Hammond假设—有机反应机理系列8

过渡状态结构决定了反应速率（过渡态自由能决定反应速率）、溶剂效应（过渡态极性决定反应溶剂效应）和取代基效应。由于过渡状态寿命短，难以分离或检测，主要通过以下一些途径间接推测过渡态的结构，如由反应物、产物和活泼中间体的结构推测过渡状态的结构；测定速率、取代基效应、同位素效应推测过渡状态结构；由活化参数推测过渡状态结构等。

虽然1935年普林斯顿大学的亨利·艾林和曼彻斯特大学的Meredith Gwynne Evans和迈克尔·波拉尼同时提出了过渡态理论，其可以定量的解释许多有机化学机理的问题，但这些研究更多属于物理化学领域，且那些复杂的动力学方程并不是那么容易理解（就是基本不说人话）。爱荷华州立大学George S. Hammond教授认为过渡态理论也可以用于定性的解释有机反应与过渡态结构的关系，于是他在1955年提出了Hammond假设，即在化学反应过程中相继出现的两个状态，如果它们的能量相同，那么它们的结构也相近。

化学反应中生成的活泼中间体通常与过渡态相继出现，且能量相近，因而可以作为过渡态结构的很好的模型。反应的势能曲线可能有下图所示的几种情况。根据Hammond假设，在a、b、c三种情况下，可分别用结构已知的反应物、中间体或产物来作为过渡态的结构模型。

实例1：

解释烯烃加成的马尔科夫尼科夫规则 （氢加成到含氢较多的碳原子上）：

按马氏规则加成时，生成的正碳离子更稳定，但反应速率是由过渡状态与反应物的自由能之差决定的，与正碳离子中间体是否稳定似乎无关。实际上，正是因为正碳离子作为活泼中间体不仅与过渡状态相继出现，而且能量相近，因而结构相近。任何使正碳离子稳定的因素，必然也使过渡态稳定，因而可降低活化自由能，有利反应进行。以异丁烯与HCl的加成反应为例（如下图所示），叔碳正离子比伯碳正离子稳定，其过渡态自由能和反应能垒也更低，所以氢加成到含氢较多的碳原子上（符合马氏规则）。

实例2：

根据Hammond假设解释芳烃亲电取代反应活性与选择性关系：为什么活性越高，反应物之间选择性越低(t = toluene, b = benzene)？如芳烃的硝化反应活性要高于溴化反应，甲苯与苯的溴化反应速率之比为600：1，而甲苯与苯的硝化反应速率之比为20：1。

由上图可知，TS1更类似于s络合物（带正电荷的中间体），正电荷较多地分散到苯环上，对苯环上的取代基效应敏感，因此反应物之间的选择性高。相比于TS1，TS2 结构与反应物更接近，正电荷较少地分散到苯环上，对苯环上的取代基效应敏感性低，因此反应物之间选择性低。

实例3：

如下图所示，为什么丙烷的自由基溴代反应具有良好的选择性，但其自由基氯化反应却没有选择性？

一种常见的解释为：Cl₂的反应活性要高于Br₂，所以自由基氯化的反应速率更快，所以选择性差。那为什么反应速率快，反应选择性就差呢？利用Hammond假设，可以更好的解释这个问题。如下图所示，溴化反应的TS与产物的结构更为接近，而两种溴化产物的能量相差较大（PS：1-溴丙烷稳定性要小于2-溴丙烷），因此两个平行反应的过渡态能量相差也较大，即丙烷自由基溴化反应选择性好（PS：两个平行反应的自由能差与反应选择性成正比，具体内容见动力学和热力学控制）。而氯化反应的TS与反应物（氯自由基）的结构相近，由于两个平行氯化反应的反应物是相同的（能量也相同），因此两个平行反应的过渡态能量相差很小（几乎没有），即丙烷自由基氯化反应没有选择性。