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.

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.

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.

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.

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.

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.