2024年3月31日发(作者：李又香)
第四章分子结构与化学活性间的定量关系
哈米特（Ｈａｍｍｅｔｔ）方程式
哈米特（Ｈａｍｍｅｔｔ）方程式的推广及应用
（t,JACS,1937,59,96）
COOH
X
H
2
O
X
COOH
3
O
对于苯甲酸的电离,Hammett定义
Ka
σ=log
Ka
(1)
o
方程(2)被称为Hammett方程，如果用图表示则是一种线
性的关系。人们发现许多反应服从Hammett的线性关系,这
说明取代基对于不同的反应具有类似的作用。
此外，许多反应如果用相应的速率常数而不是平衡常数，
那么也常常可以得到类似的线性关系。
即用速率常数数据，同样有：
方程(2)和(3)中的平衡常数和速度常数如果用反应的自由能和
活化自由能来表示,我们有方程(4)和(5).因为:
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1
一些典型的取代基的σ常数
σ常数的物理意义
σ常数量化了取代基的电子效应。
根据定义可以很容易理解：
σ>0,说明取代基比氢的吸电子能力更强；
σ<0,说明取代基比氢的给电子能力更强。
取代基
AcO
MeCO
NH2
AcNH
Me
Br
Cl
F
HO
MeO
CF3
CN
NO2
Me3N⊕
σm
+0.39
+0.36
-0.09
+0.14
-0.06
+0.37
+0.37
+0.34
+0.15
+0.16
+0.46
+0.62
+0.71
+0.99
σp
+0.31
+0.47
-0.30
0.0
-0.14
+0.26
+0.24
+0.15
-0.38
-0.27
+0.53
+0.70
+0.81
+0.96
Taft,.1991,91,165.
σ值的符号和大小反应了该取代基对其环境施加电子
上的影响的能力。
取代基效应是由几种效应组合的结果:
i)共轭作用（MesomericEffectorResonanceEffect）；
ii)诱导效应（InductiveEffect）和场效应(FieldEffect)，
统称为极化效应。
从σ常数的数值可以看出σm的顺序和给电子－吸电子的顺序
相同,故σm表示总的极化效应对反应中心的影响。因为间位上
取代基的共振效应不会传递到反应中心上。
σp-OMe=-0.27，表明它是推电子的；
而σm-OMe=+0.16,说明它是吸电子基
与σm相对应的σp表示总的极化效应+总的共振效应。此时
对位上的取代基的共振作用将会传递到反应中心上。
对于有共轭效应的基团，由于对位的共轭效应更有效，
则σ
p
>σ
m
.
例：
NO
2
的σ
p
更负
反应常数ρ的物理意义
反应常数ρ值表示反应中心受苯环上对位或者间位取代基
影响的敏感程度。
OMe:σ
p
<0,σ
m
>0(p,+C;m,-I)
t反应常数ρ
各种间位和对位取代苯甲酸乙酯的碱性水解：
lg
k
=
ρσ
k
o
例如，从以下的反应可以看到反应常数的大小说明取代基
对于反应的影响程度。
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2
取代基常数也可以是负值。如果ρ<0，则说明苯环上取
代基对于该反应的影响与取代基对于苯甲酸电离的影响相反。
例如以下的反应：
上述反应如果是S
N
2机理，则表明HO
－
进攻时已经
有相当程度C－Cl键的断裂，因而苄基碳上带有部
分的正电荷。
归纳如下：
lg
k
=
k
o
ρσ
即k>k
o
吸电子基加速反应
即k 即k>ko供电子基加速反应 即k 吸电子基不利反应 ρ>0,σ>0, ρ>0,σ<0, ρ<0,σ<0 ρ<0, σ>0 ρ=0 运用Hammett方程最方便的方法是 用log(k/kH)或log(K/KH)作为Y轴,σ作为X轴作图,线性回归以后得 到直线的斜率即为该反应的反应常数ρ。 我们将能够得到以下几个方面的信息: 1)较好的直线关系表示Hammett方程是有效的。 2)直线的斜率表示该反应的ρ值。 3)ρ>0,表示取代基对该反应的影响和对苯甲酸电离的影响 是同方向的。也就是说,吸电子基团增加平衡常数(或速度 常数)。 4)ρ>1,说明该反应比苯甲酸的电离更为敏感地受取代基 的影响。 5)0<ρ<1,吸电子基团仍然增加速率或平衡常数,但其程 度小于苯甲酸酸的电离。 取代基对反应速率影响不大 Create PDF with GO2PDF for free, if you wish to remove this line, click here to buy Virtual PDF Printer 3 一些实例 6)ρ<0,说明取代基效应和苯甲酸电离相反, 即供电子基团增加反应常数。 7)较小的ρ值通常表示反应过程中可能有自由基中间体, 或者存在一个没有很多电荷分离的环状结构 （比如Diels-Alder反应）。 8)有时logk或logKvsσ没有很好的线性关系， 例如有时可以得到两条不同斜率的直线。 这常常表明取代基的改变使反应机理发生了变化, 或者是多步反应的决速步发生了改变。 反应常数ρ的物理意义的实例分析 参看例1)的反应： 在决速步反应中心产生正离子，故供电子基团，例如p- OMe，将会使得过渡态稳定，从而加速反应，所以ρ<0。 