5.6
この講義では、酸性および塩基性溶液におけるレベリング効果と、水性および非水性溶液におけるその役割を定義します。 理化学系におけるさまざまな種の競合する性質を理解することが不可欠です。
溶剤のレベリング効果
一般酸 (HA) は一般塩基 (B-) と反応して、対応する共役塩基 (A-) と共役酸 (H…
酸塩基反応では、溶媒の共役塩基よりも強い塩基を用いると、溶媒が脱プロトン化されて共役塩基が生成されます。時間が経つにつれて、塩基は完全に消費され、溶媒よりも弱い酸を脱プロトン化できなくなります。
同様に、溶媒の共役酸よりも強い酸を使用すると、溶媒がプロトン化されて共役酸がより多く生成されます。最終的に、溶媒よりも弱い塩基をプロトン化するための酸は存在しません。
いずれの場合も、溶媒は、より強い塩基またはより強い酸が目的の化合物と反応するのを防ぎます。これが溶剤のレベリング効果です。
酸塩基反応を成功させるためには、選択した溶媒が反応せずに反応を促進する必要があります。
説明のために、アミドイオンの水溶液を考えてみましょう。アミドイオンは水の共役塩基よりも強く、安定性が低いため、水を脱プロトン化し、より多くの水酸化物イオンの形成を促進します。
その結果、溶液には水酸化物イオンがほとんど含まれず、アミドイオンはほとんど含まれていません。水のレベリング効果により、アミドイオンは消費され、水よりも高いpK値を持つアセチレンのような化合物の脱プロトン化には利用できません。
アセチレンよりも高い値を持つpKのアンモニアのようなより塩基性溶媒が使用されているとします。この場合、アミドイオンは溶媒アンモニアの代わりにアセチレンを脱プロトン化し、反応は希望どおりに進行し、アセチレンの共役塩基をより多く生成します。
要約すると、溶媒の酸性度は強塩基の強度を平準化します。つまり、使用される塩基は溶媒の共役塩基よりも強くすることはできません。
同様に、溶媒の塩基性度は強酸の強度を平準化するため、使用される酸は溶媒の共役酸よりも強くすることはできません。
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Q1: What is the leveling effect in acid-base chemistry?
The leveling effect occurs when a solvent prevents a strong acid or base from reacting with a desired compound. If a base stronger than the solvent's conjugate base is used, it deprotonates the solvent instead, consuming the base. Similarly, a strong acid protonates the solvent rather than the target base. The solvent essentially levels the strength of strong acids and bases, making them unavailable for the intended reaction.
Q2: Why does water prevent amide ions from deprotonating acetylene?
Amide ions are stronger bases than water's conjugate base, hydroxide ions. In aqueous solution, amide ions preferentially deprotonate water to form hydroxide ions, which are more stable. This consumes the amide ions, leaving them unavailable to deprotonate acetylene. Since acetylene has a higher pKa than water, the leveling effect of water prevents the desired acid-base reaction from occurring.
Q3: How does solvent choice affect the position of equilibrium in acid-base reactions?
Solvent selection determines whether an acid-base reaction proceeds as intended. The solvent's pKa must be positioned so it remains unreacted. For deprotonating acetylene with amide, ammonia (pKa 38) works better than water (pKa 15.7) because acetylene becomes the stronger acid. Choosing an appropriate solvent ensures the position of equilibrium in acid-base reactions favors product formation rather than solvent consumption.
Q4: What happens when a strong acid like perchloric acid is dissolved in water?
Perchloric acid protonates water molecules instead of weaker bases like morpholine. This produces hydronium ions, which are more stable than perchlorate ions. The equilibrium favors hydronium formation, consuming the acid and making it unavailable to protonate morpholine. Water's leveling effect on strong acids prevents the intended acid-base reaction from occurring.
Q5: Why is ammonia a better solvent than water for reacting amide with acetylene?
Ammonia has a pKa of 38, higher than acetylene's pKa of 25, making acetylene the stronger acid. In ammonia, amide ions deprotonate acetylene rather than the solvent, allowing the reaction to proceed. Water's lower pKa (15.7) causes amide to deprotonate water instead. Selecting a solvent with appropriate relative stability and degree of solvation ensures the desired reactants interact.
Q6: How does pKa determine whether a solvent will level acid or base strength?
A solvent's pKa value determines its acidity and basicity relative to reactants. If a base's conjugate acid has a lower pKa than the solvent, the base will deprotonate the solvent. If an acid's conjugate base has a higher pKa than the solvent, the acid will protonate the solvent. Understanding pKa and relative strengths allows chemists to predict and prevent unwanted leveling effects.
Q7: What conditions must a solvent satisfy to avoid the leveling effect?
A solvent must not be deprotonated by strong bases or protonated by strong acids before they react with the desired compound. The solvent's pKa should fall outside the range of the reactants' acid-base strengths. In water, only bases weaker than hydroxide and acids weaker than hydronium can be used effectively. Non-aqueous solvents with different pKa values expand the range of accessible acid-base reactions.