第四章电子效应.ppt
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1、食品类专业硕士研究生学位课程高等有机化学第四章 电子效应2023/4/4第四章 电子效应理论与空间效应 3.1 概述 3.2 诱导效应 3.3 共轭效应 3.4 场效应 3.5 空间效应食品类专业硕士研究生学位课程高等有机化学第四章 电子效应2023/4/43.1 概述概述 3.1.1 电子效应产生的本质及作用电子效应产生的本质及作用 化合物分子中原子之间相互结合的本质是电性的相互作用(电子配对或化合物分子中原子之间相互结合的本质是电性的相互作用(电子配对或互换),分子中电子云的密度和分布是分子最基本的特征之一。而分子的电互换),分子中电子云的密度和分布是分子最基本的特征之一。而分子的电子云密
2、度和分布既与分子中的原子种类和每个原子所处的环境有关,也与整子云密度和分布既与分子中的原子种类和每个原子所处的环境有关,也与整个分子所处的环境(如不同溶剂的溶液及溶液中其它共存的物质)有关。个分子所处的环境(如不同溶剂的溶液及溶液中其它共存的物质)有关。化学反应的本质也是电性的相互作用,例如共价键的断裂和重新形成是化学反应的本质也是电性的相互作用,例如共价键的断裂和重新形成是电子的重新组合,反应中离子的形成和消失是电子的定向流动。因此,化合电子的重新组合,反应中离子的形成和消失是电子的定向流动。因此,化合物分子的反应类型、反应方式、反应活性无不与分子中(包括每一个共价键物分子的反应类型、反应方
3、式、反应活性无不与分子中(包括每一个共价键和分子整体)电子云的密度和分布有关;当某分子的电子云受自身结构的变和分子整体)电子云的密度和分布有关;当某分子的电子云受自身结构的变化或外界因素影响而发生变化时,其反应性能会发生较大的改变。因此讨论化或外界因素影响而发生变化时,其反应性能会发生较大的改变。因此讨论分子中电子云的密度和变化及其影响因素,对于预测化合物分子的反应类型、分子中电子云的密度和变化及其影响因素,对于预测化合物分子的反应类型、反应方向、反应速率及影响、控制因素有重要的意义。不但化合物分子的化反应方向、反应速率及影响、控制因素有重要的意义。不但化合物分子的化学性质与分子内电子云密度及
4、分布有关系,其物理学性质,如稳定性、熔沸学性质与分子内电子云密度及分布有关系,其物理学性质,如稳定性、熔沸点、溶解度、导电性等,乃至生物学性质,如透膜难易、体内运输和分布、点、溶解度、导电性等,乃至生物学性质,如透膜难易、体内运输和分布、代谢途径、代谢方式等,亦都与分子内电子云密度及分布有关系。这种关系代谢途径、代谢方式等,亦都与分子内电子云密度及分布有关系。这种关系可用下图表示。可用下图表示。食品类专业硕士研究生学位课程高等有机化学第四章 电子效应2023/4/4 因此把分子内电子云密度和分布受自身结构和外界因素影响而发生的变因此把分子内电子云密度和分布受自身结构和外界因素影响而发生的变化,
5、以及这种变化对化合物(特别是有机化合物)分子的理、化性质所产化,以及这种变化对化合物(特别是有机化合物)分子的理、化性质所产生的影响叫生的影响叫电子效应电子效应。电子效应理论对于定性判断一个化合物的物理化学性质是很重要的。电子效应理论对于定性判断一个化合物的物理化学性质是很重要的。食品类专业硕士研究生学位课程高等有机化学第四章 电子效应2023/4/43.1.2 电子效应的类型电子效应的类型 按分子内影响电子云密度和分布的因素,即导致电子效应产生的原因将按分子内影响电子云密度和分布的因素,即导致电子效应产生的原因将电子效应可以分作三种类型,可用下图表示:电子效应可以分作三种类型,可用下图表示:
6、3.1.3 空间效应空间效应 把由于分子中原子或基团的空间排布方式和拥挤程度不同而产生的对分把由于分子中原子或基团的空间排布方式和拥挤程度不同而产生的对分子理、化性质的影响叫空间效应。子理、化性质的影响叫空间效应。空间效应亦可对分子的稳定性、反应性产生影响,但这种影响没有电子空间效应亦可对分子的稳定性、反应性产生影响,但这种影响没有电子效应那么直接和明显。其影响的大小视其空间因素的变化,也就是说这种效应那么直接和明显。其影响的大小视其空间因素的变化,也就是说这种效应有一个量变到质变的演化过程。效应有一个量变到质变的演化过程。按分子是否发生变化还可将电子效应分子两类,即:按分子是否发生变化还可将