再看例10)的反应。 例ρ=-5.0 Ph ArCCl H O ArCOC 2 H 5 -Cl Ph ArC H O ArCOC 2 H 5 OH C 2 H 5 OH Ph ArCOC 2 H 5 H 由于反应中心相邻的位置上产生负电荷，所以供电子基 团使得反应减速，因此，ρ>0。 所以ρ的符号说明了反应中心的带电荷情况， ρ>0反应中心形成了负电荷（或者失去了正电荷）； ρ<0说明反应中心形成了正电荷（或者失去了负电荷) OH O ArCOH OC 2 H 5 ρ=+2.5 Create PDF with GO2PDF for free, if you wish to remove this line, click here to buy Virtual PDF Printer 4 Wittig反应,ρ=2.7 ρ=-2.69 NH 2 HPh HNCO Cl PhCOCl -H X Ph HNCO Cl X Ph HNC O Cl X Ar 3 P 例: CO 2 Et X H O 速控步骤 ρ=2.7 CO 2 EtX 快 3 r P O X CO 2 EtX A 快 X EtO 2 C 3 r P O A Hammett方程的应用 例1已知在25℃水溶液中，肉桂酸电离反应的 反应常数ρ=+0.47，电离常数K H =3.6510 -5 取代基 的σ p-NO2 =-0.069。 求对硝基肉桂酸电离常数和间甲基肉桂酸电离常数。 解：对硝基肉桂酸电离常数和间甲基肉桂酸 电离常数可由Hammett方程求之。 lg(Kp-NO2/KH)=ρσp-NO2=0.47 则Kp-NO2=8.4910 -5 0.78=0.37 lg(Km-Me/KH)=ρσm-Me=0.47(-0.069)=-0.032 则Km-Me=3.3910 -5 与肉桂酸相比，对硝基肉桂酸电离常数比 肉桂酸电离常数增大了近1000000倍， 间位甲基衍生物的电离常数略有减小 σ ＋ 和σ － 常数 例2已知苯甲酸乙酯水解时ρ=2.38,ko=210-4。 求间硝基苯甲酸乙酯的反应速率常数k m 值。 当反应位点和取代基直接发生共振作用时,取代基的σp常 数有时不能成功地和平衡常数或速度常数相关联(即不能有 好的线性关系)。例如以下苯酚的电离反应： 解查表知σm-NO2=0.71，代入Hammett方程 lgkm/ko=σρ=0.712.38 km/ko=49,km=9810- 4 mol-1·s-1 Create PDF with GO2PDF for free, if you wish to remove this line, click here to buy Virtual PDF Printer 5 显示p-NO2苯酚和p-CN苯酚的酸性比预想的要大，因为p- CN和p-NO2对于苯酚的电离,除了诱导效应之外还有通过苯 环与反应中心直接的共振作用。这种直接的共振作用称为贯 穿共轭（ThroughConjugation）。而这种贯穿共振所产生的 额外的稳定化作用并没用包含在p-NO2常数上,因为苯甲酸电 离后产生的-CO2-不能直接和任何苯环上的取代基发生共振 作用。 可以用取代苯酚的电离作为标准反应来建立另一套取代基 常数σp-。新的常数可以用来研究那些能发生贯穿共振 (Through-Conjugation)的反应。 可以先用间位取代的苯酚来确立反应的ρ值(+2.01 此时没有贯穿共振),然后用对位取代的数据根据Hammett 方程来计算σp： 类似地，对于有正离子参与的反应也存在同样的问题。 例如下式的反应： 和取代苯酚的电离类似，有几个点是偏离直线的。p-OMe取 代的和p-Me取代的底物比预想的速度快,这也是由于贯穿共振. 同样,用这个反应作为标准,确定了一组新的σ + 。 σ ＋ 是由枯基氯，或称为异丙苯基氯（CumylChloride）的水解 反应来定义。用间位取代的一系列化合物可以求得反应常数ρ =-4.45，再由此反应常数定义对位取代的取代基常数σ ＋ Create PDF with GO2PDF for free, if you wish to remove this line, click here to buy Virtual PDF Printer 6 反应中心对于电子的要求根据不同的反应而异,所以贯穿 共振也因不同反应而异。为了衡量这种不同反应所受贯穿效 应影响的不同，Yukawa和Tsuno在Hammett方程中引入一个 新的参数来体现这种差异。 o JACS,80,4872(1958). 如果反应中心形成了负电荷则式中的σ ＋ 用σ － 代替 例如:碱催化下取代的苯氧三乙基硅烷的水解反应。实验测 得下式反应的ρ=+3.52,ρ=0.50。 表明在决速步时,过渡态 已有相当程度键的断裂，但是和标准反应（用于定义σ＋的2 －芳基－2－氯丙烷的溶剂解反应，ρ=－4.45,r=1）相比 仍有差距。在这里r的大小反映了当反应处于过渡态时键断 裂程度的大小。 上式称为Yukawa-Tsuno方程。r因反应不同而异,数值在 0~1之间。它反映了附加的贯穿共振作用的程度。大的r值对 应于一个具有较大共振成分的反应;当r=0时,方程和原始的 Hammett方程相同。