Kwasowość i zasadowość związków organicznych – od czego zależy?

Kwasowość i zasadowość związków organicznych – od czego zależy?

Gratuluję wszystkim świeżo upieczonym finalistom! To co, z kim się widzę na finale 🙂 ?

Zapraszam na bardzo ważny temat, już na trochę wyższym poziomie, chociaż to wciąż nie wszystko, co można tutaj napisać!

Zanim przeczytasz, warto zaznajomić się z artykułem : pKa jako najważniejsza dana w chemii organicznej

[Ciekawostka – na zdjęciu tytułowym jest przedstawiona cząsteczka kwasu karboranowego, czyli jednego ze związków należących do najmocniejszych kwasówl, jakie udało wyodrębnić się z roztworu, które notabene nie posiadają właściwości żrących. Są to tak zwane superkwasy].

Krótkie wprowadzenie :

Gdy będziemy starali się odpowiedzieć na pytanie :  ,,jak mocny jest ten kwas lub który kwas jest mocniejszy”  to często najwygodniej odwołać się do prostej równowagi :

(1) \ \ HX \rightleftharpoons H^{+} + X^{-}

Im bardziej reakcja jest przesunięta jest w prawo (to znaczy – wygeneruje się więcej protonów) tym oczywiście mocniejszy jest kwas.

Nasze zadanie będzie nie raz polegało na ocenie odwrotnej sytuacji – jeśli uda nam się ustalić, że dany anion  X^{-}   jest ,,stabilny” to znaczy, że kwas chętniej będzie dysocjował, a co za tym idzie będzie mocniejszy.

Zatem stabilny anion   X^{-}   będzie oznaczał, że kwas  HX   jest mocnym kwasem.

1.  Elektroujemność i efekt indukcyjny

Myślę, że elektroujemność nie jest dla Was niczym nowym w kwestii przewidywania mocy kwasu. Na pewno doskonale znacie trend rosnącej kwasowości w miarę przesuwania się w prawo w okresie i w ten sposób, poniższy szereg na nikim nie robi wrażenia :

\displaystyle R_{3}CH < R_{2}NH < ROH < HF  

strzałka wzrost kwasowości do prawej strony.jpg

Elektroujemność rośnie dokładnie tak samo :  \displaystyle C < N < O < F

Fluor, jako pierwiastek o największej elektroujemności najbardziej lubi (przyciąga) do siebie elektrony, zatem z tych wszystkich pierwiastków to jemu ten ładunek ujemny przeszkadza najmniej.

Skala tej stabilizacji i różnice w kwasowości jakie z tego wynikają są naprawdę kosmiczne. Przykładowo metanol ma  pK_{a \ (CH_{3}OH)} = 15,5   , podczas gdy dla kwasu fluorodowodorowego jest to  pK_{a \ (HF)} = 3,2   [Pamiętajcie, że  pK_{a}   to skala logarytmiczna!]

Rodzi się jednak pytanie – dlaczego w takim razie kwas jodowodorowy jest dużo mocniejszy niż kwas fluorowodorowy? Odpowiedź na to znajdziecie w punkcie trzecim.

Obecność elektroujemnych pierwiastków ma też duże znaczenie nie tylko wtedy, gdy są one połączone bezpośrednio z kwasowym atomem wodoru. Okazuje się, że mogą mieć one bardzo duży wpływ nawet z dość daleka. Nazywa się to efektem indukcyjnym. Jest to nic innego jak wyciąganie elektronów przez Grupy Wyciągające Elektrony (w skrócie GWE).

5412d1777b2ef_o_medium

PS  Jeżdżąc czasem do Trójmiasta nie da się nie natknąć na tą tablicę rejestracyjną Wejherowa. Nie da się także wyprzeć z głowy myśli :  ,,jadę za grupą wyciągającą elektrony”.

