分子結構與化學反應活性間的定量關系

1、取代基效應：取代基效應：分子中的某個原子或原子團對整個分子或分子中其分子中的某個原子或原子團對整個分子或分子中其它部分產生的影響它部分產生的影響.取代基效應取代基效應電子效應電子效應場效應場效應空間效應空間效應誘導效應誘導效應共軛效應共軛效應超共軛效應超共軛效應（位阻效應）（位阻效應）(， )( ( -, p-) -, p-)(- ,- p)(- ,- p)空間傳遞空間傳遞物理的相互作用物理的相互作用 第二章第二章 分子結構與化學反應活性間的分子結構與化學反應活性間的定量關系定量關系內容提要哈米特方程式哈米特方程式TaftTaft方程式方程式誘導效應指數(shù)誘導效應指數(shù) Swain-Scott S

2、wain-Scott方程方程Winstein-GrunwaldWinstein-Grunwald方程方程2.1 哈米特哈米特(Hammett)方程方程Hammett方程是研究苯衍生物的對位和間位取代方程是研究苯衍生物的對位和間位取代基與反應速率或平衡常數(shù)之間關系的基與反應速率或平衡常數(shù)之間關系的. s稱為稱為Hammett常數(shù)；常數(shù)；r稱為反應常數(shù)稱為反應常數(shù)。s表示芳環(huán)上取代基極性性質最常用的參數(shù)。表示芳環(huán)上取代基極性性質最常用的參數(shù)。lgkXkH=lgKXKH=Hammett在水中于在水中于2525比較了苯甲酸和各種取比較了苯甲酸和各種取代苯甲酸的解離常數(shù)。它發(fā)現(xiàn)苯甲酸與對位和代苯甲酸的解

3、離常數(shù)。它發(fā)現(xiàn)苯甲酸與對位和間位取代苯甲酸的解離常數(shù)之比是個常數(shù)：間位取代苯甲酸的解離常數(shù)之比是個常數(shù)： KH 苯甲酸的解離常數(shù)苯甲酸的解離常數(shù)。 KX 各種取代苯甲酸的各種取代苯甲酸的解離常數(shù)解離常數(shù)。lg KXlg KHsCOOHXXCOOHCOOXXCOO+ H+ H+_當苯環(huán)上具有吸電子基團時，使羧基的解離度增當苯環(huán)上具有吸電子基團時，使羧基的解離度增大，則大，則為正值；為正值；當苯環(huán)上具有給電子基團時，使羧基的解離度減當苯環(huán)上具有給電子基團時，使羧基的解離度減小，則小，則為負值。為負值。對位和間位取代苯甲酸的對位和間位取代苯甲酸的Hammett常數(shù)不同常數(shù)不同。鄰位取代苯甲酸的鄰位取

4、代苯甲酸的lg KXlg KH 與與s不成直線。原不成直線。原應是鄰位取代基與應是鄰位取代基與COOH之間的空間效應干擾了之間的空間效應干擾了COOH與苯環(huán)的電子效應與苯環(huán)的電子效應（共軛效應）。（共軛效應）。Para vs Meta Subsituents: Resonance and Inductive Effects 由苯甲酸和各種取代苯甲酸的解離常數(shù)所得的由苯甲酸和各種取代苯甲酸的解離常數(shù)所得的 Hammett constants s sHammett還將還將水中于水中于2525苯乙酸和各種取代苯乙酸的苯乙酸和各種取代苯乙酸的解離常數(shù)與苯甲酸的解離所得的解離常數(shù)與苯甲酸的解離所得的s值

5、作圖值作圖，直線的斜，直線的斜率發(fā)生了變化。他認為直線的斜率與反應的性質有關，率發(fā)生了變化。他認為直線的斜率與反應的性質有關，因此，將直線的斜率因此，將直線的斜率r稱為反應系數(shù)。稱為反應系數(shù)。 lg (KxKH ) = rsCH2CO2HXXCH2CO2H+ H+ H+_CH2CO2XXCH2CO2H2O 25 0CH2O 25 0C r 0.4890.489Hammett還將還將水中于水中于2525苯丙酸和各種取代苯丙苯丙酸和各種取代苯丙酸的解離常數(shù)與從苯甲酸所得的酸的解離常數(shù)與從苯甲酸所得的s值值作圖作圖， 也符也符合直線關系。直線的斜率合直線關系。直線的斜率r也不同。也不同。CH2CH2

