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
你可能有興趣的文章...
全部留言
就像我裡面提到的,布洛酸鹼除了傳統基於水溶液系統的酸鹼外,還能適用於許多有機反應無水的情況 但是由於布洛酸鹼必須有氫原子的存在,對於許多不含氫的無機物,路易斯酸鹼能涵蓋更廣 不過路易斯理論的缺點就是沒有統一標定酸鹼強度的標準,所以很難判斷反應的方向 在有機化學中,類似路易斯酸鹼這樣「有未鍵結電子對」、「有空軌域」的配對,又被稱為「親核基」和「親電基」 雖然這某種程度上也能說是基於路易斯理論的酸鹼反應,但我不是很喜歡這種描述就是了 有興趣的話,我日後再寫一篇關於親核/親電反應的文章
匿名
CH3- 能不能變 CH2 2-啊
不無可能,但是CH3-本身就已經是非常強的鹼,恐怕很難找到更強的鹼能夠再拔掉它一個質子 實際上要製作CH3-就已經是困難的事情
匿名
可以自己做CH3- 嗎
因為它反應性很強,可能產生爆炸因此不建議自己做 我有查到兩種碳負離子的化合物: 其一是 CH3Na 其二是三苯甲基碳陰離子的鋰冠醚鹽,用三苯甲烷和正丁基鋰、12-冠-4醚反應成