当和富电子中心直接的共振作用时,可 以用σ＋代替σ－来应用方程。 Hammett线性自由能相关在机理研究中的应用实例： 例1.向上弯曲的Hammett曲线(Concaveuploads) Acetoxy乙酰氧基；Bs=p-BrC 6 H 4 SO 2 Create PDF with GO2PDF for free, if you wish to remove this line, click here to buy Virtual PDF Printer 7 两种化合物由于是非对映异构体(diastereoisomer)，因此有 可能用常规的柱色谱方法分开，或者其比例可以用1HNMR光 谱方法确定。实验结果如下： 实验结果验证了反应机理随着取代基变化的推断。当取代 基为p-OMe时，反应完全按照三员环中间体的机理，得到构型 保持的产物；而当取代基为p-NO2时，反应几乎完全按照SN1机 理进行。 例 2 R在99.9%H 2 SO 4 中的水解。 ρ=-3.25说明反应不是AAC2(Acid-Catalyzed,Acyl-Oxygen Cleavage,Bimolecular)机理 对于以下的质子酸催化水解，已知其为AAC2机理，反应常数 为+0.03，与本实验中的反应常数截然不同。 Create PDF with GO2PDF for free, if you wish to remove this line, click here to buy Virtual PDF Printer 8 可以考虑有这样的机理，在决速步，没有包括水，而是在 反应中心产生相当的正电荷。这种反应途径称为是AAC1机理 （Acid-CatalyzedAcyl-OxygenCleavage,Unimolecular），它与 目前得到的反应常数的数据吻合。 对乙酯的水解，从某处开始，随着取代基变得更为吸电子， 曲线发生变化，最后变为另一条直线ρ=+2.0。一个正的ρ值 表明在决速步，反应中心的正电荷在减少，可以考虑的另一 个机理是乙氧基的O-Et键首先断开，这样的机理称为是 A AL 1(Acid-CatalyzedAlkyl-OxygenCleavage,Unimolecular)。 在决速步，失去CH 3 CH 2 ＋ 使得反应中心的正电荷减少 因此得到正的反应常数。而对于甲酯的水解，由于CH 3 ＋ 比 CH 3 CH 2 ＋ 更加难以形成，使得A AC 1→A AL 1的移动很困难。 例3.向下弯曲的Hammett曲线（Concavedownwards derivations） （Cyclodehydrationof2-phenyltriarylmethanols, al.,JACS1967,89,2342） 可以提出以下的反应机理： 图的左边ρ=＋2.67，且对σ＋具有更好的线性相关说明过渡 态正电荷减少，对应于第3步。 Z＝MeO时，通过贯穿共振作用稳定碳正离子中间体，这样 正电荷被分散，使得对苯环的亲电进攻变慢，从而导致第3步 成为反应的决速步。 Create PDF with GO2PDF for free, if you wish to remove this line, click here to buy Virtual PDF Printer 9 另外，对右边的化合物的反应活化熵△S≠处于-1.0~+4.4eu， 水分子消除和碳原子从sp3→sp2杂化对△S≠没有很大影响， 而第三步的环化要求较大程度的有序排列， 所以△S≠=-4.9~-16.7eu。 小结：上述三个例子均是Hammett相关偏离直线的情况，对于 实验数据的仔细分析可以得到有用的机理信息。 要点归纳： 1)凹面向下的Hammett图是一种多步反应机理中速控步骤有 变化时所表现的特征。可以证明对于一个两步反应的机理，无 论形成的中间体的电性是正还是负，改变取代基使得决速步发 生变化的结果均会产生凹面向下的Hammett图。 例如 当X为供电子基团时，使中间体稳定，因此k1大， 而k 2 减小，此时k 2 为决速步。而对第二步反应，电子效 应的作用与苯甲酸电离同方向，即ρ＞0相于曲线的左 边。当X为吸电子基时，k1成为决速步，即ρ＜0。 2)而两种不同机理的竞争常常产生凹面向上的Hammett 图。有时改变取代基会使反应机理发生变化。比如存在着两个 活化能相近的途径，但各个途径有不同的电子要求，这时就常 发生这样的现象，体现在Hammett图上的结果是斜率的突然改 变。 ,JACS,89,2342(1967)。 .35,1387(1970) Create PDF with GO2PDF for free, if you wish to remove this line, click here to buy Virtual PDF Printer 10 讨论题 1、举例说明Hammett方程在研究反应机理中的应用. 思考题 1.已知对氯苯甲酸的pka为3.98，苯甲酸的pka为4.19， 计算对氯苯甲酸的σ值。 2、氢键的类型、产生的条件及对有机化合物性质的影响 7-1N,N-二甲基苯胺与碘甲烷在90%丙酮中反应， 测得ρ=-3.30，使试提出反应机理！ 