6、CO2HXXCH2CH2CO2H+ H+ H+_CH2CH2CO2XXCH2CH2CO2H2O 25 0CH2O 25 0C r 0.2120.212 lg (KxKH ) = rsHammett還比較了其它化合物的電離常數(shù)還比較了其它化合物的電離常數(shù)與與s之間之間的關系。的關系。發(fā)現(xiàn)都具有良好的直線關系。直線的斜發(fā)現(xiàn)都具有良好的直線關系。直線的斜率率r也各不相同。也各不相同。如：如：1. 苯酚和苯酚和各種取代各種取代苯酚苯酚的電離。的電離。OHXXOH+ H+ H+_OXXOH2O 25 0CH2O 25 0C r 2.1132.1132. 肉桂酸和肉桂酸和各種取代各種取代肉桂酸肉桂酸的電離

7、。的電離。CH=CHCO2HXXCH=CHCO2H+ H+ H+_CH=CHCO2XXCH=CHCO2H2O25 0CH2O25 0C r 0.4660.466NH3+XXNH3+ H+ H+NH3XXNH3H2O25 0CH2O25 0C3.苯銨離子和苯銨離子和各種取代各種取代苯銨離子苯銨離子的電離。的電離。 r 2.7672.767比較上述不同化合物電離的比較上述不同化合物電離的反應系數(shù)反應系數(shù)r 可以看出可以看出，反應系數(shù)反應系數(shù)r代表著反應中心的電荷對代表著反應中心的電荷對各種取代基變各種取代基變化的敏感程度。化的敏感程度。 r值越大，表明反應中心的電荷值越大，表明反應中心的電荷對對各

8、種取代基變化的各種取代基變化的敏感程度越大。敏感程度越大。 XCOOHXCOO+ H+_XCH2CH2CO2H+ H+_XCH2CH2CO2H2O 25 0CXCH2CO2H+ H+_XCH2CO2H2O 25 0C r 0.2120.212r 0.4890.489 r 1.001.00Hammett還比較了各種苯衍生物和各種取代苯衍還比較了各種苯衍生物和各種取代苯衍生物的生物的碳上化學反應的平衡常數(shù)碳上化學反應的平衡常數(shù)K與與s之間的關之間的關系。系。發(fā)現(xiàn)也具有良好的直線關系。直線的斜率發(fā)現(xiàn)也具有良好的直線關系。直線的斜率r也也各不相同。各不相同。如：如：1.苯甲酸乙酯和各種取代苯甲酸乙酯的

9、酸催化苯甲酸乙酯和各種取代苯甲酸乙酯的酸催化水解反應。水解反應。 lg (KxKH ) = rs r 0.1440.144CO2HXXCO2H+ H2O+ H2OCO2EtXXCO2EtH+100 0CH+100 0C+ EtOH+ EtOHEtOHEtOH2.苯甲酸乙酯和各種取代苯甲酸乙酯的皂化反應。苯甲酸乙酯和各種取代苯甲酸乙酯的皂化反應。3.苯甲醛和各種取代苯甲醛與苯甲醛和各種取代苯甲醛與KCN的反應。的反應。CO2XXCO2+ H2O+ H2O_CO2EtXXCO2EtHO-0 0CHO-0 0C+ EtOH+ EtOH丙丙酮酮丙丙酮酮 r 2.4602.460CHXXCH+ KCN+

10、 KCN_CHOXXCHO20 0C20 0CEtOHEtOHOHCNOHCN r 1.4921.4924.氯化芐和各種取代氯化芐的水解反應。氯化芐和各種取代氯化芐的水解反應。5. 三三苯甲基氯和各種取代氯化芐的電離。苯甲基氯和各種取代氯化芐的電離。H2CXXH2C+ H2O+ H2OCH2ClXXCH2Cl60 0C60 0C丙丙酮酮丙丙酮酮OHOH(m-XC6H4)3CCl0 0C(m-XC6H4)3C+ + Cl -SO2(p-XC6H4)3CCl0 0C(p-XC6H4)3C+ + Cl -SO2 r 1.6881.688 r +3.974+3.9746. 消去反應的相對速率常數(shù)如下：

