高等有机化学分子结构与化学活性间的定量关系课件

第四章分子结构与反应活性间的定量关系前面我们讨论了分子结构和化学性能之间的关系，如电子效应、溶剂效应和空间效应。但是上述讨论只限于定性。这一章节将分子结构及其反应活性联系起来，建立一方面能够解释反应机理，预测反应速度和平衡的有关关系式。在这里重点介绍哈米特方程式（hammett）。§4-1哈米特方程式

一、哈米特方程式的建立

37,38年L.P.Hammett分别在美国和英国化学会志上发表了一系列羧酸酯的水解反应速度常数k与相应羧酸在水中的离解常数Ka的关系。以lgk为纵坐标，lgKa为横坐标作图，发现间位和对位取代的苯甲酸衍生物有良好的线性关系。但是邻位取代苯甲酸衍生物和脂肪酸衍生物却不是这样。苯甲酸及其对位取代衍生物仍在一条直线上，而O-NO2和O–Cl苯甲酸衍生物远离于直线的一边，乙酸和乳酸则远离于直线的另一边。取代苯甲酸乙酯碱性水解反应常数与相应羧酸离解常数的关系羧酸乙酯碱性水解反应常数与相应羧酸离解常数的关系解释：决定化合物化学性质的因素有两种：一是电子效应；二是空间效应。有时其中一个效应占优势，有时另一种效应占优势。有时两者协同作用，有时两者起相反作用。邻位：邻位取代苯甲酸衍生物偏离直线的原因主要是空间效应。间位和对位：由于远离反应中心，不能产生空间效应，因此影响它们水解的主要因素是电子效应。哈米特经过反复的实践，推出了有名的哈米特方程。

lgk=rlgKa+c(y=bX+c)是一个直线方程，其中r为直线的斜率，c为直线的截距，两者都是常数。进行其他化学反应时，如醇解反应，所测定的反应速度常数照同样方式作图，也得线性关系，只是斜率和截距不同。由此可见这种线性关系具有一定的普遍性。对于未取代苯甲酸酯和苯甲酸也可以写出同样的方程式。那么如何确定上述两个常数s和

r呢？哈米特指定间位和对位取代的苯甲酸在水中25oC时的离解作为标准参考反应，并且人为地规定取代苯甲酸在水中的离解反应常数

r=1.00,然后用测定各种取代苯甲酸的离解常数的方法，确定一系列取代基的取代基常数s。由公式

s=lgKa-lgKa0=-lgKa0-(-lgKa)=pKa0-pKa也就是说

s

常数是苯甲酸和相应的取代苯甲酸在水溶液中25

oC时的pKa值之差。如：sp-NO2=4.20-3.12=0.78sm-NO2=4.20-3.49=0.71sp-CH3=4.20-4.27=-0.07请看第83页的表4-1上述的取代基常数s值反映某一取代基的特性，它并不依赖于反应常数r，即与反应类型无关。因此，我们可以用以给出的s值，按公式

lgk/k0=rs计算出其它反应系列的反应常数

r。一般可采用图解法进行求解。从实验测得未取代苯衍生物的反应速度常数

ko

以及至少三个不同的取代苯衍生物的反应速度常数k，并知道这些基团的s值，就可以lg(k/ko)为纵坐标，相应的s值为横坐标作图，则得到一条直线，该直线的斜率既是这类反应的r值。对于反应平衡常数K的

r

值可用公式

lgK/K0=rs以类似方法求得。部分反应常数

r值，请看第83页表4-2。二．s

和

r的意义（一）取代基常数s

取代基常数s，也叫取代基特性常数或取代基极性因数。它表示取代基电子效应的大小，即接受电子或共给电子的大小；或者说取代基在反应中相对于氢原子的极性效应的相对度量。由公式s=lgKa-lgKao，可知当

s>0，即

s

为正值时Ka>Kao，该取代基使苯环电子云密度降低，表现为吸电子基；反之，s<0，即s为负值时Ka<Kao，该取代基使苯环电子云密度增加，表现为给电子基。因此取代基常数s反映了相应取代基电子效应的大小和方向。例如：

r为正值时，表示反应物的反应中心，在决定反应速度步骤的过渡态或中间体比起始态具有更多的负电荷。取代苯甲酸在水中离解的过渡态，

‡

表示过渡态。从过渡态中看出，s为正值时的吸电子基使O--H之间的电子云密度变小，从而促进了取代苯甲酸的离解。显然，当s<0，即取代基常数为负值时，rs也为负值，这时k<k0，说明给电子基使反应速度小于没有这种取代基的反应速度。r

为正值反应有：1）羧酸的离解2）苯酚的离解3）亲核反应如芳香族酰氯的水解、氨解和醇解；芳香族酯的水解、氨解和酯交换；芳香族醛与亲核试剂-OH-CN等的加成等。例如芳香族羧酸酯的水解：r=+2.61当R为吸电子基，有利于过渡态负电荷的分散，从而使活化能降低，以致反应速度加快，反则反之。r为负值，即r<0的反应