7-2已知苯酚的pKa=10,δ m-NO2 =+0.710,，苯酚在水中 （25C）时电离ρ=2.11，求算间硝基苯酚的pKa的值。 pKa=8.5 N(CH 3 ) 2 N(CH 3 ) 3 + + + X CH 3 X Create PDF with GO2PDF for free, if you wish to remove this line, click here to buy Virtual PDF Printer 11 7-3估计下列反应的ρ值是正值还是负值？ （Ar—表示可以改变取代基的苯环） 1 2 3 4 ArCH 2 Cl +I - ArCH 2 I + Cl - 5 ArSO 2 Cl+ AlCl 3 ArSO 2 + + AlCl 4 - C 6 H 6 ArSO 2 C 6 H 5 + H + S ArCH N H CH 2 CHCOOH 6 ArCHO + HSCH 2 CHCOOH NH 2 + ArNH 2 +C 6 H 5 COCl ArCOCl ArO - + + C 6 H 5 NH 2 H 2 C O CH 2 C 6 H 5 CONHAr+ HCl ArCONHC 6 H 5 +HCl H 2 O ArOCH 2 CH 2 O - 1.ρ>02.ρ<03.ρ>04.ρ<05.ρ<06.ρ>0 7-4下列反应 X ρ=1.13X为吸电子基加速反应。 X 7-8已知苯甲酸甲酯的碱性水解ρ=2.38，k=2x10 -4 mol -1 s -1 , 求间硝基苯甲酸甲酯的k值。 + CH 2 NH(CH 3 ) 2 + H 2 O CH 2 N(CH 3 ) 2 X pKa p-CH 3 O 9.32 p-CH 3 9.22 p-F 8.94 H 9.03 m-NO 2 8.19 p-NO 2 8.14 p-Cl 8.83 m-Cl 8.67 k=9.77x10 -3 mol -1 s -1 将上述数据用Hammett方程关联起来，求ρ值 并讨论之。 7-9已知下列反应的ρ=-1.31 ArCH 2 Cl+H 2 OArCH 2 OH +HCl 7-10下列化和物在碱催化下消去HF的反应ρ值有所不同， 试用反应过渡态理论解释之： 求： BrCH 2 Cl ArCH 2 CF 3 +4.04 及 NO 2 CH 2 Cl ArCH 2 CHF 2 +3.56 ArCH 2 CH 2 F +3.24 的k Br /k NO2 氟原子增多，反映中间体负离子的稳定性增大， 所以反应敏感性增强。 k Br /k NO2 =5.2 Create PDF with GO2PDF for free, if you wish to remove this line, click here to buy Virtual PDF Printer 12 7-11把下列ρ值与下列适当的反应匹配，并解释之： Hammett方程的推广应用 7-12计算 NH 2 ρ=+2.45+0.75-2.39-7.29 的pK值。 反应：1.取代苯的硝化反应；2.取代苯硫酚的电离作用； 3.取代苯基膦酸的电离作用；4.取代N,N-二甲基苯胺与 碘甲烷的反应。 H 3 COOCH 3 已知：苯胺的pK=4.57,δ=+0.115,ρ=+2.81 1.ρ=-7.29;2.ρ=+2.45;3.ρ=+0.75;4.ρ=-2.39 pK=3.92 烷烃类化合物的极性取代基常数和立体取代基常数 Hammett方法的特点在于通过改变苯环上的取代基来研究 反应的电子效应，即研究的对象总是芳香类化合物。50年代, Taft提出将线性自由能相关扩展到烷烃类化合物。 与芳香类化合物不同的是，对于这类化合物,立体因素是不 能够排除的。因此，需要有一套参数能够反映出立体因素对 反应的影响。 从下式的反应我们可以看到取代基对酸催化下苯甲酸的水 解反应只有很小的影响,反应常数ρ=0。由此类推取代基的 电子性质对于烃类酯在酸催化下的水解也只有很小的影响。 因此,由取代基引起的反应速率的变化将主要是由于立体因 素的作用。据此，Taft用这个反应作为标准定义了立体取代 常数Es。 σ=f•F+r•R 一旦立体参数确立以后,就可以得到极性参数(这里的极性 作用指的是除立体因素之外,一个非共轭的取代基对反应速率 的影响)。Taft注意到酯在酸催化作用下和在碱催化下的水解 具有结构上十分类似的过渡态,区别仅仅是一个体积很小的质 子。因此,可以合理地认为X的立体效应对于这两种过渡态是 近似等同的。但是,在碱催化下的反应中,取代基的电子影响 将不可忽略。这一点可以从下式反应中较大的ρ值可以看到. B:表示碱催化水解,除以2.48是为了使σ和σ?–具有大约相同 大小的数值。对于一般的烷烃类化合物,可以写出和 Hammett方程类似的关系式: 由此,Taft定义极性取代效应为: δ表示反应对于立体因素的敏感程度。上式被称为Taft方程。 需要指出的是，Taft相关仅在一些情况下具有较好的线性， 且对于这种处理方法的合理性仍存在着争议。 Create PDF with GO2PDF for free, if you wish to remove this line, click here to buy Virtual PDF Printer 13
