分子結(jié)構(gòu)和反應(yīng)活性之間的定量關(guān)系

分子結(jié)構(gòu)和反應(yīng)活性之間的定量關(guān)系第1頁/共34頁Hammett在水中于25℃比較了苯甲酸和各種取代苯甲酸的解離常數(shù)。它發(fā)現(xiàn)苯甲酸和對位和間位取代苯甲酸的解離常數(shù)之比是個常數(shù)：

KH

苯甲酸的解離常數(shù)。KX

各種取代苯甲酸的解離常數(shù)。lgKX／lgKH＝s

第2頁/共34頁當(dāng)苯環(huán)上具有吸電子基團時，使羧基的解離度增大，則σ為正值；當(dāng)苯環(huán)上具有給電子基團時，使羧基的解離度減小，則σ為負值。對位和間位取代苯甲酸的Hammett常數(shù)不同。鄰位取代苯甲酸的lgKX／lgKH與s不成直線。原應(yīng)是鄰位取代基與COOH之間的空間效應(yīng)干擾了COOH與苯環(huán)的電子效應(yīng)（共軛效應(yīng)）。

Para

vsMetaSubsituents:ResonanceandInductiveEffects第3頁/共34頁Substituent(X)KaPara-pKas

psmOCH33.5x10-54.46-0.268+0.115CH34.3x10-54.34-0.170-0.069H6.46x10-54.190.000.00Cl1.10x10-43.96+0.227+0.373NO23.90x10-43.41+0.778+0.710

由苯甲酸和各種取代苯甲酸的解離常數(shù)所得的

Hammettconstants

s第4頁/共34頁Hammett還將水中于25℃苯乙酸和各種取代苯乙酸的解離常數(shù)與苯甲酸的解離所得的s值作圖，直線的斜率發(fā)生了變化。他認為直線的斜率與反應(yīng)的性質(zhì)有關(guān)，因此，將直線的斜率r稱為反應(yīng)系數(shù)。lg(Kx／KH)=rs

r＝＋0.489第5頁/共34頁Hammett還將水中于25℃苯丙酸和各種取代苯丙酸的解離常數(shù)與從苯甲酸所得的s值作圖，也符合直線關(guān)系。直線的斜率r也不同。

r＝＋0.212lg(Kx／KH)=rs第6頁/共34頁Hammett還比較了其它化合物的電離常數(shù)與s之間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)都具有良好的直線關(guān)系。直線的斜率r也各不相同。如：1.苯酚和各種取代苯酚的電離。

r＝＋2.113第7頁/共34頁2.肉桂酸和各種取代肉桂酸的電離。

r＝＋0.4663.苯銨離子和各種取代苯銨離子的電離。

r＝＋2.767第8頁/共34頁比較上述不同化合物電離的反應(yīng)系數(shù)r

可以看出，反應(yīng)系數(shù)r代表著反應(yīng)中心的電荷對各種取代基變化的敏感程度。r值越大，表明反應(yīng)中心的電荷對各種取代基變化的敏感程度越大。

r＝＋0.212r＝＋0.489

r＝＋1.00第9頁/共34頁Hammett還比較了各種苯衍生物和各種取代苯衍生物的α碳上化學(xué)反應(yīng)的平衡常數(shù)K與s之間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)也具有良好的直線關(guān)系。直線的斜率r也各不相同。如：1.苯甲酸乙酯和各種取代苯甲酸乙酯的酸催化水解反應(yīng)。。lg(Kx／KH)=rs

r＝＋0.144第10頁/共34頁2.苯甲酸乙酯和各種取代苯甲酸乙酯的皂化反應(yīng)。3.苯甲醛和各種取代苯甲醛與KCN的反應(yīng)。

r＝＋2.460

r＝＋1.492第11頁/共34頁4.氯化芐和各種取代氯化芐的水解反應(yīng)。5.三苯甲基氯和各種取代氯化芐的電離。

r＝－1.688

r＝+3.974第12頁/共34頁5.消去反應(yīng)的相對速率常數(shù)如下：取代基：m-Clm-Fp-Clm-MeOHm-Mep-MeO相對速率kX/kH71.381.000.770.60

