关于取代基效应介绍

[拼音]：qudaiji xiaoying

[外文]：substituent effect

同一族（或同一组）反应物中各种不同取代基对其热力学性质（如平衡常数等）和动力学参数（如反应速率常数等）的影响。反应物分子中的一个基团被另一基团所取代的反应，称为取代反应。其中与亲核试剂作用者称为亲核取代反应；与亲电试剂作用者称为亲电取代反应。SN1表示单分子（或一级）亲核取代反应；SN2表示双分子（或二级）亲核取代反应。SE1和SE2则表示单分子和双分子亲电取代反应，例如取代的苯甲酸乙酯的皂化反应：

这类反应的平衡常数和反应速率常数与取代基的性质及其在苯环上的位置（间位或对位）有关。在取代的苯甲酸的电离常数和酯化速率常数以及其他许多有关的动力学参数之间，可观察到同样的关系，即取代基效应在一个反应和另一反应之间有一定的关联性。如果取代的位置（如苯环上的间位或对位）固定，就可看出取代基效应。例如，在25℃水溶液中，将取代苯甲酸电离常数K和未取代苯甲酸的电离常数K0作一比较，取其比值的对数为取代常数σ，即，则σ就体现出取代基的特性。其他反应的速率常数和平衡常数都服从下列的关系式：

此即著名的哈米特方程，或称哈米特－塔夫脱方程。式中噖、噕和噖0、噕0分别代表取代同族化合物和未取代物的反应速率常数和平衡常数。这样，反应本身的特征，就只体现在反应常数 ρ上了。25℃时60％丙酮水溶液中苯甲酸乙酯皂化反应的

曲线（见图）

具有很好的线性关系，经过 400个同族反应的验证，都符合哈米特方程。只用一个参数σ 就能表示出如此广泛的不同类型反应的取代基效应，说明了取代常数量度了所有研究过的反应里的一个最重要的性质，即反应位置上的相对电子密度，而反应常数则可衡量一个反应对电子云密度的灵敏度。σ和ρ可以是正或负，也可以大于或小于1。

一般来说，哈米特方程并未顾及溶剂的影响，必须在相同的条件（温度、溶剂种类、溶剂浓度等）下取得噖和噖0，但在测定取代常数时不一定需要与它们一样的条件。对于芳香族化合物来说，由于邻位取代受空间效应的干扰，该方程主要适用于对位和间位的取代基效应。

对脂族化合物反应，有类似的关系式:，它适用于同族而不同组的化合物的取代基效应。通常采用甲基化合物的噕0。各种甲酸酯、乙酸酯、丙酸酯等各成一组，各有一定的ρ*，称为组别常数。与这些酸化合的不同种类的醇有相应的σ*。在中（R和R′为不同的烷基），可以按R划组，也可按R′划组。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*。

根据哈米特方程 lg噖＝lg噖+ρσ和绝对反应速率公式（式中 kB为玻耳兹曼常数；ΔG≠为自由能变化， R为气体常数，h为普朗克常数）， 如果某一种反应1引入某一取代基前后，反应活化自由能的变化为 ΔG嵈，0和 ΔG嵈，则可得 或得。如果有另一种反应2引入同一取代基，则同理可得。由于两反应不同，但引入的取代基相同，而且σ也相同，可得：

等式右边为一与反应有关而与取代基无关的常数，故得线性自由能关系式：

可以看出，哈米特方程只是线性自由能关系的特例。以上说明，对于任何反应系列，其相应的反应分子结构中，活化自由能的改变值与同一参数变化所表征的任何其他反应系列的活化自由能的改变值具有线性关系。

随着波谱学的发展，在物理有机化学领域中，广泛地利用了核磁共振、红外光谱等来开展对线性自由能关系和哈米特方程的研究，并利用量子化学近似计算来解释取代常数σ，在理论上用反应常数ρ作为研究反应机理的判据。

参考书目

1. 金家骏编：《液相反应动力学原理》，华东工程学院出版社，南京，1980。