第03章结构与化学活性及反应机理研究方法(20150426)

1、第三章第三章结构与化学活性结构与化学活性及反应机理研究方法及反应机理研究方法 分子结构与化学活性之间存分子结构与化学活性之间存在着对应关系，结构不同、取代基在着对应关系，结构不同、取代基不同，分子的性质不同，化学反应不同，分子的性质不同，化学反应也不尽相同。也不尽相同。 除了进行定性描述外，某些结除了进行定性描述外，某些结构与性质的关系也可以在定量的基构与性质的关系也可以在定量的基础上进行描述，其中础上进行描述，其中Hammett方程方程是一个典型的成功范例。是一个典型的成功范例。3.1 Hammett方程方程一一. Hammett方程的建立：方程的建立： 20世纪世纪30年代，年代，Hamm

2、ett考察了一系列考察了一系列羧酸酯的碱性水解速度常数羧酸酯的碱性水解速度常数k与相应羧酸在与相应羧酸在水中的离解常数水中的离解常数Ka的关系。例如：的关系。例如：RCOOC2H5-OHRCOO-C2H5OHk+RCOO-H2OKaH3O+RCOOH 以以lgk为纵坐标、为纵坐标、lgKa为横坐标作图，发现为横坐标作图，发现间位和对位的苯甲酸衍生物有良好的线性间位和对位的苯甲酸衍生物有良好的线性关系，如图（关系，如图（a）所示。）所示。图图a 取代苯甲酸乙酯碱性水解速度常数取代苯甲酸乙酯碱性水解速度常数与相应羧酸电离常数的关系与相应羧酸电离常数的关系 但邻位取代苯甲酸衍生物和脂肪族羧酸衍生但邻

3、位取代苯甲酸衍生物和脂肪族羧酸衍生物的线性关系却不成立，如图（物的线性关系却不成立，如图（b）所示。）所示。图图b 羧酸乙酯碱性水解速度常数羧酸乙酯碱性水解速度常数与相应羧酸电离常数的关系与相应羧酸电离常数的关系 产生偏离的原因是多方面的。产生偏离的原因是多方面的。 为了简化问题，首先排除空间效应为了简化问题，首先排除空间效应的影响。的影响。 因此，选择间位或对位的苯甲酸衍因此，选择间位或对位的苯甲酸衍生物进行研究，这时取代基对反应中生物进行研究，这时取代基对反应中心的影响属于电性效应。心的影响属于电性效应。 对间位和对位苯甲酸衍生物的实验数据对间位和对位苯甲酸衍生物的实验数据进行数学处理，设

4、：进行数学处理，设： 取代苯甲酸乙酯碱性水解速度常数为取代苯甲酸乙酯碱性水解速度常数为kx， 苯甲酸乙酯碱性水解速度常数为苯甲酸乙酯碱性水解速度常数为k0 相应取代苯甲酸在水中的电离常数相应取代苯甲酸在水中的电离常数KX， 苯甲酸在水中的电离常数苯甲酸在水中的电离常数K0， 以以lg(KX/K0) 为横坐标，为横坐标，lg(kx/k0) 为纵坐标为纵坐标作图，得到一条通过零点的、斜率为作图，得到一条通过零点的、斜率为2.5的的直线直线,如图（如图（c）所示。）所示。图图c 取代苯甲酸的电离与其乙酯水解的关系取代苯甲酸的电离与其乙酯水解的关系 此直线可表示为：此直线可表示为： lg(kX/k0)

5、 = lg(KX/K0) = 此即为此即为Hammett方程。方程。 式中式中为直线的斜率，称为反应速度常数；为直线的斜率，称为反应速度常数；取决于反应的类型及所使用的条件。取决于反应的类型及所使用的条件。 = lg(KX/K0) 称为取代基常数；称为取代基常数； 取决于取代基的种类和在苯环上的位置。取决于取代基的种类和在苯环上的位置。 Hammett 指定间位和对位取代的苯甲酸指定间位和对位取代的苯甲酸在水中在水中25的电离作为标准参考反应，的电离作为标准参考反应，并且人为规定取代苯甲酸电离的反应常并且人为规定取代苯甲酸电离的反应常数数 = 1.00，然后测定取代苯甲酸的电离，然后测定取代苯