Efekt indukcyjny standardowo pokazuje się w książkach na alfa-halogenokwasach. I widzimy, że kwas fluoroctowy (pK_{a} = 2,6 ) jest mocniejszym kwasem niż chlorooctowy (pK_{a} = 2,87 ) , a ten z kolei jest mocniejszym kwasem niż bromooctowy (pK_{a} = 2,9 ) , który oczywiście jest mocniejszy niż jodooctowy (pK_{a} = 3,1 ).

FCH_{2}COOH > BrCH_{2}COOH > ClCH_{2}COOH  > ICH_{2}COOH 

strzałka wzrost kwasowości do LEWEj strony.jpg

Obecność grup wyciągających elektrony działa w ten sposób, że stabilizują powstały anion, kradnąc mu trochę elektrony i w ten sposób go odciążając.

Analizując stabilność kationów lub anionów, zawsze staram zadać sobie pytanie : jaki problem ma dany jon i jak można mu pomóc?

komks.jpg

I analogicznie, kwas difluorooctowy będzie mocniejszy niż kwas fluorooctowy. Co ciekawe, aż trzy podstawniki w postaci atomów fluoru, sprawiają, że kwas  CF_{3}COOH   jest już naprawdę mocnym kwasem o wartości (pK_{a} = 0,5 ) !

CF_{3}COOH > CHF_{2}COOH > CH_{2}FCOOH > CH_{3}COOH

strzałka wzrost kwasowości do LEWEj strony.jpg

Im dalej jest umiejscowiona GWE tym oczywiście mniejszy będzie korzystny wpływ na stabilizację anionu i w takim razie na kwasowość danego związku. Moglibyśmy się zatem spodziewać, że meta-nitrofenol będzie mocniejszym kwasem niż para-nitrofenol, ponieważ GWE znajduje się bliżej i wywiera silniejszy efekt indukcyjny. Popatrzmy jednak :

kwas benzoesowy i grupa nitrowa o,m,p

strzałka wzrost kwasowości do LEWEj strony.jpg

Co ciekawe izomer meta- nam się tutaj wyłamał z logicznego szeregu i okazał się mniej kwasowy niż izomer -para, w którym grupa GWE (czyli grupa nitrowa) jest przecież dalej od grupy karboksylowej. Okazuje się, że w tym przypadku w grę wchodzi jeszcze rezonans – a wyjaśnimy sobie to już w następnym podpunkcie.

Jest to świetny moment, żeby przeanalizować  63 edycja, FW – Zadanie 1A , podpunkty b) oraz c)

2.  Rezonans

Wpływ rezonansu można wytłumaczyć na przykładzie alkoholu, fenolu oraz kwasu karboksylowego. Wszyscy znamy poprawną kolejność zgodnie z malejącą kwasowością :

RCOOH > PhOH > ROH

I znów, odwołujemy się do reakcji  (1)   z początku artykułu i wówczas wystarczy już tylko wytłumaczyć, że stabilność anionów maleje w szeregu  RCOO^{-} > PhO^{-} > RO^{-}

Powyższy szereg wynika z rezonansu, który zobrazowałem poniżej :

Rezonans RCOOH , PhOH, ROH.jpg

Ładunek zawsze przyrównuję do ciężaru, który dany jon musi nosić. O wiele lepiej taki ciężar nieść w dwójkę czy nawet trójkę, a w tej sytuacji widzimy jak biedny jest jon etoksylowy (CH_{3}CH_{2}O^{-} )  , ponieważ smutny, odosobniony niesie 100% ładunku i średnio to ogarnia, a cała sytuacja mu się nie podoba. W dużo lepszej sytuacji znajduje się anion karboksylanowy oraz fenoksylowy. Wydawałoby się nawet, że anion  PhO^{-}   powinien być nawet najbardziej trwały, jednak musimy pamiętać, że jak to w życiu –  nie liczy się tylko ilość form rezonansowych, ale także ich jakość. Formy rezonansowe fenolu są ,,słabe” bo wiążą się z powstawaniem niearomatycznych struktur, a utrata aromatyczności nie jest korzystna.

