1、第五章有机化合物的酸碱性第五章 有机化合物的酸碱性酸碱是化学中的重要概念，从广义的角度讲，多数的有机化学反应都可以被看作是酸碱反应。因此，酸碱的概念在有机化学中有着重要的应用，在学习有机化学的时候，学习与了解有机化合物的酸碱性是十分必要的。5.1 Brnsted酸碱理论1923年，为了克服S. A. Arrehenius依据电离学说，所提出的水溶液中酸碱理论的不足，丹麦的J. N. Brnsted和英国的J. M. Lowry分别独立地提出了新的酸碱理论。该理论给出的酸碱定义为：凡是能给出质子的任何物质（分子或离子），叫做酸；凡是能接受质子的任何物质，叫做碱。简言之，酸是质子的给予体，碱是质子
2、的接受体。因此，Brnsted 酸碱理论又称为质子酸碱理论。依据Brnsted 酸碱理论，酸给出质子后产生的碱，称之为酸的共轭碱；碱接受质子生成的物质就是它的共轭酸。即：可以看出，CH3CO2H给出质子是酸，生成的CH3CO2则是碱。这样的一对酸碱，称为共轭酸碱对。C2H5OH和C2H5O也是如此。酸、碱的电离可以看作是两对酸碱的反应过程。例如：醋酸在水中的电离，CH3CO2H给出一个质子是酸，H2O接受一个质子为碱。这里，CH3CO2H/CH3CO2与H2O/H3O分别是两个共轭酸碱对。但是，甲胺在水中电离时，H2O给出一个质子是酸，CH3NH2接受一个质子为碱。H2O/OH与CH3NH2/
3、CH3NH3+分别是两个共轭酸碱对。由此可见， Brnsted理论中的酸碱概念是相对的。即一个物质（分子或离子）在一定条件下是酸，而在另一种条件下则可能是碱。这种情况在有机化学中经常遇到。例如，丙酮在硫酸中是碱，但在甲醇钠的二甲亚砜中则是酸： 同样，醋酸遇到浓硫酸时表现为碱，而弱碱性的苯胺遇到强碱NaNH2则显示为酸。 另一方面，共轭酸碱的强度也是相对的。对Brnsted酸碱来说，酸愈强，则其共轭碱愈弱；碱愈强，则其共轭酸愈弱。而在酸碱反应中，质子总是由较弱的碱转移到较强的碱上。Brnsted提出的“共轭酸碱对”的概念，将酸碱理论从以水为溶剂的体系推广到质子溶剂体系，但是却不适用于非质子溶剂体
4、系。5.1.1 酸碱强度的测定Brnsted认为，酸碱的强度可以用给出和接受质子的能力来衡量，强酸具有强给出质子的能力，强碱具有强接受质子的能力。一般情况下，可根据电离常数的大小来对不同物质的酸碱性进行比较。例如，CH3CO2H和H2O在25oC时：可见，CH3CO2H给出质子的能力强于H2O，则CH3CO2H酸性比H2O大。由于共轭酸碱在水溶液中的解离常数具有如下关系：KaKb = Kw这里，Ka、Kb、和 Kw分别为酸、碱和水的解离常数。依据上述公式，共轭酸碱的强度是呈反比关系的。即酸越强，其对应的共轭碱就越弱，反之亦然。通过Kw 1x10-14，可以根据某个酸的酸常数来计算其共轭碱的碱常
5、数，或从它的碱常数计算其共轭酸的酸常数。因此，要比较不同酸碱强度的大小，可以通过测量它们的解离常数Ka、Kb（常用其负对数pKa、pKb表示）来进行。为便于比较，酸碱的强度可以统一用pKa表示。一些常见有机酸和有机碱（的共轭酸），25oC时以水为标准的pKa，分别列于表5.1和表5.2中。通常Ka越大或pKa越小，表示酸性越强，其共轭碱的碱性就越弱，反之亦然。表5.1 一些常见有机酸的pKa值（或pKa1值）名 称pKa名 称pKa甲酸3.75苯甲酸4.21乙酸4.76苯乙酸4.31丙酸4.87苯磺酸0.70n-丁酸4.83邻甲基苯甲酸3.91n-戊酸4.84间甲基苯甲酸4.27n-己酸4.8
