Co wpływa na moc kwasów karboksylowych

1. Moc kwasów karboksylowych

Jeśli chodzi o wszystkie związki organiczne, które poznamy w trakcie nauki do matury, to kwasy karboksylowe są najmocniejszymi kwasami, zresztą to nawet wybrzmiewa w ich nazwie!

W porównaniu jednak do nieorganicznych kwasów (mineralnych) to nasze kwasy karboksylowe są cieniasami. Kwas solny jest około 1012 razy mocniejszy niż kwas octowy. Czyli wrażenia na nas nie zrobiły. No dobra, ale jeśli jednak rozpatrywać związki organiczne, to faktycznie są w topce[1]!

Na samym początku zadajmy sobie pytanie, dlaczego alkohole są mocniejszymi kwasami niż węglowodory (np. alkany) oraz czemu kwasy karboksylowe są mocniejsze niż alkohole.

Oceniając moc kwasu chodzi nam o ustalenie jak bardzo kwas dysocjuje. Wiemy, że ilościowo opisuje to stała dysocjacji kwasowej (Ka). Im większa stała, tym chętniej kwas dysocjuje. Jeśli wziąć kwas o wzorze ogólnym HX to wygląda to następująco :

HX ⇄ H+ + X

Cały ten proces można traktować jak rozłąkę protonu ( H+ ) z anionem ( X ). Na szczęście nasz proton ma cechy opiekuńcze i zanim odejdzie zawsze pyta się anionu o pozwolenie. Oto jak wygląda rozmowa protonu z anionem kwasu.

X , czy mogę się od Ciebie odłączyć? Czy poradzisz sobie beze mnie?”

Rozmowa protonu z anionem kwasu.

I teraz o wszystkim decyduje anion.

➦ Jeśli jest trwały, to proton może odejść ⇒ kwas chętnie dysocjuje ⇒ jest mocny.

➦ Jeśli anion jest jakimś cieniasem, to nie pozwala odejść protonowi ⇒ kwas niechętnie dysocjuje ⇒ jest słaby.

To jest zajebiście ważne, aby to zrozumieć, więc skup się na tym porównaniu! Musisz to w swojej głowie, krok po kroku, przeanalizować. Jest tutaj logiczny ciąg przyczynowo−skutkowy.

A więc teraz pozostaje tylko umieć ocenić trwałość anionu! Więc weźmy taki metan (alkan) oraz metanol (alkohol) :

CH4 ⇄ H+ + CH3

CH3OH ⇄ H+ + CH3O

ZwiązekMetan
CH4
Metanol
CH3OH
Kwas mrówkowy
HCOOH
Ka10ー5010 ー13,610 ー3,75
Jak widać po wartości Ka metanol jest niewyobrażalnie mocniejszym kwasem od metanu !

Jak widać po wartości Ka metanol jest niewyobrażalnie mocniejszym kwasem od metanu !

Patrząc po wartości Ka widzimy bez problemu że metanol jest mocniejszy, a więc musi to oznaczać, że anion CH3O jest znacznie trwalszy niż anion CH3 . Ale kluczowe pytanie brzmi : czemu ?

Szybka podpowiedź : ,, Co wydaje Ci się bardziej naturalne : Na+ czy Na ?” Chyba nikt nie ma tutaj problemu, żeby wskazać Na jako dziwaka. Można to uargumentować na masę różnych sposobów (np. dążymy do oktetu elektronowego, więc chcemy usunąć elektron tworząc kation, a dodanie elektronu, czyli robienie anionu oddala nas od oktetu). Ale najłatwiej patrzeć po elektroujemności : sód nie chce elektronów !

Więc jeśli teraz popatrzymy na nasze dwa aniony, to widzimy że ładunek minus o wiele lepiej wygląda na bardzo elektroujemnym atomie tlenu niż na węglu! Tlen o wiele lepiej będzie sobie zatem radził z ładunkiem ujemnym niż węgiel, dlatego anion CH3O jest znacznie trwalszy niż CH3 . I dlatego też CH3OH jest znacznie mocniejszym kwasem niż CH4 .

No to teraz czas na porównanie metanolu z kwasem mrówkowym, czyli alkoholu (ROH) z kwasem karboksylowym (RCOOH). Oba związki mają taką samą grupę ーOH , więc mogłoby się wydawać, że ich kwasowość jest porównywalna. A jednak także tutaj jest ogromna różnica!

Różnica w kwasowości kwasów i alkoholi wynika z tego, że w alkoholu atom tlenu jest osamotniony ze swoim ciężarem, podczas gdy w anionie kwasu karboksylowego ładunek ujemny jest rozdzielany na dwa atomy tlenu.

2. Co wpływa na moc kwasów karboksylowych ?

Porównaliśmy już kwasy karboksylowe do innych związków organicznych pod kątem ich kwasowości, teraz czas na porównania w obrębie samych kwasów karboksylowych! Tutaj decydujące znaczenie będą miały podstawniki!

➦ Każdy podstawnik, który będzie stabilizował anion, będzie zwiększał moc kwasu karboksylowego. Takimi podstawnikami będą te, które będą wyciągać elektrony (czyli np. ーF, ーCl, ーBr, ーI, ーOH, ーNO2 ).

➦ Aby pomóc w stabilizacji była realna, podstawnik musi być blisko grupy karboksylowej ーCOOH. Jeśli podstawnik jest daleko od grupy karboksylowej to nie bardzo jest w stanie cokolwiek zrobić.

a

Czemu akurat takie podstawniki będą pomagać w stabilizacji anionu? Zawsze w takich sytuacjach warto zadać sobie pytanie : jaki ten nasz anion ma problem? Ma za dużo elektronów, zatem wszystko co będzie je wyciągać mu pomaga. Nic nowego!

Podstawnik (tutaj chlor) musi po prostu wyciągać elektrony, tylko wtedy będzie naprawiał problem jaki ma tlen z ładunkiem minus (tj. za dużo elektronów).

W pochodnych kwasu benzoesowego można natomiast zaobserwować taką zależność, że obecność podstawników dezaktywujących (czyli tych kierujących w pozycję meta, oraz fluorowców) zwiększa kwasowość, odwrotnie jest natomiast z podstawnikami aktywującymi.

Zależność mocy kwasów aromatycznych można skorelować z efektem kierującymi (orto, meta, para) obecnego tam podstawnika.

[1] Ogólnie nie jest to też takie proste, ponieważ na kwasowość mają też wpływ podstawniki, co zresztą jest tematem przewodnim tego postu. Nic nie stoi na przeszkodzie, aby alkohol był mocniejszy niż kwas karboksylowy, wszystko zależy co on tam skrywa w swoim łańcuchu bocznym. Tak samo też nie ma problemu, żeby znaleźć kwas organiczny, który jest znacznie, znacznie mocniejszy niż HCl czy H2SO4 !

Leave a Reply

%d bloggers like this: