝基苯胺类)来标定酸度:,(式1),由于指示剂的碱式与酸式具有明显不同的光谱性质，故在稀水溶液中可用分光光度法直接测定比值InInH+.如果把活度系数忽略掉,则指示剂的平衡常数可以算出来的;,如果酸浓度增加，游离碱（In）的浓度就会变得太小而测不出来，这时如用碱性更弱的指示剂(质子化更难)就容易测出了但是，此时pKInH+的直接测定不可能，因为活度系数不能再忽略如果参比指示剂In的pKIn1H+是已知的,则更弱的碱性指示剂In2的pKIn2H+可以从下式得到,其条件是比值实际上是相同的，式(1)可以写成,h0称为酸度函数.当活度系数趋向于1时,也就是氢离子浓度.因此也有下列H0:,H0也称酸度函数.因此,在稀溶液中,H0与pH值相同;在高浓度溶液中,H0比pH增长更快;H0反映了溶剂体系转移质子给电中性碱的能力.,H2SO4/H2O混合物的H0值,超强酸:酸度函数H0是表示提供质子能力的量度,100%硫酸的H0是11.93,因此常把H012的酸称为超强酸,巳知质子酸与Lewis酸相混合时,可以大大提高其酸性强度,典型的超强酸就是SbF5-FSO3H,强酸及超强酸的酸度函数H0,自从超强酸发现以来，有机碳正离子的研究得到迅速的发展现在对碳正离子提出了新概念和新的分类奥拉等人曾提出在甲烷的氢交换反应中应该包含一个五配位的碳正离子中间体,这说明，在超强酸中，甚至在烷烃的C-H键上也能发生亲电反应；另外，C-C键也能与质子结合例如，新戊烷生成叔丁基碳正离子的质子解反应也是通过五配位碳正离子中间体进行的,醇、酯或卤代物等，在超强酸存在下易生成碳正离子，例如,酸性的判断化合物的酸碱性强弱可以通过对一些影响酸碱性的因素的考虑而得到判断。一个酸离解出质子给于水的过程可以写成一个平衡式，而这个酸的强度跟所有影响这个平衡的因素有关，包括键的强度，存在的任何张力，和熵变。但对于一系列的酸，这个熵变的差别是不大的。,因此，需要比较的实际上就是各个酸或各个酸根离子的相对稳定性。而各种因素对于带电荷的酸根离子稳定性的影响比较容易判断。因此，判断酸性的原则是：对于中性的酸，比较酸根负离子的稳定性，酸根负离子越稳定，其相应的共轭酸的酸性越强。对于带正电荷的酸(HA+)，则直接比较该酸的稳定性各种因素如何影响到酸根离子稳定性呢？,首先，最直观的一个影响因素是酸质子直接相连的原子的电负性。电负性越大，质子电离后的负离子越稳定，因此酸性就越大。例如，HFROHRNH2R3CH.但酸分子中与质子非直接相连的原子的电负性也对酸性有影响，因为诱导效应可以通过-键传递到带负电荷的原子上。但显然，较远的原子的影响是较小的，因为诱导效应随着相隔键数的增加而迅速减小。,共轭效应可以极大的分散电荷，因此，共轭效应对酸性的影响极大。例如，甲醇(pKa16.0)与苯酚(pKa10.02)比较，酸性几乎增加一百万倍，显然苯酚的酸性是因为氧上的负电荷可以通过共轭分散到苯环上去。,如果苯酚的对位有共轭吸电子的取代基，如硝基，则电荷还能分散到硝基上去，共轭分散的范围更大，相应的酸性也会增强(对硝基苯酚pKa7.15)。间硝基苯酚的pKa为8.36，间硝基苯酚中硝基主要起诱导作用。,键的强度对酸性的影响也很重要。氢卤酸的酸性次序为：HIHBrHClHF。第六主族氢化物的酸性也有相似的次序：H2TeH2SeH2SH2O。显然，从电负性是没法解释这种酸性次序的。造成这种酸性次序的主要因素是键的强度。这些氢化物的键强的递减次序为：H-FH-ClH-BrH-I和H-OHH-SHH-sheH-TeH。但如果不是同族比较，或者有其他因素存在，键强就不是主导酸性的主要因素了。