6、6对甲基苯甲酸4.37氯乙酸2.86邻硝基苯甲酸2.17溴乙酸2.90间硝基苯甲酸3.49碘乙酸3.18对硝基苯甲酸3.44二氯乙酸1.30顺式肉桂酸3.88三氯乙酸0.64反式肉桂酸4.44三甲基乙酸5.08丁二酸4.21苯酚9.99顺丁烯二酸1.94邻甲基苯酚10.26反丁烯二酸3.02间甲基苯酚10.00甘氨酸9.78对甲基苯酚10.26色氨酸9.39邻硝基苯酚7.23组氨酸9.17间硝基苯酚8.40赖氨酸10.53对硝基苯酚7.15酪氨酸9.11乳酸3.86抗坏血酸4.30乙二醇14.22丙三醇14.15甲烷40环丙烷39乙烷42环己烷45乙烯36.5苯37乙炔25甲苯35脂肪酮202
7、1环戊二烯16*数据选自化学用表，江苏科技出版社（1979）和J. March Advanced Organic Chemistry, Mc. Graw-Hill, New York,1977。表5.2 一些常见有机碱（的共轭酸）的pKa值（或pKa1值）名 称pKa名 称pKa甲胺10.66苯胺4.63乙胺10.63邻甲基苯胺4.44丙胺10.71（20oC）间甲基苯胺4.73n-丁胺10.77对甲基苯胺5.08二甲胺10.73间硝基苯胺2.45三甲胺9.81对硝基苯胺1.00二乙胺10.93邻氯苯胺2.65三乙胺11.01间氯苯胺3.46吡咯烷11.27对氯苯胺4.15N-甲基吡咯烷10.
8、32甘氨酸2.35吡啶5.18丙氨酸2.35环己胺10.66色氨酸2.43喹啉4.90（20oC）苏氨酸2.09联苯胺3.57（30oC）胱氨酸1.65乙酰胺0.63脯氨酸1.95嘌呤2.30（20oC）丝氨酸2.198羟基嘌呤2.56（20oC）酪氨酸2.20甜菜碱1.83（0oC）精氨酸1.82吗啡8.21缬氨酸2.29*数据选自化学用表，江苏科技出版社（1979）。需要指出的是，pKa仅可作为粗略衡量酸碱强度的标准，因为表中的pKa是在稀的水溶液中测定的，而溶剂的性质和其它因素（如温度）对pKa的大小和次序是有显著影响的。尽管如此，pKa仍是描述有机化合物酸碱性的重要参数。L. H. H
9、ammett为了测定强酸介质的酸度，采用了一系列弱碱指示剂，并引入酸度函数（H0）的概念代替pH来表示酸度。要测定酸性介质的酸强度，实际上就是测定酸性介质给出质子的能力，这可以通过采用一系列的弱碱指示剂来进行。首先，配制一定酸度的弱碱指示剂溶液，由于指示剂在酸性介质中被质子化，因而测量的是其共轭酸的酸度：上式中，B1为弱碱指示剂；BH+为质子化碱，即碱的共轭酸；a为活度。经过整理，pKa1的式子可以写为：（51）在稀水溶液中，活度即为浓度，此时方程式（51）变成：如果弱碱B1和质子化碱BH+的光谱是已知的（实验可测），则可以利用可见紫外光谱法，在已知pH的水溶液中测定B1H+/B1的比值，从而
10、确定pKa1。确定pKa1之后，就可以在同一溶液中测定另一弱碱指示剂的pKa2：（52）将（51）式减去（52）式，并以浓度表示，可得：（53） 式中，为活度系数。Hammett假设，若上述两个碱具有相同的电荷和相似的结构，则它们的活度系数的比值相等。即（54）这时，式（53）变成为：（55）由于pKa1为已知，而式（55）右边的各项都是可以通过实验测定的，这样就可以确定pKa2。以此类推，利用此重叠指示剂法可以在不同酸度的溶液中测定不同弱碱的pKa。这样，就可以建立一个标度，用来估量不同介质给出电子的能力，这将比pH度的应用更为广泛。凡是符合式（54）的碱，称为Hammett碱，或Hamme
