分子結(jié)構(gòu)與化學(xué)反應(yīng)活性間的定量關(guān)系課件

取代基效應(yīng)：分子中的某個原子或原子團(tuán)對整個分子或分子中其它部分產(chǎn)生的影響.取代基效應(yīng)電子效應(yīng)場效應(yīng)空間效應(yīng)誘導(dǎo)效應(yīng)共軛效應(yīng)超共軛效應(yīng)（位阻效應(yīng)）(σ，π)(π-π,p-π)(σ-π,σ-p)空間傳遞物理的相互作用

第二章

分子結(jié)構(gòu)與化學(xué)反應(yīng)活性間的定量關(guān)系

內(nèi)容提要§2-1哈米特方程式§2-2Taft方程式§2-3誘導(dǎo)效應(yīng)指數(shù)§2-4Swain-Scott方程§2-5Winstein-Grunwald方程2.1哈米特(Hammett)方程Hammett方程是研究苯衍生物的對位和間位取代基與反應(yīng)速率或平衡常數(shù)之間關(guān)系的.稱為Hammett常數(shù)；r稱為反應(yīng)常數(shù)。表示芳環(huán)上取代基極性性質(zhì)最常用的參數(shù)。Hammett在水中于25℃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)。KX

各種取代苯甲酸的解離常數(shù)。lgKX／lgKH＝s

當(dāng)苯環(huán)上具有吸電子基團(tuán)時，使羧基的解離度增大，則σ為正值；當(dāng)苯環(huán)上具有給電子基團(tuán)時，使羧基的解離度減小，則σ為負(fù)值。對位和間位取代苯甲酸的Hammett常數(shù)不同。鄰位取代苯甲酸的lgKX／lgKH與s不成直線。原應(yīng)是鄰位取代基與COOH之間的空間效應(yīng)干擾了COOH與苯環(huán)的電子效應(yīng)（共軛效應(yīng)）。

Para

vsMeta

Subsituents:ResonanceandInductiveEffects

由苯甲酸和各種取代苯甲酸的解離常數(shù)所得的

Hammettconstants

sHammett還將水中于25℃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s值作圖，直線的斜率發(fā)生了變化。他認(rèn)為直線的斜率與反應(yīng)的性質(zhì)有關(guān)，因此，將直線的斜率r稱為反應(yīng)系數(shù)。lg(Kx／KH)=rs

r＝＋0.489Hammett還將水中于25℃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s值作圖，也符合直線關(guān)系。直線的斜率r也不同。

r＝＋0.212lg(Kx／KH)=rsHammett還比較了其它化合物的電離常數(shù)與s之間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)都具有良好的直線關(guān)系。直線的斜率r也各不相同。如：1.苯酚和各種取代苯酚的電離。

r＝＋2.1132.肉桂酸和各種取代肉桂酸的電離。

r＝＋0.4663.苯銨離子和各種取代苯銨離子的電離。

r＝＋2.767比較上述不同化合物電離的反應(yīng)系數(shù)r

可以看出，反應(yīng)系數(shù)r代表著反應(yīng)中心的電荷對各種取代基變化的敏感程度。r值越大，表明反應(yīng)中心的電荷對各種取代基變化的敏感程度越大。

r＝＋0.212r＝＋0.489

r＝＋1.00Hammett還比較了各種苯衍生物和各種取代苯衍生物的α碳上化學(xué)反應(yīng)的平衡常數(shù)K與s之間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)也具有良好的直線關(guān)系。直線的斜率r也各不相同。如：1.苯甲酸乙酯和各種取代苯甲酸乙酯的酸催化水解反應(yīng)。。lg(Kx／KH)=rs

