第一章取代基效应教学目的和要求1.掌握电子效应及其对酸碱性和反应性的影响2.掌握空间效应及其对酸碱性和反应性的影响3．理解立体电子效应对化合物结构及反应性的影响教学重点1.电子效应和空间效应的产生，特点及对反应性的影响2．电子效应和空间效应的相对强度教学难点1.电子效应和空间效应的综合分析及利用2.空间电子效应（异头效应和螺共轭效应）教学内容一.诱导效应(Inductiveeffect)二.共轭效应（Conjugativeeffect)三.超共轭效应(Hyperconjugativeeffect)四.场效应(Fieldeffect)五.烷基的电子效应六：异头效应（Anomericeffect）七螺共轭效应（Anomericeffect）八.空间效应(Stericeffect)
第一章 取代基效应 教学目的和要求 1. 掌握电子效应及其对酸碱性和反应性的影响 2. 掌握空间效应及其对酸碱性和反应性的影响 3. 理解立体电子效应对化合物结构及反应性的影响 教学重点 1. 电子效应和空间效应的产生，特点及对反应性的影响 2. 电子效应和空间效应的相对强度 教学难点 1. 电子效应和空间效应的综合分析及利用 2. 空间电子效应（异头效应和螺共轭效应） 教学内容 一.诱导效应 (Inductive effect) 二.共轭效应 (Conjugative effect) 三.超共轭效应 (Hyperconjugative effect) 四.场效应 (Field effect) 五.烷基的电子效应 六. 异头效应 (Anomeric effect) 七. 螺共轭效应 (Anomeric effect) 八. 空间效应 (Steric effect)
第一章取代基效应有机化合物是由各原子或基团通过共价键、配位键等结合成的一个统一整体，相近原子或基团之间会产生相互影响。有机化合物的性质主要取决于分子中所含的官能团（fiunctionalgroup）。然而，与官能团相连或相近的取代基往往对化合物的母体性质具有很大的影响。由于取代基的引入而产生的使母体化合物性质发生改变的现象称为取代基效应（substituenteffect)。取代基对化合物母体性质的影响可归结为电子效应（electroniceffect）和空间效应(steric effect) [1-3]。1.1电子效应电子效应是指通过对分子中电子云密度分布的影响进而对化合物理化性质产生影响的效应。简单的来说，电子效应就是取代基使分子结构中的电子云密度上升或下降的效应。电子效应包括诱导效应、共轭效应、超共轭和场效应等。共轭效应和超共轭效应都是电子轨道重叠所形成的电子离域效应，前者没有c键参与，后者是由c键参与形成的电子离域效应。近年来，随着有机化学和理论化学的发展，“立体电子效应（stereoelectroniceffect）”的概念被化学家们提出并得到很多实验事实的支持[4-5]。对于立体电子效应的认识始于构象分析和异头效应。由于共价键具有方向性，既具有特定的空间取向，这导致了电子效应对分子不同部位的影响存在差异，这就是立体电子效应的立足点。立体电子效应不同于立体效应，本质上讲它属于一类电子相互作用。但它与人们熟知的诱导效应和共轭效应又有明显的区别，这个区别就是它的立体特征。简言之，立体电子效应有电子效应的本质和立体效应的特征。立体电子效应没有严格的定义，按照分子轨道（molecularorbital,MO）理论可归结为分子内的成键或非键电子轨道与反键电子轨道在空间的特定方向产生的轨道相互作用，进而引起分子的结构（键长、键角构象）、能量及反应活性变化的现象。超共轭效应属于立体电子效应的重要组成部分，可用于诠释经典构象分析理论所无法解释的异头碳效应（anomericeffect）、旁式效应（gaucheeffect）、β-硅基效应（beta-siliconeffect)等。立体电子效应反映了反应过程中为达到分子轨道的最大重叠对底物和进攻试剂空间取向的要求。为了在过渡态达到轨道间最理想的重叠，反应必须按照特定的立体化学方式进行。立体电子效应可用于研究立体化学、构象分析，以及研究反应的过渡态和立体化学进程，在设计和发展新的有机合成反应时也是一项不可忽视的因素。1.1.1诱导效应
