碱和反应溶剂丨为什么说反应溶剂限制了我们可以使用的 pKa 范围?

教育   2024-09-29 08:02   广东  

在任何溶剂中,我们可以使用的酸或碱的强度都受到溶剂本身酸性和碱性的限制

以水为例,在水中,只有当一个酸并不能完全将水质子化为 H3O+ 或者其共轭碱不能完全将水去质子化为OH− 时,我们才可以测量它的 pKa。

取极限值,水做溶剂时,我们能用的pH值大致被限制在 –1.7 到 15.7(课后作业:为什么不是14?) 之间。超出此范围时,水的质子化(或去质子化)会超过 50%。

如:当我们想要移去一个具有高 pKa如 25–30 的化合物的质子;在水中是做不到的,因为我们可以使用的最强碱是氢氧根。如果加入比氢氧根更强的碱,它不会使化合物去质子,它无论如何都会使水去质子制得氢氧根。同样,比 H3O+ 更强的酸也不能在水中存在:它会使水完全去质子并制得 H3O+。

如果我们需要比 OH− 更强的碱 (或比 H3O+ 更强的酸,这样的酸很少见),只能去尝试选择水之外的溶剂

以乙炔去质子为例、乙炔的 pKa 为 25,用氢氧根 (水溶液中可用的最强的碱, pKa 15.7) 对其去质子几乎可以忽略不计,且将更强的碱溶于水充其量只能得到氢氧根离子,因而若想要将乙炔去质子到可观的程度,我们只能换用其他溶剂。

但很遗憾,常用的有机溶剂的pKa没有合适的,故而通常用于完成此反应的条件是液氨做溶剂,搭配氨基钠 (NaNH2)。

运用 NH3pK(大约 33) 和 乙炔的 pKa 值 (25),我们可以估算这个反应的平衡常数为 :

反应可以稳定向右移动,氨基离子可被用于炔烃的去质子化。

注:非常强的酸和碱的pKa 值很难确定,在不同文章里它们的值都可能是不同的。但尽管确切值可能不同,但相对关系通常是一致的,所以有时候我们没必要一定得到该类化合物确定的pKa值。

参考资料:Jonathan Clayden etal., Organic chemistry


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