《物理有机化学（浙江大学2010年）第2章、结构与活性》由会员分享，可在线阅读，更多相关《物理有机化学（浙江大学2010年）第2章、结构与活性（63页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第2章,结构与化学活性间的关系,有机化学中分子结构与化学活性间的关系是一个带有根本性的理论问题取代基对分子化学活性的影响总的来说是两种形式：电子效应和空间效应。从20世纪20年代开始，人们将物理学中的电子理论引入到有机化学中，认识到分子中取代基的电子效应可以分成两种形式：诱导效应（场效应）和共轭效应这些效应的强弱，表明了某个取代基的吸电子或推电子能力的大小这种定性的电子效应理论在有机化学中早已得到广泛的应用然而，人们需要进一步建立分子结构与化学活性间的定量关系自从化学动力学用于研究有机化学反应以来，许多人尝试建立反应速率常数与反应物结构之间的关系哈米特方程式就是这方面的第一个成功的例子,1、哈
2、米特方程式,A series of changes in reaction conditions (e.g.，changing the electronegativity of substituents on the substrate or the ionizing ability of the solvent) will，of course，almost always cause a series of changes in the rate of a chemical reaction or the position of a chemical equilibrium If the sa
3、me series of changes in conditions affects the rate or equilibrium of a second reaction in exactly the same way as it affected the first except attenuated by an amount that depends on the second substrate，there exists a linear free-energy relationship between the two sets of effects. Where such rela
4、tionships exist they can be very useful in helping to elucidate mechanism，in predicting reaction rates and extent of reaction at equilibrium，and in discovering under what condition a change in mechanism occurs,1、取代基常数和反应常数的确定 哈米特于1937年认识到，取代基的电子效应，可能可以通过苯甲酸的电离常数与对位-和间位-取代苯甲酸衍生物的电离常数的比较来评估。,为了定量地比较各种
5、不同的取代基，Hammett 测定了25 C时苯甲酸和各种取代苯甲酸在水溶液中的电离常数. 然后他定义了两个参数：meta and para, which are defined in the following Equation:,上式也可以更合理地写成:,其中 就是取代基常数. 而 是比例常数. 在上式中 =1, 所以这个也可以不写. 从上式可以看出, 以 lgk / k0 对作图, 应得一直线,式中K0是苯甲酸的电离常数，K是取代苯甲酸的电离常数；,Hammett然后又研究了许多相似的羧酸的电离常数，以确定在苯甲酸中得到的取代基常数在其他酸中是否适用，而他发现多数情况下是适用的。例如，他
6、研究了苯乙酸的取代基效应。测定了苯乙酸和取代苯乙酸的电离常数 (K0)， (KX).,当他用苯乙酸的 log10KX/K0 值对从苯甲酸中得到的值作图时也得到一条直线，只不过斜率小于1. This diminution of the effect of the substituents relative to the effect in benzoic acid is due to the greater separation between the substituent and the acid group. The data, then, could be summarized by f
7、ollowing equation,其中 1. 这样从两个系列的酸可以得到相同数值的一个, 只是值不同. So we can get: For benzoic acid:,For phenyl acetic acid,Because:,所以上式对大多数芳香族化合物其他平衡体系也适用. 相应地有,So:,以 lgk/k0 对作图, 应得一直线, 为斜率; 不同的反应, 值不同(是不变的),从以上讨论可见，取代基常数是“取代基改变苯环侧链反应中心电子云密度的能力的尺度”，即值反映了各种取代基在m-或p-位的电子效应对于苯环侧链反应中心的影响在得到了一整套的各种取代基的值以后，就可计算出其他相似反应
8、类型的反应常数，只要将该反应系列的lgK/K0与对应的值作图，所得的最佳直线的斜率就是该反应的反应常数 为正值的反应是被苯环上吸电子取代基（m-或p-）所促进的反应，为负值的反应是被苯环上推电子基（m-或p-）所促进的反应值的大小取决于以下几个因素 值与反应条件有关例如，苯甲酸在水中的电离，其反应常数值与在乙醇中的不同，显然是由于溶剂极性的影响 值与取代基电子效应传递的途径有关例如，苯甲酸、苯乙酸、苯丙酸、肉桂酸电离的不同值数据说明，羧基与取代基之间的距离增加时，减少了取代基对酸性的影响，即值变小，但取代基的电子效应较易通过双键传递到羧基,值与反应中心对取代基电子效应的敏感性有关例如，苯酚和苯