6、甲酸的电离常数，即可确定一系列取代基的取代基常数，即可确定一系列取代基的取代基常数常数： = lg(KX/K0) = lgKX lgK0 = pK0 pKX 即即 取代基常数取代基常数是苯甲酸和取代苯甲酸的是苯甲酸和取代苯甲酸的pKa 之差。之差。 取代基常数取代基常数值反映指定取代基的特性，它值反映指定取代基的特性，它不依赖于反应常数不依赖于反应常数，即与反应类型无关。，即与反应类型无关。因此，可以用已知因此，可以用已知值来求得其他反应系列值来求得其他反应系列的反应常数的反应常数。通常用图解法进行。通常用图解法进行。 例如：通过实验测定未取代苯衍生物的反例如：通过实验测定未取代苯衍生物的反应

7、速度常数应速度常数k0以及至少三个以上不同取代的以及至少三个以上不同取代的苯衍生物的反应速度常数苯衍生物的反应速度常数kX，再根据相对应，再根据相对应的的值作图，即可得到一条直线，该直线的值作图，即可得到一条直线，该直线的斜率即是这类反应的反应常数斜率即是这类反应的反应常数。 对于反应平衡常数对于反应平衡常数K的的值也可以类似值也可以类似方法求出。方法求出。 现在已知有现在已知有100多种不同的取代基，多种不同的取代基，400多种不同的反应可以应用多种不同的反应可以应用Hammett方程。方程。二二. 和和的意义的意义 1. 取代基常数取代基常数： 又称取代基特性常数或取代基极性常数。又称取代

8、基特性常数或取代基极性常数。表示取代基电性效应的大小。即相对于氢表示取代基电性效应的大小。即相对于氢原子而言，取代基接受电子或供给电子能原子而言，取代基接受电子或供给电子能力的大小。力的大小。 由：由：= lg(KX/K0) = lgKX lgK0 = pK0 pKX 可知：可知： 0 时，时，Kx K0 ,即该取代基使苯环电子云即该取代基使苯环电子云密度降低，酸性增强，表现为密度降低，酸性增强，表现为吸电子基吸电子基。 0 时，时，Kx 0 时，由时，由lg(kX/k0) =知：只有取代基常知：只有取代基常数数 0 , 才为正值，才为正值，kXk0。即吸电子取代。即吸电子取代基使反应加速；基

9、使反应加速；值越大，反应速度越快。值越大，反应速度越快。若取代基常数若取代基常数 0 , 亦为负值，亦为负值，kXk0 ，即给电子取代基使反应减速。即给电子取代基使反应减速。 为正值时，通常表现为反应物的反应为正值时，通常表现为反应物的反应中心，在速度决定步骤的过渡态或中中心，在速度决定步骤的过渡态或中间体比起始状态有更多的负电荷（或间体比起始状态有更多的负电荷（或正电荷有所减少）。正电荷有所减少）。 例如：例如： 苯甲酸的电离；苯甲酸酯的碱性水解；苯甲酸的电离；苯甲酸酯的碱性水解； 苯甲醛与氢氧根、氰根的加成等等。苯甲醛与氢氧根、氰根的加成等等。 当当 0 时，由时，由lg(kX/k0) =

10、知：只有取代基知：只有取代基常数常数k0。即给电子。即给电子取代基使反应加速；取代基使反应加速；值越小，反应速度值越小，反应速度越快。若取代基常数越快。若取代基常数 0 , 即为负值，即为负值，kX 95 % 90 % 10 % 由于反应速率大而使某一产物占优势的反由于反应速率大而使某一产物占优势的反应称为动力学控制反应。应称为动力学控制反应。 由于反应产物热力学稳定性高而使某一产由于反应产物热力学稳定性高而使某一产物占优势的反应称为热力学控制反应。物占优势的反应称为热力学控制反应。二二. 对反应机理的研究对反应机理的研究1. 动力学方法：动力学方法： 反应机理研究中，动力学研究最为重要，反应

11、机理研究中，动力学研究最为重要，可以提供反应的本质和过程等丰富资料。可以提供反应的本质和过程等丰富资料。而且还有助于测定产物的产率、分子的反而且还有助于测定产物的产率、分子的反应活性以及判断在特定条件下反应能否进应活性以及判断在特定条件下反应能否进行。行。 a. 反应级数与反应分子数：反应级数与反应分子数： 在大多数情况下，在单步（协同）反在大多数情况下，在单步（协同）反应中的动力学级数与其分子数一致，在多应中的动力学级数与其分子数一致，在多步反应中，动力学级数与速度决定步骤的步反应中，动力学级数与速度决定步骤的分子数一致。分子数一致。 例外情况：例外情况： 假一级反应假一级反应； 连串反应连

