分子结构与化学反应活性间的定量关系

1、取代基效应：取代基效应：分子中的某个原子或原子团对整个分子或分子中其分子中的某个原子或原子团对整个分子或分子中其它部分产生的影响它部分产生的影响.取代基效应取代基效应电子效应电子效应场效应场效应空间效应空间效应诱导效应诱导效应共轭效应共轭效应超共轭效应超共轭效应（位阻效应）（位阻效应）(， )( ( -, p-) -, p-)(- ,- p)(- ,- p)空间传递空间传递物理的相互作用物理的相互作用 第二章第二章 分子结构与化学反应活性间的分子结构与化学反应活性间的定量关系定量关系内容提要哈米特方程式哈米特方程式TaftTaft方程式方程式诱导效应指数诱导效应指数 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对位和间位取代方程是研究苯衍生物的对位和间位取代基与反应速率或平衡常数之间关系的基与反应速率或平衡常数之间关系的. s称为称为Hammett常数；常数；r称为反应常数称为反应常数。s表示芳环上取代基极性性质最常用的参数。表示芳环上取代基极性性质最常用的参数。lgkXkH=lgKXKH=Hammett在水中于在水中于2525比较了苯甲酸和各种取比较了苯甲酸和各种取代苯甲酸的解离常数。它发现苯甲酸与对位和代苯甲酸的解

3、离常数。它发现苯甲酸与对位和间位取代苯甲酸的解离常数之比是个常数：间位取代苯甲酸的解离常数之比是个常数： KH 苯甲酸的解离常数苯甲酸的解离常数。 KX 各种取代苯甲酸的各种取代苯甲酸的解离常数解离常数。lg KXlg KHsCOOHXXCOOHCOOXXCOO+ H+ H+_当苯环上具有吸电子基团时，使羧基的解离度增当苯环上具有吸电子基团时，使羧基的解离度增大，则大，则为正值；为正值；当苯环上具有给电子基团时，使羧基的解离度减当苯环上具有给电子基团时，使羧基的解离度减小，则小，则为负值。为负值。对位和间位取代苯甲酸的对位和间位取代苯甲酸的Hammett常数不同常数不同。邻位取代苯甲酸的邻位取

4、代苯甲酸的lg KXlg KH 与与s不成直线。原不成直线。原应是邻位取代基与应是邻位取代基与COOH之间的空间效应干扰了之间的空间效应干扰了COOH与苯环的电子效应与苯环的电子效应（共轭效应）。（共轭效应）。Para vs Meta Subsituents: Resonance and Inductive Effects 由苯甲酸和各种取代苯甲酸的解离常数所得的由苯甲酸和各种取代苯甲酸的解离常数所得的 Hammett constants s sHammett还将还将水中于水中于2525苯乙酸和各种取代苯乙酸的苯乙酸和各种取代苯乙酸的解离常数与苯甲酸的解离所得的解离常数与苯甲酸的解离所得的s值

5、作图值作图，直线的斜，直线的斜率发生了变化。他认为直线的斜率与反应的性质有关，率发生了变化。他认为直线的斜率与反应的性质有关，因此，将直线的斜率因此，将直线的斜率r称为反应系数。称为反应系数。 lg (KxKH ) = rsCH2CO2HXXCH2CO2H+ H+ H+_CH2CO2XXCH2CO2H2O 25 0CH2O 25 0C r 0.4890.489Hammett还将还将水中于水中于2525苯丙酸和各种取代苯丙苯丙酸和各种取代苯丙酸的解离常数与从苯甲酸所得的酸的解离常数与从苯甲酸所得的s值值作图作图， 也符也符合直线关系。直线的斜率合直线关系。直线的斜率r也不同。也不同。CH2CH2

6、CO2HXXCH2CH2CO2H+ H+ H+_CH2CH2CO2XXCH2CH2CO2H2O 25 0CH2O 25 0C r 0.2120.212 lg (KxKH ) = rsHammett还比较了其它化合物的电离常数还比较了其它化合物的电离常数与与s之间之间的关系。的关系。发现都具有良好的直线关系。直线的斜发现都具有良好的直线关系。直线的斜率率r也各不相同。也各不相同。如：如：1. 苯酚和苯酚和各种取代各种取代苯酚苯酚的电离。的电离。OHXXOH+ H+ H+_OXXOH2O 25 0CH2O 25 0C r 2.1132.1132. 肉桂酸和肉桂酸和各种取代各种取代肉桂酸肉桂酸的电离

