基本介紹
- 中文名：誘導反應
- 外文名：inductive effect
- 別稱：誘導效應
- 提出者：美國化學家 路易斯
- 時間：1923年
- 對應：共價鍵的兩個原子
- 對象：電子效應
由來及意義,靜態誘導效應,- I 效應與+ I 效應,- I 效應與+ I 效應的相對強度,- I 效應與+ I 效應的酸鹼性,動態誘導效應,共價鍵的極化度,動態誘導效應的相對強度,誘導反應在有機反應中的套用,親電加成反應的相對速度,親電取代反應,誘導效應對反應產物的影響,
由來及意義
早在1861年，布特列洛夫就指出，原子在分子中能直接或間接地相互影響，這種影響是決定分子性質的重要因素。從這個觀點出發，布特列洛夫進一步發展了結構學說，說明分子性質對化學結構的依賴關係，從而奠定了有機化學的理論基礎。
1916年路易斯曾提出共價鍵的學說，他認為當原子達到稀有氣體原子結構（最外層都是含2和8個電子）的結構趨向時，可以由兩個原子共享一對電子來完成，是共價單鍵就是兩個原子間的一對共享電子所構成的一種聯繫。這個共價鍵的電子對概念迅速為化學界所一致接受。但是為什麼兩個原子間可以共享一對電子以構成一個固定的共價鍵，以及共價鍵為什麼有固定的安定性和鍵能、鍵長等性質，則未得到解釋。
從1927-1931年間，經海特勒、王守競等直到1931年鮑林（Pauling） 引入電子軌道雜化理論的概念，使范霍夫（Vant Hoff）等的碳的正四面體形象學說，可以由量子力學的理論推衍出來；另一方面，由於認識了雜化方式（SP、SP2、SP3）的不同，也就認識了形成的共價鍵又有σ鍵與π鍵之分。這樣就使我們對於單鍵、雙鍵及三鍵的特性有了正確的認識，從而對化學鍵本性的理論增添了新鮮內容。
由於對共價鍵本性的闡明，基團相互影響理論也得到進一步發展，其中首先得到解釋的就是誘導效應。1923年路易斯（Lewis）認為誘導效應是由一個電負性較強的原子X代替碳上氫原子以後，在C一X鍵上產生一個極性效應，由於鍵上的這個極性，通過電性的誘導作用，就在分子中其他鍵上引起一系列的極性變化，結果在整個分子中引起一個向著X原子方向的大規模的電子運動，這種電子運動稱為誘導效應。
正電性的原子也可以在分子中引起一系列的極性變化, 只是所產生的誘導效應的方向正好相反。
誘導效應有靜態誘導效應與動態誘導效應兩種。由極性鍵所表現出的誘導效應稱做靜態誘導效應，而在化反應過程中由於外電場（如試劑、溶劑）的影響所產生的極化鍵所表現出的誘導效應稱做動態誘導效應。誘導效應只改變鍵內電子云密度分布，而不改變鍵的本性。且與共軛效應相比，無極性交替現象。
靜態誘導效應
靜態誘導效應是由於分子本身結構決定的，與外電場（極性溶劑或試劑） 的存在無關。這種由於分子本身所固有的極化效應稱為靜態誘導效應。這種效應是永久性的，它沿著σ鍵傳遞，但隨碳鏈的增長而逐漸減弱或消失，一般傳遞到第三個碳原子就微弱了，可略而不計。
- I 效應與+ I 效應
關於分子在靜止狀態的電子云密度的分布以及此而產生的性質, 原因在於成鍵原子或基團的電負性不同, 使分子中成鍵原子的電子云發生轉移, 轉移的程度是由成鍵原子或基團的相對電負性來決定的。
靜態誘導效應通常採用烷烴H一CR3上的氫作為比較標準。
用飽和的H一CR3鍵的誘導效應為比較標準，規定為零。如果用X取代了H一CR3中氫原子後，化合物X一CR3部分的電子云密度比在H一CR3中小。X叫做吸電子基團，由吸電子基團引起的誘導效應，叫做吸電子誘導效應，常用- I 來表示。如果用Y取代H一CR3中的氫原子後，化合物Y一CR3中CR3部分的電子云密度比在H一CR3中大。Y就叫做斥電子基團，由斥電子基團引起的誘導效應，叫做斥電子誘導效應，常用+ I 來表示。
- I 效應與+ I 效應的相對強度
靜態誘導效應的強弱，決定於取代基的吸電子或斥電子能力，因此與它們的電負性有關。
在H左邊的是吸電子基團，在H 右邊的是斥電子基（供電基），離H愈遠則吸電子和斥電子的能力越大，由它所產生的誘導效應也愈強。
對同族元素來說，吸電子誘導效應：
一F > 一C l > 一B r > 一I
對同周期元素來說，吸電子誘導效應：