r＝＋0.1442.苯甲酸乙酯和各種取代苯甲酸乙酯的皂化反應(yīng)。3.苯甲醛和各種取代苯甲醛與KCN的反應(yīng)。

r＝＋2.460

r＝＋1.4924.氯化芐和各種取代氯化芐的水解反應(yīng)。5.三苯甲基氯和各種取代氯化芐的電離。

r＝－1.688

r＝+3.9746.消去反應(yīng)的相對速率常數(shù)如下：取代基：m-Cl

m-Fp-Cl

m-MeOHm-Mep-MeO相對速率kX/kH

2.232.211.771.381.000.770.60

以lg

kX/kH

對s值作圖。求得直線斜率即為反應(yīng)常數(shù)。

r＝1.00反應(yīng)系數(shù)r代表著反應(yīng)中心的電荷對各種取代基改變的敏感程度。r值越大，表明反應(yīng)中心的電荷對各種取代基變化的敏感程度越大。Hammett常數(shù)s-取代基常數(shù)。s表示芳環(huán)上取代基改變苯環(huán)側(cè)鏈反應(yīng)中心的電子云密度之能力的尺度。s為正值表示吸電子效應(yīng)；絕對值越大，影響也大。s為負(fù)值表示給電子效應(yīng)；絕對值越大，影響也大ρ為正值的反應(yīng)是被苯環(huán)上吸電子取代基（m-或p-）所促進(jìn)的反應(yīng)，ρ為負(fù)值的反應(yīng)是被苯環(huán)上推電子基（m-或p-）所促進(jìn)的反應(yīng)．ρ值的大小取決于以下幾個因素．①ρ值與反應(yīng)條件有關(guān)．例如，苯甲酸在水中的電離，其反應(yīng)常數(shù)ρ值與在乙醇中的不同，顯然是由于溶劑極性的影響．②ρ值與取代基電子效應(yīng)傳遞的途徑有關(guān)．例如，苯甲酸、苯乙酸、苯丙酸、肉桂酸電離的不同ρ值數(shù)據(jù)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ρ值變小，但取代基的電子效應(yīng)較易通過雙鍵傳遞到羧基．③ρ值與反應(yīng)中心對取代基電子效應(yīng)的敏感性有關(guān)．例如，苯酚和苯胺離子的電離反應(yīng)的ρ值都較大，這是由于它們的反應(yīng)中心對于取代基電子效應(yīng)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．例如p-硝基增強(qiáng)苯酚的酸性36倍,由于directconjugation;而p-硝基只增強(qiáng)苯甲酸的酸性6倍,因?yàn)槭墙徊婀曹?從以上討論可見，ρ值是反應(yīng)對于取代基對于反應(yīng)產(chǎn)生影響的敏感性尺度．ρ可以用下列經(jīng)驗(yàn)公式表示式中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(yīng)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(yīng)對于反應(yīng)中心電子云密度的敏感性參數(shù)．哈米特(Hammett)方程之所以用途如此廣泛，是由于它反映了取代基的極性效應(yīng)對由反應(yīng)物到產(chǎn)物自由能變化的線性關(guān)系。平衡常數(shù)與自由能有如下關(guān)系：自由能的變化取代基的極性效應(yīng)s呈線性關(guān)系1.Hammett發(fā)現(xiàn)在苯酚、苯胺類化合物的反應(yīng)性質(zhì)中，應(yīng)用σ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(guān)系。這是由于對位取代基與反應(yīng)中心發(fā)生了通路共軛（直接共軛）(Throughresonance)的關(guān)系。OH基的酸性較強(qiáng)，NO2若采用s值則所得數(shù)值偏低，必須采用較s高的數(shù)值才能得到較好的相關(guān)。這種增大了的σ值稱為sy。2.1.2芳香族親電取代的Hammett方程間位取代基對反應(yīng)中心的電性影響主要為誘導(dǎo)效應(yīng)（包括場效應(yīng)），而對位取代基的影響為誘導(dǎo)效應(yīng)與共軛效應(yīng)之和。sy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。2.