Powróćmy teraz do przykładów meta- i para-nitrofenoli. Wyjaśnieniem pokazanego w punkcie 1. szeregu jest właśnie rezonans. Okazuje się, że dla w sytuacji, gdy grupa GWE jest w pozycji meta- to wówczas nie jest ona w stanie stabilizować powstałego anionu. Wszystko zrozumiesz, jeśli samemu narysujesz formy rezonansowe (dla wszystkich o- ,m- ,p- izomerów!). Należy zaznaczyć, że obecność grupy nitrowej oczywiście zwiększa kwasowość poprzez efekt indukcyjny.

stabilizacja fenolu.jpg

3.  Siła wiązania

Siła wiązania maleje w szeregu :

H-F > H-Cl > H-Br > H-I

co jest jednocześnie szeregiem rosnącej kwasowości w obrębie grupy (fluorowce). Ten sam trend obserwujemy w grupie obok czyli szesnastej. Wiązanie  H-OH jest najmocniejsze, a  H-TeH   najsłabsze i oczywiście kwas tellurowodorowy jest dużo mocniejszym kwasem niż obojętna przecież woda.

Jest to logicznie, ponieważ wraz z przesuwaniem w dół grupy rośnie promień kationu/anionu, a zatem samo wiązanie się wydłuża. Dłuższe wiązanie jest słabsze (i także związki na odległość) i łatwiej je rozerwać, stąd proton będzie łatwiej dysocjował z kwasu, w którym to wiązanie do protonu będzie słabsze. Okazuje się, że efekt ten w obrębie grupy jest tym dominującym (i przytłacza elektroujemność).

Można także powiedzieć, że ujemny ładunek jest lepiej rozproszony na tak dużą objętość jaką stwarza anion jodkowy niż anion fluorkowy.

4.  Efekt elektrostatyczny

Sąsiadujący ładunek znacząco wpływa na możliwość ,,wytworzenia” kolejnego przeciwnego ładunku tuż obok, co nazywamy efektem elektrostatycznym. Wydawałoby się, że jest to coś nowego, jednak tak naprawdę już spotkaliście się z tym efektem, tylko prawdopodobnie nie zwróciliście na to uwagi.

Obecność dodatnio naładowanej grupy w sąsiedztwie kwasowej grupy, powiedzmy  -COOH   powoduje wzrost jej kwasowości. Widać to chociażby dla sprotonowanej glicyny  H_{3}N^{+}CH_{2}COOH   , gdzie  pK_{a} = 2,3 , w porównaniu do kwasu propanowego  CH_{3}CH_{2}COOH   , gdzie pK_{a} = 4,8   . Również częściowe ładunki dodatnie (\delta^{+} )  będą wywierały podobny (ale mniejszy wpływ).

Bardzo ważne zastosowanie efektu elektrostatycznego widzicie w reakcji Wittiga. Tworzenie kluczowego reagentu do tej reakcji, czyli ylidu fosforowego świetnie to przedstawia.

Ylid - efekt elektrostatyczny.jpg

Rozumiemy już teraz, dlaczego ten proton w grupie  -CH_{2}   jest kwaśniejszy niż ,,zwykły proton” z takiej grupy. Wszystko przez sąsiadujący, dodatnio naładowany atom fosforu.

Co ciekawe, kwasowość takich ylidów może być naprawdę duża. Poniższy ylid siarkowy :

(CH_{3})_{2}S^{+}CH_{2}COPh   ma wartość  pK_{a} = 8,3   !

Biologicznie ważnym przykładem jest jeszcze tiamina :

Tiamina efekt elektrostatyczny.jpg

Zaznaczony na czerwono atom wodoru jest relatywnie kwaśny  (pK_{a} = 21 ), co w zupełności wystarczy do przeprowadzenia enzymatycznych reakcji, które deprotonują tiaminę, tworząc nukleofilowy atom węgla pomiędzy azotem i siarką. A przyczyną tej kwasowości jest właśnie efekt elektrostatyczny.

