Введение
В органической химии уравнение Хамметта описывает линейную связь свободной энергии, относящуюся к скорости реакции и константам равновесия для многих реакций, включающих производные бензойной кислоты с мета- и паразамещающими веществами друг к другу, с помощью всего двух параметров: константы замещающего вещества и константы реакции. Это уравнение было разработано и опубликовано Луи Плэком Хамметтом в 1937 году в качестве последующего за качественными наблюдениями в его публикации 1935 года. Основная идея заключается в том, что для любых двух реакций с двумя ароматическими реагентами, отличающимися только типом заместителя, изменение свободной энергии активации пропорционально изменению свободной энергии Гиббса. Это понятие не следует из элементарной термохимии или химической кинетики и было введено Хамметом интуитивно. В начале его публикации 1935 года говорится: "Идея о том, что существует какая-то связь между скоростью реакции и постоянной равновесия, является одной из самых упорно поддерживаемых и в то же время наиболее решительно отрицаемых концепций в химической теории". - Что? Замена ! - Что ? Пара эффект ! - Что ? Мета-диметиламиновый -0,83 -0,211 Аминовый -0,66 -0,161 Бутиламиновый -0,51 -0,34 Гидрокси -0,37 -0,12 Метоксичный -0,268 -0,115 Этоксичный -0,25 -0,015 Метильный -0,170 -0,069 Триметилсиллиновый -0,07 -0,04 Никакой -0,000 -0,000 Флюоровый -0,062 -0,337 Хлоровый -0,227 -0,373 Бромный -0,232 -0,393 Бромный -0,276 -0,353 Клориновый -0,453 -0,377 -0,453 -0,453 -0,373 -0,454 -0,540 Эти замещения на основе метилового -0,560 -0,560 -0,560 -0,660 -0,660 -0,660 -0,660 -0,670 -0,670 -0,760 -0,670 -0,760 -0,760 -0,760 -0,760 -0,760 -0,760 -0,760 -0,760 -0,70,70,70,70,70,70,70,70,70,70,70,70,70,70,70,70,8 -7,70,8 -7,70,8 -0,80,80,80,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,90,9 Повторение процесса с метазамещающими элементами дает метазамещающие константы. Это лечение не включает ортозаместители, которые вызывают стерические эффекты. Значения σ, приведенные в таблице выше, показывают определенные замещающие эффекты. При ρ = 1 группа заместителей с увеличивающимися положительными значениями, особенно циано и нитро, вызывает увеличение равновесной константы по сравнению с эталонной водородной, что означает, что кислотность карбоновой кислоты (на фото слева от уравнения) увеличилась. Эти заместители стабилизируют отрицательный заряд на атоме карбоксилата кислорода посредством электронно-отвлекающего индуктивного эффекта (I) и также посредством отрицательного мезомерного эффекта (M). Следующий набор заместителей - это галогены, для которых заместительный эффект по-прежнему положительный, но гораздо более скромный. Причина этого заключается в том, что, в то время как индуктивный эффект все еще отрицателен, мезомерный эффект положителен, вызывая частичную аннулирование. Данные также показывают, что для этих заместителей мета-эффект намного больше, чем пара-эффект, из-за того, что мезомерный эффект значительно уменьшается в мета-заместителе. При мета-замещающих элементах углеродный атом с отрицательным зарядом находится дальше от карбоновой кислоты (структура 2b). Этот эффект изображен на схеме 3, где в пара-замещенном арене 1a одна резонансная структура 1b представляет собой киноид с положительным зарядом на X-замещающем элементе, высвобождая электроны и тем самым дестабилизируя Y-замещающий элемент. Этот дестабилизирующий эффект невозможен, когда X имеет метаориентацию. Другие заместители, такие как метокси и этакси, могут даже иметь противоположные знаки для константы заместителя в результате противоположного индуктивного и мезомерного эффекта. Только алкильные и арильные заместители, такие как метил, высвобождают электроны в обоих отношениях. Конечно, когда знак для постоянной реакции отрицательный (следующий раздел), только заместители с аналогичным отрицательным заместителем увеличат константы равновесия.
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.
