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物理有机化学

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物理有机化学是LouisHammett于1940年创造的一个术语,是指有机化学的一门学科,重点研究化学结构与反应性之间的关系,特别是将物理化学的实验工具应用于有机分子的研究。具体的研究重点包括有机反应的速率、起始材料、反应性中间体、过渡态和化学反应产物的相对化学稳定性,以及影响化学反应性的溶剂化和分子相互作用的非共价方面。这些研究提供了理论和实践框架,以了解溶液或固态环境中结构的变化如何影响每个感兴趣的有机反应的反应机制和速率。

物理有机化学的应用

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物理有机化学家使用理论和实验方法来理解有机化学中的这些基础问题,包括经典和统计热力学计算、量子力学理论和计算化学,以及实验光谱学(例如NMR)、光谱学(例如MS)、和晶体学方法。因此,该领域可应用于各种更专业的领域,包括电化学和光化学、聚合物超分子化学、生物有机化学、酶学和化学生物学,以及涉及过程化学、化学工程、材料科学的商业企业纳米技术,以及通过设计发现药物的药理学。

物理有机化学的范围

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物理有机化学是研究有机分子的结构和反应性之间的关系。更具体地说,物理有机化学将物理化学的实验工具应用于有机分子结构的研究,并提供了一个理论框架来解释结构如何影响有机反应的机制和速率。它可以被认为是连接有机化学和物理化学的一个子领域。物理有机化学家使用光谱学、光谱学、晶体学、计算化学和量子理论等实验和理论学科来研究有机反应的速率和起始材料、过渡态和产物的相对化学稳定性。该领域的化学家致力于了解现代有机化学的物理基础,因此物理有机化学在聚合物化学、超分子化学、电化学和光化学等专业领域具有应用。

历史

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物理有机化学这个术语本身是由路易斯·哈米特在1940年创造的,当时他用这个短语作为他的教科书的标题。

化学结构和热力学

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热化学

有机化学家使用热力学工具来研究化学系统的键合、稳定性和能量学。这包括测量或确定反应、转化或异构化的焓(ΔH)、熵(ΔS)和吉布斯自由能(ΔG)的实验。化学家可以使用各种化学和数学分析,例如范特霍夫图来计算这些值。诸如键解离能、标准形成热(ΔHf°)和燃烧热(ΔHc°)等经验常数用于预测分子的稳定性和反应过程中的焓变化(ΔH)。对于复杂分子,ΔHf°值可能不可用,但可以使用具有已知形成热的分子片段进行估计。这种类型的分析通常被称为Benson群增量理论,在化学家SidneyBenson的职业生涯中开发了这一概念。反应性中间体——碳正离子、碳负离子和自由基——的热化学也是物理有机化学家感兴趣的。组增量数据可用于激进系统。碳正离子和碳负离子的稳定性可以分别使用阴离子亲和力和pKa值来评估。

构象分析

评估化学稳定性和能量学的主要方法之一是构象分析。物理有机化学家使用构象分析来评估分子中存在的各种类型的应变以预测反应产物。应变可以在无环和环状分子中找到,表现为扭转应变、烯丙基应变、环状应变和顺戊烷应变等多种系统。A值为预测取代环己烷的构象提供了定量基础,这是一类重要的环状有机化合物,其反应性受构象效应的强烈指导。A值是取代环己烷的轴向和赤道形式之间吉布斯自由能的差异,除了分子稳定性外,构象分析还用于预测反应产物。使用构象分析的一个常用例子是双分子消除反应(E2)。当亲核试剂攻击与离去基团相反的物质时,该反应最容易进行。对这种现象的分子轨道分析表明,这种构象提供了正在经历亲核攻击的RHσ键合轨道中的电子与正在被破坏的RX键的空σ*反键合轨道之间的最佳重叠。通过利用这种效应,构象分析可用于设计具有增强反应性的分子。产生键旋转势垒的物理过程很复杂,这些势垒已通过实验和理论方法进行了广泛的研究。最近的一些文章研究了空间位阻、静电和超共轭对乙烷、丁烷和更多取代分子中的旋转势垒的主要贡献。