例如，R2NH(R=烷基)的键强比R3CH和ROH都要弱(91.5、96.5和104.4kcal/mol)，但NH的酸性比CH大得多。,邻近电荷的影响。附近的原子带正电荷将极大地增强质子的酸性。例如，Ph3P+CH3中甲基氢的pKa为22.4，这主要是因为膦原子上带正电荷所致。(CH3)2S+-CH2COPh中的亚甲基的pKa为8.3，这是以上几个因素都起作用的结果。,原子的杂化状态也对酸性产生影响。由于s轨道能更有效地感受到核的正电荷，因此，s成分所占的比例高的杂化轨道就比较“吸”电子，表现的就是电负性稍大。因此，不同杂化状态的电负性就有如下次序：spsp2sp3.碳氢的酸性也就有炔氢烯氢烷氢的次序。这种影响在质子化的氮化合物中也存在。质子化的腈的pKa约为12，亚胺的盐的pKa约为5.23，而烷基铵盐在10-11。,芳香性能强烈地影响到有机化合物分子结构的稳定性，因此也能强烈地影响有机分子的酸碱性。最显著的例子是环戊二烯分子中亚甲基氢的酸性特别大(pKa为16.0)，这已经接近水的酸性了。这是因为环戊二烯负离子是符合4n+2的芳香性的，特别稳定一些。环庚三烯亚甲基的pKa就是38.8，跟环戊二烯没法比了。,前面讨论的因素都会大范围地改变化合物的酸性。溶剂也对化合物的酸性有影响。溶剂的影响常常用于解释同种官能团一系列化合物酸性的较小的差别。例如，不同醇的酸性。醇的R基团越大，其酸性就越小。体积最大的叔丁醇与最小的甲醇酸性相差约3个pKa单位。这是在溶液中的情况。但气相的酸性正好相反。可极化程度较大的叔丁基导致较大的酸性。溶剂的作用是使化合物内在的酸性次序完全颠倒了。通常的解释是烷基越大，就越不容易溶剂化而使带负电荷的氧稳定。,溶液中酸把质子转移给溶剂的焓是差不多的。例如，甲酸和乙酸把质子转移给水的焓分别为0.01和0.02kcal/mol，其差别不大，甚至是与其相应的酸性相反的。但是，这个转移的熵变分别为17.1和21.9eu，甲酸的熵变比乙酸有利，从而使其酸性比醋酸大。,2、酸碱催化某些反应由于加入催化量的酸或碱而大大加速催化剂虽未消耗，但其浓度可能已包含在反应速率方程式中例如，环氧乙烷的水解是酸催化的，即环氧乙烷的共轭酸水解得更快,碱催化的情况可能有两种一种是可能有一个从反应物移去一个质子的预先平衡反应，即真正的碱催化反应，如硝基甲烷的质子交换反应,另一种就是直接的亲核进攻;溶剂阴离子（lyateion）比溶剂本身具有更强的亲核性，如环氧乙烷的碱催化水解,酸催化反应的两个主要类型为单分子(A1)机理和双分子(A2)机理在A1机理中，反应物(S)先质子化，且很快达到平衡，紧接着是共轭酸(SH+)的单分子分解,第一个快反应,应有一个平衡:,总的反应速度取决于中间慢的一步,将(a)式代入(b)式,得,为决速步中质子化络合物的单分子分解时所包含的活化络合物的活度系数,普遍和专一酸（或碱）催化反应在水溶液中进行反应时，若其反应速率只与水合氢离子浓度成正比（当然与反应物的浓度也成正比），则称为专一酸催化反应如果反应速率与溶液中每一种酸(例如还未离解的醋酸)的浓度都成正比，则称为普遍酸催化反应原醋酸乙酯的水解是普遍酸催化反应,在反应中生成的乙酸乙酯的进一步水解忽略不计且反应中的酸或碱的浓度保持不变的条件下，来研究该反应，发现该反应是一级反应，而且是假单分子反应,在m-硝基苯酚和m-硝基苯酚钠盐的不同浓度的缓冲溶液中测定此反应的速率常数，实验结果见下表,从上表中可看出，即使增加m-硝基苯酚盐的浓度使水合氢离子浓度保持不变，但反应速率常数还是随着m-硝基苯酚浓度的增加而增加这说明实测的酸催化反应速率常数一部分是由于未离解的m-硝基苯酚的作用