4.4.2 分離溶質的電性參數pKa
溶質的酸堿性在有機物絡合萃取過程中是十分重要的電性參數。其中,溶質的解離常數的負常用對數值,即pKa,是溶質酸性強弱的標志,是一種經常使用的重要的物理化學參數。
物質的酸度pKa是一個實驗量,可以從手冊中查到部分物質的pKa值。但是,一些物質pKa值難以測定,需要建立分子結構參數與pKa的定量關聯式來進行預測。
在絡合萃取過程中,溶質pKa的大小決定了絡合反應的計量比及萃合物的穩定性,從而影響萃取平衡的分配結果。同時,溶質pKa的大小也會影響溶液中待萃取溶質自由分子的摩爾分數。在絡合萃取平衡的數學模型中,pKa作為一個重要參數出現。
物質的pKa值,受分子外部因素和內部因素的影響。外部因素包括溶劑環境(溶劑極性、離子強度等)和溫度;內部因素則是指分子組成及結構帶來的誘導效應、場效應、共振效應、氫鍵影響、立體效應以及雜化作用等[23]。
物質分子的組成及結構可以通過幾種不同的方式來影響物質的酸度。在多數分子中,時常可能存在兩種或兩種以上的影響方式共同發生作用,而且,難以區分每一種方式的影響程度。分子組成及結構帶來的影響方式包括如下幾種。
(1)誘導效應 對于有機物HA,吸電子基,如鹵素,能使H—A鍵減弱,并能穩定陰離子,從而使酸性增強,pKa減小。當分子中吸電子取代基數目增加時,誘導效應也增強,分子的酸性增強。供電子基,如烷基、氨基,能增強H—A鍵,從而增加對質子的親和力,這將使堿性增強,pKa增大。
(2)場效應 場效應是通過空間而不是通過成鍵起作用的電子效應。對于多數分子來說,區分誘導效應和場效應是很不容易的,因為二者時常同時作用,而且對物質酸性強弱的影響是一致的。一般常把誘導效應和場效應合并考慮,當作為“極性效應”。
(3)共振效應 官能團,如p—NO2,通過減弱O—H鍵并使陰離子穩定,可使苯甲酸或苯酚的酸性增加;官能團,如—NH2,通過共振提供電子,因此,會增強O—H鍵,促進陰離子和質子的結合,所以,酸性會相應減弱。
(4)氫鍵 在分子內部形成氫鍵能夠在很大程度上影響酸性的強弱。例如,鄰羥基苯甲酸由于—OH和—COOH間形成了氫鍵,電荷離域化,穩定性增強,結果增大了分子的酸性。
(5)立體效應 由于質子較小,質子酸-堿反應對立體壓縮不太敏感。然而,具有較多分枝的酸,其陰離子會由于較小的溶劑化程度變得不太穩定,導致酸性減弱。