Кіріспе
Органикалық химиядағы еркін энергия байланысы Органикалық химияда Хаммет теңдеуі реакция жылдамдықтары мен тепе-теңдік константаларын байланыстыратын сызықтық еркін энергия байланысын сипаттайды. Бұл теңдеуді Луис Плэк Хаммет 1937 жылы өзінің 1935 жылғы басылымында сапалық байқаулардың жалғасы ретінде әзірлеп, жариялады. Негізгі идеясы - кез келген екі реакция үшін екі ароматты реактанттар тек алмастырушының түрінде ғана өзгереді, белсендірудің еркін энергиясының өзгеруі Гиббс еркін энергиясының өзгеруіне пропорционалды. Бұл ұғым элементтік термохимиядан немесе химиялық кинетикадан туындамайды және Хаммет оны интуитивті түрде енгізді. 1935 жылы жарық көрген басылымның алғашқы жолында былай деп жазылған: "Реакция жылдамдығы мен тепе-теңдік константасының арасында қандай да бір байланыс бар деген идея химиялық теорияда ең табандылықпен ұсталған және сонымен бірге ең қатаң түрде жоққа шығарылған тұжырымдамалардың бірі". - Айтпақшы! Ауыстырушы ! - Айтшы ! Пара эффект ! - Айтшы ! +5. +5. +5. +5. +5. +5. +5. +5. +6. +6. +6. +6. +6. +6. +6. +6. +6. +6. +6. +6. +6. +6. +6. +6. +6. +6. +6. +6. +6. +6. +6. +6. +6. +6. +6. +6. +6. +6. +6. +6. +6. +6. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. +7. + Процессті мета-субситенттермен қайталау мета-субситенттер тұрақтылығын береді. Бұл емделу орфо-субситенттерді қамтымайды, бұл стерикалық әсерді әкеледі. Жоғарыдағы кестеде көрсетілген σ мәндері белгілі бір алмастырушы әсерлерді көрсетеді. ρ = 1 болғанда оң мәндері өсіп бара жатқан алмастырғыштар тобы - әсіресе циано және нитро - теңгерім тұрақтысының сутегінен жоғарылауына әкеледі, яғни карбоксил қышқылының қышқылдық деңгейі (теңдеудің сол жағында көрсетілген) өсті. Бұл алмастырғыштар карбоксилденген оттегі атомының теріс зарядын электрондарды алып тастау индуктивті әсерімен (I) және теріс мезомерлік әсермен (M) тұрақтандырады. Субситенттердің келесі топтамасы - галогендер, олар үшін субситенттік әсер әлі де оң, бірақ әлдеқайда кіші. Мұның себебі индукциялық әсер әлі де теріс болса, мезомерлік әсер оң, яғни ішінара жоюға әкеледі. Деректер сондай-ақ осы алмастырғыштар үшін мета әсер пара әсерінен әлдеқайда үлкен екенін көрсетеді, өйткені мезомерлік әсер мета алмастырғышта айтарлықтай төмендейді. Мета-субситенттерде теріс зарядты көміртек атомы карбоксил қышқылынан алыс орналасқан (2b құрылым). Бұл әсер 3-схемада көрсетілген, онда пара-орналастырылған арен 1а-да бір резонанстық құрылым 1b X орнатқышта оң зарядты киноид болып табылады, ол электрондарды босатып, Y орнатқышты тұрақсыздандырады. Бұл тұрақсыздану әсері X метабағдарланған кезде мүмкін емес. Метокси және этикси сияқты басқа да алмастырғыштар, тіпті индуктивті және мезомерлік әсердің қарама-қарсылығы нәтижесінде алмастырғыш тұрақтыға қарама-қарсы белгілерге ие болуы мүмкін. Тек алкил және арил алмастырғыштары, мысалы метил, екі жағынан да электронды босатады. Әрине, реакция тұрақтысының белгісі теріс болған кезде (келесі бөлім), тек теріс тұрақтысы бар алмастырғыштар ғана тепе-теңдік тұрақтысын арттырады.