7、。的电离。CH=CHCO2HXXCH=CHCO2H+ H+ H+_CH=CHCO2XXCH=CHCO2H2O25 0CH2O25 0C r 0.4660.466NH3+XXNH3+ H+ H+NH3XXNH3H2O25 0CH2O25 0C3.苯铵离子和苯铵离子和各种取代各种取代苯铵离子苯铵离子的电离。的电离。 r 2.7672.767比较上述不同化合物电离的比较上述不同化合物电离的反应系数反应系数r 可以看出可以看出，反应系数反应系数r代表着反应中心的电荷对代表着反应中心的电荷对各种取代基变各种取代基变化的敏感程度。化的敏感程度。 r值越大，表明反应中心的电荷值越大，表明反应中心的电荷对对各

8、种取代基变化的各种取代基变化的敏感程度越大。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还比较了各种苯衍生物和各种取代苯衍还比较了各种苯衍生物和各种取代苯衍生物的生物的碳上化学反应的平衡常数碳上化学反应的平衡常数K与与s之间的关之间的关系。系。发现也具有良好的直线关系。直线的斜率发现也具有良好的直线关系。直线的斜率r也也各不相同。各不相同。如：如：1.苯甲酸乙酯和各种取代苯甲酸乙酯的

9、酸催化苯甲酸乙酯和各种取代苯甲酸乙酯的酸催化水解反应。水解反应。 lg (KxKH ) = rs r 0.1440.144CO2HXXCO2H+ H2O+ H2OCO2EtXXCO2EtH+100 0CH+100 0C+ EtOH+ EtOHEtOHEtOH2.苯甲酸乙酯和各种取代苯甲酸乙酯的皂化反应。苯甲酸乙酯和各种取代苯甲酸乙酯的皂化反应。3.苯甲醛和各种取代苯甲醛与苯甲醛和各种取代苯甲醛与KCN的反应。的反应。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.氯化苄和各种取代氯化苄的水解反应。氯化苄和各种取代氯化苄的水解反应。5. 三三苯甲基氯和各种取代氯化苄的电离。苯甲基氯和各种取代氯化苄的电离。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. 消去反应的相对速率常数如下：

11、消去反应的相对速率常数如下： 取代基：取代基：m-Cl m-F p-Cl m-MeO H m-Me p-MeO相对速率相对速率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 对对s值作图。值作图。求得直线斜率即为反应常数。求得直线斜率即为反应常数。 r 1.001.00反应系数反应系数r代表着反应中心的电荷对代表着反应中心的电荷对各种取代基改各种取代基改变的敏感程度。变的敏感程度。 r值越

12、大，表明反应中心的电荷值越大，表明反应中心的电荷对对各种取代基变化的各种取代基变化的敏感程度越大。敏感程度越大。 Hammett常数常数s- -取代基常数。取代基常数。s表示芳环上取代基改变苯环侧链反应中心的电子云表示芳环上取代基改变苯环侧链反应中心的电子云密度之能力的尺度。密度之能力的尺度。s为正值表示吸电子效应为正值表示吸电子效应；绝对值越大，影响也大。绝对值越大，影响也大。s为负值表示给电子效应为负值表示给电子效应；绝对值越大，影响也大绝对值越大，影响也大为正值的反应是被苯环上吸电子取代基（为正值的反应是被苯环上吸电子取代基（m-或或p-）所促进的反应，所促进的反应，为负值的反应是被苯环

13、上推电子基为负值的反应是被苯环上推电子基（m-或或p-）所促进的反应）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

14、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.NOONH2CNOOOOHONOOOOHH2O+ H3O+ 2.113XXNH2NH3H2O+ H3O+ 2.767XX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212/RTdBDB+r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哈米特(Hammett)方程之所以用途如此广泛，是方程之所以用

15、途如此广泛，是由于它反映了取代基的极性效应对由反应物到产由于它反映了取代基的极性效应对由反应物到产物自由能变化的线性关系。物自由能变化的线性关系。平衡常数与自由能有如下关系：平衡常数与自由能有如下关系：lgKXKH=lgKX=_GH2.303 RTlgKH=_GX2.303 RT_GHGX2.303 RT=自由能的变化自由能的变化取代基的极性效应取代基的极性效应s呈呈线性关系线性关系_GHGX1. Hammett发现在苯酚、苯胺类化合物的反应性质中，发现在苯酚、苯胺类化合物的反应性质中，应用应用常数常会出现较大偏离，只有取代基在间位时常数常会出现较大偏离，只有取代基在间位时可得到较好的关系。可

16、得到较好的关系。这是由于对位取代基与反应中心发生了通路共轭（直接共轭）这是由于对位取代基与反应中心发生了通路共轭（直接共轭）(Through resonance)的关系的关系。OH基的酸性较强基的酸性较强，NO2若采用若采用s s值则所得数值偏低，必须采用较值则所得数值偏低，必须采用较s s高的数值才能得到较好的相高的数值才能得到较好的相关。这种增大了的关。这种增大了的值称为值称为s syy。2.1.2 芳香族亲电取代的芳香族亲电取代的Hammett方程方程HONO2HONOO+_+间位取代基对反应中心的电性影响主要为诱导效应间位取代基对反应中心的电性影响主要为诱导效应（包括场效应），而对位取

