Lực base của amine: bí kíp chấm điểm cặp electron tự do
Chuyên đề Hóa học hữu cơ: xếp hạng lực base của amine bằng pKa của acid liên hợp, năm yếu tố chấm điểm (lai hóa, liên hợp, cảm ứng, hydrate hóa, hình học)…
LUKATO AI · CHUYÊN ĐỀ HÓA HỌC 11 – 12
HÓA HỮU CƠ · TÍNH BASE CỦA AMINE
Lực base của amine:
bí kíp chấm điểm
cặp electron tự do
Mọi amine đều có một cặp electron tự do trên nitrogen, nhưng không phải cặp nào cũng sẵn sàng nhận proton. Chuyên đề này dạy em hỏi đúng bốn câu cho mỗi nguyên tử N để xếp hạng lực base mà không phải học thuộc cả bảng pKa: lai hóa, chia sẻ electron, nhóm thế, và cation tạo ra được nước ổn định đến đâu.
- 1. Chấm năm yếu tố cho 12 amine, đối chiếu pK a (BH + ) thật
- 2. Đọc thang pH: dạng nào chiếm ưu thế ở dạ dày, ruột, máu
- 3. Pha khí khác nước: vì sao thứ tự đảo, vì sao quinuclidine hơn triethylamine
12 amine
xếp hạng bằng năm yếu tố
3 phòng lab
chấm điểm, thang pH, khí và nước
8 bí kíp
mỗi bí kíp có lí do và điểm gãy
01
Khái niệm lõi · Base là chất nhận proton
Lực base đo bằng độ bền của acid liên hợp, và độ bền ấy do cặp electron tự do quyết định
Theo Brønsted, base là chất nhận proton . Amine B nhận H + bằng chính cặp electron tự do trên nitrogen để thành cation BH + (acid liên hợp). Cặp electron càng sẵn sàng và cation tạo ra càng bền thì cân bằng B + H + nghiêng càng mạnh về phía BH + : base càng mạnh. Thước đo gọn nhất là pKa của acid liên hợp , viết pK a (BH + ): giá trị này càng lớn, amine càng mạnh base .
Định nghĩa
Cặp electron tự do
Nitrogen có 5 electron hóa trị: ba electron tạo ba liên kết, hai electron còn lại tạo thành một cặp tự do (hai chấm trong công thức). Cặp này là nơi nhận proton. Hỏi về lực base thực chất là hỏi hai điều: cặp ấy sẵn sàng đến mức nào, và cation sinh ra sau khi nhận proton bền đến mức nào.
Định nghĩa
Acid liên hợp và pK a (BH + )
Cation BH + có thể nhả proton trở lại: BH + cho B + H + với hằng số K a , pK a (BH + ) = -lg K a . Base B càng mạnh thì BH + càng yếu (càng khó nhả proton) nên pK a (BH + ) càng lớn. Ở 25 độ C có pK a (BH + ) + pK b = 14; ví dụ methylamine có pK a (BH + ) khoảng 10,6, suy ra pK b khoảng 3,4.
Khung tư duy: bốn câu hỏi cho mỗi nguyên tử N
1 · LAI HÓA N lai hóa gì? sp3 (25% đặc tính s) giữ cặp electron lỏng nhất; sp2 (33% s) giữ chặt hơn; sp (50% s) giữ chặt nhất.
2 · CHIA SẺ Cặp electron có đang chia cho vòng thơm, nhóm C=O hay nhóm hút khác không? Nếu có, nó không còn nguyên vẹn để nhận proton.
3 · NHÓM THẾ Nhóm alkyl đẩy electron về N: cation bền hơn, base mạnh hơn. Nhóm hút (phenyl, C=O, NO 2 ): ngược lại.
4 · CATION Cation BH + được nước vây ra sao (còn mấy liên kết N-H), và cặp electron có lộ ra không (nhóm tự do che, hay buộc ra sau)?
5 · KẾT LUẬN Cộng các tác động, yếu tố lớn nhất quyết định chiều. Khi hai amine cùng loại, các yếu tố nhỏ giằng co: tra pK a (BH + ) thật.
Năm yếu tố, mỗi yếu tố một ví dụ có số đo
Yếu tố 1
Lai hóa của N
Orbital có phần trăm đặc tính s càng cao thì electron nằm càng gần hạt nhân, càng khó nhường. sp3: 25% s; sp2: 33% s; sp: 50% s. Piperidine (N sp3) có pK a (BH + ) khoảng 11,1; pyridine (N sp2) chỉ khoảng 5,2.
