有机化学中的取代基效应

1、Chap. 2 Substituent Effects in Organic Chemistry 一一. 诱导效应诱导效应 Inductive Effect 二二. 共轭效应共轭效应 Conjugative Effect 三三. 超共轭效应超共轭效应 Hyperconjugation Effect 四四. 场效应场效应 Field Effect 五五. 空间效应空间效应 Space Effect Substituent Effects CBr H H H + OHCOH H H H + Br 取代基效应取代基效应 (Substituent Effects) 反应的本质：反应的本质： 旧键的断裂

2、，新键的生成旧键的断裂，新键的生成 共价键的极性共价键的极性取决于取决于成键原子的电负性成键原子的电负性和和取代基的效应取代基的效应 CH3COOH ClCH2COOH Cl2CHCOOH Cl3CCOOH pKa 4.76 2.86 1.29 0.65 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或分子中其它部分产生的影响 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

3、) 空间传递的电子效应空间传递的电子效应 物理的相互作用物理的相互作用 电子效应电子效应 (Electronic effect)： 由于取代基的作用而导致的共有电子对沿共价由于取代基的作用而导致的共有电子对沿共价 键转移的结果。键转移的结果。 O2NCH2C O O H CH3C O O H 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 一一. 诱导效应诱导效应 (Inductive effect I ) CCCl CCCl C CCl 取代基的影响：取代基的影响：沿分子链传递沿分子链传递 导致电子云密度分布导致电子云密度分布 不均匀不均匀 取代基性质取代基性质 方向方向转移的结果转移

4、的结果 结构特征：结构特征： 单、双、叁键单、双、叁键 传递方式：传递方式：、键键 传递强度：与距离相关。距离越传递强度：与距离相关。距离越远远，强度越弱。，强度越弱。 诱导效应的相对强度：诱导效应的相对强度： CCZ 电负性电负性 (Electronegativities) 规则：规则： 1. 同周期的原子同周期的原子 -I: -CH3 -NH2 -OH Cl Br I 电负性：电负性： 4.0 3.0 2.8 2.5 3. 相同的原子：相同的原子： 不饱和度越大，不饱和度越大，-I 效应越强效应越强 C CR CH CHR 4. 带正电荷的取代基的带正电荷的取代基的 -I 强强 带负电荷的

5、取代基的带负电荷的取代基的 + I 强强 ZC CYCH 标 准I+I 以乙酸为参考酸的取代酸强度以乙酸为参考酸的取代酸强度 XCH2COOH XpKaXpKa -NO2 -N+Me3 -CN -F -Cl -Br 1.68 1.83 2.46 2.66 2.86 2.86 -I -OH -H -CH3 -CMe3 3.12 3.83 4.76 4.88 5.05 由表中酸的强弱可以推断取代基诱导效应的相对强度为：由表中酸的强弱可以推断取代基诱导效应的相对强度为： -NO2 -N+Me3 -CN -F -Cl -Br -I -OH -H -CH3 -CMe3 通过通过1H NMR化学位移的测定

6、也是比较诱导效应的常用方化学位移的测定也是比较诱导效应的常用方 法，质子周围电子云密度的变化，将引起质子峰化学位移法，质子周围电子云密度的变化，将引起质子峰化学位移“ ” 值的不同，而电子云密度的变化可以与取代基的吸电或供电的值的不同，而电子云密度的变化可以与取代基的吸电或供电的 诱导效应及其强度相联系。诱导效应及其强度相联系。 CH3-X (ppm)CH3-X (ppm) -NO2 -F -OH -Cl -Br -SH -C6H5 4.28 4.26 3.47 3.05 2.68 2.44 2.30 -N(CH3)3 -I -COMe -COOH -CN -CH3 -H 2.20 2.16

7、2.10 2.07 2.00 0.90 0.23 X-CH3中甲基中甲基H的的 值值 动态诱导效应动态诱导效应 Dynamic Inductive Effect 静态诱导效应是分子本身固有的性质，是与键的极性有关静态诱导效应是分子本身固有的性质，是与键的极性有关 的。在化学反应过程中，当进攻试剂接近分子时，因外界电的。在化学反应过程中，当进攻试剂接近分子时，因外界电 场的影响，也会使共价键上的电子云密度发生改变，键的极场的影响，也会使共价键上的电子云密度发生改变，键的极 性发生变化，称为性发生变化，称为动态诱导效应。动态诱导效应。 原因就是动态效应的影响。因为在同族元素中，随原子序数原因就是动

8、态效应的影响。因为在同族元素中，随原子序数 的增大电负性降低，其电子云受到核的约束也相应减弱，所以的增大电负性降低，其电子云受到核的约束也相应减弱，所以 极化性增大，反应活性增加。极化性增大，反应活性增加。 动态诱导效应和静态诱导效应在多数情况下是一致的，都属动态诱导效应和静态诱导效应在多数情况下是一致的，都属 于极性效应，但由于起因不同，有时导致的结果各异。例如：于极性效应，但由于起因不同，有时导致的结果各异。例如： C-X键的极性次序为：键的极性次序为： C-F C-Cl C-Br C-I 卤代烷的亲核反应活性：卤代烷的亲核反应活性：R-I R-Br R-Cl R-F 二二. 共轭效应共轭