11、消去反應的相對速率常數(shù)如下： 取代基：取代基：m-Cl m-F p-Cl m-MeO H m-Me p-MeO相對速率相對速率kX/kH 2.23 2.21 1.77 1.38 1.00 0.77 0.60CH2CMe2ClCH=CMe2HOCl 25 0COOHClO4lg kx/kH0.00.2 0.4-0.2-0.40.00.20.4-0.2-0.4 以以lg kX/kH 對對s值作圖。值作圖。求得直線斜率即為反應常數(shù)。求得直線斜率即為反應常數(shù)。 r 1.001.00反應系數(shù)反應系數(shù)r代表著反應中心的電荷對代表著反應中心的電荷對各種取代基改各種取代基改變的敏感程度。變的敏感程度。 r值越

12、大，表明反應中心的電荷值越大，表明反應中心的電荷對對各種取代基變化的各種取代基變化的敏感程度越大。敏感程度越大。 Hammett常數(shù)常數(shù)s- -取代基常數(shù)。取代基常數(shù)。s表示芳環(huán)上取代基改變苯環(huán)側鏈反應中心的電子云表示芳環(huán)上取代基改變苯環(huán)側鏈反應中心的電子云密度之能力的尺度。密度之能力的尺度。s為正值表示吸電子效應為正值表示吸電子效應；絕對值越大，影響也大。絕對值越大，影響也大。s為負值表示給電子效應為負值表示給電子效應；絕對值越大，影響也大絕對值越大，影響也大為正值的反應是被苯環(huán)上吸電子取代基（為正值的反應是被苯環(huán)上吸電子取代基（m-或或p-）所促進的反應，所促進的反應，為負值的反應是被苯環(huán)

13、上推電子基為負值的反應是被苯環(huán)上推電子基（m-或或p-）所促進的反應）所促進的反應值的大小取決于以下幾個因素值與反應條件有關例如，苯甲酸在水中的電離，其反應常數(shù)值與在乙醇中的不同，顯然是由于溶劑極性的影響值與取代基電子效應傳遞的途徑有關例如，苯甲酸、苯乙酸、苯丙酸、肉桂酸電離的不同值數(shù)據說明，羧基與取代基之間的距離增加時，減少了取代基對酸性的影響，即值變小，但取代基的電子效應較易通過雙鍵傳遞到羧基值與反應中心對取代基電子效應的敏感性有關例如，苯酚和苯胺離子的電離反應的值都較大，這是由于它們的反應中心對于取代基電子效應的敏感性較大，即苯環(huán)上的羥基或氨基都可以通過苯環(huán)與一些p-取代基發(fā)生直接共軛例

14、如p-硝基增強苯酚的酸性36倍, 由于direct conjugation; 而p-硝基只增強苯甲酸的酸性6倍, 因為是交叉共軛.NOONH2CNOOOOHONOOOOHH2O+ H3O+ 2.113XXNH2NH3H2O+ H3O+ 2.767XX從以上討論可見，值是反應對于取代基對于反應產生影響的敏感性尺度可以用下列經驗公式表示212/RTdBDB+r式中R為氣體常數(shù)，T為絕對溫度，D為溶劑的介電常數(shù)，d為取代基與反應中心之間的距離，B1為取決于苯衍生物與溶劑的靜電作用力的參數(shù)，B2為反應對于反應中心電子云密度的敏感性參數(shù)哈米特哈米特(Hammett)方程之所以用途如此廣泛，是方程之所以用

15、途如此廣泛，是由于它反映了取代基的極性效應對由反應物到產由于它反映了取代基的極性效應對由反應物到產物自由能變化的線性關系。物自由能變化的線性關系。平衡常數(shù)與自由能有如下關系：平衡常數(shù)與自由能有如下關系：lgKXKH=lgKX=_GH2.303 RTlgKH=_GX2.303 RT_GHGX2.303 RT=自由能的變化自由能的變化取代基的極性效應取代基的極性效應s呈呈線性關系線性關系_GHGX1. Hammett發(fā)現(xiàn)在苯酚、苯胺類化合物的反應性質中，發(fā)現(xiàn)在苯酚、苯胺類化合物的反應性質中，應用應用常數(shù)常會出現(xiàn)較大偏離，只有取代基在間位時常數(shù)常會出現(xiàn)較大偏離，只有取代基在間位時可得到較好的關系。可