非共价相互作用

化学家使用分子内和分子间非共价键/相互作用的研究来评估反应性。这样的相互作用包括但不限于氢键、带电分子之间的静电相互作用、偶极-偶极相互作用、极性-π和阳离子-π相互作用、π-堆积、供体-受体化学和卤素键合。此外,疏水效应——水中有机化合物的缔合——是化学家感兴趣的静电、非共价相互作用。疏水效应的精确物理起源源于许多复杂的相互作用,但它被认为是水中生物分子识别的最重要组成部分。例如,Xu和Melcher等人。阐明了叶酸受体蛋白识别叶酸的结构基础。叶酸和叶酸受体之间的强相互作用归因于氢键和疏水相互作用。非共价相互作用的研究还用于研究超分子组装体和大环化合物(如冠醚和隐窝)中的结合和协同性,它们可以作为客体分子的主体

酸碱化学

酸和碱的性质与物理有机化学有关。有机化学家主要关注作为质子供体/受体的Brønsted-Lowry酸/碱和作为有机反应中电子受体/供体的路易斯酸/碱。化学家使用从物理化学发展而来的一系列因素——电负性/感应、键强度、共振、杂交、芳香性和溶剂化——来预测相对酸度和碱度。硬/软酸/碱原理用于预测分子相互作用和反应方向。一般来说,相同类型的分子之间的相互作用是优选的。也就是说,硬酸与硬碱结合,软酸与软碱结合。硬酸和碱的概念经常用于无机配位化合物的合成

动力学

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物理有机化学家使用化学动力学的数学基础来研究反应速率和反应机制。与关注产物和反应物的相对稳定性(ΔG°)及其平衡浓度的热力学不同,动力学研究侧重于活化自由能(ΔG‡)——反应物结构之间的自由能差异以及反应的过渡态结构,因此允许化学家研究平衡过程。数学派生的形式主义,如哈蒙德公设、科廷-哈米特原理和微观可逆性理论经常应用于有机化学。化学家还使用热力学与动力学控制的原理来影响反应产物。

费率法

化学动力学的研究用于确定反应的速率定律。速率定律提供了化学反应速率与存在的化学物质的浓度或压力之间的定量关系。速率定律必须通过实验测量来确定,通常不能从化学方程式中阐明。实验确定的速率定律是指过渡态结构相对于基态结构的化学计量。历史上,速率定律的确定是通过重量分析监测反应过程中反应物的浓度来完成的,但今天它几乎完全是通过快速和明确的光谱技术来完成的。在大多数情况下,

催化

催化和催化反应的研究对物理有机化学领域具有重要意义。催化剂参与化学反应,但在该过程中不被消耗。催化剂降低了活化能垒(ΔG‡),通过稳定过渡态结构或使关键反应中间体不稳定来提高反应速率,并且由于只需要少量催化剂,因此它可以经济地获得原本昂贵的或难以合成有机分子。催化剂也可以通过改变反应机理来影响反应速率。

动力学同位素效应

尽管速率定律提供了过渡态结构的化学计量,但它没有提供任何关于断裂或形成键的信息。在反应位置附近取代同位素通常会导致反应速率发生变化。同位素取代改变了反应中间体和过渡态的势能,因为较重的同位素与其他原子形成更强的键。原子质量影响相关分子的零点振动状态,具有较重同位素的分子中的键较短和较强,而具有较轻同位素的分子中的键较长、较弱。因为在反应过程中振动运动经常会发生变化,由于键的形成和断裂,频率会受到影响,