2024年3月31日发(作者：李又香)
第四章分子结构与化学活性间的定量关系
哈米特（Ｈａｍｍｅｔｔ）方程式
哈米特（Ｈａｍｍｅｔｔ）方程式的推广及应用
（t,JACS,1937,59,96）
COOH
X
H
2
O
X
COOH
3
O
对于苯甲酸的电离,Hammett定义
Ka
σ=log
Ka
(1)
o
方程(2)被称为Hammett方程，如果用图表示则是一种线
性的关系。人们发现许多反应服从Hammett的线性关系,这
说明取代基对于不同的反应具有类似的作用。
此外，许多反应如果用相应的速率常数而不是平衡常数，
那么也常常可以得到类似的线性关系。
即用速率常数数据，同样有：
方程(2)和(3)中的平衡常数和速度常数如果用反应的自由能和
活化自由能来表示,我们有方程(4)和(5).因为:
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1
一些典型的取代基的σ常数
σ常数的物理意义
σ常数量化了取代基的电子效应。
根据定义可以很容易理解：
σ>0,说明取代基比氢的吸电子能力更强；
σ<0,说明取代基比氢的给电子能力更强。
取代基
AcO
MeCO
NH2
AcNH
Me
Br
Cl
F
HO
MeO
CF3
CN
NO2
Me3N⊕
σm
+0.39
+0.36
-0.09
+0.14
-0.06
+0.37
+0.37
+0.34
+0.15
+0.16
+0.46
+0.62
+0.71
+0.99
σp
+0.31
+0.47
-0.30
0.0
-0.14
+0.26
+0.24
+0.15
-0.38
-0.27
+0.53
+0.70
+0.81
+0.96
Taft,.1991,91,165.
σ值的符号和大小反应了该取代基对其环境施加电子
上的影响的能力。
取代基效应是由几种效应组合的结果:
i)共轭作用（MesomericEffectorResonanceEffect）；
ii)诱导效应（InductiveEffect）和场效应(FieldEffect)，
统称为极化效应。
从σ常数的数值可以看出σm的顺序和给电子－吸电子的顺序
相同,故σm表示总的极化效应对反应中心的影响。因为间位上
取代基的共振效应不会传递到反应中心上。
σp-OMe=-0.27，表明它是推电子的；
而σm-OMe=+0.16,说明它是吸电子基
与σm相对应的σp表示总的极化效应+总的共振效应。此时
对位上的取代基的共振作用将会传递到反应中心上。
对于有共轭效应的基团，由于对位的共轭效应更有效，
则σ
p
>σ
m
.
例：
NO
2
的σ
p
更负
反应常数ρ的物理意义
反应常数ρ值表示反应中心受苯环上对位或者间位取代基
影响的敏感程度。
OMe:σ
p
<0,σ
m
>0(p,+C;m,-I)
t反应常数ρ
各种间位和对位取代苯甲酸乙酯的碱性水解：
lg
k
=
ρσ
k
o
例如，从以下的反应可以看到反应常数的大小说明取代基
对于反应的影响程度。
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2
取代基常数也可以是负值。如果ρ<0，则说明苯环上取
代基对于该反应的影响与取代基对于苯甲酸电离的影响相反。
例如以下的反应：
上述反应如果是S
N
2机理，则表明HO
－
进攻时已经
有相当程度C－Cl键的断裂，因而苄基碳上带有部
分的正电荷。
归纳如下：
lg
k
=
k
o
ρσ
即k>k
o
吸电子基加速反应
即k 即k>ko供电子基加速反应 即k 吸电子基不利反应 ρ>0,σ>0, ρ>0,σ<0, ρ<0,σ<0 ρ<0, σ>0 ρ=0 运用Hammett方程最方便的方法是 用log(k/kH)或log(K/KH)作为Y轴,σ作为X轴作图,线性回归以后得 到直线的斜率即为该反应的反应常数ρ。 我们将能够得到以下几个方面的信息: 1)较好的直线关系表示Hammett方程是有效的。 2)直线的斜率表示该反应的ρ值。 3)ρ>0,表示取代基对该反应的影响和对苯甲酸电离的影响 是同方向的。也就是说,吸电子基团增加平衡常数(或速度 常数)。 4)ρ>1,说明该反应比苯甲酸的电离更为敏感地受取代基 的影响。 5)0<ρ<1,吸电子基团仍然增加速率或平衡常数,但其程 度小于苯甲酸酸的电离。 取代基对反应速率影响不大 Create PDF with GO2PDF for free, if you wish to remove this line, click here to buy Virtual PDF Printer 3 一些实例 6)ρ<0,说明取代基效应和苯甲酸电离相反, 即供电子基团增加反应常数。 7)较小的ρ值通常表示反应过程中可能有自由基中间体, 或者存在一个没有很多电荷分离的环状结构 （比如Diels-Alder反应）。 8)有时logk或logKvsσ没有很好的线性关系， 例如有时可以得到两条不同斜率的直线。 这常常表明取代基的改变使反应机理发生了变化, 或者是多步反应的决速步发生了改变。 反应常数ρ的物理意义的实例分析 参看例1)的反应： 在决速步反应中心产生正离子，故供电子基团，例如p- OMe，将会使得过渡态稳定，从而加速反应，所以ρ<0。 