Kwasy i zasady w chemii organicznej

W chemii nieorganicznej gdy mowa o kwasie lub zasadzie często mamy na myśli roztwory wodne a 
reakcje między nimi sprowadzają się do roztworów rozcieńczonych. W początkowym etapie 
nauczania kwasowość lub zasadowość związku rozpatrywana jest zgodnie z jonową teorią kwasów 
i zasad Arrheniusa. Podczas uczenia się chemii organicznej zapomnijmy o tej teorii (w chemii 
organicznej istnieją pewne klasy związków, które według tej teorii są kwasami, ale istnieje też 
znaczna część związków która nimi nie jest). W chemii organicznej inne niż w chemii 
nieorganicznej są zakresy stężeń, którymi się posługujemy. Często reakcje przeprowadza się w 
roztworach stężonych a co najważniejsze, rzadko w roztworze wodnym. Już chociażby na 
podstawie tych warunków widzimy, że podejście do kwasów i zasad musi być odmienne.
Najwygodniej stosować teorie kwasów i zasad Brønsteda-Lowry'ego oraz Lewisa, a tam gdzie dwa 
kwasy lub dwie zasady muszą ze sobą konkurować zastosować teorię HSAB Pearsona. 
Inne podejście do kwasów i zasad w chemii organicznej prowadzi często na pozór do absurdalnych 
wniosków lub “dziwnych” produktów. Nie należy się tym jednak przejmować. Te “absurdalne” 
wnioski są jak najbardziej poprawne, jeżeli tylko nie popełniliśmy błędu w rozumowaniu a takie 
podejście ułatwia nam pisanie równań reakcji chemicznych, a nawet umożliwia pisanie 
mechanizmów reakcji.

Zaobserwujmy na kilku przykładach podejście chemika organika do problemu kwas-zasada.

•

amoniak

wodne roztwory amoniaku mają odczyn alkaliczny, a sam amoniak jest słabą zasadą:

 

W chemii organicznej jest on nadal zasadą (para elektronowa na atomie azotu), ale widzimy 
również połączenie wodoru z niemetalem. Związek ten w pewnych warunkach może zachowywać 
się jak kwas:

 

Z równania reakcji wynika, że potrzebujemy tylko odpowiednio silnej zasady np. 

. 

Kwasowy charakter amoniaku przejawi się również w reakcji z sodem:

 

•

etanol

Chemik zajmujący się chemią nieorganiczną powie, że etanol jest związkiem o charakterze 
obojętnym.
Chemik organik natomiast zauważy dwie pary elektronowe na atomie tlenu, które decydują o 
zasadowym charakterze tego związku:

 

Etanol jest nie tylko zasadą, ale również kwasem. Właściwości kwasowe okazuje wobec mocnych 
zasad:

 

•

kwas octowy 

oczywiście kwas octowy w chemii nieorganicznej jest kwasem.
Jednakże w chemii organicznej częściej chyba wykorzystuje się jego właściwości zasadowe. Na 
atomach tlenu występują pary elektronowe i mogą one być udostępnione:

 

Dzięki temu, że kwas octowy wykazuje właściwości zasadowe, możliwa jest reakcja estryfikacji.
Zauważmy, że przy takim podejściu jedynym ograniczeniem wykazania właściwości kwasowych 
związku jest posiadanie odpowiednio silnej zasady, oraz odpowiednio silnego kwasu dla wykazania 
właściwości zasadowych.
Osobnym problemem jest wyszukanie atomów wodoru o charakterze kwasowym (centrum 
zasadowe jest zawsze na tym atomie, który posiada wolną parę elektronów i może ją udostępnić).

Centra reaktywne w związkach organicznych 

Elektrofile i nukleofile

Większość reakcji w chemii organicznej możemy rozpatrywać jako reakcje przebiegające między 
kwasem a zasadą. Reakcje kwasów z zasadami są na ogół reakcjami szybkimi. Natomiast w chemii 
organicznej niektóre reakcje są szybkie (np. spalania lub addycji bromu do etylenu), inne natomiast 
wymagają wielogodzinnego ogrzewania (reakcje estryfikacji, eliminacji bromowodoru z 
bromoalkanu). Z tego względu pomimo, że niektóre cząsteczki możemy zaliczyć do kwasów lub 
zasad Lewisa, nie możemy ich nazwać kwasami lub zasadami. W chemii organicznej takie 
cząsteczki nazywa się elektrofilem lub nukleofilem. 