在图中直线II。这是一个相反的情况，即只有给电子基使反应加速，吸电子基使反应减慢。在横坐标0的左边

s

值（s

为负值）的绝对值增大，直线II上升，这时k/k0>1。s绝对值越大，给电子取代基对反应增速越快。在0的右边s值（s

为正值）的增大，该直线下降，这时k/k0<1。

前面已经讲过，正的r值表明过渡态或中间体比起起始态有更多的负电荷。因此负的r值表明它有更多的正电荷（或负电荷有所减少）。给电子的取代基有利于ArCH2+

的稳定，故反应速度加快。这类反应包括：芳环上的亲电取代反应、芳胺或芳氧负离子作为亲核试剂的反应。又如2-芳基-2-氯丙烷的水解反应，有碳正离子中间体形成，但是带有给电子取代基p-CH3O-andp-CH3-的氯化物水解，比预期的快，因此它们在直线的上部。表明在某些情况下s

值有偏差，需要进行修正。

产生偏差的原因：取代基和反应中心存在着直接的共轭离域作用。例如：间位可用s，为什么？由共振式可以看出，对位取代基的共轭效应，可直接传递到反应中心与苯环直接相连的带负电荷的氧原子上，或直接传递到与苯环相联接的带正电荷的碳原子上。取代基对反应中心的影响由于直接共轭而特别强烈，致使该负离子或正离子特别稳定，从而大大促进反应进程。和标准反应中的取代苯甲酸负离子相比情况不同。如：从上述共振式中看出，对位硝基只有通过连于苯环上的碳原子才能传递到反应中心氧原子上。因而以此为标准所得到的s

值对前两个例子是不适用的，因为它未能包括那种强烈的直接共轭所引起的作用。为了解决上述偏差，人们通过实验提出了修正s

的二组常数，分别用s+

和s-标记。当过渡态或中间体出现正电荷并能与取代基发生直接的共轭相互作用时，使用s+

值：而s-值则使用于取代基和富电子中心有直接共轭相互作用的反应。87页的表4-3列出了有些对位取代基的s+

和s-值。例如：对芳环的亲电取代反应，使用s值作图不能得到一条好的直线，而用s+值代替的时候得到很好吻合的直线。见87页图4-3。例2已知苯乙酸的pKa=4.31，求对氯苯乙酸的pKa？查表可知sp-Cl=0.23和r=0.56，再根据公式；pKa=pKa0-rs=4.31-0.56x0.53=4.18实测值4.19目前哈米特方程的应用范围还在扩大。例如。就酸性强的Ka的考察来说，哈米特方程不仅适用于苯环，也适用于以下各种类型的化合物：(二)研究反应机理

r

值符号和数值的变化能提供一个在决定反应速度的步骤中从起始物转变成过渡态或中间体时电荷变化的有用信息。r值为负值表示在决定总反应速度步骤过渡态或中间体中出现正电荷（或者消失负电荷)；r值为正值表示在该渡态或中间体中出现负电荷(或者消失正电荷)；例：芳香族磺酰氯的水解，在不同条件下，有两种截然相反的r

值。在水中15oC时r=-0.30出现正电荷或负电荷降低在丙酮中15oC时r=+0.84出现负电荷或正电荷降低从上述数据可以推测，不同的反应机理。§4-2其它方程式活化自由能（DG‡）为起始体系的初态与反应进程中过渡态之间的自由能之差。反应速度决定于活化自由能的大小。活化自由能有以下三部分组成：DG‡

=P+R+S

P=极化程度取代基的吸电子或给电子的诱导效应部分R=共轭效应或共振效应部分S=空间效应部分其中P，R可由取代基常数s，s+,s-值进行度量。S是由于取代基的大小和形状而引起的取代基效应，它与分子的总能量有关。事实上对反应活化能的影响，还有溶剂效应以及进攻试剂的性质等的影响，下面对这些因素做一下简单介绍。反应常数r*是衡量一个特定反应对诱导效应的反映。例如：在这个系列中，母体化合物是叔丁基氯，其反应速度常数作为ko，其∑s*为零(甲基的s*值为零)。一系列其它化合物根据速度常数(k)和s*Taft

作图如：上记曲线表明相当拥挤的叔氯代烷，如甲基二异丙基甲基氯代烷也接近相关线性。因此，可以只考虑诱导效应的作用。更拥挤的作用物，如甲基二新戊基甲基氯代烷，则反应进行得比用s*值预计的快。如果考虑进去空间效应，塔夫脱方程可以改写成：

logk/k0=s*r*+sEs其中s为反应对空间效应的敏感性，Es为各基团相对于甲基的空间效应。这就可以很容易从脂肪酸酯的酸催化水解得到空间取代基常数Es。由于这个反应的

r

为假定为零，则塔夫脱空间效应方程式可以简化为：

log(k/k0)=sEs这里指定脂肪酸酯的酸催化水解反应的s

为1，则直接得到需要的Es值（见表4-4）在表4-4中可以看出，s*值是有加和性的。烷基：CH3-0.00CH3CH2-减少0.1-0.10(CH3)2CH-减少2x0.1-0.19(CH3)3C-减少3x0.1-0.30苄基C6H5CH2-