Hammett方程相关实例分析—有机化学机理系列12
前面我们比较系统和完整地介绍了Hammett方程，为了加深对Hammett方程的理解，同时也是为了体现Hammett方程在有机反应机理研究中的重要作用。这里专门介绍一些实例，并对其中与Hammett 方程的结果进行分析和讨论。
1 线性Hammett方程
通常情况下，反应的Hammett方程都是线性的，即所对应的Hammett图是一条直线。直线的斜率即为反应常数ρ，其只与反应有关。
实例1：
如上图所示镍催化的C-H活化反应的Hammett图（参考文献J. Org. Chem. 2014, 79,11922）的斜率为正值，即反应常数>0，因此吸电基有利反应进行，反应过程中的决速步的过渡态带负电荷，或从反应物到过渡态负电荷增加。对应下图预测的反应机理反应的决速步应为D-G-E（过渡态G中与取代基相连的苯环带负电荷）。
实例2：
如上图所示的醇的硫化反应（参考文献：Org. Biomol. Chem.2015, 13, 11459），反应常数为-3.265，因此供电基有利于反应进行，反应过程中的决速步的过渡态带正电荷，或从反应物到过渡态负电荷增加。对应下图预测的反应机理反应的决速步应为2-B-3（过渡态B带正电荷）。
实例3：
对上图烯烃的溴化反应，实验发现lgk与取代基R1、R2、R3和R4的取代基
常数均有关系，即：
如何解释这一实验现象？
取代基常数为-2.99，说明供电基有利于反应进行，决速步反应过程态含正电荷或者从反应物到过渡态正电荷增加。结合下图所示的烯烃与溴加成的机理，反应决速步应该A-TS1-B。而R1、R2、R3和R4这四个取代基都会影响过渡态TS1的电荷分布（过渡态结构决定反应速率），所以lgk与取代基R1、R2、R3和R4的取代基常数均有关系。
2 非线性Hammett图
根据Hammett方程，速率常数的对数与取代基常数之间存在线性关系，直线的斜率即为反应常数。但在实际的研究工作中会发现，有些反应的Hammett图包含两个斜率不同的线性部分，相应可得到两个不同的ρ值。ρ值的改变说明了反应机理或反应的决速步骤随着取代基的改变发生了变化。认真分析这种类型的Hammett图往往可以得到更多的反应机理信息。
实例4：
如上图所示取代苯甲醛在无催化剂条件下与正丁胺的缩合反应由两步组成：（1）正丁胺对醛的加成，生成四面体型中间体；（2）中间体脱水，生成取代苯甲醛正丁亚胺。该反应的Hammett图是一个向下的折线。这种情况的出现是由于反应的决速步骤随着取代基的改变发生了变化。
当取代基是供电基时，羰基碳的电子云密度高，不利于亲核试剂进攻，第一步反应速率慢，是反应的决速步骤。r为正，吸电基有利反应。随着取代基推电子能力减弱，第一步反应速度逐渐提高。当取代基是吸电基时，第一步速率快于第二步，第二步成为反应的决速步骤。Hammett图上出现了负的ρ值（吸电基对反应不利，供电基对反应有利）。
对于分步反应而言，反应的决速步是反应速率较慢的一步。当反应的决速步随着取代基的变化而发生改变时，原先较快的步骤成为决速步骤，使反应速率降低。因此，在反应决速步的转变处反应速率最高，所以Hammett图向下偏离。
实例5：
取代苯甲酸乙酯在99%的硫酸中水解，Hammett图出现如上所示的向上弯曲，而取代苯甲酸甲酯则是一条直线。如何解释这一结果?
酯水解的有两种可能机理如下所示：机理1为经由酰氧断裂的水解机理，机理2为经由烷氧断裂的水解机理。当存在供电基时，ρ接近－3.2，供电基有利反应，说明反应过渡态中有正电荷积累，结果支持机理1。当取代基变为吸电基时，ρ约为+2.0，吸电基对反应有利，说明反应过渡态有负电荷积累，因此反应是按机理2的途径进行的。所以随着取代基供电性的减弱，吸电性的增强，该反应机理由酰氧键断裂转变为烷氧键断裂。然而甲基正离子十分不稳定，取代苯甲酸甲酯只能按机理1进行，因此其Hammett图是一条直线。
实例6
上图为镍催化的C-H活化反应的Hammett图（参考文献J. Org. Chem. 2014, 79,11922）。当芳碘上的取代基为供电基时，斜率为负值，即反应常数小于零，因此反应过程中的决速步的过渡态带正电荷，或从反应物到过渡态正电荷增加。对应下图预测的反应机理反应的决速步应为D-G-E（过渡态G中芳碘的苯环带正电荷）。当芳碘上的取代基为吸电基时，斜率为正值，即反应速率大于零，因此反应过程中的决速步的过渡态带负电荷，或从反应物到过渡态负电荷增加。对应下图预测的反应机理反应的决速步应为C-H-D（过渡态H中芳碘的苯环带负电荷）。结合实例1和实例6，我们发现同一反应不同反应物的取代基效应是不同的。