當(dāng)反應(yīng)中心的正電荷受給電子基團(tuán)（特別是帶孤電子對的基團(tuán)）的影響發(fā)生離域化作用時，σ必須用s⊕代替才能得到更好的相關(guān)關(guān)系。s⊕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。當(dāng)取代基為給電子基團(tuán)時sp⊕>sp，當(dāng)為吸電子基團(tuán)時sp⊕=sp

。如用單取代的苯進(jìn)行溴化反應(yīng),得到如下的分速率因子(kf):取代基：p-Mep-But

m-Mem-ButHp-Cl

p-Brkf

58.938.92.512.571.000.220.15指出適合用Hammett方程s⊕值的kf，確定反應(yīng)的r值,預(yù)測p-F的kf值。以lg

f

對s⊕值作圖。求得直線斜率即為反應(yīng)常數(shù)。r＝-5.95由p-F的s⊕值，從直線上可求出其kf＝2.53。在醇脫水的反應(yīng)研究中測定了下列化合物的速率常數(shù)，當(dāng)個苯環(huán)上過的取代基X和Y同時改變時，發(fā)現(xiàn)只要用一個和Hammett方程有關(guān)的方程就和將這些結(jié)果關(guān)聯(lián)起來：

拭解釋這個方程中x＋和y的意義。系數(shù)0.23的作用是什么？2.2塔夫脫(Taft)方程

Taft方程是研究脂肪族體系的取代基與反應(yīng)速率或平衡常數(shù)之間關(guān)系的.＊為極性取代基常數(shù)，只涉及誘導(dǎo)效應(yīng)；r＊

稱為反應(yīng)常數(shù)。k表示α位上取代基的乙酸乙酯的水解速率常數(shù)或平衡常數(shù)；k0為乙酸乙酯的水解速率常數(shù)或平衡常數(shù)。Taft采用乙酸乙酯與取代乙酸乙酯在酸性（A）和堿性（B）催化下水解速度比值的對數(shù)之差所求得的參數(shù)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電性效應(yīng)和位阻效應(yīng)（空間效應(yīng)）兩方面，而酸水解時，取代基對速率的影響只有位阻效應(yīng)，因而兩者之差表達(dá)了電性效應(yīng)。

它們的過渡態(tài)幾乎相同．只差兩個質(zhì)子式中σ*稱為極性取代基常數(shù)，即對取代基電子效應(yīng)的定量描述尺度；ρ*為反應(yīng)對于電子效應(yīng)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(yīng)的大小；S為反應(yīng)對于空間效應(yīng)的敏感性常數(shù)．對于酯的堿催化與酸催化水解反應(yīng)，可以分別寫出認(rèn)為電子效應(yīng)和空間效應(yīng)分別單獨(dú)起作用,所以可以寫成兩項:兩式相減得因?yàn)榧俣▋蓚€反應(yīng)中的空間效應(yīng)是相同的，因此SB－SA=0;酸催化水解對于取代基的電子效應(yīng)不敏感，則可設(shè)ρ*A=0;令ρ*B=2.48（因?yàn)橛绵徫蝗〈郊姿狨サ乃夥磻?yīng)作為模型反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)用酸催化且取代基為對位或間位時，ρ值范圍在－0.2～十0.5之間；當(dāng)反應(yīng)用堿催化時，則ρ值為十2.2～十2.8）．引入2.48這個常數(shù)，是為了使求得的σ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