11、tt指示剂，它们可以很好地应用于强酸体系，包括浓硫酸的水溶液。对于方程式（51）进行整理后，并写为一般式，得：（56）Hammett定义：则：（57）H0对于任何一个溶剂体系都是一个定值，表示溶剂介质给出质子的能力，称为Hammett酸度函数。由式（57）可知，在稀水溶液中活度系数等于1，则H0 pH。 需要指出的是，用H0来表示介质的酸强度，也有它的局限性。同时，以上所讨论的测定酸度的方法，主要依据酸、碱的解离平衡，被称为热力学酸度，只适用于估计平衡的位置。此外，还有所谓的动力学酸度。有关Brnsted酸强度的测定，人们已经做了大量的研究工作，提出了若干不同的测量方法与酸碱标度。除了液相酸度
12、外，还有在气相测定的酸度等。总而言之，一种能够适用各种类型的溶剂体系，而且既可以适用于平衡状态，又可适用于动力学场合的绝对酸碱标度是没有的。5.1.2 影响酸碱强度的主要因素影响Brnsted酸碱强度的因素有很多，但受溶剂、分子结构等的影响最大。一、溶剂化作用溶剂的溶剂化能力对有机化合物的酸碱强度有很大的影响。溶剂的介电常数越高，存在于其中的离子对的静电能就越低，离子在溶液中的稳定性就会增加，因而离子就容易生成。另一方面，溶液中的离子会将其周围的溶剂分子强烈地极化，使得离子的表面会包积一层溶剂分子（称为离子溶剂化作用），这种溶剂化使得离子的电荷分散或离域化而稳定。一般说来，离子越小、电荷越多，
13、受到的溶剂化作用就越强。以常用的水溶剂为例，由于具有很高的介电常数和很强的离子溶剂化能力，水是一个很好的溶剂化介质。主要是水分子比较小，很容易被极化，因而它对正负离子都能够起稳定的作用。由于能够产生“氢键”型溶剂化作用，水的溶剂化效应对负离子尤为有效（Scheme 1）：Scheme 1 水的“氢键”型溶剂化作用一些结构、性能与水相似的质子性溶剂，如CH3OH、C2H5OH等，也有类似的作用。溶剂化作用对酸碱性的影响的典型例子，就是酸碱在气相和液相中的强度有很大的差异。例如，苯酚和乙酸在水中的pKa值相差5左右，而在气相时，它们的pKa值相近。这是因为在水中，CH3CO2-能够被有效地溶剂化，
14、在气相时由于没有溶剂化左右而使其酸性降低。对于苯酚负离子C6H5O-，由于其负电荷可以通过共轭离域而分散，因而在水中的溶剂化左右较CH3CO2-弱，所以苯酚酸性在水中比乙酸要弱很多。另一个例子是，人们测得取代甲胺化合物在气相中的碱性强弱次序为：Me3N Me2NH Me NH2 NH3由于甲基具有+I的诱导效应，随着甲基的增多，胺的碱性也增大。但在水溶液中，它们的碱性强弱的次序被发现是：Me2NH Me NH2 Me3N NH3这是由于分子中的氮原子接受质子后生成的铵离子，会与水产生氢键型溶剂化而稳定。氮原子上的氢越多，溶剂化的作用就越强。但这种溶剂化作用导致的碱性次序与甲基的增加所导致的碱性
15、次序作用是相反的，这两种因素的协同作用，就导致了水溶液中上述取代甲胺的碱性次序。另外，在非质子性溶剂（如氯仿、乙腈等），由于可以避免氢键的影响，测得的取代甲胺化合物的碱性次序与气相中测得的结果一致。从这里可以看出，气相中测定的酸碱度，是由分子自身结构决定的，是内在的酸度。而液相这的酸度，存在溶剂化效应的影响，与分子的结构（大小、电荷分布等）极溶剂的性质等多种因素有关。二、有机化合物结构对酸碱性的影响有机化合物的结构可以通过多种因素来影响其酸碱性。对于一个有机分子而言，通常都存在两种或两种以上的影响因素，要严格区分单一因素影响的大小不是很容易的。诱导效应：具有-I诱导效应的原子或基团，在分子中增