以lgkX/kH對s值作圖。求得直線斜率即為反應(yīng)常數(shù)。

r＝1.00第13頁/共34頁反應(yīng)系數(shù)r代表著反應(yīng)中心的電荷對各種取代基改變的敏感程度。r值越大，表明反應(yīng)中心的電荷對各種取代基變化的敏感程度越大。Hammett常數(shù)s-取代基常數(shù)。s表示芳環(huán)上取代基改變苯環(huán)側(cè)鏈反應(yīng)中心的電子云密度之能力的尺度。s為正值表示吸電子效應(yīng)；絕對值越大，影響也大。s為負值表示給電子效應(yīng)；絕對值越大，影響也大第14頁/共34頁Ontheotherhand,ifρisnegative,itindicatesthatsubstituentsaffectthereactionintheoppositewayfromthestandardreaction,i.e.,EWG’sslowthereactionrateorsuppresstheequilibriumandEDG’sacceleratetherateorfavortheequilibrium.Sincethebenzoicacidionizationgeneratesanegativelychargedproduct,andthiscorrespondstoapositiveρvalue(bydefinition),anegativeρcorrespondstothedevelopmentofpositioncharge(orthequenchingofnegativecharge).第15頁/共34頁哈米特(Hammett)方程之所以用途如此廣泛，是由于它反映了取代基的極性效應(yīng)對由反應(yīng)物到產(chǎn)物自由能變化的線性關(guān)系。平衡常數(shù)與自由能有如下關(guān)系：自由能的變化取代基的極性效應(yīng)s呈線性關(guān)系第16頁/共34頁1.Hammett發(fā)現(xiàn)在苯酚、苯胺類化合物的反應(yīng)性質(zhì)中，應(yīng)用σ常數(shù)常會出現(xiàn)較大偏離，只有取代基在間位時可得到較好的關(guān)系。這是由于對位取代基與反應(yīng)中心發(fā)生了通路共軛（直接共軛）(Throughresonance)的關(guān)系。OH基的酸性較強，NO2若采用s值則所得數(shù)值偏低，必須采用較s高的數(shù)值才能得到較好的相關(guān)。這種增大了的σ值稱為sy。2.1.2芳香族親電取代的Hammett方程第17頁/共34頁間位取代基對反應(yīng)中心的電性影響主要為誘導(dǎo)效應(yīng)（包括場效應(yīng)），而對位取代基的影響為誘導(dǎo)效應(yīng)與共軛效應(yīng)之和。sy由測定苯銨離子和對位各種取代的苯銨離子的酸度函數(shù)確定的。第18頁/共34頁2.

當(dāng)反應(yīng)中心的正電荷受給電子基團（特別是帶孤電子對的基團）的影響發(fā)生離域化作用時，σ必須用s⊕代替才能得到更好的相關(guān)關(guān)系。s⊕由氯代異丙苯及對位取代氯代異丙苯的水解速度比值求得的。第19頁/共34頁當(dāng)取代基為給電子基團時sp⊕>sp，當(dāng)為吸電子基團時sp⊕=sp

。如用單取代的苯進行溴化反應(yīng),得到如下的分速率因子(kf):取代基：p-Mep-But

m-Mem-ButHp-Clp-Brkf58.938.92.512.571.000.220.15指出適合用Hammett方程s⊕值的kf，確定反應(yīng)的r值,預(yù)測p-F的kf值。以lgf

對s⊕值作圖。求得直線斜率即為反應(yīng)常數(shù)。r＝-5.95由p-F的s⊕值，從直線上可求出其kf＝2.53。第20頁/共34頁在醇脫水的反應(yīng)研究中測定了下列化合物的速率常數(shù)，當(dāng)個苯環(huán)上過的取代基X和Y同時改變時，發(fā)現(xiàn)只要用一個和Hammett方程有關(guān)的方程就和將這些結(jié)果關(guān)聯(lián)起來：

拭解釋這個方程中x＋和y的意義。系數(shù)0.23的作用是什么？第21頁/共34頁RemoteSubstituentEffectsonHomolyticBondDissociationEnergies

YaoFu,

LeiLiu,*

Bo-LinLin,

YiMou,

Yu-HuiCheng,and

Qing-XiangJ.Org.Chem.,68(12),4657-4662,2003

第22頁/共34頁Abstract:

