物理有机化学结构与活性

物理有机化学结构与活性第一页，共六十二页，2022年，8月28日有机化学中分子结构与化学活性问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．第二页，共六十二页，2022年，8月28日§1、哈米特方程式Aseriesofchangesinreactionconditions（e.g.，changingtheelectronegativityofsubstituentsonthesubstrateortheionizingabilityofthesolvent）will，ofcourse，almostalwayscauseaseriesofchangesintherateofachemicalreactionorthepositionofachemicalequilibrium．Ifthesameseriesofchangesinconditionsaffectstherateorequilibriumofasecondreactioninexactlythesamewayasitaffectedthefirstexceptattenuatedbyanamountthatdependsonthesecondsubstrate，thereexistsalinearfree-energyrelationshipbetweenthetwosetsofeffects.Wheresuchrelationshipsexisttheycanbeveryusefulinhelpingtoelucidatemechanism，inpredictingreactionratesandextentofreactionatequilibrium，andindiscoveringunderwhatconditionachangeinmechanismoccurs．第三页，共六十二页，2022年，8月28日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。

InordertobeabletomakequantitativecomparisonsbetweensubstituentsHammettmeasuredtheKa’sofsubstitutedbenzoicacidsaswellasofbenzoicaciditselfat25ºCinwatersolution.Hethenassignedtoeachsubstituenttwoparameters,σmetaandσpara,whicharedefinedinthefollowingEquation:第四页，共六十二页，2022年，8月28日上式也可以更合理地写成:其中σ

就是取代基常数.而ρ

是比例常数.在上式中ρ=1,所以这个ρ也可以不写.从上式可以看出,以lgk/k0对σ作图,应得一直线第五页，共六十二页，2022年，8月28日Hammett然后又研究了anumberofsimilaracidionizationstodiscoverwhetherthesubstituenteffectsfoundintheionizationofAandBwouldapplytothesealsoandfoundthattheyoftendo.Forexample,hestudiedthesubstituenteffectsontheaciddissociationofphenylaceticacidsC.Forthisseriestoohedeterminedtheequilibriumdissociationconstantoftheunsubstitutedacid(K’0)andofalargenumberofsubstitutedones(K’Xs).Whenheplottedthelog10K’X/K’0valuessoobtainedagainsttheσvaluesobtainedfromtheionizationofsubstitutedbenzoicacidsheobtainedastraightlinebutwithaslopeoflessthanunity.Thisdiminutionoftheeffectofthesubstituentsrelativetotheeffectinbenzoicacidisduetothegreaterseparationbetweenthesubstituentandtheacidgroup.Thedata,then,couldbesummarizedbyfollowingequation第六页，共六十二页，2022年，8月28日Inwhichρ<1.Sofromthetwoseriesofacidswecangetthesamevalueofσ,justtheρisdifferent.Sowecanget:Forbenzoicacid:Forphenylaceticacid,第七页，共六十二页，2022年，8月28日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’/k’0对σ作图,应得一直线,ρ为斜率;不同的反应,ρ值不同(σ是不变的)第八页，共六十二页，2022年，8月28日第九页，共六十二页，2022年，8月28日第十页，共六十二页，2022年，8月28日第十一页，共六十二页，2022年，8月28日从以上讨论可见，取代基常数σ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σ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σ值以后，就可计算出其他相似反应类型的反应常数ρ，只要将该反应系列的lgK/K0与对应的σ值作图，所得的最佳直线的斜率就是该反应的反应常数ρ．ρ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，ρ为负值的反应是被苯环上推电子基（m-或p-）所促进的反应．ρ值的大小取决于以下几个因素．①ρ值与反应条件有关．例如，苯甲酸在水中的电离，其反应常数ρ值与在乙醇中的不同，显然是由于溶剂极性的影响．②ρ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ρ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ρ值变小，但取代基的电子效应较易通过双键传递到羧基．第十二页，共六十二页，2022年，8月28日③ρ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ρ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directconjugation;而p-硝基只增强苯甲酸的酸性6倍,因为是交叉共轭.第十三页，共六十二页，2022年，8月28日从以上讨论可见，ρ值是反应对于取代基对于反应产生影响的敏感性尺度．ρ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．第十四页，共六十二页，2022年，8月28日第十五页，共六十二页，2022年，8月28日哈米特方程式也可适用于多取代（m-或p-）的苯衍生物，即有下列关系式对于如(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.第十六页，共六十二页，2022年，8月28日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：第十七页，共六十二页，2022年，8月28日此即线性自由能关系．式中β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K’1，反应2在取代基引入前、后的平衡常数分别为K2和K’2，代入线性自由能关系式得第十八页，共六十二页，2022年，8月28日令代入上式得式中为常数,令此常数为σ,则得