17、代基的影响为诱导效应（包括场效应），而对位取代基的影响为诱导效应与共轭效应之和。与共轭效应之和。HONO2HONOO+_+H2NNO2H2NNOO+_+s syy由测定苯铵离子和对位各种取代的苯铵离子的由测定苯铵离子和对位各种取代的苯铵离子的酸度函数确定的。酸度函数确定的。+ H+25 0CH3NX+H2NXH2O2. 当反应中心的正电荷受给电子基团（特别是带孤电子当反应中心的正电荷受给电子基团（特别是带孤电子对的基团）的影响发生离域化作用时对的基团）的影响发生离域化作用时， 必须用必须用s s 代替代替才能得到更好的相关关系。才能得到更好的相关关系。s s 由氯代异丙苯及对位取代氯代异丙苯的

18、水解速由氯代异丙苯及对位取代氯代异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+当取代基为给电子基团时当取代基为给电子基团时s sp s sp，当为吸电子基团时当为吸电子基团时s sp =s sp 。如用单取代的苯进行溴化反应如用单取代的苯进行溴化反应, ,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指出适合用指出适合用H

19、ammett方程方程s s 值值的的kf，确定反应的，确定反应的r r值值, ,预测预测p-F的的kf值值。以以lg f 对对s s 值作图。求得直线斜率即为反应常数。值作图。求得直线斜率即为反应常数。r r -5.95-5.95由由p-F的的s s 值，从直线上可求出其值，从直线上可求出其 kf2.53。XBr+ Br2XBrX25 0C+在醇脱水的反应研究中测定了下列化合物的速率常数，当个在醇脱水的反应研究中测定了下列化合物的速率常数，当个苯环上过的取代基苯环上过的取代基X X和和Y Y同时改变时，发现只要用一个和同时改变时，发现只要用一个和HammettHammett方程有关的方程就和将

20、这些结果关联起来：方程有关的方程就和将这些结果关联起来： 拭解释这个方程中拭解释这个方程中x x 和和y y的意义。系数的意义。系数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 塔夫脱塔夫脱(Taft)方程方程Taft方程是研究方程是研究脂肪族体系脂肪族体系的取代基与反应速率的取代基与反应速率或平衡常数之间关系的或平衡常数之间关系的. s为为极性取代基极性取代基常数，只涉及诱导效应；常数，只涉及诱导效应；r 称为反应常数称为反应常数。k k表示表示位上取代基的乙酸乙酯的水解速率常数位上取代基的乙酸

21、乙酯的水解速率常数或平衡常数；或平衡常数；k k0 0 为乙酸乙酯的水解速率常数或平衡常数。为乙酸乙酯的水解速率常数或平衡常数。*lgkk 0=lgKK0=*Taft采用乙酸乙酯与取代乙酸乙酯在酸性（采用乙酸乙酯与取代乙酸乙酯在酸性（A A）和碱性（）和碱性（B B）催化下水解速度比值的对数之差所求得的参数催化下水解速度比值的对数之差所求得的参数s s*。s s*= lg( KX / KH )B - lg( KX / KH )A /2.48在碱性水解时，取代基对速率的影响有在碱性水解时，取代基对速率的影响有电性效应和位阻效电性效应和位阻效应（空间效应）应（空间效应）两方面，而酸水解时，两方面，

22、而酸水解时，取代基对速率的影取代基对速率的影响只有位阻效应响只有位阻效应，因而两者之差表达了电性效应。，因而两者之差表达了电性效应。 RCOOORH(II) RCOOOHRHH(I) 它们的过渡态几乎相同只差两个质子sSEKK+*0lgsr式中*称为极性取代基常数，即对取代基电子效应的定量描述尺度；*为反应对于电子效应的敏感性常数；同样，ES为空间取代基常数，即取代基的空间效应的大小；S为反应对于空间效应的敏感性常数对于酯的碱催化与酸催化水解反应，可以分别写出认为电子效应和空间效应分别单独起作用, 所以可以写成两项:两式相减得因为假定两个反应中的空间效应是相同的，因此SBSA=0; 酸催化水解

