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一般来说,物质的酸碱性强弱取决于其给出或接受质子能力的大小。在比较酸碱性时我们可以始终牢记:酸性越强,共轭碱的碱性越弱;碱性越强,共轭酸的酸性越弱。今天,我们来进一步探讨影响碱性强弱的因素:
(1)元素的电负性
元素的电负性越大,意味着原子核对核外电子的束缚程度越大,接受质子的能力越弱,给质子的能力越强。同一周期元素从左到右电负性增大,酸性增强,碱性减弱。同一族元素从上到下电负性减小,酸性减弱,碱性增强。
【例】甲烷、氨、水和氢氟酸的酸性强弱顺序为:CH4<NH3< H2O < HF,而其共轭碱的碱性大小顺序为:–CH3>NH2–>OH–>F–。
(2)原子杂化轨道类型
物质提供或接受质子能力与其提供电子对原子的杂环轨道类型相关。通常情况下,s轨道成分越多,酸性越强,碱性越弱。
【例】乙炔、乙烯、乙烷中碳原子分别为sp,sp2,sp3杂化,杂化轨道s成分逐渐减小,酸性依次减弱,而其共轭碱的碱性则依次增强。
(3)电子效应
通常情况下,当接受质子的原子是同一元素时,该原子的电子云密度越大,碱性越强。
【诱导效应】例如,对于脂肪胺和芳香胺比较,在不考虑共轭的情况下,后者N上连接的C原子为sp2杂化,电负性比sp3的碳电负性大,因此诱导效应决定氮原子电子云密度要小一些,相对较难接受质子。
【共轭效应】从共轭效应的角度来看,当给电子的共轭效应越强,同样碱性越强。例如间硝基苯胺碱性弱于苯胺,是因为硝基强的吸电子诱导效应,降低了氨基氮原子接受质子的能力,从而降低其酸性。
*注意:共轭效应不仅涉及到给电子、吸电子的效应,还要考虑由于共轭导致的电荷分散或集中。例如,苯胺与苄胺相比,苯胺的碱性要弱得多,这是因为苯胺分子中单原子上的孤对电子与苯环发生共振,将电子分散到苯环一端,降低了氮原子上的电子云密度,从而碱性减小。
(4)溶剂效应
在水溶液中,水分子能够与一些共轭酸之间形成氢键,氢键的形成使共轭酸更加稳定,从而碱性增强。例如,溶剂化作用能稳定胺的共轭酸,从而增强碱性,因此随着形成的氢键数目的增多,三乙胺、二乙胺、乙胺和氨水溶液的碱性依次增强。
【练习题】下列六元环是实验室常用的碱,它们共轭酸的pKa值如下所示,通过比较,解释它们的相对碱性。
【答案】
对于六氢吡啶和吡啶来说,由于六氢吡啶是脂肪胺,其中氮为sp3杂化,而吡啶中氮为sp2杂化,且六氢吡啶中烷基具有给电子效应,从而导致六氢吡啶上氮的电子云密度更大,从而更容易给出电子,电负性更强。
对于吡啶环而言,由于给电子能力:二甲氨基>甲氧基>甲基,而Cl是吸电子作用,因此对于吡啶环从左到右氮上的电子云密度以此增加,更容易给出电子,因此其碱性也依次增大。
考研真题:(北京化工大学2015考研)
答案:C
抓住“电子云密度越大,碱性越强”来解题,硝基为共轭吸电子基团,甲氧基为给共轭电子基团,因此c中氮原子上电子云更大,碱性更强。
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