탄화수소의 산성 강도는 알킨 > 알켄 > 알칸의 순서를 따릅니다. 산의 강도는 일반적으로 pK_a 단위로 표현됩니다. pK_a가 낮을수록 산은 더 강해집니다. 탄화수소 중에서 말단 알킨은 pK_a 값이 낮으므로 더 산성입니다. 예를 들어, 여기에 표시된 대로 에탄, 에텐 및 아세틸렌의 pK_a 값은 각각 51, 44 및 25입니다.
에탄 (pKa = 51) |
에텐 (pKa = 44) |
에틴 |
pK_a 차이가 26단위인 아세틸렌은 에탄보다 산성이 10^26배 더 높습니다. 마찬가지로 19 pK_a 단위의 차이로 인해 에텐보다 10^19배 더 강해집니다.
혼성화 효과
다른 탄화수소에 비해 말단 알킨의 산도가 현저하게 증가하는 것은 탈양성자화에 의해 형성된 해당 탄소 음이온의 안정성을 고려하여 설명할 수 있습니다. 유기 화합물의 명명법에서 접미사 "-ide"는 분자가 음전하 이온임을 나타냅니다.
에타나이드(알킬 음이온) sp^3 고독한 쌍, 25% "s" 문자 |
에테나이드(비닐 음이온) sp^2 고독한 쌍, 33% "s" 문자 |
아세틸라이드(아세틸렌 음이온) sp 고독한 쌍, 50% "s" 문자 |
탄소 음이온의 안정성은 비공유 전자쌍이 차지하는 혼성 오비탈의 특성에 따라 달라집니다. 위에 표시된 것처럼 에탄에서는 고독한 쌍이 sp^3 궤도에 존재하는 반면, 에텐에서는 sp^2 궤도와 아세틸렌의 경우 sp 궤도를 차지합니다. sp^3, sp^2 및 sp 궤도는 각각 25%, 33% 및 50% "s" 문자를 갖습니다. "s" 오비탈은 양전하를 띤 핵에 더 가깝기 때문에 "s" 특성이 더 높은 하이브리드 오비탈은 음전하를 효과적으로 안정화시킵니다. 따라서 아세틸리드 이온은 적합한 염기가 있을 때 가장 안정하고 쉽게 형성됩니다.
적합한 베이스 선택
일반적으로 염기가 산을 탈양성자화하려면 염기의 짝산의 pK_a가 산의 pK_a 단위보다 최소한 10 pK_a 단위 이상 커야 합니다.
말단 알킨의 pK_a는 25입니다. 따라서 짝산의 pK_a가 35 이상인 염기가 적절한 염기입니다. 산-염기 반응의 경우 평형은 더 강한 산과 염기에서 더 약한 산과 염기가 형성되는 것을 선호한다는 점을 기억하세요.
더 강한 산 + 더 강한 염기 더 약한 산 + 더 약한 염기
나트륨 아미드를 염기로 사용하면 말단 알킨이 나트륨 아세틸리드와 짝산인 암모니아를 형성합니다. 암모니아의 pK_a가 25보다 크므로 평형은 나트륨 아세틸라이드의 형성을 선호하여 나트륨 아미드를 탈양성자화 반응을 위한 충분히 강한 염기로 만듭니다.
나트륨 아미드 외에도 수소화나트륨, 부틸리튬 및 리튬 디이소프로필아미드(LDA)는 아세틸리드 이온을 형성하는 데 일반적으로 사용되는 기타 염기입니다.
수소화나트륨 |
부틸리튬(n-BuLi) |
리튬 디이소프로필아미드(LDA) |
염기로서 수산화나트륨이 존재하는 경우, 말단 알킨은 아세틸화나트륨과 짝산인 물을 형성합니다. 그러나 물의 pK_a가 25보다 작기 때문에 평형은 반응물에 유리합니다. 따라서 수산화나트륨은 아세틸리드 이온을 형성하기에 적합한 염기가 아닙니다.
유기금속 시약의 합성
말단 알킨의 상대적 산도는 그리냐르 또는 유기리튬 시약으로 처리할 때 유기금속 화합물의 합성에 적용됩니다. 이는 금속 원자가 한 탄소에서 다른 탄소로 이동하여 새로운 금속-탄소 결합을 형성하는 금속 교환 반응의 예입니다. 그러나 이는 더 약한 산과 염기의 형성을 선호하는 산-염기 반응으로 해석될 수도 있습니다.
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