16、加酸性；反之，具有I诱导效应的原子或基团，在分子中降低酸性。比较下列乙酸衍生物的酸性大小：H-CH2CO2HICH2CO2HBrCH2CO2HClCH2CO2HCl2CHCO2HCl3CCO2HpKa4.763.182.902.861.300.64 可以看出，将卤原子引入乙酸的-位后，其酸性显著地增加。随着卤原子电负性的增大，-I的诱导效应增强，氯乙酸的酸性比乙酸增加了约100倍。另外，随着乙酸的-位的卤原子的数目的增加，酸性大大增强，三氯乙酸的酸性比乙酸增加了约10000倍。再对下列羧酸衍生物的酸性进行比较：HCO2HCH3CO2HCH3CH2CO2HCH3(CH2 )2CO2H(CH3)3
17、CCO2HpKa3.754.764.874.835.08可见，由于甲基是具有+I诱导效应的基团，从甲酸、乙酸到三甲基乙酸，分子的酸性逐渐减小。但从乙酸、丙酸及丁酸的数据看，烷基碳链的增长，对分子酸性的影响不大。共轭效应：与诱导效应的作用相似，具有-C共轭效应的原子或基团，将使分子的酸性增加而降低碱性；反之，具有C共轭效应的原子或基团，将使分子的碱性增加而降低酸性。但一般情况下，共轭效应往往与诱导效应等共同影响着分子的酸碱性。比较苯酚衍生物的酸性：甲基是具有+I诱导效应的基团，所以甲基取代的苯酚的酸性都比苯酚的弱。而邻、对位取代的较间位取代的酸性更弱，是因为在邻对位上，甲基既有+C的-p超共轭效
18、应，又有+I的诱导效应；而间位上仅有+I的诱导效应。同理，对于硝基取代的苯酚，因为硝基的强拉电子作用，硝基取代的苯酚的酸性都要比苯酚强很多。由于邻、对位上硝基既有既有-C的共轭效应，又有-I的诱导效应，故其酸性要增强很多。但邻硝基苯酚的酸性弱于对硝基苯酚，这是由于邻硝基苯酚会生成分子内氢键的结果（见后面）。同样，共轭效应和诱导效应对取代苯胺的酸碱性，也有相似的影响。 共轭效应的影响使得苯胺的碱性比氨弱了很多，而硝基的强拉电子作用（-C和-I）使得硝基苯胺的碱性显著减弱。场效应：场效应是由分子中带偶极的极性键产生的，有人习惯上认为它也是诱导效应。但通过精细的实验可以区分诱导效应与场效应的。例如，
19、人们测定了下面二个化合物的pKa：氯代酸的酸性不但未增强反而减弱了，这只能用场效应来解释。主要是由于氯原子上负电荷的电场对羧基上氢原子的影响，阻止了氢原子变成带正电荷的质子离去。立体效应：质子本身很小，在质子的转移过程中很少发生直接的立体位阻，但分子中的立体位阻会通过影响共轭效应，间接地影响酸碱的强度。例如：邻叔丁基苯甲酸的酸性比对叔丁基苯甲酸的强10倍，这是因为大体积的叔丁基把羧基挤的偏离了苯环平面，从而减小了共轭效应的影响。另外，对于，-不饱和酸酸的顺反异构体，当较大的基团与羧基处在同一侧时，由于两个靠近而产生的空间上的挤压与排斥，使得羧基与双键间的共轭效应受到影响，从而减少了烯键的+C共
20、轭效应，结果导致顺式肉桂酸的酸性比反式的更强。氢键键合：如果有机分子可以形成分子内的氢键，则会对其酸碱性产生影响。如顺丁烯二酸pKa1是1.94，反丁烯二酸是3.02。这是因为顺丁烯二酸负离子中，CO2-可以与CO2H形成分子内的氢键，电荷的离域使得负离子的稳定性增大，因而其酸性较强。因为分子内氢键的形成，使得顺丁烯二酸pKa2要小于反丁烯二酸，分别是6.22和4.38。元素在周期表中的位置和轨道杂化情况：按照周期表中元素电负性的变化规律，同一周期的元素从左至右依次酸性增加，碱性降低。如：酸性：HF H2O NH3 CH4碱性：CH3 NH2 OH F 而同一族的元素由上自下虽然电负性逐渐降低