第一章 取代基效应 有机化合物是由各原子或基团通过共价键、配位键等结合成的一个统一整体，相近原子 或基团之间会产生相互影响。有机化合物的性质主要取决于分子中所含的官能团（functional group）。然而，与官能团相连或相近的取代基往往对化合物的母体性质具有很大的影响。由 于取代基的引入而产生的使母体化合物性质发生改变的现象称为取代基效应（substituent effect）。取代基对化合物母体性质的影响可归结为电子效应（electronic effect）和空间效应 （steric effect）[1-3]。 1.1 电子效应 电子效应是指通过对分子中电子云密度分布的影响进而对化合物理化性质产生影响的 效应。简单的来说，电子效应就是取代基使分子结构中的电子云密度上升或下降的效应。电 子效应包括诱导效应、共轭效应、超共轭和场效应等。共轭效应和超共轭效应都是电子轨道 重叠所形成的电子离域效应，前者没有键参与，后者是由键参与形成的电子离域效应。 近年来，随着有机化学和理论化学的发展，“立体电子效应（stereoelectronic effect）” 的概念被化学家们提出并得到很多实验事实的支持[4-5]。对于立体电子效应的认识始于构象 分析和异头效应。由于共价键具有方向性，既具有特定的空间取向，这导致了电子效应对 分子不同部位的影响存在差异，这就是立体电子效应的立足点。立体电子效应不同于立体 效应，本质上讲它属于一类电子相互作用。但它与人们熟知的诱导效应和共轭效应又有明 显的区别，这个区别就是它的立体特征。简言之，立体电子效应有电子效应的本质和立体 效应的特征。立体电子效应没有严格的定义，按照分子轨道（molecular orbital, MO）理论 可归结为分子内的成键或非键电子轨道与反键电子轨道在空间的特定方向产生的轨道相互 作用，进而引起分子的结构（键长、键角构象）、能量及反应活性变化的现象。超共轭效 应属于立体电子效应的重要组成部分，可用于诠释经典构象分析理论所无法解释的异 头碳效应（anomeric effect）、旁式效应（gauche effect）、β-硅基效应（beta-silicon effect）等。 立体电子效应反映了反应过程中为达到分子轨道的最大重叠对底物和进攻试剂空 间取向的要求。为了在过渡态达到轨道间最理想的重叠，反应必须按照特定的立体化学 方式进行。立体电子效应可用于研究立体化学、构象分析,以及研究反应的过渡态和立 体化学进程,在设计和发展新的有机合成反应时也是一项不可忽视的因素。 1.1.1 诱导效应
在有机化合物分子中，各原子主要是以共价键相结合。当成键的两原子的电负性不同时，共用电子对偏向于电负性大的一端，从而使共价键呈现一定的极性。在极性共价键中，电负性大的原子带有部分负电荷，电负性小的原子带有部分正电荷。一般以箭头表示电子移动的方向，+和-分别表示部分正、负电荷。例如，碳-卤键就属于极性共价键电负性大的卤原子带部分负电荷（S-），而碳原子带有部分正电荷（S+）。x-c在多原子分子中，一个极性共价键产生的影响可以沿着分子链进行传递，使分子中的电子云密度发生一定程度的改变。例如，在卤代烷中，由于卤原子电负性比较大，使得电子云沿α键链向卤原子一端移动，从而CI、C2、C等均带有部分正电荷。X2. ..在有机化合物中，由于原子或基团的电负性不同而引起的分子中电子云分布沿键链向某一方向偏移，使分子发生极化的效应称为诱导效应（inductiveeffect，简称|效应）。1.