毫无疑问,酸强度最重要的影响因素是其共轭碱的稳定性——共轭碱越稳定,酸的酸性越强。这在我们的上篇文章:酸的pKa取决于它的共轭碱的稳定性,我们聊过。
那么,一个新的问题出现了:共轭碱的稳定性由什么决定呢?
今天,我们试图聊聊;
1. 带在负电性原子上的负电荷稳定共轭碱,对应强的酸
以第二周期元素的“氢化物”为例,CH4、NH3、H2O 和 HF的 pKa 值分别大约为 48、33、16 和 3,故而HF的酸性最强,这种趋势来源于同一周期由左向右电负性的增加:由于氟的电负性比碳大得多,因而 F− 比 CH3− 稳定得多。
2. 离子半径大,电荷分散,弱的 A–H 键对应强的酸
在 VII 族 (17 族) 中元素的氢化物中,电负性F>Cl>Br>I ,按照上述电负性规律,HF应该是最强的酸。
但事实上却恰恰相反,HF、HCl、HBr 和 HI 的 pKa 逐渐下降为 3、–7、–9 和 –10。
这是因为阴离子更大时,电荷更加分散,同一族由上到下键的强度变弱。
3. 负电荷的离域稳定共轭碱,提升酸的强度
HClO、HClO2、HClO3 和 HClO4 的 pKa 值分别为 7.5、2、–1 和大约 –10。
四种“酸”化合物中,酸性质子都在附着在氯上的氧上,也就是说,每种情况中所移去的质子处在相同的环境中。那么为什么高氯酸,HClO4 的酸性却比次氯酸,HClO 强 17.5 的数量级呢?
这不得不继续讲离域的内容,虽然一旦质子被移去,我们会得到在氧上的负电荷。对于次氯酸,它只定域在一个氧上。但对于高氯酸根,负电荷可以离域在全部四个氧原子上,这也使阴离子更加稳定;
这种离域肯定不单单限制在“氯酸”上,示例非常多,着眼于有机化合物;
如乙醇(pKa15.9)和乙酸(pKa 4.8),乙酸的共轭碱电荷会离域到两个氧中,这使得乙酸的酸性比乙醇强了约10个数量级。
使有机酸根上的负电荷分散到三个原子上同样可行,甲磺酸的 pKa为 –1.9。
甚至向分子中烃部分的离域也能增强酸性,如苯酚和环己醇;
参考资料:Jonathan Clayden etal., Organic chemistry