In organic chemistry, the Hammett equation describes a linear free energy relationship relating reaction rates and equilibrium constants for many reactions involving benzoic acid derivatives with meta and para substituents to each other with just two parameters: a substituent constant and a reaction constant. This equation was developed and published by Louis Plack Hammett in 1937 as a follow up to qualitative observations in his 1935 publication. The basic idea is that for any two reactions with two aromatic reactants only differing in the type of substituent, the change in free energy of activation is proportional to the change in Gibbs free energy. This notion does not follow from elemental thermochemistry or chemical kinetics and was introduced by Hammett intuitively. efn|The opening line in his 1935 publication reads: "The idea that there is some sort of relationship between the rate of a reaction and the equilibrium constant is one of the most persistently held and at the same time most emphatically denied concepts in chemical theory". |
! Substituent ! ! para effect ! ! meta effect
|
| Dimethylamino || −0.83 || −0.211
|
| Amino || −0.66 || −0.161
|
| Butylamino || −0.51 || −0.34
|
| Hydroxy || −0.37 || +0.12
|
| Methoxy || −0.268 || +0.115
|
| Ethoxy || −0.25 || +0.015
|
| Methyl || −0.170 || −0.069
|
| Trimethylsilyl || −0.07 || −0.04
|
| None || 0.000 || 0.000
|
| Fluoro || +0.062 || +0.337
|
| Chloro || +0.227 || +0.373
|
| Bromo || +0.232 || +0.393
|
| Iodo || +0.276 || +0.353
|
| Ethoxycarbonyl || +0.45 || +0.37
|
| Trifluoromethyl || +0.54 || +0.43
|
| Cyano || +0.66 || +0.56
|
| Nitro || +0.778 || +0.710
|}
Having obtained a value for K0, a series of equilibrium constants (K) are now determined based on the same process, but now with variation of the para substituent—for instance, or These values, combined in the Hammett equation with K0 and remembering that ρ = 1, give the para substituent constants compiled in table 1 for amine, methoxy, ethoxy, dimethylamino, methyl, fluorine, bromine, chlorine, iodine, nitro and cyano substituents. Repeating the process with meta substituents afford the meta substituent constants. This treatment does not include ortho substituents, which would introduce steric effects. The σ values displayed in the Table above reveal certain substituent effects. With ρ = 1, the group of substituents with increasing positive values—notably cyano and nitro—cause the equilibrium constant to increase compared to the hydrogen reference, meaning that the acidity of the carboxylic acid (depicted on the left of the equation) has increased. These substituents stabilize the negative charge on the carboxylate oxygen atom by an electron withdrawing inductive effect ( I) and also by a negative mesomeric effect ( M). The next set of substituents are the halogens, for which the substituent effect is still positive but much more modest. The reason for this is that while the inductive effect is still negative, the mesomeric effect is positive, causing partial cancellation. The data also show that for these substituents, the meta effect is much larger than the para effect, due to the fact that the mesomeric effect is greatly reduced in a meta substituent. With meta substituents a carbon atom bearing the negative charge is further away from the carboxylic acid group (structure 2b). This effect is depicted in scheme 3, where, in a para substituted arene 1a, one resonance structure 1b is a quinoid with positive charge on the X substituent, releasing electrons and thus destabilizing the Y substituent. This destabilizing effect is not possible when X has a meta orientation. Other substituents, like methoxy and ethoxy, can even have opposite signs for the substituent constant as a result of opposing inductive and mesomeric effect. Only alkyl and aryl substituents like methyl are electron releasing in both respects. Of course, when the sign for the reaction constant is negative (next section), only substituents with a likewise negative substituent constant will increase equilibrium constants.
σp және σp+ тұрақтылары
Карбонил тобы M топтары үшін электрон көзін қамтамасыз ете алмайтындықтан (OH сияқты жалғыз жұп донорлардан айырмашылығы), фенол мен анилинді бастауыш материалдар қатысатын реакциялар үшін σp мәндері электрондарды алып тастайтын топтар үшін тым кішкентай болып көрінеді. Резонанстық әсерлердің үлкен әсері күтілетін реакциялар үшін өзгертілген параметр және σp константаларының өзгертілген жиынтығы жақсырақ сәйкес келуі мүмкін. Бұл параметр пара-орналастырылған фенольдардың иондау тұрақтыларын қолдану арқылы, "аномальді емес" орнын алмастырушылар үшін σp мәндерін σp мәндерімен сәйкестендіру үшін масштабтау коэффициенті арқылы анықталады, осылайша салыстырмалы ρ мәндерін сақтау үшін: ArOH ArO + H + үшін біз сондай-ақ бензой қышқылының карбонил көміртегісі түйіндік жағдайда және +M топтары үшін сіңгіш ретінде қызмет ете алмайды (бензилді жағдайда карбокатионнан айырмашылығы). Осылайша, α-позициядағы карбокациялар қатысатын реакциялар үшін σp мәндері электрон беруші топтар үшін жеткілікті теріс болып көрінбейді. Осыған ұқсас ойларға сүйене отырып, σp+ тұрақтыларының жиынтығы пара позицияда электрон донорлық топтарды және бензилді сайтта карбокациян қалыптастыруды қамтитын реакцияларға жақсы сәйкес келеді. σp+ 90% ацетон/судағы кумиль хлоридтерінің SN1 реакциясының жылдамдық константаларына негізделген: ArCMe2Cl + H2O → ArCMe2OH + HCl үшін біз масштабталу коэффициенті теріс екенін ескеріңіз, өйткені электронды донорлық топ реакцияны жылдамдатады. Хаммет диаграммасы жасалып жатқан реакция үшін осы баламалы Хаммет константаларын жақсы сызықтық алу мүмкін бе, жоқ па, тексеру қажет болуы мүмкін.
