3.2: Органічні кислоти та основи та механізм органічної реакції

Last updated
Save as PDF

Page ID: 24474

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

3.2.1 Органічні кислоти

Кислоти, про які ми говорили в загальній хімії, зазвичай відносяться до неорганічних кислот, таких як HCl, H ₂ SO ₄, HF і т.д. якщо структура кислоти містить «вуглецеву» частину, то це органічна кислота. Органічні кислоти здають протони так само, як і неорганічні кислоти, однак структура може бути більш складною через природу органічних структур.

Карбонова кислота, із загальною формулою R-COOH, є найпоширенішою органічною кислотою, з якою ми знайомі. Оцтова кислота (СН ₃ СООН), інгредієнт оцту, є простим прикладом карбонової кислоти. К _а оцтової кислоти становить 1,8×10 ^-5.

Ще однією поширеною органічною кислотою є органічне похідне сірчаної кислоти H ₂ SO ₄.

Заміна однієї групи OH в H ₂ SO ₄ на вуглецевмісну R (алкіл) або Ar (ароматичну) групу призводить до органічної кислоти під назвою «сульфонова кислота», із загальною формулою RSO ₃ H, або ArSO ₃ H. Сульфонова кислота є сильною органічною кислотою з К _а в діапазоні 10 ⁶. Структура специфічного прикладу сульфонової кислоти під назвою р -толуенсульфонова кислота показана тут:

Загальна назва: тозилова кислота, CH3C6H4SO2 відома як тосил, скорочено Ts. Формула може бути ЦОГ — Малюнок 3.1a CH3C6H4SO3H Тозилова кислота

Крім згаданих тут кислот, технічно будь-яка органічна сполука може бути кислотою, оскільки органічні сполуки завжди мають атоми водню, які потенційно можуть бути пожертвані як H ⁺. Лише кілька прикладів показані тут з атомами водню, виділеними синім кольором:

Тому сфера застосування кислот була розширена, щоб бути набагато ширшою в контексті органічної хімії. Ми будемо мати подальші обговорення кислотності органічних сполук у розділі 3.3, і ми побачимо більше кислотно-лужних реакцій, застосованих до органічних сполук пізніше в цьому розділі.

3.2.2 Органічні основи

Хоча визначити органічну кислоту відносно просто, оскільки атоми водню завжди залучені, іноді виявити органічні основи не так просто. Згідно з визначенням, підставою є той вид, який здатний приймати протон. Органічні основи можуть включати різні структури, але всі вони повинні мати спільну особливість наявності електронних пар, які здатні приймати протони. Електронні пари можуть бути одинокими парами електронів на нейтральному або негативному зарядженому вигляді, або π електронними парами. Тому органічні основи можуть включати такі типи:

Негативно заряджені органічні основи: RO ^— (алкілоксид), RNH ^— (амід), R ^— (алкід, кон'югатна основа алкану). Оскільки негативно заряджені основи мають високу електронну щільність, то зазвичай вони є більш міцними основами, ніж нейтральні.

Примітка: Майте на увазі, що самотні пари зазвичай опускаються в органічних структурах, як згадувалося раніше. Наприклад, з наведеною формулою CH ₃ NH ^— ви повинні розуміти, що N насправді має дві пари одиноких парних електронів (як показано у наведеній вище структурі) і є основою.

Нейтральні органічні основи, наприклад амін, група C = O та група C = C
- Амін: RNH ₂, R ₂ NH, R ₃ N, RNH ₂ тощо (розділ 2.3). Як органічні похідні NH ₃, що є неорганічною слабкою основою, аміни є органічними слабкими основами з одинокими парними електронами на N, які здатні приймати протон.

NH3 (слабка основа) + (Н+) = (N+) H4, H3C-NH2 (органічна слабка основа) + (Н+) = H3C- (N+) H3 — Малюнок 3.1b слабка основа та органічна слабка основа

- Функціональні групи, що містять атоми кисню: карбонільна група C = O, спирт R-OH, ефір R-O-R. Самотня пара електронів на O в цих групах здатні приймати протон, тому функціональні групи, такі як альдегід, кетон, алкоголь та ефір, є органічними основами. Можливо, не так просто прийняти цю концепцію спочатку, тому що ці групи насправді не схожі на основи. Однак вони є основами відповідно до визначення, оскільки вони здатні приймати протон з самотньою парою на атомі кисню.

Налаштуйте своє мислення тут, щоб охопити ширшу сферу кислот та основ у контексті органічної хімії.

Тут ми візьмемо реакцію між ацетоном і H ⁺ як приклад, щоб глибоко зрозуміти реакцію, вивчивши механізм реакції, і навчимося використовувати вигнуті стрілки, щоб показати її.

Механізм реакції - це покроковий процес перенесення електронів, який перетворює реагенти в продукти. Вигнуті стрілки використовуються для ілюстрації механізму реакції. Вигнуті стрілки завжди повинні починатися у електронів, а закінчуватися в місці, яке приймає електрони. Вигнуті стрілки, що використовуються тут, схожі на ті, що використовуються для резонансних структур (розділ 1.4), але не зовсім однакові. Зверніть увагу, що в резонансних структурах вигнуті стрілки використовуються для того, щоб показати, як електрони переносяться всередині молекули, приводячи до іншої резонансної структури. Для цілей механізму повинні бути стрілки, що з'єднують між видами.

Примітки для вищевказаного механізму:

Для кислотно-лужної реакції між групою C = O і протоном стрілка починається від електронної пари на O, і вказує на H ⁺, яка приймає електронну пару. В результаті руху цієї електронної пари утворюється новий O-H зв'язок.
У цій кислотно-лужної реакції кетон протонується Н ⁺, тому цю реакцію також можна назвати «протонацією кетону».
Продукт протонації називається «оксонієвим іоном», який стабілізується іншою резонансною структурою - карбокатіоном.

- Алкен (C = C): Хоча в зв'язку C = C алкену немає одиноких парних електронів, π електрони подвійного зв'язку C = C здатні приймати протон і діяти як основа. Наприклад:

Приклад: Органічна кислота та реакція основи

Передбачте та намалюйте продукти наступної реакції та використовуйте вигнуту стрілку, щоб показати механізм.

CH3-O (має дві одинокі пари) -H + N (має 2 одинокі пари і негативний заряд) H2 =

Підхід: Якщо H ⁺ є кислотою, як в попередніх прикладах, досить легко передбачити, як буде протікати реакція. Однак, якщо немає очевидної кислоти (або основи), як у цьому прикладі, як визначити, яка кислота, а яка є основою?

Метанол CH ₃ OH є нейтральним, а інший реагент, NH ₂ ^-, є негативно зарядженим амідом. Амід з негативним зарядом має більш високу електронну щільність, ніж нейтральний метанол, тому амід NH ₂ ^— повинен виступати в якості основи, а CH ₃ OH - кислота, яка дарує H ⁺.

Рішення:

Вправи 3.1

Ч3О + (Ч3Ч2-) =

Відповіді на практичні питання Глава 3