Кислоты и основания Брёнстеда: перенос протона

Зачем начинать с кислот и оснований

Кислотно-основная реакция — самая простая реакция органической химии: от одной частицы к другой переходит протон, и записывают это двумя изогнутыми стрелками (урок 15). Но значение её гораздо больше, чем кажется. Почти в каждом механизме, который мы разберём в курсе, есть стадия переноса протона: спирт протонируют, чтобы группа OH могла уйти, карбонильный кислород протонируют, чтобы усилить электрофильный центр, у атома углерода отнимают протон, чтобы получить нуклеофил.

Кроме того, кислотность можно измерить. Число \(pK_a\) показывает, насколько охотно вещество отдаёт протон, а значит, насколько устойчиво его сопряжённое основание. Поэтому, объясняя, почему одна кислота сильнее другой, мы на самом деле учимся оценивать устойчивость анионов и катионов, а это главный инструмент для предсказания любых реакций.

Как построена эта тема

Сначала мы научимся находить кислоту и основание и рисовать перенос протона (урок 22), сравнивать силу кислот по \(pK_a\) (урок 23) и предсказывать, куда смещено равновесие (урок 24). Затем объясним сами значения \(pK_a\) строением: атомом, резонансом, индукцией и гибридизацией (уроки 25–27). После этого применим знания на практике — подберём основание и растворитель для реакции (урок 28). В конце темы понятия кислоты и основания расширятся до определений Льюиса и принципа жёстких и мягких кислот и оснований (уроки 29 и 30).

Кислота, основание и сопряжённые пары

В уроке 15 мы рисовали стрелку от пары кислорода к протону — это и есть кислотно-основная реакция. Её участники всегда образуют две сопряжённые пары: кислота, отдав протон, становится основанием, а основание, приняв его, становится кислотой. Эти пары понадобятся в каждом уроке темы, поэтому находить их нужно уверенно.

Как найти кислоту и основание

1. Найдите протон, который переходит от одной частицы к другой.
2. Частица, отдающая протон, — кислота; принимающая его парой электронов — основание.
3. Кислота без протона — её сопряжённое основание (заряд на 1 меньше); основание с протоном — сопряжённая кислота (заряд на 1 больше).

Примеры

1. Хлороводород и вода.

Кислота — HCl, основание — вода. Пары: \(\ce{HCl}/\ce{Cl-}\) и \(\ce{H3O+}/\ce{H2O}\).

2. Уксусная кислота и аммиак.

3. Этанол как кислота. С амидом натрия этанол отдаёт протон:

4. Этанол как основание. С бромоводородом:

Вещество, которое бывает и кислотой, и основанием, называют амфотерным.

Механизм переноса протона

Пары из первой части урока превращаются друг в друга двумя изогнутыми стрелками по правилам (урок 15) — перенос протона рисуют всегда одинаково.

Как нарисовать механизм переноса протона

1. Первая стрелка — от неподелённой пары (или π-связи) основания к протону.
2. Вторая — от связи H–A к атому A: пара связи остаётся у A.
3. Пересчитайте заряды: основание стало положительнее на 1, атом A — отрицательнее на 1.

Примеры

1. \(\ce{CH3COOH + NH3}\). Пара азота — к водороду группы OH, связь O–H — к кислороду.

2. \(\ce{(CH3)2C=O + H3O+}\). Основание — кислород группы C=O. Так в кислой среде активируется карбонильная группа.

3. \(\ce{CH2=CH2 + HBr}\). Основанием служит π-связь: стрелка от π-связи к водороду, вторая — от связи H–Br к брому.

4. Трет-бутоксид и вода.

Пара кислорода трет-бутоксида — к водороду воды, связь O–H воды — к её кислороду.