Likewise, the carbonyl carbon of a benzoic acid is at a nodal position and unable to serve as a sink for +M groups (in contrast to a carbocation at the benzylic position). Thus for reactions involving carbocations at the α position, the σp values for electron donating groups will appear insufficiently negative. Based on similar considerations, a set of σp+ constants give better fit for reactions involving electron donating groups at the para position and the formation of a carbocation at the benzylic site. The σp+ are based on the rate constants of the SN1 reaction of cumyl chlorides in 90% acetone/water: for ArCMe2Cl + H2O → ArCMe2OH + HCl, we define Note that the scaling factor is negative, since an electron donating group speeds up the reaction. For a reaction whose Hammett plot is being constructed, these alternative Hammett constants may need to be tested to see if a better linearity could be obtained.
Rho мәні
Субситенттік тұрақтыларды білу арқылы органикалық реакциялардың кең ауқымы үшін реакциялық тұрақтыларды алуға болады. Архетипі реакция - 30 °C температурада су/этанол қоспасында этил бензоатының (R=R'=H) сілтілік гидролизі. Реакция жылдамдығын k0 және көптеген алмастырылған этилбензоаттарды өлшеу нәтижесінде +2,498 реакциялық тұрақты пайда болады.
ρ және ρ салыстыруы
Реакция ρ' ρ Қышқылдарды иондау 1.464 1.464 54 Этил эстерлерін сілтілік гидролиз 2.24 2.494 28 Дифенилдиазометанмен қышқылдар 0.698 0.937 24 Реактивтілік деректері замещающая топтардың әсерін замещаемый бензой және бицикло реактивтіліктерін анықтауда көрсетеді [2.2.2.] Октаны 1 карбоксил қышқылдары салыстырмалы. Бұл ароматты π электрондары диполярлық топтардың иондалатын карбоксил тобына электрлік әсерлерін беруде басым рөл атқармайды дегенді білдіреді.
Reactivity data indicate that the effects of substituent groups in determining the reactivities of substituted benzoic and bicyclo[2.2.2.] octane 1 carboxylic acids are comparable. This implies that the aromatic π electrons do not play a dominant role in the transmission of electrical effects of dipolar groups to the ionizable carboxyl group Difference between ρ and ρ’ for the reactions of the acids with diphenylazomethane is probably due to an inverse relation to the solvent dielectric constant De
σ және σ салыстыруы
Субститут σ σпарац σметац σпара − σ σмета − σ H 0 0 0 0 OH 0, 283 - 0, 341 0,0 14 - 0, 624 - 0, 269 CO2C2H5 0, 297 0, 402 0, 334 0, 105 0,0 37 Br 0, 454 0, 232 0, 391 - 0, 222 - 0, 063 CN 0, 579 0, 656 0, 608 0,0 77 0,0 29 Метабағыттаушы топтар үшін (электронды алып тастаушы топ немесе ЭБ) σмета және σпара оң сандар σ- ден көп. (Кестедегі "с" деген таңба 1940 жылғы Хамметтің деректерін білдіреді.) Орто пара бағыттаушы топтар үшін (электрондық донорлық топ немесе EDG) σ σмета және σpara-дан оң. σпара мен σ (σпара σ) арасындағы айырмашылық σмета мен σ ((σмета − σ) арасындағы айырмашылықтан үлкен. Бұл күтіледі, өйткені электронды резонанстық әсерлер р позициясында күштірек сезіледі. (σ σ) мәндерін резонанстық әсерлерді бағалау үшін қолайлы өлшем ретінде қабылдауға болады.