再看例10)的反应。 例ρ=-5.0 Ph ArCCl H O ArCOC 2 H 5 -Cl Ph ArC H O ArCOC 2 H 5 OH C 2 H 5 OH Ph ArCOC 2 H 5 H 由于反应中心相邻的位置上产生负电荷，所以供电子基 团使得反应减速，因此，ρ>0。 所以ρ的符号说明了反应中心的带电荷情况， ρ>0反应中心形成了负电荷（或者失去了正电荷）； ρ<0说明反应中心形成了正电荷（或者失去了负电荷) OH O ArCOH OC 2 H 5 ρ=+2.5 Create PDF with GO2PDF for free, if you wish to remove this line, click here to buy Virtual PDF Printer 4 Wittig反应,ρ=2.7 ρ=-2.69 NH 2 HPh HNCO Cl PhCOCl -H X Ph HNCO Cl X Ph HNC O Cl X Ar 3 P 例: CO 2 Et X H O 速控步骤 ρ=2.7 CO 2 EtX 快 3 r P O X CO 2 EtX A 快 X EtO 2 C 3 r P O A Hammett方程的应用 例1已知在25℃水溶液中，肉桂酸电离反应的 反应常数ρ=+0.47，电离常数K H =3.6510 -5 取代基 的σ p-NO2 =-0.069。 求对硝基肉桂酸电离常数和间甲基肉桂酸电离常数。 解：对硝基肉桂酸电离常数和间甲基肉桂酸 电离常数可由Hammett方程求之。 lg(Kp-NO2/KH)=ρσp-NO2=0.47 则Kp-NO2=8.4910 -5 0.78=0.37 lg(Km-Me/KH)=ρσm-Me=0.47(-0.069)=-0.032 则Km-Me=3.3910 -5 与肉桂酸相比，对硝基肉桂酸电离常数比 肉桂酸电离常数增大了近1000000倍， 间位甲基衍生物的电离常数略有减小 σ ＋ 和σ － 常数 例2已知苯甲酸乙酯水解时ρ=2.38,ko=210-4。 求间硝基苯甲酸乙酯的反应速率常数k m 值。 当反应位点和取代基直接发生共振作用时,取代基的σp常 数有时不能成功地和平衡常数或速度常数相关联(即不能有 好的线性关系)。例如以下苯酚的电离反应： 解查表知σm-NO2=0.71，代入Hammett方程 lgkm/ko=σρ=0.712.38 km/ko=49,km=9810- 4 mol-1·s-1 Create PDF with GO2PDF for free, if you wish to remove this line, click here to buy Virtual PDF Printer 5 显示p-NO2苯酚和p-CN苯酚的酸性比预想的要大，因为p- CN和p-NO2对于苯酚的电离,除了诱导效应之外还有通过苯 环与反应中心直接的共振作用。这种直接的共振作用称为贯 穿共轭（ThroughConjugation）。而这种贯穿共振所产生的 额外的稳定化作用并没用包含在p-NO2常数上,因为苯甲酸电 离后产生的-CO2-不能直接和任何苯环上的取代基发生共振 作用。 可以用取代苯酚的电离作为标准反应来建立另一套取代基 常数σp-。新的常数可以用来研究那些能发生贯穿共振 (Through-Conjugation)的反应。 可以先用间位取代的苯酚来确立反应的ρ值(+2.01 此时没有贯穿共振),然后用对位取代的数据根据Hammett 方程来计算σp： 类似地，对于有正离子参与的反应也存在同样的问题。 例如下式的反应： 和取代苯酚的电离类似，有几个点是偏离直线的。p-OMe取 代的和p-Me取代的底物比预想的速度快,这也是由于贯穿共振. 同样,用这个反应作为标准,确定了一组新的σ + 。 σ ＋ 是由枯基氯，或称为异丙苯基氯（CumylChloride）的水解 反应来定义。用间位取代的一系列化合物可以求得反应常数ρ =-4.45，再由此反应常数定义对位取代的取代基常数σ ＋ Create PDF with GO2PDF for free, if you wish to remove this line, click here to buy Virtual PDF Printer 6 反应中心对于电子的要求根据不同的反应而异,所以贯穿 共振也因不同反应而异。为了衡量这种不同反应所受贯穿效 应影响的不同，Yukawa和Tsuno在Hammett方程中引入一个 新的参数来体现这种差异。 o JACS,80,4872(1958). 如果反应中心形成了负电荷则式中的σ ＋ 用σ － 代替 例如:碱催化下取代的苯氧三乙基硅烷的水解反应。实验测 得下式反应的ρ=+3.52,ρ=0.50。 表明在决速步时,过渡态 已有相当程度键的断裂，但是和标准反应（用于定义σ＋的2 －芳基－2－氯丙烷的溶剂解反应，ρ=－4.45,r=1）相比 仍有差距。在这里r的大小反映了当反应处于过渡态时键断 裂程度的大小。 上式称为Yukawa-Tsuno方程。r因反应不同而异,数值在 0~1之间。它反映了附加的贯穿共振作用的程度。大的r值对 应于一个具有较大共振成分的反应;当r=0时,方程和原始的 Hammett方程相同。