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四个碳的醇里,为什么只有叔丁醇可以和水混溶?优质

531次浏览| 2022-07-30 02:57:10 更新
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仲丁醇,找这个醇的溶解度的时候发现了一个有趣的故事:有个叫Donald B. Alger的人发现很多教科书中引用的仲丁醇的溶解度数据都是错的,找了一番后他发现万恶之源是Orris, J. F.和 Green 1901年发表在American Chemical Journal(当年的JACS)上的一篇报告。这篇报告中指出仲丁醇的溶解度是:12.5 g/100 g water,也就是 11.1 %,这个错误的数据后来被Beilstein于1909年引用并被编入了他的书《Handbuch der Organischen Chemie》中。这可是很有影响力的工具书,于是错误的数据便传开了。Donald B. Alger于是在Journal of Chemical Education上发表了一篇文章J. Chem. Educ., 1991, 68 。仲丁醇的实际溶解度是26.0 %, 22.5 %, 18.0 %,20 °C, 25 °C, 30 °C,这个数据来SeidellA.Solubilities of Organic Compounds, 3rd ed.; D. Van Nostrand: New York. 1941; Vol. 2, p. 269. 叔丁醇,这个大家都知道,常温可以无限互溶。那么这里的原因呢,从正丁醇到叔丁醇,分子体积几乎没变(因为分子量一样),但是分子的长度总体上是逐渐减小的。正丁醇可以是长条形或者扭曲的长条形,但是叔丁醇几乎是球形。我们知道,在体积保持不变的情况下,越是接近球形的物体,表面积越小。因此我们有假定a:从正丁醇到叔丁醇,分子性状从瘦长到接近球状,其比表面减小,疏水烷基链与水分子界面的表面能降低,使溶解焓减小,导致溶解度随之增大。b. 从正丁醇到叔丁醇,和羟基相连的碳原子(α-C)上所连接的基团逐渐增多,烷基向氧原子给电子的能力逐渐增大,氧原子电子密度增大,因而能与水分子形成更稳定的氢键作用,促进其溶解。因此我们有假定b:从正丁醇到叔丁醇,氧原子上负电荷密度逐渐增大,其作为氢键受体与水分子中氢原子作用力逐渐增强,使溶解焓减小,导致溶解度随之增大。

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t-Bu(叔丁基)相对于n-Bu,i-Bu,更容易让羟基与水产生氢键作用,从而提高溶解度。也有几位提到了推电子这件事。那么其实是从两个角度在考虑这个问题:溶剂化效应。电子效应。一谈到醇的这两个效应,其实就会扯出一个讨论了多年的问题,为什么醇的酸性在气态下和在溶液中的强弱顺序反转了(在溶液中MeOH>EtOH>t-BuOH,气态中正好相反)。Gas-Phase Acidities of Alcohols,John and Larry 1970先看电子效应:如果真的如我们一直想的那样,阿尔法碳上碳越多,给电子效应越强,那么在气态下,醇应当和溶液中有一样的酸性强弱顺序,但事实却恰恰相反。这至少说明单纯的把烷基当成给电子基团是有一定的问题的(我并不是说这是错的,只是有一定问题)。一种解释被提出,并在较大的程度上被接受了,越大的烷基在气态下倾向于增强醇的酸性(有人认为大的烷基可极化性强的原因),因为在气态下,我们很难把酸性归咎到其他因素上。但是为什么在溶液中倒过来了呢。这是因为越大的烷基就会有越大的空间阻碍,它会阻止偶极或质子溶剂去稳定羟基氧上的负电荷。

最主要原因还是分子内的竞争效应的问题,这个是起到决定性因素的。至于说给电子效应,这个微乎其微,烷基的给电子能力本身就不强,换两个分析排列,也相差不大。其他的表面张力,热力学等等不大了解。我的理解基于两个条件。

1.分子结构不是一成不变的,是高速运动的,分子会沿着键高速旋转。所以我们平时看到的结构式,棍球模型等都是静态的。

2.分子与其他分子基团间的力,和分子自己内部基团间的力作用是相互竞争的。 醇溶解于水能力的大小决定作用就是形成氢键的能力,包括强度和几率。强度上,都是烷基,所以相差不大,烷基本身的给电子能力也不是很强。但是在形成几率上差别就比较大了。

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