I odwrotnie – utworzenie dianionu z monoanionu jest już dużo trudniejsze, z czym jesteśmy zaznajomieni z zakresu chemii analitycznej. Zwróć uwagę na różnice pomiędzy  pK_{a1} < pK_{a2} chociażby dla kwasu szczawiowego  1,3 < 4,3   czy kwasu siarkowodorowego  7,1 < 12,9 . Im bliżej znajduje się już nasz ujemny ładunek tym większa będzie różnica pomiędzy dwoma stałymi dysocjacji. Dla kwasu malonowego  (HOOCCH_{2}COOH ) te różnice są już mniejsze niż dla kwasu szczawiowego , tutaj mamy  stałe dysocjacji wynoszące  2,83 oraz  5,69   czyli różnica wynosi  \Delta pK_{a} = 2,86 , podczas gdy dla kwasu szczawiowego ta różnica wynosi  \Delta pK_{a} = 3

5.  Hybrydyzacja

Podejrzewam, że większość zna doskonale pojawiający się w książkach trend kwasowości  alkin > alken > alkan. *Terminalne alkiny ( C \equiv CH ), wykazują bardzo słabe właściwości i można je zdeprotonować używając mocnej zasady jak butylolit, aby potem na przykład wykorzystać to do tworzenia nowych wiązań węgiel-węgiel, co sprawia, że jest to bardzo ważna właściwość alkinów (i oczywiście pod kątem olimpijskim).

Podany wyżej szereg malejącej kwasowości wynika z hybrydyzacji, która oczywiście przedstawia się w szeregu :  sp > sp^{2} > sp^{3}

Dlaczego tak jest? Ponownie, rozpatrujemy trwałość anionów, które powstaną po deprotonacji tych węglowodorów. W przypadku alkinu, udział orbitalu s wynosi aż 50%, podczas gdy dla alkenów i alkanów udział orbitalu s wynosi jedynie 33% oraz 25%.

Im więcej mamy udziału orbitalu  s   , tym większa stabilizacja anionu (i bardziej kwasowy związek). Orbitale  s   odczuwają dodatni ładunek od jądra o wiele lepiej niż orbitale p , co wynika po prostu z ich kształtu. Orbital  s    znajduje się w rejonie dużej gęstości elektronowej – mamy oddziaływanie stabilizujące, podczas gdy dla orbitalu p   , jądro znajduje się w płaszczyźnie węzłowej.

Zatem podsumowując – im więcej udziału orbitalu  s   w anionie, tym stabilniejszy anion, ponieważ ujemne elektrony (gęstość elektronowa) znajdują się bliżej dodatniego jądra = większe oddziaływanie stabilizujące. A im stabilniejszy anion, tym oczywiście mocniejszy jego sprzężony kwas.

Co ciekawe, ten trend można rozszerzyć poza węglowodory. Spójrzmy na poniższy szereg malejącej kwasowości :

Hybrydyzacja.jpg

strzałka wzrost kwasowości do LEWEj strony.jpg

Akurat w związkach azotu częściej interesuje nas zasadowość niż kwasowość, zatem z powyższego trendu można bardzo łatwo uporządkować powyższe związki (ich sprzężone zasady) zgodnie z malejącą zasadowością.

Hybrydyzacja zasady.jpg

strzałka wzrost zasadowosci do LEWEj strony.jpg

Wolne pary elektronowe na azocie mające więcej udziału orbitalu  p   (o większej energii), mają duże ,,ciśnienie”, aby zaatakować proton (czyli czynić swoją powinność jako zasada). Nitryle natomiast, w ogóle nie są zasadowe.

*Terminalny alkin oznacza, że wiązanie potrójne znajduje się na końcu łańcucha (podobnie jak terminalni pacjenci znajdują się na końcu swojej ścieżki życia). Tylko w takim alkinie będziemy mieć atom wodoru połączony z atomem węgla o hybrydyzacji  sp   i możemy go zdeprotonować używając odpowiedniej zasady.