23、对于取代基的电子效应不敏感，则可设*A=0; 令*B= 2.48 （因为用邻位取代苯甲酸酯的水解反应作为模型反应，当反应用酸催化且取代基为对位或间位时，值范围在0.2十0.5之间；当反应用碱催化时，则值为十2.2十2.8）引入2.48这个常数，是为了使求得的值与哈密特值在同一数量级上以便于比较，这样，上式就可以简化为下式ABkkkk00*/lg/lg48. 21-s (极性效应) (极性+空间) (空间)这就是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极性取代基常数极性取代基常数s s*Taft的极性取代基常数适用于苯的邻位衍生物和脂肪族化合物; 对于脂肪族化合物, 是以乙酸酯为标准化合物的从上表可见甲基的*为0.00, 这实际上是指脂肪族的; 凡取代基的推电子能力大于甲基者, 其*都为负值(碱性水解被推电基减慢). 吸电子能力大于甲基者, 其值都为正值.例如*负值:

25、CH3 C2H5 i-C3H7 t-C4H9*正值: ClCH2 Cl2CH Cl3C这样得到的取代基常数是否真实反映了取代基的电子效应? 这可以验证的; 例如用这些*值可以算出反应的速率常数或平衡常数，再与实测速率常数或平衡常数相比较，发现有某些反应是服从这种哈米特类型方程式的*0lgsrkk也可以计算出* (从上式或作图都可以)表中包括的反应类型虽较广，但每一类型中只有少数例子才符合方程式，这是因为，当取代基过于接近反应中心时，空间效应在大大增加所以，从塔夫脱方程来定量地预测脂肪族反应的速率常数或平衡常数，仍有局限性在求得了*和*之后，就有可能算出空间取代基常数ES值由于酸催化的酯水解反应

26、对电子效应很不敏感，*值相对就非常小，因此在脂肪族化合物的反应中测定ES时，可以把 假定为零，则从(220)式可得*ArSAAESkk0/lg令式中的SA=1, 可求出ES值.同样, 从 ,因为B*=2.48; SB=1,所以SBBBESkk+*0/lgsrSAAAESkk+*0/lgsr可得出*048. 2/lgs+SBEkkES是取代基空间效应的定量标度(一般以-CH3基作为比较标准) 从表中可以看出, * 的次序与Es 完全不同, 它们之间没有什么关系, 说明可定量地把它们分开; 脂系的* 实际上是取代基诱导效应的标度.脂肪族化合物的极性取代基常数*实际上是取代基的诱导效应的标度由于哈米

27、特值是取代基的诱导效应和共轭效应总和的标度，因此就有可能从与*值的比较来区分某取代基的电子效应中诱导效应与共轭效应的贡献各有多大但是在计算取代基的值和*值时，选择的标准化合物是不同的，所以不能简单地将与*进行直接比较，而必须采用另一种取代基常数Robert和Moreland用4-取代双环2.2.2辛烷-1-羧酸类在50乙醇中的电离常数(25C)计算了值0lg464. 11KKs很明显，在这类脂环化合物中，取代基X对羧基的电子效应纯粹是诱导效应，中不可能包括共轭效应而其传递途径又与苯衍生物中取代基电子效应的传递途径大致相同，所以将与直接进行比较，就可以把诱导效应与共轭效应区分开来然而，已知的取代

28、基值并不多，不易被应用COOHX4-取代双环2.2.2辛烷-1羧酸2.3 蒋明谦诱导效应指数方程蒋明谦诱导效应指数方程 蒋明谦诱导效应指数方程蒋明谦诱导效应指数方程是用来计算是用来计算脂肪族非共轭体脂肪族非共轭体系中系中取代基诱导效应取代基诱导效应大小简便方法。它是一种按照分子结大小简便方法。它是一种按照分子结构，并考虑成键原子电负性构，并考虑成键原子电负性 x 和共价键长和共价键长 r（原子半径之和）（原子半径之和）的一种经验公式。的一种经验公式。 I i0 + iI 表示表示A-B键整个的极性强度键整个的极性强度。I0 表示分子中表示分子中B B原子本身对原子本身对 AB键极性的贡献。键极

29、性的贡献。i 表示分子中表示分子中B B原子上所带基团对原子上所带基团对 AB键极性的贡献。键极性的贡献。 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或或分子中共价键的极性：分子中共价键的极性：XB 为为B原子的电负性，原子的电负性，XC 为为C原子的电负性。原子的电负性。r 为键长。为键长。Ii0 + i= BAr BA+1 CBr CB+1 DCr DC+1 EDr ED23蒋明谦以蒋明谦以H原子作为标准，采用原子作为标准，采用2.7 ， 以及以及Pauling电负性电负性x 值和原子共价半径值和原子共价半径 r 值，值，计算一系列无机和有机基团诱导计算一系列无机和有机基团诱导效应指数效应指数I。基团基团I X X 102基团基团I X X 102 F33.14CH3- 0.90 Cl13.68NR26.38 Br9.92N+R366.64 I5.33NO258.34 OR13.38C=O52.08 蒋明谦诱导效