取代基效应

化学家对取代基如何影响分子的反应性或反应速率的研究具有重要意义。取代基可以通过空间和电子相互作用发挥作用,后者包括共振和感应效应。分子的极化率也会受到影响。大多数取代基效应通过线性自由能关系(LFER)进行分析。其中最常见的是哈米特图分析。该分析比较了各种取代基对苯甲酸电离的影响及其对不同化学系统的影响。Hammett图的参数是sigma(σ)和rho(ρ)。σ值表示取代苯甲酸相对于未取代形式的酸度。正的σ值表示化合物更酸,而负值表示取代版本的酸性较低。ρ值是反应对取代基变化的敏感性的量度,但仅测量诱导效应。因此,产生了两个新的尺度,通过共振评估局部电荷的稳定性。一个是σ+,它涉及通过共振稳定正电荷的取代基,另一个是σ-,它涉及通过共振稳定负电荷的基团。Hammett分析可用于帮助阐明反应的可能机制。例如,如果预测过渡态结构相对于基态结构具有负电荷的积累,则预期给电子基团会增加反应速率。ρ值是反应对取代基变化的敏感性的量度,但仅测量诱导效应。因此,产生了两个新的尺度,通过共振评估局部电荷的稳定性。一个是σ+,它涉及通过共振稳定正电荷的取代基,另一个是σ-,它涉及通过共振稳定负电荷的基团。Hammett分析可用于帮助阐明反应的可能机制。例如,如果预测过渡态结构相对于基态结构具有负电荷的积累,则预期给电子基团会增加反应速率。ρ值是反应对取代基变化的敏感性的量度,但仅测量诱导效应。因此,产生了两个新的尺度,通过共振评估局部电荷的稳定性。一个是σ+,它涉及通过共振稳定正电荷的取代基,另一个是σ-,它涉及通过共振稳定负电荷的基团。Hammett分析可用于帮助阐明反应的可能机制。例如,如果预测过渡态结构相对于基态结构具有负电荷的积累,则预期给电子基团会增加反应速率。产生了两个新的尺度,通过共振评估局部电荷的稳定性。一个是σ+,它涉及通过共振稳定正电荷的取代基,另一个是σ-,它涉及通过共振稳定负电荷的基团。Hammett分析可用于帮助阐明反应的可能机制。例如,如果预测过渡态结构相对于基态结构具有负电荷的积累,则预期给电子基团会增加反应速率。产生了两个新的尺度,通过共振评估局部电荷的稳定性。一个是σ+,它涉及通过共振稳定正电荷的取代基,另一个是σ-,它涉及通过共振稳定负电荷的基团。Hammett分析可用于帮助阐明反应的可能机制。例如,如果预测过渡态结构相对于基态结构具有负电荷的积累,则预期给电子基团会增加反应速率。Hammett分析可用于帮助阐明反应的可能机制。例如,如果预测过渡态结构相对于基态结构具有负电荷的积累,则预期给电子基团会增加反应速率。Hammett分析可用于帮助阐明反应的可能机制。例如,如果预测过渡态结构相对于基态结构具有负电荷的积累,则预期给电子基团会增加反应速率。已经开发了其他LFER量表。通过Taft参数分析空间和极性效应。改变溶剂而不是反应物可以深入了解反应过程中的电荷变化。Grunwald-Winstein图提供了对这些影响的定量分析。

溶剂效应

溶剂对溶解度、稳定性和反应速率有很大的影响。溶剂的变化也可以让化学家影响反应的热力学或动力学控制。由于化学转化过程中电荷分布的变化,反应在不同溶剂中以不同的速率进行。溶剂效应可作用于基态和/或过渡态结构。在SN1和SN2反应的比较中可以看到溶剂对有机反应的影响的一个例子。溶剂也可以对系统的热力学平衡产生显着影响,例如在酮-烯醇互变异构的情况下。在非极性非质子溶剂中,由于形成分子内氢键,烯醇形式受到强烈青睐,而在极性非质子溶剂(如二氯甲烷)中,由于极性溶剂和极性二酮。在质子溶剂中,由于分子内氢键与源自溶剂的氢键竞争,因此平衡朝向酮形式。在手性环丙腈格氏试剂差向异构化的研究中可以看到溶剂对化学平衡影响研究的一个现代例子。该研究报告说,在作为反应溶剂的THF中,格氏试剂从顺式到反式异构化的平衡常数比乙醚大得多——顺式形式的偏好增强了。然而,THF中顺反异构化的速度较快会导致立体化学纯度下降。在这种情况下,了解溶剂对试剂分子构型稳定性的影响对于不对称合成中观察到的选择性很重要。