Yếu tố 2
Chia sẻ cặp electron
Cặp electron liên hợp với vòng thơm hay C=O bị trải ra nhiều nguyên tử, không còn sẵn để nhận proton. Aniline khoảng 4,6 so với methylamine khoảng 10,6. Amide nhận proton ở O chứ không ở N: acetamide khoảng -0,5.
Yếu tố 3
Hiệu ứng cảm ứng
Nhóm alkyl đẩy electron nên cation bền hơn: ammonia khoảng 9,25 lên methylamine khoảng 10,6. Nhóm hút làm cation kém bền: p-nitroaniline khoảng 1,0 so với aniline khoảng 4,6. Hiệu ứng yếu dần khi nhóm thế cách xa N.
Yếu tố 4
Hydrate hóa cation trong nước
Trong nước, cation được ổn định bởi liên kết hydrogen giữa N-H và phân tử nước. Càng nhiều N-H, càng nhiều liên kết hydrogen; cation bậc ba chỉ còn một N-H lại bị ba nhóm che. Vì thế trong nước thứ tự không đơn điệu : (CH 3 ) 3 N khoảng 9,8 thấp hơn CH 3 NH 2 khoảng 10,6 và (CH 3 ) 2 NH khoảng 10,7.
Yếu tố 5
Hình học và độ lộ của cặp electron
Nếu các nhánh bị buộc ra sau thì cặp electron lộ hoàn toàn và cation dễ được nước vây: quinuclidine khoảng 11,0 so với triethylamine khoảng 10,7. Khi một nhóm cồng kềnh xoắn nhóm amino ra khỏi mặt phẳng vòng thơm, sự liên hợp giảm và amine thơm trở nên mạnh base hơn.
Giới hạn trung thực của cả chuyên đề
Năm yếu tố có thể ngược chiều nhau (cảm ứng tăng, hydrate hóa giảm); pK a (BH + ) phụ thuộc dung môi (nước, DMSO, pha khí cho thứ tự khác nhau); với dị vòng có hai nguyên tử N còn phải hỏi N nào nhận proton. Đây là các xu hướng để suy luận, không phải định luật cho con số chính xác.
Bảng đối chiếu: pK a (BH + ) của các amine trong bài (nước, 25 độ C, giá trị làm tròn)
Vuốt ngang để xem toàn bộ bảng.
Bí kíp 1 So base bằng pK a (BH + ), không bằng pKa của chính amine
Quy tắc. pK a (BH + ) lớn hơn thì base mạnh hơn. Nếu đề cho pK b thì pK b nhỏ hơn là mạnh hơn, vì pK a (BH + ) + pK b = 14 ở 25 độ C.
Vì sao đúng. Base mạnh tranh proton giỏi nên khi đã nhận proton, BH + giữ rất chặt và khó nhả lại: K a nhỏ, pK a lớn. Methylamine (10,6) và aniline (4,6) cách nhau 6,0 đơn vị, tức hằng số cân bằng nhận proton hơn nhau 10 6 lần.
Khi nào gãy. Phải là pK a của đúng cặp BH + /B, cùng dung môi và nhiệt độ. Không lấy pK a của chính amine khi nó đóng vai acid (tách H khỏi N-H): đó là đại lượng khác, rất lớn, không dùng để xếp hạng base.
02
Phòng thí nghiệm 1 · Bộ chấm điểm cặp electron
Chọn một amine, bật từng yếu tố, rồi so điểm của em với pK a (BH + ) thật
Mỗi amine được chấm theo năm yếu tố bằng số nguyên , lấy ammonia làm mốc 0: dương nghĩa là làm base mạnh lên, âm là làm yếu đi. Tắt một yếu tố để thấy chính yếu tố đó đóng góp bao nhiêu. Chọn thêm amine thứ hai để biết yếu tố nào tạo ra chênh lệch giữa hai chất. Điểm số chỉ giúp em nói được vì sao; thước đo thật là pK a (BH + ) thực nghiệm ở thanh dưới.
điểm tổng = (1) lai hóa + (2) chia sẻ + (3) cảm ứng + (4) hydrate hóa + (5) hình học
Phòng lab 1: bộ chấm điểm cặp electron của 12 amine TƯƠNG TÁC
Hai chấm màu cam là cặp electron tự do của N, đang phát sáng. Mũi tên xanh lục là nhóm đẩy electron về N, mũi tên cam là nhóm hút electron khỏi N, đường cong tím là cặp electron bị chia sẻ cho vòng hoặc nhóm C=O.