16、得到較好的關系。這是由于對位取代基與反應中心發(fā)生了通路共軛（直接共軛）這是由于對位取代基與反應中心發(fā)生了通路共軛（直接共軛）(Through resonance)的關系的關系。OH基的酸性較強基的酸性較強，NO2若采用若采用s s值則所得數(shù)值偏低，必須采用較值則所得數(shù)值偏低，必須采用較s s高的數(shù)值才能得到較好的相高的數(shù)值才能得到較好的相關。這種增大了的關。這種增大了的值稱為值稱為s syy。2.1.2 芳香族親電取代的芳香族親電取代的Hammett方程方程HONO2HONOO+_+間位取代基對反應中心的電性影響主要為誘導效應間位取代基對反應中心的電性影響主要為誘導效應（包括場效應），而對位取

17、代基的影響為誘導效應（包括場效應），而對位取代基的影響為誘導效應與共軛效應之和。與共軛效應之和。HONO2HONOO+_+H2NNO2H2NNOO+_+s syy由測定苯銨離子和對位各種取代的苯銨離子的由測定苯銨離子和對位各種取代的苯銨離子的酸度函數(shù)確定的。酸度函數(shù)確定的。+ H+25 0CH3NX+H2NXH2O2. 當反應中心的正電荷受給電子基團（特別是帶孤電子當反應中心的正電荷受給電子基團（特別是帶孤電子對的基團）的影響發(fā)生離域化作用時對的基團）的影響發(fā)生離域化作用時， 必須用必須用s s 代替代替才能得到更好的相關關系。才能得到更好的相關關系。s s 由氯代異丙苯及對位取代氯代異丙苯的

18、水解速由氯代異丙苯及對位取代氯代異丙苯的水解速度比值求得的。度比值求得的。CMe2XXCMe2+ H2O+ H2OCMe2ClXXCMe2Cl25 0C25 0C丙丙酮酮丙丙酮酮+當取代基為給電子基團時當取代基為給電子基團時s sp s sp，當為吸電子基團時當為吸電子基團時s sp =s sp 。如用單取代的苯進行溴化反應如用單取代的苯進行溴化反應, ,得到如下的分速率因子得到如下的分速率因子(k(kf f):):取代基：取代基： p-Me p-But m-Me m-But H p-Cl p-Brkf 58.9 38.9 2.51 2.57 1.00 0.22 0.15指出適合用指出適合用H

19、ammett方程方程s s 值值的的kf，確定反應的，確定反應的r r值值, ,預測預測p-F的的kf值值。以以lg f 對對s s 值作圖。求得直線斜率即為反應常數(shù)。值作圖。求得直線斜率即為反應常數(shù)。r r -5.95-5.95由由p-F的的s s 值，從直線上可求出其值，從直線上可求出其 kf2.53。XBr+ Br2XBrX25 0C+在醇脫水的反應研究中測定了下列化合物的速率常數(shù)，當個在醇脫水的反應研究中測定了下列化合物的速率常數(shù)，當個苯環(huán)上過的取代基苯環(huán)上過的取代基X X和和Y Y同時改變時，發(fā)現(xiàn)只要用一個和同時改變時，發(fā)現(xiàn)只要用一個和HammettHammett方程有關的方程就和將

20、這些結果關聯(lián)起來：方程有關的方程就和將這些結果關聯(lián)起來： 拭解釋這個方程中拭解釋這個方程中x x 和和y y的意義。系數(shù)的意義。系數(shù)0.230.23的作用是什么？的作用是什么？CH-CH2XYOHH+CH=CHXYlgkk0= -3.78 ( x+ + 0.23 y)2.2 塔夫脫塔夫脫(Taft)方程方程Taft方程是研究方程是研究脂肪族體系脂肪族體系的取代基與反應速率的取代基與反應速率或平衡常數(shù)之間關系的或平衡常數(shù)之間關系的. s為為極性取代基極性取代基常數(shù)，只涉及誘導效應；常數(shù)，只涉及誘導效應；r 稱為反應常數(shù)稱為反應常數(shù)。k k表示表示位上取代基的乙酸乙酯的水解速率常數(shù)位上取代基的乙酸