21、，但酸性却依次增加，碱性降低。这是因为I的半径比F的大，F的电荷更集中易与质子作用。HI HBr HCl HF从甲烷到乙炔的pKa值可见，虽然它们都是极弱的酸，但随着碳原子杂化轨道中的s轨道成分比例的增加，酸性逐渐增强。H-CH3H-CH=CH2H-CCHpKa4036.525C的轨道杂化sp3sp2sp除了有机化合物的结构和溶剂外，温度对Brnsted酸碱的强度也有较大的影响，在给出pKa时需指出测定的温度（一般为25oC）。此外，当温度不同时，酸碱强度的排序也可能会变化。5.2 Lewis 酸碱理论1923年，G. N. Lewis以化学键理论为基础，提出了酸碱的电子理论。该理论对酸碱的定
22、义是：凡是能够接受电子对的物质（分子、离子或原子）是酸，凡是能够给出电子对的物质就是碱；换句话说，酸是电子对的接受体，碱是电子对的给予体，而酸碱反应则是酸碱共享电子对的作用。从上述定义可知，Lewis 酸碱理论突破了其它理论所要求的某一种离子、元素（如氢元素）或溶剂，而是基于组分合电子对的授受，将更多的物质用酸碱的概念联系了起来，极大地扩展了酸碱的范围。因此Lewis 酸碱理论又称电子理论，或称为广义酸碱理论。按照电子理论，酸与碱的反应就是在酸碱之间共享电子对，也就是生成配位共价键的过程。这个通常的中和反应，通过配位作用生成配为络合物或称酸碱加合物。上面的酸碱加合物中，BF3是酸，NH3是碱。
23、酸碱加合物几乎无所不包，凡是正离子或金属离子都是酸，能够与之结合的无论是负离子还是中性分子都是碱。因此，大多数的无机化合物（如盐、金属氧化物及络合物等），不论在液态、固态或溶液中，都可看作是酸碱加合物。有机化合物也是如此，依据它们的性质可以设想将有机化合物分解为“酸”和“碱”两个部分。例如，醇（ROH）可以分解为烷基正离子R（酸）和羟基负离子OH-（碱）；烷烃也可以认为是由烷基负离子R-（碱）和质子H（酸）组成；还可以把有机分子中电子密度高的原子、重键、芳环等看作是碱等等。因此，Lewis 酸碱的范围是极为广泛的。例如，在有机化学中，按照电子理论，亲电试剂（E+）就是Lewis 酸，而亲核试剂
24、（Nu-）就是Lewis 碱。对于卤代烃的亲核取代反应，实际上就是Lewis 碱的置换反应：而芳环上的亲电取代反应，如氯代反应，则可看作是Lewis 酸的置换反应：Lewis 酸碱理论在有机化学中十分重要，其概念已经成为了解有机化合物和运用有机反应的基础。但是，Lewis 酸碱理论不像Brnsted酸碱理论那样，有一个统一的pKa值可以作为定量比较酸碱强度的标准。虽然人们已经知道，Lewis 酸碱的强弱与反应的对象密切相关，吸（给）电子的能力越强，酸（碱）性就越强，但到目前为止，还未有一个统一的衡量Lewis 酸碱强弱定量的标准。5.3 软硬酸碱（HSAB）理论 1963年美国科学家G. .M
25、. Pearson在研究Lewis 酸碱的反应活性线性自由能关系和酸碱加合物在水溶液中的稳定性的基础上，通过对大量的热力学、动力学数据的分析和总结，提出了所谓“软”、“硬”酸碱的概念。硬酸：指受体原子的体积小，具有较高的正电荷，极化度低，用分子轨道理论描述是最低空轨道（LUMO）的能量高；软酸：指受体原子的体积大，具有较低或零正电荷，极化度高，LUMO的能量低；硬碱：指给体原子的体积小、电负性高，极化度低，不易被氧化，其最高占有轨道（HOMO）的能量低；软碱：指给体原子的体积大、电负性低，极化度高，易被氧化，其最高占有轨道（HOMO）的能量高。一般认为，硬性与离子键有关，而软性则与共价键有关。