9、胺离子的电离反应的值都较大，这是由于它们的反应中心对于取代基电子效应的敏感性较大，即苯环上的羟基或氨基都可以通过苯环与一些p-取代基发生直接共轭例如p-硝基增强苯酚的酸性36倍, 由于direct conjugation; 而p-硝基只增强苯甲酸的酸性6倍, 因为是交叉共轭.,从以上讨论可见，值是反应对于取代基对于反应产生影响的敏感性尺度 可以用下列经验公式表示,式中R为气体常数，T为绝对温度，D为溶剂的介电常数，d为取代基与反应中心之间的距离，B1为取决于苯衍生物与溶剂的静电作用力的参数，B2为反应对于反应中心电子云密度的敏感性参数,哈米特方程式也可适用于多取代（m-或p-）的苯衍生物，即有
10、下列关系式,对于如(C6H5)2CHY的多环化合物, 假如各环上取代基相同, 就有关系式,如果各环上取代基不同, 则有,这些关系式都说明了取代基电子效应具有加和性.,2、线性自由能关系 哈米特方程式为什么能成立？为什么此关系只适合于间位或对位取代苯衍生物，而不适合于邻位取代苯衍生物或脂肪族化合物？这是因为哈米特方程式是线性自由能关系的特例取代基效应可看做未取代体系在能量上的微扰，如果微扰不大，则由取代基引起的在反应部位上电子云密度的改变与反应能量的改变之间应有线性关系例如，当1和2两个反应各有自由能改变 和 ，如果在它们的反应物中分别加入同一取代基，而且此取代基只影响反应中心的电子云密度，即只
11、改变反应的位能而不影响其熵的改变，这样，它将使这两个反应的自由能改变为 及 ，不论何种基团都可获得如下的关系：,此即线性自由能关系式中为常数，与取代基种类无关，即不论什么基团，在所规定的条件下，它使两个反应的自由能改变之间都存在一定比例关系 由于,设反应1在取代基引入前与引入后的平衡常数分别为K1和K1，反应2在取代基引入前、后的平衡常数分别为K2和K2，代入线性自由能关系式得,令,代入上式得,式中 为常数, 令此常数为 ,则得,以代替1, K0代替K1, K代替K1, 则得,线性自由能关系一般只适用于熵改变很小的情况根据焓的改变（ ）主要与取代基的电子效应有关，而熵的改变(S0)与分子中原子
12、(团)的运动自由度有关，即与空间效应有关因此，只有当空间因素在反应中不起什么影响或影响很小时，哈米特方程式才能适用在m-或p-取代的苯衍生物中，取代基与反应中心的距离较远，不发生空间效应，只有纯粹的电子效应，所以服从线性自由能关系可是，在邻位取代的苯衍生物中，由于取代基离反应中心很近，空间效应的影响大大增加，就不服从线性自由能关系，使哈米特方程式不能适用至于脂肪族化合物，虽然其中有些化合物的取代基与反应中心也离得较远，但由于碳链的弯扭产生了基团间的某些空间作用，因而导致了哈米特方程式也不适用由此可见，哈米特方程式的应用范围有一定限度然而，将哈米特方程式作适当的修改，或另外选择适当的化合物作为比
13、较标准，那么就可把这种类似的关系式推广应用到其他反应体系,3、 Direct Conjugation(resonance) interaction between substituent group and reaction center 虽然大多数的m-和p-位取代苯衍生物的反应遵循Hammett方程式，但如果在反应物或反应的过渡态中取代基和反应中心之间存在着贯穿共轭作用，则对于这些苯取代衍生物来说，哈米特关糸将偏离直线例如，p-NO2对于苯酚类在水中(25C)电离常数的影响要比它对苯甲酸类的影响大得多；对于苯胺类离子也有类似的情况，这是因为强的吸电子共轭效应稳定了共轭碱，使它们的酸性大大增
14、强,因此，当苯环与反应中心未共用电子对的原子直接相连时，对于具有强吸电子共轭效应的p-取代基，需要采用增强的值(即)，才能有线性关系, 取代苯酚和苯胺就是这种情况.,确定的标准反应是苯酚类的电离,另一种情况正好相反, 就是反应中心是缺电子的, 而取代基有给电子的直接共轭作用, 这种情况下Hammett的 值也必须作校正, 方向正好与上面的相反,p-取代基的+值一般比值更小，这是由于在反应的过渡态中从推电子的取代基到反应中心发生了更大程度的电子云转移 确定的标准反应是solvolysis in 90% acetone of cumyl chloride at 25 C.,不包含贯穿共轭作用的取代
15、基常数 在讨论了取代基与反应中心之间的贯穿共轭作用所产生的复杂性之后，应该说，在某些苯甲酸的衍生物中也可能存在着这种贯穿共轭作用，如p-氨基苯甲酸,氨基与羧基的贯穿共轭作用必然影响该酸的电离常数因此，对于某些取代基的值来说，事实上也包含了不同程度的贯穿共轭作用为了试图从值中消除贯穿共轭作用，Van Bekkum等采用了这样一个方法：只用那些不包含贯穿共轭作用的取代基的值(如m-CH3、m-F、m-Cl、m-Br、m-I、m-CH3COO和m-NO2等)对八十多个反应系列作哈米特图，在此基础上，建立了一套n值(正常的取代基常数),塔夫脱研究了四种没有贯穿共轭作用的反应：苯乙酸和苯丙酸的电离、苯乙
16、酸乙酯和乙酸苄酯的皂化这些反应的反应部位与芳环是隔开的，以至只有很小且恒定的共轭效应，从而可提出一套0标度。0值和n值列于下表,2、 Taft方程式 在邻位取代苯衍生物和脂肪族化合物中，除了电子效应以外还有空间效应，因此不服从哈米特方程式如果能设法除去空间效应的影响，应该也能计算脂肪族化合物和邻位取代苯衍生物中取代基的电子效应 Taft做了这方面的工作.,Ingold曾提出：由于酯的酸催化与碱催化水解反应中的空间效应大致相同，而酸催化反应的速率主要取决于空间效应(酸催化反应中电子效应不起作用)，碱催化反应的速率却与空间效应与电子效应都有关因此，比较碱催化与酸催化反应速率常数，就能知道取代基纯粹电子效应的大小，即kB/kA应是取代基电子效应的函数塔夫脱进一步指出，在酯的酸催化与碱催化水解反应中，它们的过渡态几乎相同只差两个质子,