量子化学

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有机化学中结构-反应关系的许多方面可以通过共振、电子推力、感应、八电子规则和sp杂化来合理化,但这些只是有用的形式,并不代表物理现实。由于这些限制,对物理有机化学的真正理解需要以粒子物理学为基础的更严格的方法。量子化学提供了一个严谨的理论框架,能够通过计算分子的电子结构来预测分子的性质,并以流行的软件包形式成为物理有机化学家中现成的工具。量子化学的力量建立在原子的波动模型上,其中原子核非常小,被漫射电子云包围的带正电球体。粒子由它们相关的波函数定义,波函数是一个包含与该粒子相关的所有信息的方程。关于系统的所有信息都包含在波函数中。该信息是通过使用数学运算符从波函数中提取的。与特定波函数相关的能量,也许是波函数中包含的最重要的信息,可以通过求解薛定谔方程(上式,Ψ是波函数,E是能量,Ĥ是哈密顿算子)来提取,其中适当的应用哈密顿算子。在薛定谔方程的各种形式中,粒子概率分布的总体大小随着粒子质量的减小而增加。出于这个原因,与更轻的电子相比,原子核的大小可以忽略不计,并且在量子化学的实际应用中被视为点电荷。由于电子-电子排斥产生的复杂相互作用,薛定谔方程的代数解仅适用于具有一个电子的系统,例如氢原子、H2+、H32+等;然而,从这些简单的模型中会出现所有熟悉的原子(s,p,d,f)和键合(σ,π)轨道。在具有多个电子的系统中,一个整体的多电子波函数一次描述了它们的所有属性。这样的波函数是通过单电子波函数的线性相加产生的,以产生一个初始猜测,该猜测被反复修改,直到其相关能量最小化。在找到令人满意的解决方案之前,通常需要进行数千次猜测,因此此类计算由功能强大的计算机执行。重要的,具有多个电子的原子的解决方案给出了直径和电负性等特性,这些特性与实验数据和元素周期表中发现的模式密切相关。分子(如甲烷)的解决方案提供了其电子结构的精确表示,这是实验方法无法获得的。理论预测一组四个键合分子轨道,而不是从碳到每个氢原子的四个离散σ键,它们在整个分子上离域。类似地,1,3-丁二烯的真实电子结构显示出在整个分子中延伸的离域π键分子轨道,而不是简单的路易斯结构所预测的两个孤立的双键。分子(如甲烷)的解决方案提供了其电子结构的精确表示,这是实验方法无法获得的。理论预测一组四个键合分子轨道,而不是从碳到每个氢原子的四个离散σ键,它们在整个分子上离域。类似地,1,3-丁二烯的真实电子结构显示出在整个分子中延伸的离域π键分子轨道,而不是简单的路易斯结构所预测的两个孤立的双键。分子(如甲烷)的解决方案提供了其电子结构的精确表示,这是实验方法无法获得的。理论预测一组四个键合分子轨道,而不是从碳到每个氢原子的四个离散σ键,它们在整个分子上离域。类似地,1,3-丁二烯的真实电子结构显示出在整个分子中延伸的离域π键分子轨道,而不是简单的路易斯结构所预测的两个孤立的双键。理论预测了一组四个键合分子轨道,它们在整个分子上离域。类似地,1,3-丁二烯的真实电子结构显示出在整个分子中延伸的离域π键分子轨道,而不是简单的路易斯结构所预测的两个孤立的双键。理论预测了一组四个键合分子轨道,它们在整个分子上离域。类似地,1,3-丁二烯的真实电子结构显示出在整个分子中延伸的离域π键分子轨道,而不是简单的路易斯结构所预测的两个孤立的双键。完整的电子结构为有机转化和动力学提供了强大的预测能力,特别是在涉及芳香分子、扩展π系统、金属离子和有机分子之间的键、含有非标准杂原子(如硒和硼)的分子以及大分子的构象动力学(如作为蛋白质,其中化学形式的许多近似使得结构和反应性预测变得不可能。电子结构测定如何成为物理有机化学家的有用工具的一个例子是金属催化的苯脱芳构化。由于电子密度从填充的铬d轨道撤回到反键CO轨道,三羰基铬具有高度亲电性,并且能够通过离域分子轨道共价键合到苯分子的表面。CO配体通过铬原子感应地从苯中吸取电子密度,并显着激活苯进行亲核攻击。然后亲核试剂能够反应生成六环二烯,其可用于进一步的转化,例如DielsAlder环加成。量子化学还可以在不收集任何实验数据的情况下提供对有机转化机制的深入了解。因为波函数提供了给定分子状态的总能量,所以可以优化猜测的分子几何形状以提供与通过实验方法发现的非常相似的松弛分子结构。然后可以模拟反应坐标,并求解过渡态结构。因此,求解给定反应的完整能量面是可能的,并且这种计算已应用于有机化学中的许多问题,其中动力学数据不可用或难以获得。