静态诱导效应由于分子自身存在的极性键而产生的诱导效应称为静态诱导效应（简称Is效应）。静态诱导效应以静电诱导的方式沿着键链（单键或重键）由近及远的传递，只涉及电子云密度分布的改变，引起键的极性改变，不会引起整个分子的电荷转移和价态的变化。诱导效应是一种短程效应，这种影响随着分子链的增长迅速减弱，经过三个原子之后，就很微弱了，超过五个原子便没有了。例如，α-、β-、-氯代丁酸的酸性强度顺序为：CHCH2CHCOOH > CH;CHCH2COOH > CH2CH2CH2COOH > CHCH2CH2COOHclclC12.844.064.524.82pKa这是由于氯原子的电负性较大，吸电子的诱导效应使得羧基上的氢更易解离，相应的氯代丁酸的解离常数增大，酸性增强；但是随着氯原子距离羧基越远，诱导效应作用越弱。此外，诱导效应还具有加和性。例如，α-氯代乙酸的酸性随着氯原子取代基的增多，酸性增强。CICCOOH>Cl2CHCOOH>CICH2COOH0.641.262.86pKa诱导效应的大小和方向与原子或基团的电负性有关。诱导效应的方向一般以C一H键中的氢原子作为比较标准。当取代基X的吸引电子能力（电负性）大于氢原子时，共价键的电子云将移向X，其表现为吸电子的诱导效应，也称为负的诱导效应，用-I表示。当取代基Y
在有机化合物分子中，各原子主要是以共价键相结合。当成键的两原子的电负性不同 时，共用电子对偏向于电负性大的一端，从而使共价键呈现一定的极性。在极性共价键 中，电负性大的原子带有部分负电荷，电负性小的原子带有部分正电荷。一般以箭头表示 电子移动的方向，δ+和 δ−分别表示部分正、负电荷。例如，碳-卤键就属于极性共价键， 电负性大的卤原子带部分负电荷（δ−），而碳原子带有部分正电荷（δ+）。 在多原子分子中，一个极性共价键产生的影响可以沿着分子链进行传递，使分子中的电 子云密度发生一定程度的改变。例如，在卤代烷中，由于卤原子电负性比较大，使得电子云 沿 σ 键链向卤原子一端移动，从而 C1、C2、C3等均带有部分正电荷。 在有机化合物中，由于原子或基团的电负性不同而引起的分子中电子云分布沿键链向某 一方向偏移，使分子发生极化的效应称为诱导效应（inductive effect，简称 I 效应）。 1. 静态诱导效应 由于分子自身存在的极性键而产生的诱导效应称为静态诱导效应（简称 Is 效应）。静态 诱导效应以静电诱导的方式沿着键链（单键或重键）由近及远的传递，只涉及电子云密度分 布的改变，引起键的极性改变，不会引起整个分子的电荷转移和价态的变化。 诱导效应是一种短程效应，这种影响随着分子链的增长迅速减弱，经过三个原子之后， 就很微弱了，超过五个原子便没有了。例如，−、−、−氯代丁酸的酸性强度顺序为： 这是由于氯原子的电负性较大，吸电子的诱导效应使得羧基上的氢更易解离，相应的氯代丁 酸的解离常数增大，酸性增强；但是随着氯原子距离羧基越远，诱导效应作用越弱。 此外，诱导效应还具有加和性。例如，−氯代乙酸的酸性随着氯原子取代基的增多，酸 性增强。 诱导效应的大小和方向与原子或基团的电负性有关。诱导效应的方向一般以 C—H 键中 的氢原子作为比较标准。当取代基 X 的吸引电子能力（电负性）大于氢原子时，共价键的电 子云将移向 X，其表现为吸电子的诱导效应，也称为负的诱导效应，用−I 表示。当取代基 Y