9、效应 (Conjugative Effect) 1. 共轭体系与共轭效应共轭体系与共轭效应 CCCCCC C NCCC O H CC C CCC - 共轭共轭 C1 C2 C3 C4 p - 共轭共轭 C3 C2 C1 CH3 H H + H Cl CC R C O OHCH3CHCHCH2 共轭效应：共轭效应：取代基效应取代基效应共轭体系共轭体系 传递特点：传递特点： CHYCH CHCH2 分子中任何一个原子分子中任何一个原子 周围电子云密度变化，周围电子云密度变化， 马上会引起其它部分的马上会引起其它部分的 电子云密度的改变电子云密度的改变 共轭效应不受传递距离的影响共轭效应不受传递距离

10、的影响 结构特征：结构特征：单、重键交替 单、重键交替共轭体系中所有原子共轭体系中所有原子 共平面共平面 CCC O H HCN NCCCC OH H RC O OHRC O O + H OH 苯酚分子中氧原子上的孤对电子与苯环上苯酚分子中氧原子上的孤对电子与苯环上 的的电子形成电子形成 p- 共轭。共轭。 结果：结果： 1) 使使O-H键极性增大，酸性增强键极性增大，酸性增强 2）使羟基的邻、对位的碳原子带有使羟基的邻、对位的碳原子带有 部分的负电荷。部分的负电荷。 相对强度：相对强度： Y为吸电子基团时吸电子共轭效应为吸电子基团时吸电子共轭效应 (-C), X为供电子基团时为供电子基团时给

11、给电子共轭效应电子共轭效应 (+C). CCCY XCC (I)(II) 共轭效应的强度取决于取代基中的中心原子的共轭效应的强度取决于取代基中的中心原子的电负性电负性 与与主量子数主量子数的大小。的大小。 电负性越大，电负性越大，C越强。越强。 -共轭体系共轭体系: 同周期元素，随原子序数增大，同周期元素，随原子序数增大，C 增强：增强： CCCCCCC NCCCO CNR p - 共轭体系：共轭体系： NR2CCOHCCCCCCCCFCC +C: 电负性越大的原子，电负性越大的原子，+C 效应越小效应越小 同族元素：同族元素： FCCClCCBrCCICC +C: 主量子数越大，原子半径越大

12、，主量子数越大，原子半径越大，p 轨道与双键中的轨道与双键中的轨道重轨道重 叠越困难，电子离域程度小，叠越困难，电子离域程度小，C 越小。越小。 共轭效应与诱导效应在一个分子中往往是并存的，有时共轭效应与诱导效应在一个分子中往往是并存的，有时 两种作用的方向是相反的两种作用的方向是相反的. 静态时：静态时： （分子没有参加反应）（分子没有参加反应） ClCC I +C 动态时：动态时： （分子处于反应中（分子处于反应中 ClCC +C I 动态共轭效应动态共轭效应 与诱导效应相似，共轭效应也存在静态和动态的区别，与诱导效应相似，共轭效应也存在静态和动态的区别， 静态共轭效应是共轭体系内在的固有

13、的性质，在基态时就存静态共轭效应是共轭体系内在的固有的性质，在基态时就存 在的。而动态共轭效应则是共轭体系在反应过程中，在外界在的。而动态共轭效应则是共轭体系在反应过程中，在外界 电场影响下所表现的瞬间的暂时效应。电场影响下所表现的瞬间的暂时效应。 例如 1，3丁二烯在基态时由于存在共 轭效应，表现体系能量降低，电子云分 布发生变化，键长趋于平均化，是静态 共轭效应的体现。 H2CC H C H CH2+ H+H2CC H H CCH3 + + CH2CHCH CH3 CH2CHCH CH3 or 1,2-addition H2CCH CH CH3 Br Br- 1,4-addition HC

14、CHCH3H2C Br 动态共轭效应的体现动态共轭效应的体现 静态共静态共 轭效应是共轭体系固有的性质，可以促进也可以阻碍轭效应是共轭体系固有的性质，可以促进也可以阻碍 反应的进程，而动态共轭效应只有在反应过程中，有利于反反应的进程，而动态共轭效应只有在反应过程中，有利于反 应时才能发生，因此只会促进反应的进程。应时才能发生，因此只会促进反应的进程。 三三. 超共轭效应超共轭效应 (Hyperconjugation) CH H H CHCH2 当当CH键与双键直接相连时，键与双键直接相连时， CH键的强度减弱，键的强度减弱，H原子的原子的 活性增加。活性增加。 CH H H CHO 羰基化合物

15、的羰基化合物的C 原子的原子的 H原子在取代反应中是活泼原子在取代反应中是活泼的的 C CH H键上的键上的电子发生离电子发生离 域，形成域，形成共轭。共轭。电子电子 已经不再定域在原来的已经不再定域在原来的C C、H H两两 原子之间，而是离域在原子之间，而是离域在C C3 3C C2 2之之 间，使间，使H H原子容易作为质子离去原子容易作为质子离去, , 这种共轭强度远远弱于这种共轭强度远远弱于-, -, p- p- 共轭。共轭。 CH2CH3 Br2 h CHCH3 Br CH H H CHCH2+ DNH2CH H D CHCH2+ NH3 超共轭效应的作用：超共轭效应的作用： CC

