Номер 94, страница 22 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

1.94. Расположите следующие карбоновые кислоты в порядке увеличения кислотности: а) пропановая; б) 2-хлорпропановая; в) 2-фторпропановая; г) 3-хлорпропановая; д) бутановая. Объясните свой выбор.

Решение

Кислотность карбоновых кислот определяется стабильностью образующегося при диссоциации карбоксилат-аниона ($R-COO^-$). Чем стабильнее анион, тем сильнее кислота. Стабильность аниона, в свою очередь, зависит от электронных эффектов заместителей в углеводородном радикале R.

• Электронодонорные заместители (обладающие положительным индуктивным эффектом, +I) увеличивают электронную плотность на карбоксилат-анионе, дестабилизируют его и, следовательно, уменьшают кислотность. Алкильные группы (например, этильная, пропильная) являются электронодонорами.
• Электроноакцепторные заместители (обладающие отрицательным индуктивным эффектом, -I) оттягивают на себя электронную плотность, делокализуя (рассредоточивая) отрицательный заряд аниона, стабилизируют его и, следовательно, увеличивают кислотность. Атомы галогенов являются сильными электроноакцепторами.

Сила отрицательного индуктивного эффекта (-I) зависит от двух основных факторов:

1. Электроотрицательности заместителя: чем выше электроотрицательность, тем сильнее -I эффект (например, у фтора он сильнее, чем у хлора: F > Cl).
2. Расстояния от заместителя до карбоксильной группы: индуктивный эффект быстро затухает с увеличением числа связей.

Рассмотрим данные кислоты и их структурные формулы:

а) пропановая кислота: $CH_3-CH_2-COOH$

б) 2-хлорпропановая кислота: $CH_3-CHCl-COOH$

в) 2-фторпропановая кислота: $CH_3-CHF-COOH$

г) 3-хлорпропановая кислота: $Cl-CH_2-CH_2-COOH$

д) бутановая кислота: $CH_3-CH_2-CH_2-COOH$

Проведем пошаговое сравнение кислотности:

1. Сравним бутановую (д) и пропановую (а) кислоты. Обе кислоты не содержат электроноакцепторных заместителей. В бутановой кислоте пропильный радикал ($-C_3H_7$) обладает более сильным донорным (+I) эффектом, чем этильный радикал ($-C_2H_5$) в пропановой кислоте из-за большей длины углеродной цепи. Более сильный +I эффект сильнее дестабилизирует карбоксилат-анион. Следовательно, бутановая кислота является более слабой кислотой, чем пропановая: д < а.

2. Сравним кислоты с заместителями-галогенами (б, в, г) с кислотами без них (а, д). Атомы хлора и фтора обладают сильным акцепторным (-I) эффектом, который стабилизирует анион и увеличивает кислотность. Поэтому все три галогензамещенные кислоты будут значительно сильнее, чем пропановая и бутановая: (а, д) < (б, в, г).

3. Сравним 2-хлорпропановую (б) и 3-хлорпропановую (г) кислоты. В обоих случаях заместитель — атом хлора. Однако в 2-хлорпропановой кислоте он находится ближе к карбоксильной группе (у α-атома углерода), чем в 3-хлорпропановой кислоте (у β-атома углерода). Так как индуктивный эффект ослабевает с расстоянием, -I эффект атома хлора в положении 2 выражен сильнее, чем в положении 3. Следовательно, 2-хлорпропановая кислота сильнее, чем 3-хлорпропановая: г < б.

4. Сравним 2-фторпропановую (в) и 2-хлорпропановую (б) кислоты. Заместители находятся в одинаковом положении (у α-атома углерода). Фтор является более электроотрицательным элементом, чем хлор, поэтому его -I эффект сильнее. Это приводит к большей стабилизации аниона и, соответственно, к большей кислотности. Следовательно, 2-фторпропановая кислота — самая сильная из всех представленных: б < в.

Объединив все сравнения, мы можем расположить кислоты в порядке увеличения их кислотности (от самой слабой к самой сильной):

бутановая кислота < пропановая кислота < 3-хлорпропановая кислота < 2-хлорпропановая кислота < 2-фторпропановая кислота.

Ответ: д < а < г < б < в.