•

Elektrofil - cząsteczka lubiąca centra bogate w elektrony, czyli 

Kwas Lewisa

. Centra 

elektrofilowe charakteryzują się obniżoną gęstością elektronową (np. poprzez efekt 
indukcyjny innych atomów), lub posiadają sekstet elektronów zamiast oktetu. W przypadku 
gdy centrum elektrofilowe powstało w wyniku obniżenia gęstości elektronowej, atom 
będący centrum elektrofilowym musi być połączony z atomem lub grupą łatwo odchodzącą 
(trwałą termodynamicznie, grupy trwałe termodynamicznie najprościej rzecz ujmując to 
takie, które istnieją w przyrodzie. OH-, H-, NH2- i ich pochodne nie są trwałe 
termodynamicznie, nie istnieją w przyrodzie, a zatem nie są grupami odchodzącymi). 
Elektrofil jest kwasem Lewisa. 

•

Nukleofil - cząsteczka lubiąca jądra atomowe, czyli sama musi posiadać elektrony, za 
pomocą których może utworzyć wiązanie chemiczne. Centrami nukleofilowymi są atomy, 
które posiadają pary elektronowe i mogące te pary uwspólnić z elektrofilem. Nukleofil jest 
zasadą Lewisa. 

Elektrofil zawsze reaguje z nukleofilem, a dokładnie centrum elektrofilowe z centrum 
nukleofilowym. Z wolnej pary elektronowej, która znajduje się na centrum nukleofilowym powstaje 
wiązanie chemiczne. Bez względu jak bardzo złożone są te reagenty, nowe wiązanie powstaje 
zawsze pomiędzy elektrofilem i nukleofilem: 

 

Dlatego centra elektrofilowe i nukleofilowe nazywamy centrami reakcyjnymi. Kwaśny atom 
wodoru zgodnie z definicją podaną powyżej jest elektrofilem lub kwasem Lewisa. Jednakże z 
uwagi na inny charakter reakcji (często reaguje on o wiele szybciej z silnymi zasadami od innych 
kwasów Lewisa) wygodniej jest rozpatrywać go oddzielnie. Z tego samego względu, również silne 
zasady Brønsteda-Lowrye'go rozpatrywane są oddzielnie (reagują one chętnie z kwaśnymi atomami 
wodoru). W każdym związku organicznym należy zatem odszukać następujące centra reaktywne:
♦ centrum elektrofilowe
♦ centrum nukleofilowe
 
♦ atom wodoru o charakterze kwasowym
♦ mocną zasadę

Atomy wodoru o charakterze kwasowym

W celu wyszukania kwaśnych atomów wodoru w związku organicznym przyjrzyjmy się budowie 
kwasu nieorganicznego:

 

Zauważmy, że kwaśne atomy wodoru połączone są zawsze z atomem, który jest bezpośrednio 
połączony z atomem centralnym. O takim atomie mówimy, że znajduje się w położeniu α od atomu 
centralnego, a atomy wodoru o charakterze kwasowym możemy nazwać wodorami α. Jeżeli atom 
wodoru nie jest połączony z atomem w położeniu α, czyli nie jest wodorem α, to nie wykazuje on 
charakteru kwasowego lub jego charakter kwasowy jest o wiele mniejszy. Przykładem takim może 
być kwas fosforowy (III), który posiada następującą budowę:

 

Odszukanie atomu centralnego w przypadku tlenowych kwasów mineralnych nie nastręcza 
trudności. Gdzie ich jednak szukać w przypadku związków organicznych? Posłużmy się tu 
następującą metodą:

•

odnaleźć atom najbardziej elektroujemny

•

z atomem najbardziej elektroujemnym połączony jest atom centralny

•

odnaleźć atomy w pozycji α od atomu centralnego

•

z atomem w pozycji α od atomu centralnego znajdują się wodory α, czyli atomy wodorów o 
charakterze kwasowym.

Oczywiście kwasowość tych atomów wodorów często jest niewielka, ponieważ mogą one reagować 
jedynie z odpowiednio mocną zasadą i często w środowisku niewodnym. Należy jednak pamiętać, 
że mając wybór: kwasowy atom wodoru na heteroatomie (O, N, P) i na atomie węgla, ten na 
heteroatomie wykazuje zawsze większą kwasowość. Przećwiczmy wyszukiwanie kwasowych 
atomów wodoru na kilku przykładach:

•

butanal

 

•

nitroetan 

 

•

propanol 

 

Zauważmy, że na heteroatomie znajduje się atom wodoru i to on jest najbardziej kwasowy.

 

Dalsze szukanie kwaśnych atomów wodoru jest bezsensowne, ponieważ atom tlenu z ładunkiem 
ujemnym nie jest atomem silnie elektroujemnym.
Jednakże nasze wcześniejsze rozważania będą słuszne dla eteru dipropylowego:

 

Zauważmy też, że we wszystkich przykładach poza ostatnim, kwasowość związków była na tyle 
znacząca, że reakcje mogły być prowadzone w roztworze wodnym.