Đang chọn:
Vuốt ngang để xem toàn bộ sơ đồ.
Bật yếu tố:
pK a (BH + ) thực nghiệm (A)
Điểm tổng của A
Hạng theo mô hình
Hạng theo thực nghiệm
Yếu tố lớn nhất của A
Mô hình xếp đúng thứ tự (66 cặp)
Mô hình điểm số: các số nguyên do người soạn đặt theo lập luận định tính (không phải kết quả tính toán hay hồi quy), mốc ammonia = 0. Trọng số được chọn sao cho thứ tự chung gần với thực nghiệm, vì vậy việc khớp không chứng minh mô hình: nó chỉ là bộ khung để em nói được vì sao. Các amine béo (không kể ammonia) chênh nhau chưa tới 1,5 đơn vị pKa, từ 9,8 đến 11,1, nên điểm số thường hòa nhau; khi đó chỉ có số đo mới phân xử. pK a (BH + ) là giá trị làm tròn từ tài liệu tham khảo.
Bí kíp 2 Tìm yếu tố lớn nhất trước, các yếu tố nhỏ để sau
Quy tắc. Hỏi trước hai yếu tố "đắt": lai hóa và chia sẻ cặp electron. Chúng đổi pK a (BH + ) cỡ sáu đơn vị (aniline thấp hơn methylamine 6,0; pyridine thấp hơn piperidine 5,9). Cảm ứng, hydrate hóa và hình học chỉ đổi cỡ một đơn vị giữa các amine béo (từ 9,8 đến 11,1).
Vì sao đúng. Lai hóa và liên hợp thay đổi chính mức năng lượng và vị trí của cặp electron, còn các yếu tố kia chỉ chỉnh nhẹ mật độ electron quanh N hoặc độ bền của cation.
Khi nào gãy. Khi hai chất cùng loại (cùng là amine béo) thì các yếu tố nhỏ giằng co và điểm số hòa nhau: methylamine, dimethylamine và triethylamine cùng cỡ 10,6 đến 10,7. Khi đó phải dùng số đo, không đoán.
Bí kíp 3 Cặp electron bị chia sẻ không còn là "cặp tự do": amide nhận proton ở O
Quy tắc. Cặp electron của N đã liên hợp với C=O (amide) hoặc vòng thơm thì N là base yếu. Với amide, vị trí nhận proton là oxygen : acetamide có pK a (BH + ) khoảng -0,5, thấp hơn methylamine khoảng 11 đơn vị.
Vì sao đúng. Trong amide, cặp electron của N trải sang C=O nên N gần như phẳng và mang một phần điện tích dương, còn O giàu electron hơn. Proton gắn vào O vẫn giữ được sự liên hợp N-C-O trong cation; gắn vào N sẽ phá sự liên hợp ấy.
Khi nào gãy. Aniline vẫn nhận proton ở N chứ không ở vòng, dù cặp electron liên hợp một phần. Với imidazole, N có cặp electron nằm trong mặt phẳng vòng nhận proton, còn N-H có cặp electron thuộc hệ thơm thì không.
03
Phòng thí nghiệm 2 · Thang pH và dạng tồn tại
Cùng một amine, pH của dung dịch quyết định em đang cầm base hay cation
pK a (BH + ) cho biết amine có thể nhận proton đến đâu; pH của dung dịch cho biết proton có sẵn bao nhiêu. Hai con số ấy gặp nhau trong phương trình Henderson-Hasselbalch. Tỉ lệ giữa dạng cation BH + và dạng base B đổi mười lần cho mỗi đơn vị pH , và đúng một nửa số phân tử nhận proton khi pH bằng đúng pK a (BH + ).
pH = pK a (BH + ) + lg( [B] / [BH + ] )
phần cation = 1 / ( 1 + 10 pH - pKa )
Phòng lab 2: base, cation và thang pH TƯƠNG TÁC
Chọn một base, kéo pH. Đường cam là phần cation BH + , đường xanh là phần base B. Ba dải màu là dạ dày, ruột non và máu. Ở bình bên dưới, mỗi hạt là một phân tử base: hạt có chấm đỏ đã nhận proton, hạt có hai chấm cam vẫn còn cặp electron tự do.