Inthestudywetriedtoanswertwoquestions.First,doesX-Zhomolyticbonddissociationenergy(BDE)ofY-C6H4-X-ZobeytheHammettrelationship?Second,ifitdoeswhatfactorsdeterminethemagnitudeandsignoftheslope(+)ofHammettregressionagainstsubstituent

p+constants?WecollectedalargenumberofX-ZBDEsforoverone-thousandY-C6H4-X-ZsystemsusingtheRMP2/6-311++G**//UB3LYP/6-31G*method.WefoundthatremotesubstituenteffectsonX-ZBDEsaredeterminedbyboththegroundeffect(i.e.stabilization/destabilizationofX-Zbythesubstituents)andtheradicaleffect(i.e.stabilization/destabilizationofXbythesubstituents).ThegroundorradicaleffectisdeterminedbytheelectrondemandofX-ZorXinthesamewayasthedeprotonationenthalpyofHOOC-C6H4-X-ZorHOOC-C6H4-XisaffectedbyX-ZorX.Asaresult,+(BDE)forX-ZbondhomolysiscanbequantitativelypredictedbyusingthechangeindeprotonationenthalpyfromHOOC-C6H4-X-ZtoHOOC-C6H4-X.第23頁/共34頁2.2塔夫脫(Taft)方程

Taft方程是研究脂肪族體系的取代基與反應(yīng)速率或平衡常數(shù)之間關(guān)系的.＊為極性取代基常數(shù)，只涉及誘導(dǎo)效應(yīng)；r＊

稱為反應(yīng)常數(shù)。k表示α位上取代基常數(shù)；k0為乙酸乙酯的水解速率常數(shù)或平衡常數(shù)。第24頁/共34頁s*為Taft采用乙酸乙酯與取代乙酸乙酯在酸性（A）和堿性（B）催化下水解速度比值的對數(shù)之差所求得的參數(shù)。

s*=[lg(KX/KH)B-lg(KX/KH)A]/2.48在堿性水解時，取代基對速率的影響有電性效應(yīng)和位阻效應(yīng)（空間效應(yīng)）兩方面，而酸水解時，取代基對速率的影響只有位阻效應(yīng)，因而兩者之差表達了電性效應(yīng)。

第25頁/共34頁取代基

s*取代基

s*取代基

s*

Cl3C－2.65H0.49

CH3-0.00

Cl2HC－1.94ClH2CCH20.38CH3CH2-0.10

CH3CO-1.65PhCH2=CH0.41C6H11-

-0.15ClH2C－2.72CH2=CH-0.36

i-Pro－-0.19Ph－1.05PhCH20.22

t-Bu--0.30Taft極性取代基常數(shù)s*第26頁/共34頁2.3蔣明謙誘導(dǎo)效應(yīng)指數(shù)方程

蔣明謙誘導(dǎo)效應(yīng)指數(shù)方程是用來計算脂肪族非共軛體系中取代基誘導(dǎo)效應(yīng)大小簡便方法。它是一種按照分子結(jié)構(gòu)，并考慮成鍵原子電負性x和共價鍵長r（原子半徑之和）的一種經(jīng)驗公式。

I＝i0+iI表示A-B鍵整個的極性強度。I0表示分子中B原子本身對

A－B鍵極性的貢獻。I表示分子中B原子上所帶基團對

A－B鍵極性的貢獻。

第27頁/共34頁分子中共價鍵的極性：XB為B原子的電負性，XC為C原子的電負性。R為鍵長。第28頁/共34頁蔣明謙以H原子作為標(biāo)準，采用α＝2.7，

以及Pauling電負性x值和原子共價半徑r值，計算一系列無機和有機基團誘導(dǎo)效應(yīng)指數(shù)I。基團IX102基團IX102F33.14CH3-0.90Cl13.68NR26.38Br9.92N+R366.64I5.33NO258.34OR13.38C=O52.08第29頁/共34頁

蔣明謙誘導(dǎo)效應(yīng)指數(shù)方程的應(yīng)用1.R-CN,R-Cl,R-Br,R-I等同系物的偶極矩與I呈線性關(guān)系：

μ＝aI+b2.在一定結(jié)構(gòu)中。共價鍵鍵能E與I呈線性關(guān)系：

E＝aI+b3.在

R-XR+＋X-

反應(yīng)中，反應(yīng)熱和I呈線性關(guān)系：

ΔH＝aI+b4.在烷烴，鹵代烷，醇，硫醇，醛酮，羧酸