Константы σp и σp+
Поскольку карбонильная группа не может служить источником электронов для групп M (в отличие от одиночных доноров, таких как OH), для реакций с участием исходных материалов фенола и анилина значения σp для групп с изъятием электронов будут казаться слишком малыми. Для реакций, где резонансные эффекты, как ожидается, окажут большое влияние, измененный параметр и измененный набор констант σp могут дать лучшую подход. Этот параметр определяется с использованием констант ионизации паразамещенных фенолов, с помощью скалирующего фактора для сопоставления значений σp с значениями σp для "неаномальных" заместителей, чтобы сохранить сопоставимые значения ρ: для ArOH ArO + H+, мы определяем Также карбонильный углерод бензойной кислоты находится в узловом положении и не может служить поглотителем для групп +M (в отличие от карбокациона в бензиловом положении). Таким образом, для реакций с участием карбокаций в положении α значения σp для электронно-донорских групп будут выглядеть недостаточно отрицательными. На основе подобных соображений набор констант σp+ лучше подходит для реакций, включающих группы доноров электронов в парапозиции и образование карбокация на бензиловом месте. σp+ основаны на константах скорости реакции SN1 кумильхлоридов в 90% ацетоне/воде: для ArCMe2Cl + H2O → ArCMe2OH + HCl, мы определяем Заметим, что коэффициент масштабирования отрицательный, поскольку группа доноров электронов ускоряет реакцию. Для реакции, чья схема Хаммета строится, эти альтернативные константы Хаммета могут потребоваться для проверки, можно ли получить лучшую линейность.
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.
Значение рхо
Благодаря знанию замещающих констант теперь можно получить константы реакции для широкого спектра органических реакций. Архетипической реакцией является щелочный гидролиз этилбензоата (R=R'=H) в смеси вода/этанол при 30 °C. Измерение скорости реакции k0 в сочетании с реакцией многих замещенных этилбензоатов в конечном итоге приводит к реакционной константе +2,498.
Сравнение ρ и ρ
Реакция ρ' ρ Деионизация кислот 1.464 1.464 54 Алкальный гидролиз этиловых эфиров 2.24 2.494 28 Кислоты с дифенилдиазометаном 0.698 0.937 24 Данные о реактивности показывают, что влияние групп заместителей на определение реактивности замещенных бензоидов и бицикло[2.2.2.] Карбоновые кислоты с октановым содержанием 1 октана сопоставимы. Это означает, что ароматические π-электроны не играют доминирующей роли в передаче электрических эффектов диполярных групп на ионизируемую карбоксильную группу. Разница между ρ и ρ для реакций кислот с дифенилозометаном, вероятно, связана с обратным отношением к диэлектрической константе растворителя De
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
Сравнение σ и σ
Заменитель σ σparac σmetac σpara − σ σmeta − 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, 029 Для мета направляющих групп (группы извлечения электронов или EWG) σмета и σпара положительны больше, чем σ. (Напись "c" в таблице обозначает данные из Хаммета, 1940 г.) Для орто-пара-направляющих групп (группы доноров электронов или EDG) σ более положительна, чем σмета и σpara. Разница между σpara и σ (σpara σ) больше, чем между σmeta и σ ((σmeta − σ). Это ожидается, поскольку эффекты электронного резонанса ощущаются сильнее в p-позициях. Значения (σ σ) можно принять как разумное измерение резонансных эффектов.
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.
Нелинейность
Схема уравнения Хаммета обычно рассматривается как линейная, с положительным или отрицательным наклоном, коррелирующим с значением rho. Однако нелинейность возникает в схеме Гаммета, когда заместитель влияет на скорость реакции или изменяет скорость, определяющую шаг или механизм реакции реакции. По причине первого случая были введены новые сигма-константы для учета отклонения от линейности, иначе наблюдаемой в результате воздействия заместителя. σ+ учитывает накопление положительного заряда, происходящее в переходном состоянии реакции. Поэтому группа доноров электронов (EDG) ускорит скорость реакции посредством стабилизации резонанса и даст следующий сигма-график с отрицательным значением rho. σ обозначается в случае, когда происходит накопление отрицательного заряда в переходном состоянии, и скорость реакции, следовательно, ускоряется группами отвода электронов (EWG). EWG снимает электронную плотность посредством резонанса и эффективно стабилизирует генерируемый отрицательный заряд. Соответствующий график покажет положительное значение rho. В случае нуклеофильной ацилозамещения эффект заместителя, X, не выходящей группы может фактически ускорить скорость нуклеофильной реакции прибавления, когда X является EWG. Это объясняется резонансным вкладом EWG в уменьшение электронной плотности, тем самым увеличивая восприимчивость к нуклеофильной атаке на карбонил углерод. Изменение скорости происходит, когда X является EDG, о чем свидетельствует сравнение скоростей между X = Me и X = OMe, и в графе Хаммета наблюдается нелинейность. Влияние замещающего вещества может изменить шаг, определяющий скорость (rds) в механизме реакции. Определенный электронный эффект может ускорить определенный шаг, так что это больше не RDS. Изменение механизма реакции также приводит к нелинейности в схеме Хаммета. Обычно модель, используемая для измерения изменений скорости в этом случае, является моделью реакции SN2. Однако было замечено, что в некоторых случаях реакции SN2 ЭВГ не ускоряет реакцию, как ожидалось, и что скорость изменяется в зависимости от заместителя. Фактически, на признак заряда и степень, в которой он развивается, будет влиять заместитель в случае бензиловой системы.