16、C H H H H H H 使分子的偶极距增加：使分子的偶极距增加： CO H H CH CH3 H CHO : 2.27 2.73 使正碳离子稳定性增加：使正碳离子稳定性增加： CCH H H CH H H C H CH H H CH H CHH CCH H H CH H H CH H CHH H CCH H H CH H H H H C H H H 四四. 场效应场效应 (Field effect) 当分子中原子或原子团间相互作用，通过空间传递的当分子中原子或原子团间相互作用，通过空间传递的 电子效应电子效应 场效应场效应。 氯代苯丙炔酸：氯代苯丙炔酸： pKa: 大大 小小 场效应是依赖

17、分子的几何构型的。场效应是依赖分子的几何构型的。 CCC Cl O H O CCCOH O Cl Cl Cl H H Cl Cl H H CCOOH 酸性较弱 较强 O O H 酸性 ClC OH O C HO O pKa: 6.25pKa: 6.04 HCOOH HOOCH HCOO- HOOCH HCOOH COOHH HCOO- COOH H pKa13.031.92 pKa24.54 6.59 H H O- O H O O 五五. 空间效应空间效应 (Space effect) 分子内或分子间不同取代基相互接近时，由于取分子内或分子间不同取代基相互接近时，由于取 代基的体积大小、形状不

18、同，相互接触而引起的物理代基的体积大小、形状不同，相互接触而引起的物理 的相互作用的相互作用 空间效应空间效应 （位阻效应）。（位阻效应）。 空间效应的体现：空间效应的体现： 1. 化合物（构象）的稳定性化合物（构象）的稳定性 HH CH3 H H CH3 2. 化合物的酸碱性化合物的酸碱性 C CH3 CH3 CH3 C OH O C OH O pKa邻 邻 R2NH RNH2 NH3 当它与体积较大的当它与体积较大的Lewis 酸作用时，碱性强度顺序为：酸作用时，碱性强度顺序为： R3N R2NH RNH2 NH3 N R R R B R R R 两者在相互接近过程中，基团两者在相互接近过

19、程中，基团 位阻导致相互排斥作用位阻导致相互排斥作用 F-张力张力 (Face - Strain) N CH3 CH3 2,6-二甲基吡啶二甲基吡啶 几乎不与几乎不与R3B作作 用用 C R R R XC R RR 120 10928 + X SN1反应反应形成正碳离子的一步形成正碳离子的一步 键角的变化键角的变化缓解了基团的拥挤程度缓解了基团的拥挤程度 来自于离去基团背后的张力来自于离去基团背后的张力 B-张力张力 (Back Strain) Sp3四面体四面体 sp2平面三角型平面三角型 R XR 60 10928 60 120 小环化合物小环化合物环的键角引起的张力环的键角引起的张力 角

20、张力角张力 (Angle strain) NO2 CO2H O2N HO2C O2N HO2C NO2 CO2H R R H H 六、 同位数素应和同位素标记同位数素应和同位素标记 Isotopic effect and Isotopic sign 在机理研究中常常用同位素效应和同位数标记来在机理研究中常常用同位素效应和同位数标记来 确定反应历程。确定反应历程。 1. 同位素效应同位素效应 最常用的是用氘来代替氢，当反应底物中的一个最常用的是用氘来代替氢，当反应底物中的一个 原子被它的同位素取代后，原子被它的同位素取代后，对它的化学反应性没对它的化学反应性没 有影响，但反应速度有显著的影响有影

21、响，但反应速度有显著的影响。 同位素效应分同位素效应分一级同位素效应一级同位素效应和和二级同位素效应。二级同位素效应。 一级同位素效应：一级同位素效应：在决定速度步骤中与同位素在决定速度步骤中与同位素 直接相连的键发生断裂的反应中所观察到的效直接相连的键发生断裂的反应中所观察到的效 应应, 其值通常在其值通常在KH/KD = 27。 (CH3)2CC O C(CH3)2 + OH- H*H* (CH3)2CC O C(CH3)2 H* H*OH- (CH3)2CC O- C(CH3)2 H* kH/kD = 6.1 过渡态 2. 同位素标记同位素标记 RC O OR + H2O18 OH- RC O O18H + ROH 七、七、 溶剂效应溶剂效应 Solvent effect 是指由于溶剂的影响使化学平衡、化学反应速度以及是指由于溶剂的影响使化学平衡、化学反应速度以及 其它化学性能发生改变的一种效应其它化学性能发生改变的一种效应。 溶剂的介电常数对它的适应电荷分离的能力有重大的溶剂的介电常数对它的适应电荷分离的能力有重大的 影响，介电常数是随分子永久偶极矩和它的可极化性影响，介电常数是随分子永久偶极矩和它的可极化性 而改变的，随偶极矩和可极化性的增加而变大。而改变的，随