(極性效應(yīng))(極性+空間)(空間)這就是Taft方程.取代基

s*取代基

s*取代基

s*

Cl3C－2.65H0.49

CH3-0.00

Cl2HC－1.94ClH2CCH20.38CH3CH2-0.10

CH3CO-1.65PhCH2=CH0.41C6H11-

-0.15

ClH2C－2.72CH2=CH-0.36

i-Pro－-0.19

Ph－1.05PhCH20.22

t-Bu--0.30Taft極性取代基常數(shù)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(biāo)準(zhǔn)化合物的從上表可見甲基的σ*為0.00,這實(shí)際上是指脂肪族的;凡取代基的推電子能力大于甲基者,其σ*都為負(fù)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.例如這樣得到的取代基常數(shù)是否真實(shí)反映了取代基的電子效應(yīng)?這可以驗(yàn)證的;例如用這些σ*值可以算出反應(yīng)的速率常數(shù)或平衡常數(shù)，再與實(shí)測速率常數(shù)或平衡常數(shù)相比較，發(fā)現(xiàn)有某些反應(yīng)是服從這種哈米特類型方程式的．也可以計算出ρ*(從上式或作圖都可以)表中包括的反應(yīng)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?yàn)?，?dāng)取代基過于接近反應(yīng)中心時，空間效應(yīng)在大大增加．所以，從塔夫脫方程來定量地預(yù)測脂肪族反應(yīng)的速率常數(shù)或平衡常數(shù)，仍有局限性．在求得了σ*和ρ*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(yīng)對電子效應(yīng)很不敏感，ρ*值相對就非常小，因此在脂肪族化合物的反應(yīng)中測定ES時，可以把假定為零，則從(2．20)式可得令式中的SA=1,可求出ES值.同樣,從

,因?yàn)棣袯*=2.48;SB=1,所以可得出ES是取代基空間效應(yīng)的定量標(biāo)度(一般以-CH3基作為比較標(biāo)準(zhǔn))．從表中可以看出,σ*

的次序與Es完全不同,它們之間沒有什么關(guān)系,說明可定量地把它們分開;脂系的σ*

實(shí)際上是取代基誘導(dǎo)效應(yīng)的標(biāo)度.脂肪族化合物的極性取代基常數(shù)σ*實(shí)際上是取代基的誘導(dǎo)效應(yīng)的標(biāo)度．由于哈米特σ值是取代基的誘導(dǎo)效應(yīng)和共軛效應(yīng)總和的標(biāo)度，因此就有可能從σ與σ*值的比較來區(qū)分某取代基的電子效應(yīng)中誘導(dǎo)效應(yīng)與共軛效應(yīng)的貢獻(xiàn)各有多大．但是在計算取代基的σ值和σ*值時，選擇的標(biāo)準(zhǔn)化合物是不同的，所以不能簡單地將σ與σ*進(jìn)行直接比較，而必須采用另一種取代基常數(shù)σ’．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)(25oC)計算了σ’值．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(yīng)純粹是誘導(dǎo)效應(yīng)，σ’中不可能包括共軛效應(yīng)．而其傳遞途徑又與苯衍生物中取代基電子效應(yīng)的傳遞途徑大致相同，所以將σ’與σ直接進(jìn)行比較，就可以把誘導(dǎo)效應(yīng)與共軛效應(yīng)區(qū)分開來．然而，已知的取代基σ’值并不多，不易被應(yīng)用．2.3蔣明謙誘導(dǎo)效應(yīng)指數(shù)方程

蔣明謙誘導(dǎo)效應(yīng)指數(shù)方程是用來計算脂肪族非共軛體系中取代基誘導(dǎo)效應(yīng)大小簡便方法。它是一種按照分子結(jié)構(gòu)，并考慮成鍵原子電負(fù)性x和共價鍵長r（原子半徑之和）的一種經(jīng)驗(yàn)公式。

I＝i0+iI表示A-B鍵整個的極性強(qiáng)度。I0表示分子中B原子本身對

A－B鍵極性的貢獻(xiàn)。i表示分子中B原子上所帶基團(tuán)對

A－B鍵極性的貢獻(xiàn)。

分子中共價鍵的極性：XB為B原子的電負(fù)性，XC為C原子的電負(fù)性。r為鍵長。蔣明謙以H原子作為標(biāo)準(zhǔn)，采用α＝2.7，

以及Pauling電負(fù)性x值和原子共價半徑r值，計算一系列無機(jī)和有機(jī)基團(tuán)誘導(dǎo)效應(yīng)指數(shù)I?；鶊F(tuán)IX102基團(tuán)IX102F33.14CH3-0.90

Cl13.68NR26.38Br9.92N+R366.64I5.33NO258.34OR13.38C=O52.08

蔣明謙誘導(dǎo)效應(yīng)指數(shù)方程的應(yīng)用1.R-CN,R-Cl,R-Br,R-I等同系物的偶極矩與I呈線性關(guān)系：

μ＝aI+b2.在一定結(jié)構(gòu)中。共價鍵鍵能E與I呈線性關(guān)系：

E＝aI+b3.在

R-X