Уравнение Суэйна – Луптона - Swain–Lupton equation

В физическая органическая химия, то Уравнение Суэйна – Луптона это линейная зависимость свободной энергии (LFER), который используется при изучении механизмы реакции и в развитии количественная структура отношения активности за органические соединения. Он был разработан К. Гарднером Суэйном и Элмером С. Луптоном-младшим в 1968 году как усовершенствование Уравнение Гаммета чтобы включить как эффекты поля, так и эффекты резонанса.

Фон

В органической химии график Хэммета дает возможность оценить заместитель влияние на реакцию равновесие или оцените с помощью Уравнение Гаммета (1):

${\displaystyle \log {\frac {K_{{\ce {X}}}}{K_{{\ce {H}}}}}=\sigma \rho }$

(1)

Хэмметт вывел это уравнение из констант равновесия при диссоциации бензойная кислота и производные (рис.1):

рисунок 1 Диссоциация замещенных бензойных кислот.

Хэмметт определил уравнение на основе двух параметров: константы реакции (ρ) и параметра заместителя (σ). Когда другие реакции изучались с использованием этих параметров, корреляция не всегда обнаруживалась из-за конкретного вывода этих параметров из равновесия диссоциации замещенных бензойных кислот и первоначального пренебрежения резонансными эффектами. Следовательно, влияние заместителей на ряд соединений необходимо изучать на основе индивидуальных реакций, используя уравнение Гаммета, выведенное для полевых или резонансных эффектов, но не для обоих одновременно.

Новое определение уравнения

К. Гарднер Суэйн и Элмер С. Луптон-младший из Массачусетского технологического института пересмотрели параметр заместителя σ, основываясь на идее, что для описания эффектов любого заданного воздействия необходимо не более двух переменных (резонансные эффекты и эффекты поля). заместитель. Полевые эффекты, F, определены для включения всех эффектов (индуктивного и чистого поля). Аналогичным образом, эффекты из-за резонанс, р, обусловлены средней электронодонорной способностью и способностью принимать электроны. Предполагается, что эти два эффекта не зависят друг от друга и поэтому могут быть записаны как линейная комбинация:

${\displaystyle \sigma \rho =fF+rR}$

(2)

Эти два параметра рассматриваются как независимые члены из-за предположения, сделанного Суэйном и Луптоном; заместитель находится на расстоянии трех или более насыщенных центров, или если заместитель (CH₃)₃N⁺. Все остальные члены пренебрежимо малы и приводят к уравнению Суэйна – Луптона (2).

Новый параметр заместителя

Параметр заместителя теперь определяется полевыми и резонансными эффектами, F и р, которые зависят от индивидуального заместителя. Константы р и ж учитывать важность каждого из двух эффектов. Эти константы не зависят от заместителя, а зависят от набора параметров заместителя Гаммета (σ^м, σ^п, σ^{р +}, σ^', так далее.).

Чтобы найти взвешенные константы, р и ж, для каждого набора параметров заместителя необходимо установить тот факт, что каждый новый параметр заместителя σ_Икс можно было бы записать как линейную комбинацию конкретных параметров заместителя реакции, т.е.

${\displaystyle \sigma _{X}=c_{1}\sigma _{1X}+c_{2}\sigma _{2X}}$

(3)

где σ_1X и σ_2X - конкретные параметры заместителя (т.е. σ⁺, σ⁻и др.) и c₁ и c₂ являются константами, не зависящими от заместителя (зависят от условий реакции, т. е. температуры, растворителя и отдельной исследуемой реакции). В более общем виде это можно выразить как:

${\displaystyle Z=aX+bY+i}$

(4)

куда я является перехватом, чтобы не фиксировать начало координат в (0,0). Если бы это не было сделано, уравнение придало бы незамещенным соединениям гораздо больший вес, чем пытаются сравнивать с использованием этого уравнения.^[1]Для определения коэффициентов / констант используется линейный анализ методом наименьших квадратов. а, б, и я (Суэйн и Луптон использовали процедуру под названием DOVE: Dual Obligate Vector Evaluation).^[2]Константы сначала были основаны на трех предыдущих реакциях (σ^м, σ^п, σ^{р +}), что приводит к большему количеству возможных ошибок, поскольку скомпилированные данные представляют собой лишь минимальную комбинацию гораздо большего пула. Увидев возможную ошибку в этом ограниченном пуле, пул данных был увеличен путем назначения шкалы для начала. Для водорода используется нулевая шкала, потому что известно, что он не дает и не принимает электронную плотность при присоединении к атому углерода из-за аналогичных электроотрицательностей. НЕТ было присвоено значение 1.₂, потому что предыдущие исследования определили, что эффект этого заместителя в основном обусловлен резонансом.^[3] Наконец, F был установлен равным р для обоих компонентов, так что эффекты поля можно было напрямую сравнить с эффектами резонанса. Затем это приводит к:

F = р = 0 для H (Водород ).

F = р = 1 для НЕТ₂ (Диоксид азота ).