21、乙酯的水解速率常數(shù)或平衡常數(shù)；或平衡常數(shù)；k k0 0 為乙酸乙酯的水解速率常數(shù)或平衡常數(shù)。為乙酸乙酯的水解速率常數(shù)或平衡常數(shù)。*lgkk 0=lgKK0=*Taft采用乙酸乙酯與取代乙酸乙酯在酸性（采用乙酸乙酯與取代乙酸乙酯在酸性（A A）和堿性（）和堿性（B B）催化下水解速度比值的對數(shù)之差所求得的參數(shù)催化下水解速度比值的對數(shù)之差所求得的參數(shù)s s*。s s*= lg( KX / KH )B - lg( KX / KH )A /2.48在堿性水解時，取代基對速率的影響有在堿性水解時，取代基對速率的影響有電性效應和位阻效電性效應和位阻效應（空間效應）應（空間效應）兩方面，而酸水解時，兩方面，

22、而酸水解時，取代基對速率的影取代基對速率的影響只有位阻效應響只有位阻效應，因而兩者之差表達了電性效應。，因而兩者之差表達了電性效應。 RCOOORH(II) RCOOOHRHH(I) 它們的過渡態(tài)幾乎相同只差兩個質子sSEKK+*0lgsr式中*稱為極性取代基常數(shù)，即對取代基電子效應的定量描述尺度；*為反應對于電子效應的敏感性常數(shù)；同樣，ES為空間取代基常數(shù)，即取代基的空間效應的大??；S為反應對于空間效應的敏感性常數(shù)對于酯的堿催化與酸催化水解反應，可以分別寫出認為電子效應和空間效應分別單獨起作用, 所以可以寫成兩項:兩式相減得因為假定兩個反應中的空間效應是相同的，因此SBSA=0; 酸催化水解

23、對于取代基的電子效應不敏感，則可設*A=0; 令*B= 2.48 （因為用鄰位取代苯甲酸酯的水解反應作為模型反應，當反應用酸催化且取代基為對位或間位時，值范圍在0.2十0.5之間；當反應用堿催化時，則值為十2.2十2.8）引入2.48這個常數(shù)，是為了使求得的值與哈密特值在同一數(shù)量級上以便于比較，這樣，上式就可以簡化為下式ABkkkk00*/lg/lg48. 21-s (極性效應) (極性+空間) (空間)這就是Taft方程. SABABABESSkkkk-+-*00/lg/lgsrr取代基取代基 s s*取代基取代基 s s*取代基取代基 s s* Cl3C 2.65 H 0.49 CH3-0

24、.00 Cl2HC1.94ClH2CCH20.38 CH3CH2-0.10 CH3CO-1.65 PhCH2=CH0.41 C6H11- -0.15 ClH2C2.72CH2=CH-0.36 i-Pro -0.19 Ph1.05 PhCH20.22 t-Bu-0.30Taft極性取代基常數(shù)極性取代基常數(shù)s s*Taft的極性取代基常數(shù)適用于苯的鄰位衍生物和脂肪族化合物; 對于脂肪族化合物, 是以乙酸酯為標準化合物的從上表可見甲基的*為0.00, 這實際上是指脂肪族的; 凡取代基的推電子能力大于甲基者, 其*都為負值(堿性水解被推電基減慢). 吸電子能力大于甲基者, 其值都為正值.例如*負值:

25、CH3 C2H5 i-C3H7 t-C4H9*正值: ClCH2 Cl2CH Cl3C這樣得到的取代基常數(shù)是否真實反映了取代基的電子效應? 這可以驗證的; 例如用這些*值可以算出反應的速率常數(shù)或平衡常數(shù)，再與實測速率常數(shù)或平衡常數(shù)相比較，發(fā)現(xiàn)有某些反應是服從這種哈米特類型方程式的*0lgsrkk也可以計算出* (從上式或作圖都可以)表中包括的反應類型雖較廣，但每一類型中只有少數(shù)例子才符合方程式，這是因為，當取代基過于接近反應中心時，空間效應在大大增加所以，從塔夫脫方程來定量地預測脂肪族反應的速率常數(shù)或平衡常數(shù)，仍有局限性在求得了*和*之后，就有可能算出空間取代基常數(shù)ES值由于酸催化的酯水解反應

