物理有机化学第2章、结构与活性课件.ppt

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1、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、哈米特方程式A

2、 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 same series

3、 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 relationships

4、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 occurs1、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不同的取代基，Hammet

5、t 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

6、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 following equation其中 1.这样从两个系列的酸可以得到

7、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

8、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

9、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

10、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

11、，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(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

12、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3、Direct Conjugation(resonance)interaction between su

13、bstituent 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

14、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

15、，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

16、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

17、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

18、 (极性效应)(极性+空间)(空间)这就是Taft方程.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

19、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)式可得令式中的SA=1,可求出ES值.同样,从 ,因为B*=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)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

20、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1.464是苯甲酸在50%乙醇中的电离反应常数,用此数值使与处于可比较的范围内.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

21、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，已知的取代基值并不多，不易被应用由于与*都是取代基诱导效应的标度，当比较X基的值与XCH2的*值时，发现它们之间存在着平行关系，即/*=0.450从而可以用已知的*值计算出更多的值，再从与的比较，来区分m-或p-取代苯衍生物的哈米特值中共轭效应与诱导效应的贡献另一方面，塔夫脱认为(p)实际上反映了取代基共轭效应的大小(p)中绝对值越大的负值表示推电子共轭效应越大；(p）的正值越大表示吸电子共轭效应越大从表211中可看到，(p)与(m)的值都具有相同符号，前者平均比后者大 3倍（绝对值）

22、由此可推出式中I为芳香族取代基诱导效应的标度，R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R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p0，算出一套新的R0值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，每套都有一定的使用范围，除了Hammett的应用较广泛外，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上，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

23、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 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.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当=

24、0时，即A与B两个原子的电负性值相等，AB键上价电子对是完全平均地为这两原子所共享，因而AB键上没有极性如果AB0，即原子A所分享的价电子对较多，得到一部分电荷如果AB0，则原子A所分享的价电子对较少，也即失掉一部分电荷当l或1，即整个价电子对为A或B所独有，也就成为离子键AB或AB由于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键的体系上，则长键上的电

25、荷中心与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(/r)为比较的标准 诱导效应在一个键体系中传递时，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/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BC1、BC2、BC3等)作用于 AB键上的诱导效应，应该为它们各自的极性强度的(1/)倍；而与各C原子相联的各键(如 C1D1、C2D2等)作用于 AB键上的诱导效应，应该为它们各自的极性强度的(1/2)倍；其余依次类推因此B原子上所带各基团对AB键的整个诱导效应，可用(234)式或(235)式表示1/一般用1/3

26、,也有用到1/2.7,1/2.8,1/2.9来计算的.如果将B原子本身对AB键上极性的贡献也包括在内，则AB 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AA分子中，则I=0.根据以上讨论，一个键的极性强度是以 AA为比较基准而确定的，分子(I)中 AB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 例：计算Cl的I,以氢为标准。HCl这就是吸电基 Cl 的+I 值。如果一个分子的某些原子上带有电荷(有形电荷)N，则凡带有电荷的原子，其电负性及原子半径均有所改变如某个

27、原子带一个正电荷，则其共价半径向原子序数大一号的原子方向改变，改变的数量约为它们原子半径差值的二分之一；一个负电荷的影响与此相反一个正电荷使一个原子电负性增大，增大的数量约为这种元素与周期表中位于它右方的元素之间电负性差值的三分之二；一个负电荷同样地减小一种元素的电负性如果以X+与X分别表示带有一个正电荷与负电荷的某元素的电负性，则有下列关系式当(CH3)3N 变为(CH3)4N+时,从0.7减小为0.68:这种情况下，计算i值时除了应采用由于电荷的引入而校正的电负性值及共价半径以外，还应加上电荷本身引起的诱导效应 i或 i在这里r1、r2、为带电荷原子的共价半径，至于整个带电荷基团的诱导效应

28、则是 i。、i 与 之和 按上述方法，以氢原子为比较的基准原子(前面图中的 A)，采用=2.7及鲍林的 X值与r值，计算出一些基团的诱导效应指数，列成下表从表中可看出，在 I(+)中的正值序列中，除了 NO2较+NR3稍大，不符合文献中的定性次序以外，所有其他次序都与Ingold诱导效应（Is）强度的定性次序完全符合实际上在包含双键和叁键的计算不很成功,只有定性的意义。诱导效应指数能够定量地表示基团的诱导效应，它与已知的代表诱导效应的基团常数，如塔夫脱的极性取代基常数*，几乎完全类似 通过诱导效应指数，分子结构与化学活性间的各种定量关系就可以用最简单的方式来表达，其中包括：反应中一个键上的能量

29、变化及与能量有直接关系的性质与诱导效应指数间的直线关系；反应平衡常数的对数及反应速率常数的对数与诱导效应指数间的直线关系；反应产率、转化率等反应百分数与诱导效应指数间的S形曲线关系反应能量及相关性质与诱导效应指数间的直线关系一个键的强度(键裂解能)与它的极性有密切的关系,至少键裂解能的变化是与键极性的变化平行的.由于诱导效应指数与键极性间有直线关系,在一定结构类型中,键的强度(键裂解能)及有关的能量因素E与作用于这个键上的诱导效应指数I之间,有直线关系式中A,B为常数又如,RX为烷烃,醇,卤代烷时,反应能H是巳知的,H与R基的诱导效应指数也成直线关系.Hammett 方程在现代化学中常用来帮助

30、确定机理。例如，近年得到人们重视的Ullmann偶联，美国化学家Stephen L.Buchwald小组研究了其机理，用了很多方法和手段，其中一种参数就是Hammett方程中的反应常数。X=CoMe,Cl,H,Me,OMe。Buchwald等人用Hammett关系式来研究Ullmann反应中的取代基电子效应。取代基与配体的浓度不成线性关系，但配体浓度无论高还是低，吸电子取代基都有利于反应，其=+0.48 0.17。他们拿这个与钯催化反应的焓和比较，发现Pd对碘苯的氧化加成的焓和值分别为18.4 kcal mol-1 和2.3，而Cu(I)对碘苯衍生物的反应的这两个值只有6.8 kcal mol

31、-1和0.48，因此，在Cu(I)对碘苯衍生物的反应中，very little bond cleavage and build up of negative charge occurs during the rate-determining step.J.Am.Chem.Soc.,2009,131(1),78-88摘自 J.Am.Chem.Soc.,2009,131(1),78-88Considering the present mechanistic studies on the stoichiometric N arylation of the Cu(I)amidate,a well-de

32、fined pathway for aryl iodide activation cannot be resolved.Comparing the activation parameters in addition to the-value(=+0.48)to those obtained from the oxidative addition of Pd(0)with aryl iodides suggests that the Cu(I)amidate-mediated aryl iodide activation does not involve a rate-determining o

33、xidative addition process involving a Cu(III)/Cu(I)couple.For example,a-value of 2.3 and an enthalpy of activation(H)of 18.4 kcal mol-1 were obtained for the oxidative addition of Pd(0)to aryl iodides.In the latter case,the carbon-iodide bond is broken and a significant amount of negative charge is built up in the transition state.In contrast,during the activation of aryl iodides by the Cu(I)amidate,the relatively low(H)(6.8 kcal mol-1)and-value suggest that very little bond cleavage and build up of negative charge occurs during the rate-determining step.