For meta directing groups (electron withdrawing group or EWG), σmeta and σpara are more positive than σ’. (The superscript, c, in table denotes data from Hammett, 1940.) For ortho para directing groups (electron donating group or EDG), σ’ more positive than σmeta and σpara. The difference between σpara and σ’ (σpara – σ’) is greater than that between σmeta and σ’(σmeta − σ’). This is expected as electron resonance effects are felt more strongly at the p positions. The (σ – σ’) values can be taken as a reasonable measurement of the resonance effects.
Сызықтық емес
Хаммет теңдеуінің сызбасы әдетте сызықтық болып көрінеді, оң немесе теріс еңіс rho мәніне сәйкес келеді. Алайда, Хаммет схемасында сызықтықсыздық реакцияның жылдамдығына әсер еткен кезде немесе реакцияның жылдамдығын анықтайтын қадамын немесе реакциялық механизмін өзгерткенде пайда болады. Бірінші жағдайдың себебінен, жаңа сигма тұрақтылары енгізілген, олар алмастырушының әсерінен пайда болған, басқа жағдайда көрінетін сызықтықтан ауытқуды қамтамасыз етеді. σ+ реакцияның өтпелі күйінде пайда болатын оң зарядтың жинақталуын ескереді. Сондықтан, электронды донорлық топ (EDG) резонанстық тұрақтандыру арқылы реакцияның жылдамдығын жылдамдатады және келесі сигма графигін теріс rho мәнімен береді. σ - өтпелі күйде теріс зарядтың жинақталуы орын алған жағдайда белгіленеді, ал реакция жылдамдығы электронды қайтарып алу топтары (EWG) арқылы жеделдетіледі. EWG резонанс арқылы электрондық тығыздықты алып тастайды және пайда болған теріс зарядты тиімді тұрақтандырады. Келесі графикте оң rho мәні көрсетіледі. Нуклеофильдік ацилдік алмастыру жағдайында, шығушы топтың алмастырушысының әсері X, шын мәнінде, X EWG болған кезде нуклеофильдік қосу реакциясының жылдамдығын жеделдете алады. Бұл EWG-дің электрондық тығыздықты алып тастауға қосқан резонанстық үлесіне байланысты, осылайша карбонил көміртекке нуклеофилдік шабуылға бейімделуді арттырады. Х = МЕ мен Х = ОМЕ арасындағы жылдамдықтарды салыстырған кезде, ХЭГ болған кезде жылдамдықтың өзгеруі пайда болады және Хаммет графигінде сызықтық емес байқалады. Субсиденттің әсері реакция механизміне жылдамдықты анықтайтын қадамды (rds) өзгерте алады. Белгілі бір электронды эффект белгілі бір қадамды жылдамдатуы мүмкін, сондықтан ол енді RDS болып табылмайды. Реакция механизміне өзгерістер енгізу Хаммет схемасының сызықтық емес болуына да әкеледі. Әдетте, осы жағдайда жылдамдықтың өзгеруін өлшеу үшін қолданылатын модель SN2 реакциясы. Алайда SN2 реакциясының кейбір жағдайларында EWG реакцияны күткендей жылдамдатпайды және жылдамдығы алмастырушы заттарға байланысты өзгереді. Шын мәнінде, бензилді жүйе жағдайында зарядтың белгісі мен оның даму дәрежесі алмастырғышқа әсер етеді.