的吸电子的能力小手氢原子时，共价键的电子云将移向碳原子，则表现为供电子的诱导效应，也称正诱导效应，用+I表示。据此，可将取代基分为吸电子基团（-1)和给电子基团（+1)。当然，在此并未真正发生电子的吸引或给出，仅仅是该说法用起来比较方便。电子的位置几乎没有因为基团电负性的差异而发生改变。8-8+8+8-X+-CabeY-→CaboHCabeY(+)X(-I)诱导效应的强度取决于原子或基团的电负性，电负性与氢原子相差越大，诱导效应越强。一般讲，诱导效应的强度次序可以根据原子或基团所对应的元素在元素周期表中的位置判断：原子吸电子能力（电负性）越强，-1效应就越大。在元素周期表中，元素的电负性在同周期中随着主族序数的增大而递增，在同主族中随周期序数的增大而递减。所以，愈是周期表右上角的元素，其电负性愈大，-1效应也愈强。如：同周期-I效应：-F>-OH>-NH2；-F>-OR>-NR2同主族-I效应：-F>-CI>-Br>-I;如果中心原子相同而不饱和程度不同，通常随着不饱和程度的增大，原子或基团的电负性增大（杂化效应），-I效应增强。如：-I效应：=O>-OR；C=CR > CH=CHR另外，一般带有正电荷的原子或基团比同类不带电荷的原子或基团的-1效应强；而带有负电荷的原子或基团比同类不带电荷的原子或基团的+I效应强。如：-I效应：-NR3>-NR2+I效应：-O->-OR诱导效应的强弱也可以通过测定取代酸碱的解离常数、偶极矩及核磁共振化学位移等估量出不同基团诱导效应的大小。表1-1给出了一些取代羧酸的解离常数。表1-1一些取代羧酸的pKa值羧酸羧酸pKapKa3.77CH3COOH4.76HCOOH2.504.76FCH2COOHCH;COOH2.804.84CICH2COOHCH:CH2COOH2.904.82BrCH,COOHCH;CH2CH2COOH3.10ICH2COOH实验测得常见的原子或基团的吸电子能力（或-1效应）的强弱次序为：
的吸电子的能力小于氢原子时，共价键的电子云将移向碳原子，则表现为供电子的诱导效 应，也称正诱导效应，用+I 表示。据此，可将取代基分为吸电子基团（−I）和给电子基团（+I）。 当然，在此并未真正发生电子的吸引或给出，仅仅是该说法用起来比较方便。电子的位置几 乎没有因为基团电负性的差异而发生改变。 诱导效应的强度取决于原子或基团的电负性，电负性与氢原子相差越大，诱导效应越强。 一般讲，诱导效应的强度次序可以根据原子或基团所对应的元素在元素周期表中的位置判 断：原子吸电子能力（电负性）越强，−I 效应就越大。在元素周期表中，元素的电负性在同 周期中随着主族序数的增大而递增，在同主族中随周期序数的增大而递减。所以，愈是周期 表右上角的元素，其电负性愈大，−I 效应也愈强。如： 同周期-I 效应： −F > −OH > −NH2；−F > −OR > −NR2 同主族-I 效应： −F > −Cl > −Br > −I； 如果中心原子相同而不饱和程度不同，通常随着不饱和程度的增大，原子或基团的电负 性增大（杂化效应），−I 效应增强。如： −I 效应： =O > −OR； C≡CR > CH=CHR 另外，一般带有正电荷的原子或基团比同类不带电荷的原子或基团的−I 效应强；而带 有负电荷的原子或基团比同类不带电荷的原子或基团的+I 效应强。如： −I 效应： − +NR3 > −NR2 +I 效应： −O− > −OR 诱导效应的强弱也可以通过测定取代酸碱的解离常数、偶极矩及核磁共振化学位移等 估量出不同基团诱导效应的大小。表 1-1 给出了一些取代羧酸的解离常数。 表 1-1 一些取代羧酸的 pKa 值 羧酸 pKa 羧酸 pKa CH3COOH 4.76 HCOOH 3.77 FCH2COOH 2.50 CH3COOH 4.76 ClCH2COOH 2.80 CH3CH2COOH 4.84 BrCH2COOH 2.90 CH3CH2CH2COOH 4.82 ICH2COOH 3.10 实验测得常见的原子或基团的吸电子能力（或−I 效应）的强弱次序为：