一F > 一OR > 一NR2
對不同雜化狀態的碳原子來說，S成分多，吸電子能力強。
一N > =NR > 一NR2
一C=CR > 一C6H5 > 一CR=CR2 > 一CR2一CR2
具有斥電子效應的基團，主要是烷基，其相對強度如下：
（CH3）3C一>（CH3）2CH 一>CH3CH2 一> CH3一
烷基只與不飽和碳相連時才呈+ I 效應。
- I 效應與+ I 效應的酸鹼性
原子或取代基的電負性，通常是由測定取代酸的電離常數而求出。如未取代的醋酸，是一種弱酸，它的離解是根據下面化學平衡來進行的：
當α位上引入一個電負性比氫強的氯原子，就誘導了電子對沿著分子中原子鏈向著氯原子轉移，結果增進了輕基（一OH）中氫原子離解成質子的傾向。所產生的氯乙酸成為較強的酸，其電離常數（Ka=155*10^-5），比醋酸約大八十多倍。
若用氯原子繼續取代α位上的氫原子，所得產物的酸性也將繼續增強。
動態誘導效應
在化學反應中, 分子反應中心如果受到極性試劑的進攻，則鍵的電子云分布將受到試劑電場的影響而發生變化。這種改變與外界電場強度及鍵的極化能力有關。分子在試劑電場影響下所發生的誘導極化，是一種暫時的現象，只有在進行化學反應的瞬間才表現出來，這種誘導效應稱為動態誘導效應。
共價鍵的極化度
分子在電性方面的表現，是因誘導效應而引起電子云的密度重新分布，使分子表現出一定的極化度。鍵的誘導極化（m）是與外界電場強度（F）成正比的。
α為鍵的極化度。假定電場強度不變，哪么各種鍵的誘導極化，均由它的極化度來袂定。鍵的極化度主要是依賴於鍵內電子的流動性，也可由鍵的折光率推算出來。由於鍵的極化度是一種暫時的性質，只有在外電場影響下才表現出來。而這種外電場並不是特別布置的，溶劑的極性和反應試劑的極性都足以誘發。從內因方面考慮，動態誘導效應的大小，與成鍵元素原子核對其所屬價電子的控制能力有關，價電子離核越近，核對它的控制能為越大，則動態效應越小，因為價電子被原子核束縛住了，不易導致電子云密度的重新分布。反之，價電子離原子核越遠。核對它的控制能力就越小，則動態誘導效應也就越大。
動態誘導效應的相對強度
在外電場相同的條件下，動態誘導效應既與鍵的極化度有關，那么從元素電負性來說，電負性較大的元素對於電子的約束力也較強，因此，同一族的元素，它們的動態誘導效應隨原子序數增加而增加，對同一周期的元素， 則因原子序數的增加而降低。
I > Br > CI > F
CR3 > NR2 >OR > R > F
誘導反應在有機反應中的套用
親電加成反應的相對速度
乙烯及其衍生物與澳的加成反應是親電加成，因此試劑急是首先向電子云密度大的地方進攻。這樣在C=C 上連有+ I 基團時，將增加C=C 上π電子云的密度，從而有利於親電試劑的進攻，使反應速度加快，所以四甲基乙烯的溴化反應速度最大。反之，在C=C上若連有- l 基團時，（如一Cl、一COOH等）能降低C=C 上的π電子云，從而不利於親電試劑的進攻，因而反應速度大大降低。
親電取代反應
從反應歷程看，親電取代反應，都屬於共價鍵異裂的離子型反應。反應時親電試劑（進攻試劑）首先形成正離子，然後這個正離子向苯環上電子云密度大的位置進攻。假若由於引入取代基而增加苯環上的電子云密度，也就相應地增加親電反應的速度。在親電取代反應中，反應物通常作為電子給予體，即提供電子以形成新鍵。而進攻試劑則作為電子接受體以形成新鏈。在上述反應中，苯環就是電子的給予體，進攻試劑Cl2、HNO3、H2SO4、鹵代烷、醯鹵等都是電子接受體。
誘導效應對反應產物的影響
誘導效應對於反應的影響，在芳香族化合物的取代反應中表現得最為明顯。一般說來，鄰位對位定位基（除鹵素外）都是供電子的基團，能使苯環上的電子云密度增加，有利於親電取代，故使苯環活化。而間位定位基都是些吸電子的基團，使苯環上的電子云密度降低，不利於親電取代，故使苯環鈍化。由於苯環是一個閉合的共扼體系，若環上連有第一類定位基，定位基的影響沿著共扼鏈傳遞時，則共扼鏈上出現電子云密度大小交換，結果使鄰、對位上的電子云密度增大。若環上連有第二類定位基，影響結果則使間位上的電子云密度相對於鄰、對位來講，稍大一些。