12、串反应与平行反应等等；与平行反应等等； b. 速率方程式与反应机理：速率方程式与反应机理： 通常先提出最可能的几种机理，推导出相通常先提出最可能的几种机理，推导出相应速率方程式，再与实验结果比较。若不应速率方程式，再与实验结果比较。若不吻合，则对机理提出修改。吻合，则对机理提出修改。例：例： a. 联苯胺重排；联苯胺重排； 动力学研究证明，是动力学研究证明，是3级反应，级反应， 与与H+2成正比。成正比。 b. 芳胺亚硝化芳胺亚硝化 动力学研究证明，是动力学研究证明，是3级反应，级反应， 与与HNO22成正比，原因成正比，原因是生成是生成N2O3。 c. 动力学同位素效应：动力学同位素效应：反

13、映速度决定步骤中化学键的断裂情况。反映速度决定步骤中化学键的断裂情况。 H/D 一级同位素效应（约一级同位素效应（约38倍）；倍）； 原因：原因：零点振动能零点振动能不同不同。2. 非动力学方法：非动力学方法：a. 产物分析：产物分析： 根据产物结构倒推中间过程，推测反应机理。根据产物结构倒推中间过程，推测反应机理。例：卡宾与烯烃生成环丙烷衍生物的立体选择性。例：卡宾与烯烃生成环丙烷衍生物的立体选择性。 对硝基苄氯在强碱条件下生成二苯乙烯衍生物。对硝基苄氯在强碱条件下生成二苯乙烯衍生物。 b. 中间产物的分离与鉴定：中间产物的分离与鉴定： 若能分离鉴定中间产物，则对确定反应机理若能分离鉴定中间

14、产物，则对确定反应机理大有帮助。大有帮助。例：例：a. Hofmann重排；重排； c. 活泼中间体的捕获与确认：活泼中间体的捕获与确认： 通常情况下，活泼中间体不能稳定存在，通常情况下，活泼中间体不能稳定存在，若能用适当方法捕获中间体，或采用波谱若能用适当方法捕获中间体，或采用波谱分析等物理化学手段对活泼中间体予以确分析等物理化学手段对活泼中间体予以确认，也有利于确定反应机理。认，也有利于确定反应机理。例：例：a. 苯炔的证明；苯炔的证明； b. Claisen对位重排；对位重排；COO-N2+OCH2CH=CH2CH3CH3OCH2CH=CH2CH3CH3OOOCH3OOOOCH2CH=C

15、H2CH3OOOOHCH3CH3CH2CH=CH2+d. 中间体的验证：中间体的验证： 若中间体可通过其他手段获得，则在相同若中间体可通过其他手段获得，则在相同或相似反应条件下，观察是否生成相同产或相似反应条件下，观察是否生成相同产物，也是一种确定反应机理的方法。物，也是一种确定反应机理的方法。例：例：von Richter 反应：反应：NO2R NaCNEtOH, COOHR 1954年，有人用年，有人用1-氰基萘在相同条件氰基萘在相同条件下反应，却没有得到下反应，却没有得到1-萘甲酸。萘甲酸。 1960年，年，Rosenblum 提出新的反应机提出新的反应机理进行解释。理进行解释。 e.

16、交叉反应实验：交叉反应实验： 交叉反应实验通常情况下可用来确认反应交叉反应实验通常情况下可用来确认反应是在分子内还是分子间发生。是在分子内还是分子间发生。例：例： Hofmann重排重排:（双标记）（双标记） 联苯胺重排；联苯胺重排；( (不同烷氧基标记不同烷氧基标记) ) f. 立体化学证据：立体化学证据： 根据反应物与产物光学活性的改变与否和根据反应物与产物光学活性的改变与否和立体化学选择性，也是通常情况下确认反立体化学选择性，也是通常情况下确认反应方向或化学键断裂位置的方法。应方向或化学键断裂位置的方法。例：例： SN2、SN1等等反应；等等反应； g. 同位素标记：同位素标记： 利用同位素进行反应跟踪或示踪，是研究利用同位素进行反应跟踪或示踪，是研究反应机理的重要方法。特别是放射性同位反应机理的重要方法。特别是放射性同位素示踪，灵敏度很高。素示踪，灵敏度很高。例：例： 苯炔；苯炔；Favorsky重排反应；重排反应；又如：又如：RCOONa BrCNRCNCO2+RCOONa BrCNRCNCO2+*第三章作业：第三章作业：1. 下列反应的反应常数下列反应的反应常数是正值是正值还是还是负值负值？ a. b. c. CH3I+XN(CH3)2XN(CH3