引起的在同样的水合氢离子浓度下，将k对m-NO2C6H4OH作图得一直线，说明由m-硝苯酚引起的这部分反应是一级反应对于水合氢离子浓度为4.8109molL1、6.5109molL1和10.2109molL1得到的直线，其k的截距分别等于1.1104s1、1.45104S1和2.3104S1将这些k值对水合氢离子浓度作图得另一根直线，表明水合氢离子催化的这部分反应对于水合氢离子来说是一级反应因此，反应速率常数可表示为m-硝基苯酚项、水合氢离子项和“非催化”反应项（大概由于水的作用）的总和,总之，普遍酸催化反应的速率常数等于存在的每种酸的浓度乘上各自的催化常数,在专一酸催化反应中，反应被氢离子催化而与氢离子的来源无关，即反应速率直接与水合氢离子浓度成正比，而与存在的任何其他酸无关（包括水），如乙醛缩二乙醇的水解反应,与普遍和专一酸催化反应十分类似的为普遍碱催化和专一碱催化反应普遍碱催化反应的例子为硝酸胺(H2NNO2)的分解反应，专一碱催化反应的例子有亚硝基四甲哌啶酮的分解反应普遍酸和碱催化反应酸和碱与同一反应物作用而共同催化一个反应也是可能的对于反应物SH，同时用HA和B催化的反应，其反应速率关系式可表示如下,2,3,4,6-四甲基-D-葡萄糖(I)与其-异构体()的平衡体系的变旋作用是符合上式的，因为它是被普遍酸和碱催化的反应,转化的速率可以通过检测体系旋光度的变化而获得，并可计算出速率常数醛(a)的生成是反应决速步，然后它很快环化为体()该反应至少可以设想出两种机理：第一种机理认为，从(I)到碱(B)发生了慢的质子转移或酸（HA）发生了慢的质子转移，接着开环得到醛(Ia)，即发生了半缩醛可逆水解生成醛；,在反应中该催化剂形成了互变异构体2-吡啶酮当改用2-甲氧基吡啶时，因为它不能互变异构，所以不能催化此反应,Swain等提出了第二种机理，他们基于这样的事实，即在苯溶液中用苯酚（酸）和吡啶（碱）作为催化剂时，该反应是三分子反应，说明酸和碱可能是同时向糖分子进攻而直接得到(Ia)为了进一步证实这个机理，他们用2-羟基吡啶作为双官能团催化剂，发现它较等摩尔比的吡啶与苯酚的混合物要有效50倍，反应的过渡态可能如下所示,布朗斯台德催化方程酸或碱的催化能力与其电离常数有关布朗斯台德研究了它们之间的定量关系，发现硝酰胺的普遍碱催化分解反应速率取决于所用催化剂的碱性强度，,该反应中所用各种碱的催化常数(kc)的对数对这些碱的碱性常数(Kb)的对数作图，得到直线关系，因此，可用下式表示,3、硬软酸碱原理路易斯酸碱概念实际上是酸碱的电子论，是广义酸碱虽然路易斯碱与布朗斯台德碱相同，但路易斯酸的范围要比布朗斯台德酸广泛得多根据定义，路易斯酸是电子对受体，路易斯碱是电子对给体，则一个酸碱平衡可表示如下，,由于布朗斯台德酸碱反应是质子的转移，这个特征可用于定量地比较酸碱的强度，可是电子对给予和接受难以衡量，因此，路易斯酸碱的强弱难以定量。,对于酸催化反应也有类似的关系式许多普遍酸催化反应和普遍碱催化反应均服从布朗斯台德催化定律，因为它也是线性自由能关系的反映,对于广义酸碱的分类，始于对络合物稳定性的研究络合物的形成体是酸，配体是碱这类络合物的稳定性因配体的给电子原子不同而大有差别周期表的同族元素配体的每一种金属的络合物，它们的稳定性随周期表作有规则的变化表4-7列出卤离子的几种络合物的一级稳定常数从表中可以看出，酸有两类：一类像Fe3+、H+，它们的卤离子络合物的稳定性随卤素相对原子质量的增加而降低；另一类像Hg2+，它们的卤离子络合物的稳定性次序恰相反，即随卤素相对原子质量的增加而增大其余金属则介于这两类之间，其络合物稳定性改变不