6.  Aromatyczność

Tutaj wszystko wynika z kryteriów aromatyczności, które zakładam, że dobrze już znacie. Właściwie jedynym istotnym przykładem jest tutaj cyklopentadien, który sam w sobie oczywiście nie jest aromatyczny, jednak jego anion już tak, przez co deprotonowanie cyklopentadienu jest możliwe (bo zwykłego alkenu raczej nigdy nie deprotonujemy). Motyw ten wykorzystałem w tym zadaniu :

Zadanie typu ,,kosmos” – ch. organiczna

7.  Wpływ rozpuszczalnika

Popatrzmy na wartości  pK_{a}   poniższych alkoholi :

Solwatacja alkohole.jpg

strzałka wzrost kwasowości do LEWEj strony.jpg

Bez problemu widzimy, że w miarę zwiększania rozmiaru grupy sąsiadującej z węglem C-OH    ,  to moc kwasu spada. I w ten sposób 3-rzędowe alkohole są najsłabszymi kwasami, podczas gdy pierwszorzędowe są kwasami najmocniejszymi. [Uwaga! Trend ten jest dokładnie odwrotny w przypadku rozpatrywania fazy gazowej, to jest bez wpływu rozpuszczalnika!].

Wytłumaczenie efektu rozpuszczalnika jest dosyć proste, powoduje on po prostu stabilizację powstałego jonu alkoksylowego  RO^{-} . W przypadku trzeciorzędowych alkoholi, grupa hydroksylowa (i powstały anion oczywiście) jest najbardziej zatłoczona i oddziaływanie z rozpuszczalnikiem jest utrudnione = najsłabsza stabilizacja = najmniej stabilny anion = najsłabszy kwas.

Powyższe rozważania tłumaczą też poniższy szereg malejącej kwasowości :

Solwatacja kwasy.jpg

strzałka wzrost kwasowości do LEWEj strony.jpg

Obecność dużej grupy tert-butylowej utrudnia solwatację powstałego anionu.

Największy problem stanowią aminy. Przeanalizujmy zależność rzędowości amin od ich kwasowości/zasadowości : 

Solwatacja aminy.jpg

strzałka wzrost kwasowości do LEWEj strony.jpg

W fazie gazowej, mielibyśmy do czynienia z zupełnie innym szeregiem :  NH_{4}^{+} > CH_{3}NH_{3}^{+} > (CH_{3})_{2}NH_{2}^{+} > (CH_{3})_{3}NH^{+}   , co wynika z faktu, że grupy alkilowe stabilizują ładunek dodatni (analogicznie jak w karbokationach, gdzie przecież 3-rzędowe karbokationy są najtrwalsze), a zatem jon amonu, jako najmniej trwały z tych kationów, najbardziej chce oddać proton i jest najmocniejszym kwasem.

Efekt rozpuszczalnika omówiony wyżej natomiast kompletnie odwraca powyższy trend i to teraz kwas powstały z trzeciorzędowej aminy będzie najmocniejszy, a jon amonu będzie najsłabszym kwasem. Zatem wypadkowa obu efektów prowadzi do pomieszanego szeregu :  NH_{4}^{+} > (CH_{3})_{3}NH^{+}  > CH_{3}NH_{3}^{+} > (CH_{3})_{2}NH_{2}^{+} 

Czyli w przypadku zasadowości, najbardziej zasadowe są drugorzędowe aminy, następnie pierwszo- , a potem trzeciorzędowe. Oczywiście najmniej zasadowy będzie jon amonu.

8.  Ciekawostka – wiązania wodorowe Hoogstena

DNA tworzy podwójną helisę, ze znanymi Wam pewnie wiązaniami wodorowymi pomiędzy odpowiednimi zasadami azotowymi. Co ciekawe, DNA może tworzyć również potrójne helisy, co jest wynikiem tworzenia tak zwanych wiązań wodorowych Hoogstena. W warunkach pH = 5 – 6  cytozyna ulega protonowaniu i powstaje nasze ciekawe wiązanie wodorowe, przedstawione poniżej na czerwono :

w.jpg

Leave a Reply