NR>SR2>NH>NO2>SO2R>CN> SO2Ar>COOH>F>CI>Br>I>OAr>COOR>OR >COR>SH>SR>OH>C=CR>Ar>CH=CR2>H2.动态诱导效应在化学反应中，当某个外来的极性核（如溶剂、试剂）接近分子时，分子中某些共价键的电子云分布可能发生瞬时偏移。由于外电场（如极性溶剂或反应试剂）的作用引起共价键中电子云偏移而使共价键发生暂时极化或极化的暂时加强的效应，称为动态诱导效应（简称la效应），又称可极化性。[X]A-:B-A:一B[X]正常状态(静态）(xI试剂作用下的状态与静态诱导效应不同，动态诱导效应是一种暂时性的极化效应，它依赖于外来因素的影响，外来因素一旦消失，这种动态诱导效应也不复存在。动态诱导效应是由于外界极化电场引起的，电子总是向着符合反应要求的方向转移，所以动态诱导效应总是对反应起促进或致活作用，可以引起化学变化。例如，CHNO2中，NO2的-Is效应使C一H键极化具有一定的酸性（pKa=10.2），但却不能电离出质子。当OH-接近时，产生Ia效应才使其解离。l0N+—CH,(H，+C)CN+-CH2+H20N+-CH2--H--OH -000Ia静态诱导效应是分子固有的性质，与键的极性（永久极性）有关，既可以促进，也可以阻碍化学反应的发生。反应中，当静态诱导效应与动态诱导效应的方向相反时，起决定作用的是动态诱导效应。例如，C-X键中卤原子的静态诱导效应大小顺序为：F>CI>Br>I，但在取代（Sn）反应中卤代烷的相对反应活性顺序却为：R—I>R—Br>R一CI。其中原因之一可归结为动态诱导效应产生的结果。动态诱导效应的大小除与外界极化电场的强度有关外，还与成键元素的原子核对所属价电子的控制能力有关：价电子离核愈远，动态诱导效应愈大：价电子离核愈近，动态诱导效应愈小。在同主族元素中，随原子序数的增大电负性降低，其电子云受核的约束也相应减弱，电子的活动性、可极化性增加，动态诱导效应增强。在卤素中，动态诱导效应的大小顺序为：I>Br>CI>F。因此，卤代烃发生取代反应的活性次序是：R-I>R—BrR—Cl。3.诱导效应对化合物性质的影响诱导效应不仅对化合物的物理性质（如偶极矩）、NMR谱等性质有影响，对化合物化学
2. 动态诱导效应 在化学反应中，当某个外来的极性核（如溶剂、试剂）接近分子时，分子中某些共价键 的电子云分布可能发生瞬时偏移。由于外电场（如极性溶剂或反应试剂）的作用引起共价键 中电子云偏移而使共价键发生暂时极化或极化的暂时加强的效应，称为动态诱导效应（简称 Id 效应），又称可极化性。 与静态诱导效应不同，动态诱导效应是一种暂时性的极化效应，它依赖于外来因素的影 响，外来因素一旦消失，这种动态诱导效应也不复存在。 动态诱导效应是由于外界极化电场引起的，电子总是向着符合反应要求的方向转移， 所以动态诱导效应总是对反应起促进或致活作用，可以引起化学变化。例如，CH3NO2 中，NO2 的−Is 效应使 C—H 键极化具有一定的酸性（pKa = 10.2），但却不能电离出质子。 当 OH−接近时，产生 Id效应才使其解离。 静态诱导效应是分子固有的性质，与键的极性（永久极性）有关，既可以促进，也可 以阻碍化学反应的发生。反应中，当静态诱导效应与动态诱导效应的方向相反时，起决定 作用的是动态诱导效应。例如，C—X 键中卤原子的静态诱导效应大小顺序为：F > Cl > Br > I，但在取代（SN）反应中卤代烷的相对反应活性顺序却为：R—I > R—Br > R—Cl。其中原因之一可归结为动态诱导效应产生的结果。动态诱导效应的大小除与外界 极化电场的强度有关外，还与成键元素的原子核对所属价电子的控制能力有关：价电子离 核愈远，动态诱导效应愈大；价电子离核愈近，动态诱导效应愈小。在同主族元素中，随 原子序数的增大电负性降低，其电子云受核的约束也相应减弱，电子的活动性、可极化性 增加，动态诱导效应增强。在卤素中，动态诱导效应的大小顺序为：I > Br > Cl > F。因 此，卤代烃发生取代反应的活性次序是：R—I > R—Br > R—Cl。 3. 诱导效应对化合物性质的影响 诱导效应不仅对化合物的物理性质（如偶极矩）、NMR 谱等性质有影响，对化合物化学