#化學 淺談有機化合物的酸鹼性

自然科學板

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在高三的選修化學中，我們會學到三種酸鹼理論： 1.阿瑞尼士酸鹼 2.布─洛酸鹼 3.路易斯酸鹼 然而在高中化學裡面，我們最經常碰到的，仍然只有阿瑞尼士酸鹼 換句話說，對於一般高中課程範圍，酸鹼反應通常是建立在「酸提供H+，鹼提供OH-，中和為H2O」的前提 然而，在有機化學中，這產生了某種問題： 羧酸(RCOOH)和醇類(ROH)在結構上同樣具有-O-H的構造 那為什麼羧酸的H在水中會解離成H+，但醇不會呢？ 這個問題，就可以應用上布─洛酸鹼的理論來解釋 在布─洛酸鹼理論中，酸被定義為「提供質子(H+)的一方」，而鹼則是「接受質子的一方」 例如在HCl + NaOH的反應中，前者提供了質子所以是酸，後者的OH-接受了質子﹝成為H2O﹞，故是鹼 事實上，很多分子上鍵結的H原子，都是可能丟棄電子，解離成H+的 例如剛剛提到醇類的-OH基、胺類的-NH2都可能發生 在有機化學中，我們可以用下面的方法定義一個氫原子解離的強度： HA + H2O ⇌ A- + H3O+   ...Ka = [H3O+][A-]/[HA]  如果Ka愈大，代表這個氫愈容易解離，因此可以建立一個強弱表： (參考自Wade"organic chemistry"9th) (強酸)                       (弱鹼) HCl       pKa = -7       Cl- H3O+   pKa = -1.7    H2O HF        pKa = 3.17   F- 甲酸     pKa = 3.76   甲酸根 乙酸     pKa = 4.74   乙酸根 HCN     pKa = 9.22  CN- NH4+   pKa = 9.24   NH3 H2O     pKa = 15.7   OH- 乙醇     pKa = 15.9   C2H5O- 乙炔     pKa = 25      C2H- NH3     pKa = 36      NH2- 乙烯     pKa = 44      C2H3- CH4     pKa = 50      CH3- (弱酸)                       (強鹼) 以NH3 + H2O  ⇌ NH2- + H3O+ 這個反應為例 它的pKa是36，代表逆反應極強，NH3很難變成NH2- 相反地，也代表NH2-很容易搶走H+，變成NH3 如果NH2-遇到乙炔(pKa = 25)，NH2-就會搶走乙炔的一個H+，變成NH3和C2H- 化學家利用這個方法將炔類加在其他分子上面，建構更大的分子 上述的反應嚴重禁止有水，因為H2O的pKa更小，所以生成的C2H-會和水反應，變回乙炔和OH- 因此我們發現，乙酸之所以能在水中解離氫離子，是因為它的酸性不會太弱 乙醇的pKa比水還要小，因此解離後的陰離子一下子又和水反應掉了，變回乙醇 但是，只要在無水的情況下，投入鹼性更強的物質，例如Na，它就能解離掉H，變成C2H5O-Na+ 同樣地，NH2-也可以透過在液氨中投入鈉金屬，得到的藍色中間產物叫電子鹽，放出氫氣變成NaNH2 除了酸性外，在有機化學中，有一群含有N原子的化合物，帶有鹼性 這個鹼性和N原子上帶有的lone pair有關 我們看到路易斯酸鹼理論，鹼被定義為「提供電子對的一方」 以pyridine(C5H5N)為例，它是一個類似苯分子的六員環，但其中一個C被N取代了 因為N比C多一個電子，因此N的位置並不需要和H鍵結，而是形成了lone pair 這個lone pair當然可以將電子提供給H+(或任何有空軌域的分子)，因此，它具有pKb = 8.75的鹼性 再看到piperidine(C5H11N)，它類似環己烷，但其中一個CH2被NH取代，同樣具有一個lone pair，它有pKb = 2.88的鹼性(更強) 這些路易斯鹼常出現在一些有機反應的溶劑中 例如常被寫為「Et3N」、「TEA」的三乙胺，它是N原子分別與三個乙基接上的分子 它們能吸收質子、製造出鹼性的環境 除此之外，被稱為生物鹼的含氮有機化合物 由於對身體經常有藥理反應，因此許多的藥物和毒物也都屬於這一類 在一些醫院開出的處方簽中，能看見 「xxxxx HCl」稱呼的藥物，八九不離十就是這種含氮的鹼 由於許多藥物都是較大的有機分子，有時，它的水溶性並非很好，因此不太容易被身體吸收 加入適當的酸形成鹽類，因為分子帶了電荷，這能改善它的水溶性，增加生物利用率 除了HCl外，也可以使用H2SO4、HBr 對於本身是有機酸的藥物，當然也可以加鹼，這些鹼可以是鹼金屬離子、銨離子，也可能是其他的路易斯鹼 基於生物鹼/有機胺這種「加酸溶於水，加鹼溶於有機」的現象 也就可以設計出一套萃取方式，將生物鹼/有機胺從各式各樣的混合物中萃取出來了 這次的介紹就暫時到這邊 如果有其他想了解的領域，歡迎在下面留言