Vuốt ngang để xem toàn bộ sơ đồ.
pH của dung dịch: -
Vuốt ngang để xem toàn bộ sơ đồ.
pK a (BH + )
pH đang chọn
Cation BH + (%)
Base B (%)
Tỉ số [BH + ] / [B]
pH trừ pK a (BH + )
Trong cơ thể: dạng nào chiếm ưu thế ở đâu
Mô hình: Henderson-Hasselbalch chính xác cho một cặp BH + /B trong dung dịch loãng, bỏ qua lực ion và nhiệt độ cơ thể (37 độ C làm pK a (BH + ) thay đổi chút ít). Khoảng pH: dạ dày 1 đến 3, ruột non từ khoảng 6 ở tá tràng đến khoảng 7,4 ở cuối hồi tràng, máu động mạch 7,35 đến 7,45. Bình hạt chỉ minh họa tỉ lệ, không mô phỏng động học. Imidazole có thêm vào để em thấy một base có pK a (BH + ) gần pH sinh lí.
Bí kíp 4 Lệch một đơn vị pH là lệch mười lần tỉ lệ
Quy tắc. [BH + ] / [B] = 10 pKa - pH . Khi pH bằng pK a (BH + ): 50% cation. Thấp hơn pK a (BH + ) một đơn vị: 90,9% cation; hai đơn vị: 99,0%. Cao hơn một đơn vị: 9,09% cation; hai đơn vị: 0,99%. Vì vậy dạng chiếm ưu thế đổi hẳn trong khoảng cỡ hai đơn vị pH quanh pK a (BH + ).
Vì sao đúng. pK a (BH + ) = -lg K a nên K a = 10 -pKa ; thế vào K a = [B][H + ] / [BH + ] và đặt [H + ] = 10 -pH là ra tỉ số trên.
Khi nào gãy. Với phân tử có hai nhóm nhận proton phải xét từng nấc. pK a đổi theo dung môi, nhiệt độ và lực ion; pH cục bộ gần màng hay trong tế bào có thể khác pH của máu. Ngoài ra "chiếm ưu thế" chưa nói cái gì tan hay qua màng: nó chỉ nói về tỉ lệ ở cân bằng.
Vì sao thuốc amine cần một con số pH
Methylamine (pK a (BH + ) khoảng 10,6) ở pH 7,4 gần như hoàn toàn là cation (hơn 99,9%), còn aniline (khoảng 4,6) ở cùng pH chỉ có khoảng 0,16% cation: nó hầu như là base trung hòa. Dạng cation tan tốt trong nước; dạng trung hòa không mang điện dễ qua màng lipid hơn. Hai dạng luôn chuyển qua lại, nên tỉ lệ của chúng ở mỗi môi trường là một dữ kiện thiết kế thuốc.
04
Tự dự đoán trước khi xem đáp án
Bốn tình huống nhanh
Methylamine (pK a (BH + ) khoảng 10,6) và aniline (khoảng 4,6). Hằng số cân bằng nhận proton của methylamine lớn hơn của aniline khoảng bao nhiêu lần?
Một amine có pK a (BH + ) = 8,4 nằm trong dung dịch pH 7,4. Phần trăm ở dạng cation BH + gần nhất với giá trị nào?
Acetamide có nguyên tử N, nhưng nhận proton ở đâu và pK a (BH + ) khoảng bao nhiêu?
Quinuclidine và triethylamine đều là amine bậc ba với ba nhóm alkyl. Điều nào giải thích đúng nhất vì sao quinuclidine (khoảng 11,0) mạnh hơn triethylamine (khoảng 10,7)?
05
Tư duy nguyên lí · Một câu hỏi về lí lẽ, không phải về con số
Vì sao amine thơm yếu hơn amine béo rất nhiều, và vì sao amine bicyclic cầu như quinuclidine lại mạnh hơn cả triethylamine?
Nguyên lí: so sánh lực base là so sánh hai trạng thái, base B và cation BH + . Hãy giải thích bằng khái niệm: (a) vì sao aniline yếu hơn methylamine cỡ sáu đơn vị pKa dù cả hai đều là amine bậc một; (b) vì sao quinuclidine, có ba nhóm alkyl giống hệt triethylamine, vẫn mạnh hơn nó. Dùng các từ: lai hóa, liên hợp, cặp electron, hydrate hóa; không cần con số.
Hãy tự phác hai ý trên giấy, rồi mở từng bước để đối chiếu.
Gợi ý 1 · Cặp electron của aniline ở đâu?
Ở aniline, cặp electron của N có nằm yên ở N không, hay đã trải sang vòng benzene? Nếu nó đã trải sang vòng, thì khi N nhận proton cặp ấy phải rời vòng, về lại N để tạo liên kết N-H. Việc đó có làm mất một sự ổn định đang có hay không?
Gợi ý 2 · Nhánh tự do và nhánh bị buộc