7、电子效应分子两类,即:食品类专业硕士研究生学位课程高等有机化学第四章 电子效应2023/4/43.2 诱导效应诱导效应3.2.1 静态诱导效应静态诱导效应3.2.1.1 静态诱导效应产生的原因及表示静态诱导效应产生的原因及表示 静态诱导效应是由于分子中原子(或基团)间电负性差异而产生的。静态诱导效应是由于分子中原子(或基团)间电负性差异而产生的。常见原子的电负性常见原子的电负性H 2.1Li 1,0C 2.5N 3.0O 3.5F 4.0Na 0.9Si 1.8P 2.1S 2.5Cl 3.0K 0.8As 2.0Se 2.4Br 2.8I 2.5例如:食品类专业硕士研究生学位课程高等有机化学
8、第四章 电子效应2023/4/4 原因:在上式中:“”表示诱导效应(inductive effects I)电子云变化的方向;“”或“”表示由于电子云变化而导致某些原子或基团上带部 分正电荷或负电荷。3.2.1.2 静态诱导效应的特点 诱导效应中电子云是通过共价键键传递的。因而静态诱导效应中电子云的变化表现为分子骨架电子云的变化。由于共价键的刚性及“屏蔽作用”,导致诱导效应具有“短程短程”效效应应的特点。即电负性差别大的原子或基团对于分子电子云密度的影响范围不超过三个共价键(三键作用)。“屏蔽作用”:指诱导效应沿共价键传递时由于共价键电子的受束缚性而导致诱导效应减弱的作用。由于诱导必然导致电子
9、云朝着某一个方向偏转,因而诱导效应有方食品类专业硕士研究生学位课程高等有机化学第四章 电子效应2023/4/4 向性。诱导效应方向性的确定:例如:CH3CH2COOH pKa=4.87 HCOOH pKa=4.76 ClCH2COOH pKa=2.86 丙酸分子中的甲基为给电基团,通过-I效应导致丙酸的酸性比甲酸小;氯乙酸分子中的Cl为吸电基团,通过+I效应导致氯乙酸的酸性远大于甲酸。诱导效应只使分子中的电子云发生偏转,而不会发生电荷的分裂。食品类专业硕士研究生学位课程高等有机化学第四章 电子效应2023/4/4 不同的原子或基团所产生的诱导效应有强弱不同之分。考虑不同的基团,有以下几种情况:
10、*原子或基团中心原子的电负性大小直接决定诱导效应的强弱;如:*中心原子带电荷的基团要比不带电荷的基团诱导效应强;如:*中心原子的不饱和程度越大,其吸电性越强;如:3.2.1.3 关于烷基诱导效应的类型和方向问题 烷基究竟是吸电基团还是供电基团是20世纪8090年代争论了好长时间的问题。目前比较一致的看法是:食品类专业硕士研究生学位课程高等有机化学第四章 电子效应2023/4/4 烷基既可以是吸电基团,也可以是供电基团;如:烷基在诱导效应中的类型主要决定于其所处的环境。如烷基和吸电基团(如羧基、硝基、醛基、羰基、羟基、氨基、苯环、烯键、炔键等)相连则为供电基团;如烷基和烷基相连,则为吸电基团。3
11、.2.1.5 静态诱导效应对分子理、化性质的影响 一、通过影响分子的极性而影响物质的熔点、沸点及溶解度 静态诱导效应固定地影响分子中电子云的密度和分布,因而也影响食品类专业硕士研究生学位课程高等有机化学第四章 电子效应2023/4/4 分子之间的作用力、晶体中分子的排布及有机物分子和溶剂之间的作用方式和作用力,因而会影响物质的熔点、沸点、溶解度等物理性质。二、对分子酸碱性的影响 这是诱导效应对物质性质影响最为明显的一个方面的例证。可以举出很多例子。三、对分子反应性能的影响 *对取代反应的影响:卤代烃、醛酮羧酸-H、苯及苯的衍生物等 *对烯烃的亲电加成反应的影响。3.2.1.6 动态诱导效应 定