26、Pearson总结出的软硬酸碱原理是：硬酸倾向于与硬碱相结合，软酸则倾向于与软碱相结合。简言之就是，“硬亲硬、软亲软，软硬交界就不管”。象共价键可通过极性键连续过渡到离子键一样，可以认为酸碱也可以由很软的酸碱连续过渡到很硬的酸碱。但从上面的介绍可知，软硬酸碱理论是大量实验数据的概括，没有统一的定量标准。因此，有关酸碱的软硬划分，也不是很严格的，是相对的，不是绝对的。表5.3列出了一些常见的软硬酸碱。表5.3 一些常见的软硬酸碱硬 酸交 界软 酸H+, Li+, Na+, K+Fe+2, Co+2, Ni+2, Cu+2, Zn+2Pd+2, Pt+2, Pt+4, Cu+Be+2, Mg+2,
27、 Ca+2, Sr+2Rh+3, Ir+3, Ru+3, Os+2,Ag+, Au+, Cd+2, Hg+2Sc+3, La+3, Ce+4, Gd+3, B(CH3)3, GaH3BH3,Ga(CH3)3, GaI3Lu+3, Ti+4, Cr+6, Fe+3, Al+3R3C+, C6H5+, Pb+2, Sn+2:CH2, HO+, RO+BF3, AlCl3, CO2, SO3NO+, Bi+3, SO2Br2, I2, O, Cl, BrRCO+, NC+, RSO2+I, N, M(金属原子)硬 碱交 界软 碱NH3, RNH2, N2H4C6H5NH2, C5H5N, N2H-,
28、 R-, CH2CH2, C6H6H2O, OH-, ROH, RO-NO2-, SO3-2, Br-CN-, CO, RNCR2O, CH3CO2-, CO3-2 R2S, RSH, RS-, I-NO3-, SO4-2, ClO4-, F-Cl- 软硬酸碱理论中的“亲”有两层意思，一是指生成的产物的稳定性高，二是指这样的反应速度快。但需要注意的是，酸碱的软与硬不等同于强和弱，即 软和硬与酸碱的强弱不是一回事，不要把它们相提并论。软硬酸碱理论已经被广泛地应用于无机化学和有机化学中，可以用来说明和解释许多化学现象，比如溶解度的规律、配体选择、催化剂的选择、有机化合物的稳定性以及反应的选择性等，
29、这是该理论最成功的地方。以下举几个例子，说明软硬酸碱理论在有机化学中的应用。1. 将有机化合物作为酸碱加合物。按照Lewis酸碱理论，多数的有机化合物都可以被看成是酸碱加合物，也就是有机化合物是由Lewis酸和Lewis碱两部分组成。如，乙酸乙酯CH3COOC2H5，可以看作是由乙酰基正离子CH3CO+（硬酸）和乙氧基负离子-OC2H5（硬碱）。由表5.4知，它们是硬硬结合。利用软硬酸碱理论，就可以判断有机化合物的稳定性。2. 说明CH3COF与CH3COI的稳定性。 CH3CO+为硬酸，F-为硬碱，而I-为软碱。依据软硬酸碱理论，可以得出CH3COF比CH3COI稳定。同理，可用HSAB理论
30、说明RSI的稳定性大于RSF。3. 解释有机反应。1,2二氯乙烷当EtO-作试剂时发生消除反应，这是因为EtO-是硬碱，而硬碱与质子（硬酸）作用，所以发生消除反应； C6H5S-是软碱，它进攻碳原子发生SN2亲核取代反应而将Cl-取代。5.4超强酸常见的无机酸和有机酸的酸强度都要比硫酸的弱，100硫酸的Hammett酸函数值为11.9，是酸性很强的无机强酸。实际上，已经发现有许多的无机酸和有机酸的酸强度要强于硫酸。例如，氟磺酸FSO3H就被认为是目前最强的质子酸，它的H0 = 15.6，还没有其它的质子酸能够使其质子化。因此，人们就把酸性比100硫酸还强的酸（即H0 11.9的酸），叫做超强酸简称超酸（super acid）。FSO3H能自身进行质子解，负离子FSO3十