Хамметтің сигма тұрақтысын бағалау
Негізгі электронды байланысу энергиясының (CEBE) ауысуы алмастырылған бензол туындыларындағы Хамметтің алмастырушы тұрақтыларымен (σ) сызықтық түрде байланысты. Пара-дисубституцияланған бензолды қарастырайық p F C6H4 Z, мұнда Z - NH2, NO2 және т.б. сияқты орынбасар. Фтор атомы бензол сақинасындағы Z алмастырушысына қатысты пара. Оң жақтағы суретте төрт түрлі сақиналы көміртек атомы, C1 ((ipso), C2 ((ortho), C3 ((meta), C4 ((para) p F C6H4 Z молекуласында көрсетілген. Z-мен көмiртегi C1 ((ipso) және фторлы көмiртегi C4 ((para) деп анықталады. Бұл анықтама Z = H үшін де қолданылады. CEBE ауысуы немесе ΔCEBE деп аталады және фторлы көміртек атомының CEBE арасындағы айырмашылық ретінде анықталады. p F C6H4 Z және фторлы көміртектің фторлы көміртектегі айырмашылығы. Теңдеудің оң жағы. параметр κ және пара позицияда σp Хамметтің алмастырушы тұрақтысының көбейтіндісі. κ параметрі eq арқылы анықталады. : мұндағы ρ және - нейтральды молекула мен ядролық иондалған молекуланың реакциясы үшін Хаммет реакциясының тұрақтылары. p F C6H4 Z шақтарындағы көміртектердің ΔCEBE-лері тығыздық функционалдық теориясымен олардың Хаммет σ тұрақтыларымен қалай байланыста екенін көру үшін есептелді. Сызықтық графиктер орфо, мета және пара көміртегідегі есептелген CEBE ауысулары Хамметтің σo, σm және σp тұрақтыларына сәйкес графиктелген кезде алынды. Кк мәні ≈ 1 деп есептелген. Сондықтан сандық мән мен белгі бойынша CEBE ауысулары мен олардың сәйкес Хаммет тұрақты σ арасындағы шамамен сәйкес келеді.
where ρ and are the Hammett reaction constants for the reaction of the neutral molecule and core ionized molecule, respectively. ΔCEBEs of ring carbons in p F C6H4 Z were calculated with density functional theory to see how they correlate with Hammett σ constants. Linear plots were obtained when the calculated CEBE shifts at the ortho, meta and para carbon were plotted against Hammett σo, σm and σp constants respectively. κ value calculated ≈ 1. Hence the approximate agreement in numerical value and in sign between the CEBE shifts and their corresponding Hammett σ constant.
Жалпы
Томас Х. Лоури және Кэтлин Шулер Ричардсон, 1987, Органикалық химиядағы механизмдер мен теория, 3-ші редакция, Нью-Йорк, Нью-Йорк, АҚШ: Харпер және Роу, қараңыз, 20 маусым 2015 жылы қол жеткізілді. Фрэнсис А. Кери және Ричард Дж. Сандберг, 2006, "Арнайы органикалық химияның атауы: А бөлігі: құрылым және механизмдер", 4-ші редакция, Нью-Йорк, Нью-Йорк, АҚШ: Springer Science & Business Media, , қараңыз, 19 маусым 2015 жылы қол жеткізілді. Майкл Б. Смит және Джерри Март, 2007, "Марттың озық органикалық химиясы: реакциялар, механизмдер және құрылым", 6-шы редакция, Нью-Йорк, Нью-Йорк, АҚШ: Уайли және ұлдары, , қараңыз, 19 маусым 2015 жылы қол жеткізілді.
Теория
Л. П. Хаммет, 1970, Физикалық органикалық химия, 2-ші редакция, Нью-Йорк, Нью-Йорк, АҚШ: Макгроу Хилл. Джон Шортер, 1982, Органикалық реактивтіліктің корреляциялық талдауы, Чичестер 1982. Отто Экнер, 1988, Химиялық деректердің корреляциялық талдауы, Нью-Йорк, Нью-Йорк, АҚШ: Пленум.
Дескрипторларды зерттеу
Роберто Тодешини, Вивиана Консонни, Раймунд Маннхолд, Хьюго Кубини және Хендрик Тиммерман, 2008, "Кіріспе: Электрондық алмастырушы тұрақтылар (Хаммет алмастырушы тұрақтылары, σ электронды тұрақтылар)," Молекулалық дескрипторлардың қолжазбасында, том. 11 "Методтар мен дәрілік химияның принциптері" (кітаптар сериясы), б. 144157, Нью-Йорк, Нью-Йорк, АҚШ: Джон Уайли & Sons, , қараңыз, 2015 жылдың 22 маусымында қол жеткізілді. Н. Чэпман, 2012, Химиядағы корреляциялық талдау: жақында жасалған жетістіктер, Нью-Йорк, Нью-Йорк, АҚШ: Springer Science & Business, , қараңыз, 22 маусым 2015 жылы қол жеткізілді.
Тарих
Джон Шортер, 2000, "Хаммет теңдеуінің ежелгі тарихы", Chem. Тізімділік, 94:210 214. Фрэнк Вестхаймер, 1997, "Луис Плэк Хаммет, 18941987: Биографиялық естеліктер", pp. 136149, Biographical Memoirs, Washington, DC, US: National Academies Press, қараңыз , 22 маусым 2015 жылы қол жеткізілді.