12、义:在化学反应中,反应物分子中的电子云密度及分布受外界因素(溶剂、试剂等)影响而发生改变的诱导效应叫动态诱导效应。和静态诱导效应相比的异同点:相同点:1.诱导产生的原因相同,即也是由于外界电负性不同的原子、分子或基团对反应物分子产生影响。2.诱导传递的基本特征相同,也是通过共价键传递的,也是一食品类专业硕士研究生学位课程高等有机化学第四章 电子效应2023/4/4 种局部的作用;3.电子云变化的特征是相同的,即电子云只发生偏移,而不会出现电荷的分离。不同点(特点):1.动态诱导效应只在物质参加反应时才可发生,无反应即无所谓动态诱导效应;2.静态诱导效应是一种永久效应,而动态诱导效应是一种瞬间效
13、应;3.静态诱导效应可能使物质分子的反应活性提高,也可能使物质分子的反应活性降低。但动态诱导效应只能促进反应的进行,否则就不发生。动态诱导效应有时可能成为影响反应方向和产物类型的主要因素。如有机分子中卤素原子的特殊性。食品类专业硕士研究生学位课程高等有机化学第四章 电子效应2023/4/43.3 共轭效应 共轭效应也分作静态共轭效应和动态共轭效应,主要讨论的内容是静态供应效应。3.3.1 静态共轭效应(static conjugative effects)共轭效应是在共轭体系的基础上产生的。一、有机化合物分子中的共轭体系 -共轭体系:有机化合物分子中所具有的双键、单键交替排列所形成的体系。如:
14、食品类专业硕士研究生学位课程高等有机化学第四章 电子效应2023/4/4 p-共轭体系 有机分子中具有未共用电子对的原子或基团和双键直接相连所形成的体系。如:食品类专业硕士研究生学位课程高等有机化学第四章 电子效应2023/4/4p-共轭的条件:未共用电子对,处于P轨道上,和双键直接相连。共轭(超共轭)体系 有机化学中的超共轭(hyperconjugation)体系一般(常见)指C-H键与双键之间的共轭。先看一个离子 这种现象要用超共轭效应来解释。食品类专业硕士研究生学位课程高等有机化学第四章 电子效应2023/4/4二、共轭效应产生的原因二、共轭效应产生的原因 在共轭体系中,由于在共轭体系中
15、,由于轨道与轨道与轨道、轨道、p轨道与轨道与轨道以及轨道以及轨道与轨道与轨轨道之间存在着相互作用和影响,使得电子云不再定域在特定的成键原子之道之间存在着相互作用和影响,使得电子云不再定域在特定的成键原子之间,而是围绕整个共轭体系重新分布。每个成键电子不仅受到成键原子原间,而是围绕整个共轭体系重新分布。每个成键电子不仅受到成键原子原子核的作用,而且也受分子中其它原子核的作用而发生子核的作用,而且也受分子中其它原子核的作用而发生离域离域(delocalization)现象现象,把这种键称为,把这种键称为离域键离域键。由于共轭体系中电子的离域,导致分子的能。由于共轭体系中电子的离域,导致分子的能量降
16、低,稳定性提高,其物理、化学性质也会发生一些相应的变化。把这量降低,稳定性提高,其物理、化学性质也会发生一些相应的变化。把这种由于共轭体系中电子的离域而产生的分子电子云分布及理化性质的变化种由于共轭体系中电子的离域而产生的分子电子云分布及理化性质的变化叫叫共轭效应共轭效应(C效应)。效应)。对于共轭效应产生的对电子云分布的影响,可以用分子轨道理论对于共轭效应产生的对电子云分布的影响,可以用分子轨道理论(Hchkl分子轨道理论)和共振论来解释。如前边讨论结构理论时对于分子轨道理论)和共振论来解释。如前边讨论结构理论时对于1,3-食品类专业硕士研究生学位课程高等有机化学第四章 电子效应2023/4
17、/4 丁二烯结构及苯分子结构的分析。丁二烯结构及苯分子结构的分析。CH2=CH-CH=CH2食品类专业硕士研究生学位课程高等有机化学第四章 电子效应2023/4/4食品类专业硕士研究生学位课程高等有机化学第四章 电子效应2023/4/4对于其它共轭体系也可以用上边提到的两种理论来进行解释。如:对于其它共轭体系也可以用上边提到的两种理论来进行解释。如:三、共轭效应的基本特点三、共轭效应的基本特点 1.共轭效应沿着共轭链传递,对分子中电子云密度分布的影响有平摊和共轭效应沿着共轭链传递,对分子中电子云密度分布的影响有平摊和偏移两种情况。偏移两种情况。*平摊:同种原子形成的共轭体系(多为平摊:同种原子
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