以ρ代替ρ1,K0代替K1,K代替K’1,则得第十九页，共六十二页，2022年，8月28日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（）与分子中原子（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．第二十页，共六十二页，2022年，8月28日3、

DirectConjugation(resonance)interactionbetweensubstituentgroupandreactioncenter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（25ºC）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强．第二十一页，共六十二页，2022年，8月28日因此，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σ值（即σ－），才能有线性关系,取代苯酚和苯胺就是这种情况.第二十二页，共六十二页，2022年，8月28日确定σ－的标准反应是苯酚类的电离第二十三页，共六十二页，2022年，8月28日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σ

值也必须作校正,方向正好与上面的相反p-取代基的σ+值一般比σ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solvolysisin90%acetoneofcumylchlorideat25ºC.第二十四页，共六十二页，2022年，8月28日第二十五页，共六十二页，2022年，8月28日不包含贯穿共轭作用的取代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σ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σ值中消除贯穿共轭作用，VanBekkum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σ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σn值（正常的取代基常数）．第二十六页，共六十二页，2022年，8月28日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σ0标度。σ0值和σn值列于下表第二十七页，共六十二页，2022年，8月28日第二十八页，共六十二页，2022年，8月28日§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.第二十九页，共六十二页，2022年，8月28日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．只差两个质子第三十页，共六十二页，2022年，8月28日式中σ*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；ρ*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:第三十一页，共六十二页，2022年，8月28日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SB－SA=0;酸催化水解对于取代基的电子效应不敏感，则可设ρ*A=0;令ρ*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，ρ值范围在－0.2～十0.5之间；当反应用碱催化时，则ρ值为十2.2～十2.8）．引入2.48这个常数，是为了使求得的σ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(极性效应)(极性+空间)(空间)这就是Taft方程.第三十二页，共六十二页，2022年，8月28日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σ*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σ*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.第三十三页，共六十二页，2022年，8月28日例如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σ*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．第三十四页，共六十二页，2022年，8月28日也可以计算出ρ*(从上式或作图都可以)第三十五页，共六十二页，2022年，8月28日第三十六页，共六十二页，2022年，8月28日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．第三十七页，共六十二页，2022年，8月28日在求得了σ*和ρ*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对电子效应很不敏感，ρ*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（2．20）式可得令式中的SA=1,可求出ES值.同样,从,因为ρB*=2.48;SB=1,所以可得出ES是取代基空间效应的定量标度（一般以-CH3基作为比较标准）．

第三十八页，共六十二页，2022年，8月28日从表中可以看出,σ*

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σ*

实际上是取代基诱导效应的标度.第三十九页，共六十二页，2022年，8月28日脂肪族化合物的极性取代基常数σ*实际上是取代基的诱导效应的标度．由于哈米特σ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σ与σ*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σ值和σ*值时，选择的标准化合物是不同的，所以不能简单地将σ与σ*进行直接比较，而必须采用另一种取代基常数σ’．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（25ºC）计算了σ’值．第四十页，共六十二页，2022年，8月28日1.464是苯甲酸在50%乙醇中的电离反应常数ρ,用此数值使σ与σ’处于可比较的范围内.第四十一页，共六十二页，2022年，8月28日很明显，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，σ’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σ’与σ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，已知的取代基σ’值并不多，不易被应用．由于σ’与σ*都是取代基诱导效应的标度，当比较X基的σ’值与XCH2的σ*值时，发现它们之间存在着平行关系，即σ’/σ*=0.450．从而可以用已知的σ*值计算出更多的σ’值，再从σ’与σ的比较，来区分m-或p-取代苯衍生物的哈米特σ值中共轭效应与诱导效应的贡献．另一方面，塔夫脱认为（σp－σ’）实际上反映了取代基共轭效应的大小．（σp－σ’）中绝对值越大的负值表示推电子共轭效应越大；（σp－σ’）的正值越大表示吸电子共轭效应越大．从表2－11中可看到，（σp－σ’）与（σm－σ’）的值都具有相同符号，前者平均比后者大3倍（绝对值）．由此可推出第四十二页，共六十二页，2022年，8月28日式中σI为芳香族取代基诱导效应的标度，σR为共轭效应的标度但上式不是一个普适的计算方法，因为某些取代基的σR往往不是常数，而是取决于反应的过程．为此，Taft又采用不包含贯穿共轭作用的σp0，算出一套新的σR0值．第四十三页，共六十二页，2022年，8月28日第四十四页，共六十二页，2022年，8月28日§3、诱导效应指数上述各种取代基常数，都是用动力学实验数据，选择一定的标准物、标准反应推算出来的，每套σ都有一定的使用范围，除了Hammett的σ应用较广泛外，其他的都有很大的局限性；为了提高精度，使得半经验的参数越来越多，但使用的范围越来越窄，缺乏普遍性和概括性。1962年我国化学家蒋明谦提出从分子结构的基础止，从元素电负性和原子共价半径两种基本数据来计算键极性和基团诱导效应的方法．此法可用于任何已知结构的非共轭体系，这样计算得到的诱导效应指数自成一系统，并且互相一致．

