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:
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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,可觀察到同樣的關系,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
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此即著名的哈米特方程,或稱哈米特-塔夫脫方程。式中K、K和K0、K0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,反應本身的特征,就隻體現在反應常數ρ上瞭。25℃時60%丙酮水溶液中苯甲酸乙酯皂化反應的
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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K和K0,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幹擾,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,有類似的關系式:
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根據哈米特方程 lgK=lgK+ρσ和絕對反應速率公式
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等式右邊為一與反應有關而與取代基無關的常數,故得線性自由能關系式:
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可以看出,哈米特方程隻是線性自由能關系的特例。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征的任何其他反應系列的活化自由能的改變值具有線性關系。
隨著波譜學的發展,在物理有機化學領域中,廣泛地利用瞭核磁共振、紅外光譜等來開展對線性自由能關系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
金傢駿編:《液相反應動力學原理》,華東工程學院出版社,南京,1980。