当和富电子中心直接的共振作用时,可 以用σ＋代替σ－来应用方程。 Hammett线性自由能相关在机理研究中的应用实例： 例1.向上弯曲的Hammett曲线(Concaveuploads) Acetoxy乙酰氧基；Bs=p-BrC 6 H 4 SO 2 Create PDF with GO2PDF for free, if you wish to remove this line, click here to buy Virtual PDF Printer 7 两种化合物由于是非对映异构体(diastereoisomer)，因此有 可能用常规的柱色谱方法分开，或者其比例可以用1HNMR光 谱方法确定。实验结果如下： 实验结果验证了反应机理随着取代基变化的推断。当取代 基为p-OMe时，反应完全按照三员环中间体的机理，得到构型 保持的产物；而当取代基为p-NO2时，反应几乎完全按照SN1机 理进行。 例 2 R在99.9%H 2 SO 4 中的水解。 ρ=-3.25说明反应不是AAC2(Acid-Catalyzed,Acyl-Oxygen Cleavage,Bimolecular)机理 对于以下的质子酸催化水解，已知其为AAC2机理，反应常数 为+0.03，与本实验中的反应常数截然不同。 Create PDF with GO2PDF for free, if you wish to remove this line, click here to buy Virtual PDF Printer 8 可以考虑有这样的机理，在决速步，没有包括水，而是在 反应中心产生相当的正电荷。这种反应途径称为是AAC1机理 （Acid-CatalyzedAcyl-OxygenCleavage,Unimolecular），它与 目前得到的反应常数的数据吻合。 对乙酯的水解，从某处开始，随着取代基变得更为吸电子， 曲线发生变化，最后变为另一条直线ρ=+2.0。一个正的ρ值 表明在决速步，反应中心的正电荷在减少，可以考虑的另一 个机理是乙氧基的O-Et键首先断开，这样的机理称为是 A AL 1(Acid-CatalyzedAlkyl-OxygenCleavage,Unimolecular)。 在决速步，失去CH 3 CH 2 ＋ 使得反应中心的正电荷减少 因此得到正的反应常数。而对于甲酯的水解，由于CH 3 ＋ 比 CH 3 CH 2 ＋ 更加难以形成，使得A AC 1→A AL 1的移动很困难。 例3.向下弯曲的Hammett曲线（Concavedownwards derivations） （Cyclodehydrationof2-phenyltriarylmethanols, al.,JACS1967,89,2342） 可以提出以下的反应机理： 图的左边ρ=＋2.67，且对σ＋具有更好的线性相关说明过渡 态正电荷减少，对应于第3步。 Z＝MeO时，通过贯穿共振作用稳定碳正离子中间体，这样 正电荷被分散，使得对苯环的亲电进攻变慢，从而导致第3步 成为反应的决速步。 Create PDF with GO2PDF for free, if you wish to remove this line, click here to buy Virtual PDF Printer 9 另外，对右边的化合物的反应活化熵△S≠处于-1.0~+4.4eu， 水分子消除和碳原子从sp3→sp2杂化对△S≠没有很大影响， 而第三步的环化要求较大程度的有序排列， 所以△S≠=-4.9~-16.7eu。 小结：上述三个例子均是Hammett相关偏离直线的情况，对于 实验数据的仔细分析可以得到有用的机理信息。 要点归纳： 1)凹面向下的Hammett图是一种多步反应机理中速控步骤有 变化时所表现的特征。可以证明对于一个两步反应的机理，无 论形成的中间体的电性是正还是负，改变取代基使得决速步发 生变化的结果均会产生凹面向下的Hammett图。 例如 当X为供电子基团时，使中间体稳定，因此k1大， 而k 2 减小，此时k 2 为决速步。而对第二步反应，电子效 应的作用与苯甲酸电离同方向，即ρ＞0相于曲线的左 边。当X为吸电子基时，k1成为决速步，即ρ＜0。 2)而两种不同机理的竞争常常产生凹面向上的Hammett 图。有时改变取代基会使反应机理发生变化。比如存在着两个 活化能相近的途径，但各个途径有不同的电子要求，这时就常 发生这样的现象，体现在Hammett图上的结果是斜率的突然改 变。 ,JACS,89,2342(1967)。 .35,1387(1970) Create PDF with GO2PDF for free, if you wish to remove this line, click here to buy Virtual PDF Printer 10 讨论题 1、举例说明Hammett方程在研究反应机理中的应用. 思考题 1.已知对氯苯甲酸的pka为3.98，苯甲酸的pka为4.19， 计算对氯苯甲酸的σ值。 2、氢键的类型、产生的条件及对有机化合物性质的影响 7-1N,N-二甲基苯胺与碘甲烷在90%丙酮中反应， 测得ρ=-3.30，使试提出反应机理！ 