大研究其他元素作配体的络合物的稳定性也发现有类似现象，从而按络合物稳定性的次序把金属离子分为a、b两类a类金属都是周期表内的A族元素，即主族元素b类金属都是过渡金属，即B族或副族元素另一方面，配体也可分为两类，一类如F，它们的络合物稳定性依次递增,卤离子络合物的稳定常数lgK1,1963年皮尔逊（RGPearson）提出用硬软的概念来整理路易斯酸碱他把原子、分子或离子分为硬、软两类，硬软性与原子或离子的大小、电荷（氧化态）的多少、可极化度的大小以及中心原子的电负性有关广义酸a类金属及其电子对受体的特性是体积小，正电荷多，,广义酸的分类,广义碱的分类,硬软酸碱作用原理及其硬（软）度Pearson等从化学实践中归纳出硬软酸碱（HSAB）相互作用的规律：硬酸优先与硬碱结合，软酸优先与软碱结合，即“硬亲硬，软亲软，硬软交界就不管”硬酸与硬碱可形成离子键和高极性键或稳定的络合物；软酸与软碱可形成共价键或稳定的络合物硬酸勉强与软碱形成弱的键，或不稳定的络合物，反之亦然这就是HSAB的作用原理利用此原理，可以判断或预测化学反应的活泼性、反应中心的选择性以及反应产物的相对稳定性等(1).碱的硬（软）度在同族系列元素中，其中心原子愈大、电负性愈小者，则碱的软度愈大,(2)酸的硬(软)度些碳正离子的硬度大小顺序如下,C6H5+(CH3)3C+(CH3)2CH+CH3CH2+CH3+,元素及其化合物的硬度随其氧化态的提高而增加例如，Ni(CO)4是软酸，Ni2+为交界酸，而Ni4+则是硬酸；RS+是软酸，而RSO2+则是硬酸,硬软酸碱的理论基础关于HSAB原理的理论解释曾有过多种说法，G.Klopman根据量子力学的前沿分子轨道微扰理论，对于酸碱硬软性质和对反应的说明作了一定的贡献由于碱是电子对给体，它的反应性质主要决定于它的最高已占轨道，酸是电子对受体，它的反应性质主要决定于它的最低未占轨道克洛普曼认为，当酸碱两个反应物r与s接近时，两者的分子轨道就发生相互微扰而使能量改变，其微扰能可近似地用下式表示,电荷控制项,m分子的巳占轨道控制项,n分子的未占轨道控制项,式中qa，qb为在孤立分子中原子a和原子b上的总电荷；Rab为a和b之间的距离；为溶剂的介电常数；Cnb为能量为E*n的电子受体分子轨道n中b原子轨道系数；Cma为能量为E*m的电子给体分子轨道m中a原子轨道的系数；m为电子给体分子轨道；n为电子受体分子轨道；为成键的共振积分；E*m一E*n为前沿轨道的能量差,式中第一项表示两个原子之间所带的电荷qa、qb的相互作用，第二项表示电子从m到n转移，即形成共价键的贡献；当酸的前沿轨道能量（E*n）和碱的前沿轨道能量（E*m）相差很大时，微扰能主要由酸、碱的所带电荷决定，具有高电荷的离子易发生此类反应，称为电荷控制反应，硬酸一硬碱的相互作用是典型的电荷控制反应，并且大部分生成离子键；当E*m和E*n的差别很小时，即（E*m一E*n）值很小，则发生电子由碱向酸的转移，因此，这是前沿轨道控制的反应，相当于软酸与软碱反应，大部分生成共价键；当E*m和E*n的差别中等时，由电荷控制的反应少，由前沿轨道控制的反应也少，以致反应活性不高,在一般溶液中，溶质都是溶剂化的，在反应时，分子间距离和电荷都减少，产生去溶剂化作用，故溶剂化能量是酸碱反应能的另一重要因素Klopman认为酸碱的硬软度可由前沿轨道能量与去溶剂化能量的差值Em和En来表示碱的前沿轨道能量为,酸的前沿轨道能量为,式中IP是电离势；EA是电子亲合势；a和b为变分参数，其关系式为a2十b2=1去溶剂化能量则为前沿轨道的电子密度、离子电荷和半径以及溶剂的介电常数的函数.,我国刘祁涛应用