Оценка сигма-константы Хамметта
Сдвиги энергии связывания электронов (CEBE) коррелируют линейно с константами заместителя Хамметта (σ) в замещенных производных бензола. Рассмотрим парадизубституированный бензол p F C6H4 Z, где Z является заместителем, таким как NH2, NO2 и т. д. Атом фтора пара относительно заместителя Z в бензольном кольце. На изображении справа показаны четыре различных атома углерода кольца, C1 ((ipso), C2 ((ortho), C3 ((meta), C4 ((para) в молекуле p F C6H4 Z. Углерод с Z определяется как C1 ((ipso) и фторированный углерод как C4 ((para). Это определение соблюдается даже для Z = H. Левая сторона называется смещением CEBE или ΔCEBE и определяется как разница между CEBE атома фторированного углерода в p F C6H4 Z и фторированного углерода в эталонной молекуле FC6H5. Правая сторона равенства. является произведением параметра κ и константы Хамметта в положении para, σp. Параметр κ определяется по формуле eq. : где ρ и являются константами реакции Хамметта для реакции нейтральной молекулы и ионизированной молекулы ядра соответственно. ΔCEBE кольцевых углеродов в p F C6H4 Z рассчитывались с помощью теории функциональной плотности, чтобы увидеть, как они коррелируют с постоянными Хаммета σ. Линейные графики были получены, когда рассчитанные смещения CEBE на орто, мета и пара углеродах были нанесены на график с помощью постоянных Хамметта σo, σm и σp соответственно. Вычисленное значение κ ≈ 1. Отсюда приблизительное согласие в числовом значении и в знаке между сменами CEBE и их соответствующей постоянной Хаммета σ.
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.
Общий
Томас Х. Лоури и Кэтлин Шулер Ричардсон, 1987, Механизм и теория в органической химии, 3-е издание, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: Harper & Row, , см., доступно 20 июня 2015. Фрэнсис А. Кэри и Ричард Дж. Сандберг, 2006, "Название: "Продвинутая органическая химия: часть А: структура и механизмы", 4-е издание, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: Springer Science & Business Media, , см., полученное 19 июня 2015. Майкл Б. Смит и Джерри Март, 2007, "Продвинутая органическая химия Марта: реакции, механизмы и структура", 6-е издание, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: Wiley & Sons, , см., получен 19 июня 2015.
Теория
Л. П. Хаммет, 1970, Физическая органическая химия, 2-е издание, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: МакГроу Хилл. Джон Шортер, 1982, Корреляционный анализ органической реактивности, Чичестер 1982. Отто Экнер, 1988, Корреляционный анализ химических данных, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: Пленум.
Опросы дескрипторов
Роберто Тодескини, Вивиана Консонни, Раймунд Маннхольд, Хьюго Кубини и Хендрик Тиммерман, 2008, "Ввод: электронные замещающие константы (замещающие константы Хаммета, электронные константы σ) ", в Руководстве молекулярных дескрипторов, том. 11 Методы и принципы в медицинской химии (серия книг), стр. 144157, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: John Wiley & Sons, , см., полученное 22 июня 2015 года. Н. Чепмен, 2012, Анализ корреляции в химии: недавние достижения, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: Springer Science & Business, , см., доступно 22 июня 2015.
История
Джон Шортер, 2000, "Преистория уравнения Хаммета", Chem. Лист, 94:210 214. Фрэнк Вестхаймер, 1997, "Луис Плак Хаммет, 18941987: биографические воспоминания", стр. 136149, в Biographical Memoirs, Washington, DC, US: National Academies Press, см., полученный 22 июня 2015.