5.7 : 용매화 효과

용매화 효과를 이해하면 화합물의 용매화와 산도 사이의 관계를 합리화하는 데 도움이 됩니다. 또한 이는 pK_a 값이 다른 화합물에 대한 짝염기의 상대적 안정성을 설명합니다. 이 단원에서는 효과 해결의 원리를 자세히 설명합니다. 산의 강도와 해당 짝염기의 안정성은 pK_a 값을 사용하여 결정됩니다. 관찰된 이러한 관계는 용해된 이온과 용매 분자 사이의 상호작용인 용매화의 결과입니다. 이 과정에서 용매 분자는 이온을 둘러싸고 안정화시킵니다.

용해된 이온의 용매화는 (i) 공여체 상호작용, (ii) 전하-쌍극자 상호작용, (iii) 수소 결합 상호작용의 세 가지 유형으로 분류될 수 있습니다. 공여체 상호작용에서 용매는 비공유 전자쌍을 용해된 이온에 공여합니다. 용매는 루이스 염기로 작용하고 이온은 루이스 산으로 작용합니다. 두 번째 유형에서는 전하-쌍극자 상호작용이 극성 용매에서 관찰되는데, 극성 용매의 쌍극자 모멘트가 하전된 이온과 상호작용할 수 있습니다. 여기에는 용매 분자의 양전하를 재배열하여 이온의 음전하와 정렬하여 이온을 안정화시키는 작업이 포함됩니다. 예를 들어, 에탄올의 용매화에서 언급한 바와 같이, 짝염기인 에톡사이드 음이온은 이를 효과적으로 안정화시키는 용매 쌍극자의 양의 중심에 의해 용매화됩니다. 마지막으로, 용매 분자와 용해된 이온 사이의 수소 결합에 의해 이온이 안정화되는 상호 작용을 수소 결합 상호 작용이라고 합니다.

용해된 이온과 용매 분자 사이의 상호 작용은 안정성에 영향을 미치며 이는 산도의 강도에 정비례합니다. 따라서 이러한 이온의 안정성은 더 많은 용매 분자로 둘러싸여 있을 때 더 많은 수의 상호 작용에 따라 증가합니다. 따라서 용매화 과정에서 분자의 부피가 큰 치환체로 인한 입체 장애가 중요한 역할을 합니다. 덜 부피가 큰 그룹을 가진 화합물은 입체적으로 방해받지 않으므로 용매 분자와 더 많은 상호 작용이 가능합니다.

대조적으로, 부피가 큰 그룹을 갖는 화합물은 입체 장애를 가지며 결과적으로 잘 용해되지 않습니다. 결과적으로, 입체적으로 방해받지 않는 이온은 더 많은 안정성을 보여 해당 산을 더 강하게 만듭니다. 이는 에탄올, 이소프로판올, tert-부탄올의 산도를 비교하여 증명할 수 있습니다. 치환체의 크기가 증가함에 따라, 이들 화합물 각각의 상응하는 짝염기는 입체 방해를 더 많이 받습니다. 따라서 덜 용해됩니다. 결과적으로 이소프로판올은 에탄올(pK_a=16.00)보다 약한 산(pK_a=17.10)이고, tert-부탄올(pK_a=19.20)은 이소프로판올(pK_a=17.10)보다 약한 산입니다. 요약하면, 짝염기 음이온의 입체 장애가 용매화 정도를 정의합니다. 낮은 용매화는 해당 산을 약하게 만드는 용해된 이온의 불안정성을 초래합니다.