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同一族(或同一組)反應物中各種不同取代基對其熱力學性質(如平衡常數等)和動力學參數(如反應速率常數等)的影響。反應物分子中的一個基團被另一基團所取代的反應,稱為取代反應。其中與親核試劑作用者稱為親核取代反應;與親電試劑作用者稱為親電取代反應。SN1表示單分子(或一級)親核取代反應;SN2表示雙分子(或二級)親核取代反應。SE1和SE2則表示單分子和雙分子親電取代反應,例如取代的苯甲酸乙酯的皂化反應。

1 取代基效應 -取代基效應

 

2 取代基效應 -正文

  同一族(或同一組)反應物中各種不同取代基對其熱力學性質(如平衡常數等)和動力學參數(如反應速率常數等)的影響。反應物分子中的一個基團被另一基團所取代的反應,稱為取代反應。其中與親核試劑作用者稱為親核取代反應;與親電試劑作用者稱為親電取代反應。SN1表示單分子(或一級)親核取代反應;SN2表示雙分子(或二級)親核取代反應。SE1和SE2則表示單分子和雙分子親電取代反應,例如取代的苯甲酸乙酯的皂化反應:

取代基效應

這類反應的平衡常數和反應速率常數與取代基的性質及其在苯環上的位置(間位或對位)有關。在取代的苯甲酸的電離常數和酯化速率常數以及其他許多有關的動力學參數之間,可觀察到同樣的關係,即取代基效應在一個反應和另一反應之間有一定的關聯性。如果取代的位置(如苯環上的間位或對位)固定,就可看出取代基效應。例如,在25℃水溶液中,將取代苯甲酸電離常數K和未取代苯甲酸的電離常數K0作一比較,取其比值的對數為取代常數σ,即取代基效應,則σ就體現出取代基的特性。其他反應的速率常數和平衡常數都服從下列的關係式:

取代基效應

此即著名的哈米特方程,或稱哈米特-塔夫脫方程。式中噖、噕和噖0、噕0分別代表取代同族化合物和未取代物的反應速率常數和平衡常數。這樣,反應本身的特徵,就只體現在反應常數ρ上了。25℃時60%丙酮水溶液中苯甲酸乙酯皂化反應的取代基效應曲線(見圖)取代基效應具有很好的線性關係,經過 400個同族反應的驗證,都符合哈米特方程。只用一個參數σ就能表示出如此廣泛的不同類型反應的取代基效應,說明了取代常數量度了所有研究過的反應里的一個最重要的性質,即反應位置上的相對電子密度,而反應常數則可衡量一個反應對電子云密度的靈敏度。σρ可以是正或負,也可以大於或小於1。
  一般來說,哈米特方程並未顧及溶劑的影響,必須在相同的條件(溫度、溶劑種類、溶劑濃度等)下取得噖和噖0,但在測定取代常數時不一定需要與它們一樣的條件。對於芳香族化合物來說,由於鄰位取代受空間效應的干擾,該方程主要適用於對位和間位的取代基效應。
  對脂族化合物反應,有類似的關係式:取代基效應,它適用於同族而不同組的化合物的取代基效應。通常採用甲基化合物的噕0。各種甲酸酯、乙酸酯、丙酸酯等各成一組,各有一定的ρ*,稱為組別常數。與這些酸化合的不同種類的醇有相應的σ*。在取代基效應中(R和R′為不同的烷基),可以按R划組,也可按R′划組。相同的R有相同的ρ*,而不同的R′有不同的σ*,或相同的R′有相同的ρ*;而不同的R有不同的σ*
  根據哈米特方程 lg噖=lg噖+ρσ和絕對反應速率公式取代基效應(式中kB為玻耳茲曼常數;ΔG為自由能變化,R為氣體常數,h為普朗克常數), 如果某一種反應1引入某一取代基前後,反應活化自由能的變化為 ΔG,0和 ΔG嵈,則可得取代基效應或得取代基效應。如果有另一種反應2引入同一取代基,則同理可得取代基效應。由於兩反應不同,但引入的取代基相同,而且σ也相同,可得:

取代基效應

等式右邊為一與反應有關而與取代基無關的常數,故得線性自由能關係式:

取代基效應

可以看出,哈米特方程只是線性自由能關係的特例。以上說明,對於任何反應系列,其相應的反應分子結構中,活化自由能的改變值與同一參數變化所表徵的任何其他反應系列的活化自由能的改變值具有線性關係。
  隨著波譜學的發展,在物理有機化學領域中,廣泛地利用了核磁共振、紅外光譜等來開展對線性自由能關係和哈米特方程的研究,並利用量子化學近似計算來解釋取代常數σ,在理論上用反應常數ρ作為研究反應機理的判據。
  參考書目
 金家駿編:《液相反應動力學原理》,華東工程學院出版社,南京,1980。

 

3 取代基效應 -配圖

 

4 取代基效應 -相關連接

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