26、對電子效應很不敏感，*值相對就非常小，因此在脂肪族化合物的反應中測定ES時，可以把 假定為零，則從(220)式可得*ArSAAESkk0/lg令式中的SA=1, 可求出ES值.同樣, 從 ,因為B*=2.48; SB=1,所以SBBBESkk+*0/lgsrSAAAESkk+*0/lgsr可得出*048. 2/lgs+SBEkkES是取代基空間效應的定量標度(一般以-CH3基作為比較標準) 從表中可以看出, * 的次序與Es 完全不同, 它們之間沒有什么關系, 說明可定量地把它們分開; 脂系的* 實際上是取代基誘導效應的標度.脂肪族化合物的極性取代基常數(shù)*實際上是取代基的誘導效應的標度由于哈米

27、特值是取代基的誘導效應和共軛效應總和的標度，因此就有可能從與*值的比較來區(qū)分某取代基的電子效應中誘導效應與共軛效應的貢獻各有多大但是在計算取代基的值和*值時，選擇的標準化合物是不同的，所以不能簡單地將與*進行直接比較，而必須采用另一種取代基常數(shù)Robert和Moreland用4-取代雙環(huán)2.2.2辛烷-1-羧酸類在50乙醇中的電離常數(shù)(25C)計算了值0lg464. 11KKs很明顯，在這類脂環(huán)化合物中，取代基X對羧基的電子效應純粹是誘導效應，中不可能包括共軛效應而其傳遞途徑又與苯衍生物中取代基電子效應的傳遞途徑大致相同，所以將與直接進行比較，就可以把誘導效應與共軛效應區(qū)分開來然而，已知的取代

28、基值并不多，不易被應用COOHX4-取代雙環(huán)2.2.2辛烷-1羧酸2.3 蔣明謙誘導效應指數(shù)方程蔣明謙誘導效應指數(shù)方程 蔣明謙誘導效應指數(shù)方程蔣明謙誘導效應指數(shù)方程是用來計算是用來計算脂肪族非共軛體脂肪族非共軛體系中系中取代基誘導效應取代基誘導效應大小簡便方法。它是一種按照分子結大小簡便方法。它是一種按照分子結構，并考慮成鍵原子電負性構，并考慮成鍵原子電負性 x 和共價鍵長和共價鍵長 r（原子半徑之和）（原子半徑之和）的一種經驗公式。的一種經驗公式。 I i0 + iI 表示表示A-B鍵整個的極性強度鍵整個的極性強度。I0 表示分子中表示分子中B B原子本身對原子本身對 AB鍵極性的貢獻。鍵極

29、性的貢獻。i 表示分子中表示分子中B B原子上所帶基團對原子上所帶基團對 AB鍵極性的貢獻。鍵極性的貢獻。 ABC2C3C1D1D2E1E20 1 2 3i =1 CBr CB+1 DCr DC+1 EDr ED+23.i =1r+1+1+23.213rr= CBXC - XBXC + XB= BCXB - XCXB + XC或或分子中共價鍵的極性：分子中共價鍵的極性：XB 為為B原子的電負性，原子的電負性，XC 為為C原子的電負性。原子的電負性。r 為鍵長。為鍵長。Ii0 + i= BAr BA+1 CBr CB+1 DCr DC+1 EDr ED23蔣明謙以蔣明謙以H原子作為標準，采用原子作為標準，采用2.7 ， 以及以及Pauling電負性電負性x 值和原子共價半徑值和原子共價半徑 r 值，值，計算一系列無機和有機基團誘導計算一系列無機和有機基團誘導效應指數(shù)效應指數(shù)I?；鶊F基團I X X 102基團基團I X X 102 F33.14CH3- 0.90 Cl13.68NR26.38 Br9.92N+R366.64 I5.33NO258.34 OR13.38C=O52.08 蔣明謙誘導效