7-2已知苯酚的pKa=10,δ m-NO2 =+0.710,，苯酚在水中 （25C）时电离ρ=2.11，求算间硝基苯酚的pKa的值。 pKa=8.5 N(CH 3 ) 2 N(CH 3 ) 3 + + + X CH 3 X Create PDF with GO2PDF for free, if you wish to remove this line, click here to buy Virtual PDF Printer 11 7-3估计下列反应的ρ值是正值还是负值？ （Ar—表示可以改变取代基的苯环） 1 2 3 4 ArCH 2 Cl +I - ArCH 2 I + Cl - 5 ArSO 2 Cl+ AlCl 3 ArSO 2 + + AlCl 4 - C 6 H 6 ArSO 2 C 6 H 5 + H + S ArCH N H CH 2 CHCOOH 6 ArCHO + HSCH 2 CHCOOH NH 2 + ArNH 2 +C 6 H 5 COCl ArCOCl ArO - + + C 6 H 5 NH 2 H 2 C O CH 2 C 6 H 5 CONHAr+ HCl ArCONHC 6 H 5 +HCl H 2 O ArOCH 2 CH 2 O - 1.ρ>02.ρ<03.ρ>04.ρ<05.ρ<06.ρ>0 7-4下列反应 X ρ=1.13X为吸电子基加速反应。 X 7-8已知苯甲酸甲酯的碱性水解ρ=2.38，k=2x10 -4 mol -1 s -1 , 求间硝基苯甲酸甲酯的k值。 + CH 2 NH(CH 3 ) 2 + H 2 O CH 2 N(CH 3 ) 2 X pKa p-CH 3 O 9.32 p-CH 3 9.22 p-F 8.94 H 9.03 m-NO 2 8.19 p-NO 2 8.14 p-Cl 8.83 m-Cl 8.67 k=9.77x10 -3 mol -1 s -1 将上述数据用Hammett方程关联起来，求ρ值 并讨论之。 7-9已知下列反应的ρ=-1.31 ArCH 2 Cl+H 2 OArCH 2 OH +HCl 7-10下列化和物在碱催化下消去HF的反应ρ值有所不同， 试用反应过渡态理论解释之： 求： BrCH 2 Cl ArCH 2 CF 3 +4.04 及 NO 2 CH 2 Cl ArCH 2 CHF 2 +3.56 ArCH 2 CH 2 F +3.24 的k Br /k NO2 氟原子增多，反映中间体负离子的稳定性增大， 所以反应敏感性增强。 k Br /k NO2 =5.2 Create PDF with GO2PDF for free, if you wish to remove this line, click here to buy Virtual PDF Printer 12 7-11把下列ρ值与下列适当的反应匹配，并解释之： Hammett方程的推广应用 7-12计算 NH 2 ρ=+2.45+0.75-2.39-7.29 的pK值。 反应：1.取代苯的硝化反应；2.取代苯硫酚的电离作用； 3.取代苯基膦酸的电离作用；4.取代N,N-二甲基苯胺与 碘甲烷的反应。 H 3 COOCH 3 已知：苯胺的pK=4.57,δ=+0.115,ρ=+2.81 1.ρ=-7.29;2.ρ=+2.45;3.ρ=+0.75;4.ρ=-2.39 pK=3.92 烷烃类化合物的极性取代基常数和立体取代基常数 Hammett方法的特点在于通过改变苯环上的取代基来研究 反应的电子效应，即研究的对象总是芳香类化合物。50年代, Taft提出将线性自由能相关扩展到烷烃类化合物。 与芳香类化合物不同的是，对于这类化合物,立体因素是不 能够排除的。因此，需要有一套参数能够反映出立体因素对 反应的影响。 从下式的反应我们可以看到取代基对酸催化下苯甲酸的水 解反应只有很小的影响,反应常数ρ=0。由此类推取代基的 电子性质对于烃类酯在酸催化下的水解也只有很小的影响。 因此,由取代基引起的反应速率的变化将主要是由于立体因 素的作用。据此，Taft用这个反应作为标准定义了立体取代 常数Es。 σ=f•F+r•R 一旦立体参数确立以后,就可以得到极性参数(这里的极性 作用指的是除立体因素之外,一个非共轭的取代基对反应速率 的影响)。Taft注意到酯在酸催化作用下和在碱催化下的水解 具有结构上十分类似的过渡态,区别仅仅是一个体积很小的质 子。因此,可以合理地认为X的立体效应对于这两种过渡态是 近似等同的。但是,在碱催化下的反应中,取代基的电子影响 将不可忽略。这一点可以从下式反应中较大的ρ值可以看到. B:表示碱催化水解,除以2.48是为了使σ和σ?–具有大约相同 大小的数值。对于一般的烷烃类化合物,可以写出和 Hammett方程类似的关系式: 由此,Taft定义极性取代效应为: δ表示反应对于立体因素的敏感程度。上式被称为Taft方程。 需要指出的是，Taft相关仅在一些情况下具有较好的线性， 且对于这种处理方法的合理性仍存在着争议。 Create PDF with GO2PDF for free, if you wish to remove this line, click here to buy Virtual PDF Printer 13