Рис. 2 показывает некоторые относительные значения F и R, основанные Суэйном и Луптоном.^[2]

Категории заместителей

Алкильные группы имеют значение от низкого до нуля для F но разумные значения для р. Чаще всего это объясняется сверхсопряжение, что означает практически полное отсутствие индуктивных эффектов, но частичные резонансные эффекты.

Рис. 2а F значения для общих заместителей.

CF₃ имеет гораздо более высокий р/F соотношение по сравнению с другими заместителями с высокой степенью сопряжения. Это было более подробно изучено Суэйном, но все еще лучше всего объясняется гиперконъюгацией фтора.

Рис. 2b р значения для общих заместителей.

Положительно заряженные заместители (например, N (CH₃)³⁺ и S (CH₃)²⁺) имеют больше положительных F значения из-за положительного заряда, который насыщен около рассматриваемого углеродного каркаса. Отрицательно заряженные заместители (например, CO²⁻ и так³⁻) гораздо ниже F значения из-за их способности резонировать электронной плотности между атомами кислорода и стабилизировать ее через водородная связь с растворителями.

Линейные отношения свободной энергии все еще полезны, несмотря на их недостатки, когда они доведены до предела. Новые методы определения параметров заместителей Суэйна – Луптона включают изучение химических сдвигов через спектроскопия ядерного магнитного резонанса. Недавно, ¹⁵Изучены химические сдвиги N ЯМР и заместители 1,2,3,4,5,6,7,8-октагидроакридина и его производных. Ценности для р и F были найдены для –N (COCH₃)₂ группа, которую ранее не удавалось найти известными методами.^[4]

Ценности ж и р

Иногда бывает полезно посмотреть процент резонанса (%р), потому что р зависит от реакции и одинаков для всех заместителей.

${\displaystyle \%r=100{\frac {r}{f+r}}}$

(5)

Можно предсказать разницу в данных, сравнивая два заместителя, используя%р:

${\displaystyle {\frac {\rho \sigma _{{\ce {X}}}-\rho \sigma _{{\ce {H}}}}{f}}=F_{X}+{\frac {(\%r)R_{{\ce {X}}}}{100-\%r}}}$

(6)

Самый доминирующий эффект очевиден, если посмотреть на соотношение р к F. Например, было показано, что комплекс вольфрама алкилирует аллилкарбонаты. А и B. Соотношение продуктов A1 и B1 можно отнести к пара-заместителю, X (Рис. 3). Используя параметры Суэйна – Люптона (σ = 0,2F + 0.8р) значение ρ, равное -2,5, оказалось крутизной.

Рис. 3а Аллильное алкилирование карбонатов.

Рис. 3b График параметров Суэйна – Луптона.

Это согласуется с предлагаемым механизмом (на бензильном углероде образуется положительный заряд, который стабилизируется резонансом; р преобладает с соотношением 0,8 / 0,2).^[5]

Недостатки

Как и любой другой линейная зависимость свободной энергии Установлено, что уравнение Суэйна-Луптона также не сработает при возникновении особых обстоятельств, например, при изменении шага, определяющего скорость механизма или сольватационной структуры.^[6]

Смотрите также

• Уравнение Гаммета
• Уравнение Тафта
• Уравнение Грюнвальда – Винштейна.
• Уравнение Юкавы – Цуно
• Принцип Белла – Эванса – Поланьи.
• Отношения свободной энергии
• Количественная структура - взаимосвязь деятельности

Рекомендации

1. Swain, C.G; Луптон, E.C., младший (1968). «Полевые и резонансные составляющие заместительных эффектов». Варенье. Chem. Soc. 90: 4328–4337. Дои:10.1021 / ja01018a024.
2. Swain, C.G; Unger, S.H .; Rosenquist, N.R .; Суэйн, М. (1983). «Влияние заместителей на химическую реакционную способность. Улучшенная оценка полевых и резонансных компонентов». Варенье. Chem. Soc. 105: 492–502. Дои:10.1021 / ja00341a032.
3. Веланд, Г. (1955). Резонанс в органической химии. Нью-Йорк: Вили. стр.367–368. КАК В  B00005XST0.
4. Potmischil, F .; Маринеску, М .; Nicolescu, A .; Deleanu, C .; Хиллебранд, М (2008). «Гидроакридины: часть 29. ¹⁵Химические сдвиги N ЯМР 9-замещенных 1,2,3,4,5,6,7,8-октагидроакридинов и их N-оксиды - Taft, Swain-Lupton и другие типы линейных корреляций ». Magn. Резон. Chem. 46: 1141–1147. Дои:10.1002 / mrc.2335.
5. Lehman, J .; Ллойд-Джоун, Г. (1995). «Региоконтроль и стереоселективность в аллильном алкилировании, катализируемом вольфрамом-бипиридином». Тетраэдр. 51: 8863–8874. Дои:10.1016 / 0040-4020 (95) 00481-М.
6. Суэйн, К. (1984). «Влияние заместителей и растворителей на химическую активность». J. Org. Chem. 49: 2005–2010. Дои:10.1021 / jo00185a035.