第四十五页，共六十二页，2022年，8月28日1、键极性参数过去都是用成键原子的电负性差来估计键的极性.但为了定量地估计一个键的极性参数,仅用电负性差数不够准确,因为若干组电负性本身大小不等而差数相同的化学键中,各键的极性可以很不相同:虽然电负性差都是2,但其中KBr和LiCl是离子键,而Al-O和B-F却是极性不很大的共价键.现在认为一个键极性大小除与二个成键原子的电负性差数有关外,还与它们的和数也有关.第四十六页，共六十二页，2022年，8月28日认为一个共价键的极性状态应该用各原子的电负性分数差来表示,电负性分数电负性分数差:即,当两个原子形成共价键时，键上价电子对是按照两原子的电负性分数而分配的．第四十七页，共六十二页，2022年，8月28日当Ә=0时，即A与B两个原子的电负性值相等，A—B键上价电子对是完全平均地为这两原子所共享，因而A—B键上没有极性．如果ӘAB＞0，即原子A所分享的价电子对较多，得到一部分电荷．如果ӘAB＜0，则原子A所分享的价电子对较少，也即失掉一部分电荷．当Ә→＋l或－1，即整个价电子对为A或B所独有，也就成为离子键A－B＋或A＋B－．由于Ә的数值所表示的是一个化学键的状态，因此，称为键极性指数．第四十八页，共六十二页，2022年，8月28日诱导效应指数I的计算由一个键上的极性状态所引起的第二个键上的电子移动（诱导效应），当然是与第一个键上极性大小Ә成比例的．但诱导效应是一种静电诱导作用，它随距离的增大而迅速减弱，所以两个极性相同而键长（r）不同的化学键如果同样连接在一个σ键的体系上，则长键上的电荷中心与σ键体系上末端的距离比短键上的电荷中心与同一点的距离要远．因此在衡量诱导效应时，应当以单位键长上的极性强度（Ә／r）为比较的标准．

第四十九页，共六十二页，2022年，8月28日诱导效应在一个σ键体系中传递时，一般每经过链上一个原子即降低为原来的1/3左右，通常以1/α表示这种递降率．在一个长链分子（1）中，与B原子相连接的各键（如B—C1、B—C2、B一C3等）作用于A—B键上的诱导效应，应该为它们各自的极性强度的（1/α）倍；而与各C原子相联的各键（如C1－D1、C2－D2等）作用于A－B键上的诱导效应，应该为它们各自的极性强度的（1/α2）倍；其余依次类推．因此B原子上所带各基团对A－B键的整个诱导效应，可用（2－34）式或（2－35）式表示．第五十页，共六十二页，2022年，8月28日1/α一般用1/3,也有用到1/2.7,1/2.8,1/2.9来计算的.第五十一页，共六十二页，2022年，8月28日如果将B原子本身对A—B键上极性的贡献也包括在内，则A—B键的整个极性强度可以表示为为方便起见,写成或i0,上式可写成:在一个双原子分子中，C、D、E等原子均不存在，则I=i0；在A—A分子中，则I=0.根据以上讨论，一个键的极性强度是以

A－A为比较基准而确定的，分子（I）中

A－B键上的极性状态是由原子B及其所带各基团引起的电子效应的总和，则I可称为整个基团的诱导效应指数．

第五十二页，共六十二页，2022年，8月28日第五十三页，共六十二页，2022年，8月28日例：计算Cl的I,以氢为标准。H－Cl这就是吸电基Cl的+I值。

第五十四页，共六十二页，2022年，8月28日如果一个分子的某些原子上带有电荷（有形电荷）N，如（Ⅱ）中所示，则凡带有电荷的原子，其电负性及原子半