光谱学、光谱学和晶体学

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物理有机化学通常需要确定反应过程中的分子结构、动力学和反应物浓度。分子与光的相互作用可以通过无损光谱实验提供有关此类特性的大量数据,当光子的能量与分子中两个状态之间的能量差相匹配时,光被吸收,当分子中的激发态崩溃时发射到较低的能量状态。光谱技术根据所探测的激发类型广泛分类,例如振动、旋转、电子、核磁共振(NMR)和电子顺磁共振光谱。除了光谱数据,

核磁共振和EPR光谱

物理有机化学中xxx大的工具之一是核磁共振光谱。施加在顺磁核上的外部磁场产生两个离散状态,正负自旋值在能量上发散;然后可以通过确定激发给定磁场的自旋状态变化所需的光频率来探测能量差异。在给定分子中无法区分的核在不同频率下吸收,并且NMR光谱中的积分峰面积与响应该频率的核数成正比。可以简单地通过光谱中的积分峰来量化不同有机分子的相对浓度,并且可以通过跟踪一个NMR样品中的反应进程来轻松快速地进行许多动力学实验。合成有机化学家经常使用质子核磁共振,因为与某些官能团相关的质子会产生特征吸收能量,但核磁共振光谱也可以对氮、碳、氟、磷、硼和许多其他元素的同位素进行。除了简单的吸收实验外,还可以通过抑制交换测量来确定快速原子交换反应的速率,通过多维核Overhauser效应实验来确定原子间距离,通过同核相关光谱来确定通过键的自旋-自旋耦合。除了原子核的自旋激发特性外,还可以通过相同的基本技术研究有机自由基的特性。不成对的电子也有净自旋,

振动光谱

振动光谱或红外(IR)光谱允许识别官能团,并且由于其低成本和稳健性,通常用于教学实验室和在难以到达的环境(高压)中实时监测反应进程、高温、气相、相界)。分子振动以类似于电子波函数的方式量化,频率的整数增加导致更高的能量状态。振动状态之间的能量差异几乎是恒定的,通常落在对应于红外光子的能量范围内,因为在常温下分子振动非常类似于谐振子。它允许粗略识别有机分子中的官能团,但是光谱由于复杂分子中附近官能团之间的振动耦合而变得复杂。因此,它在结构测定中的应用通常仅限于简单的分子。更复杂的事情是,一些振动不会引起分子偶极矩的变化,并且不会用标准的IR吸收光谱观察到。这些可以改为通过拉曼光谱进行探测,但这种技术需要更复杂的设备并且不太常见。然而,由于拉曼光谱依赖于光散射,因此它可以在微观样品上进行,例如非均相催化剂的表面、相界或较大液体体积内的一微升(µL)子样品。

电子激发光谱

电子激发光谱或紫外-可见(UV-vis)光谱在电磁光谱的可见和紫外区域进行,可用于探测最高能量占用(HOMO)和最低未占用能量(LUMO)之间的能量差异)分子轨道。该信息对物理有机化学家在设计有机光化学系统和染料时很有用,因为吸收不同波长的可见光会赋予有机分子颜色。因此,详细了解电子结构有助于解释电子激发,并且通过仔细控制分子结构,可以调整HOMO-LUMO间隙以提供所需的颜色和激发态特性。

物理有机化学

质谱

质谱法是一种允许测量分子质量并为光谱技术提供补充数据以进行结构鉴定的技术。在典型的实验中,有机材料的气相样品被电离,产生的离子物质通过外加电场加速进入磁场。磁场产生的偏转通常与分子到达检测器所需的时间相结合,然后用于计算分子的质量。通常在样品电离过程中,大分子会分解,结果数据显示一个母体质量和一些较小的碎片质量;这种片段化可以深入了解蛋白质和核酸聚合物的序列。除了分子及其碎片的质量,还可以确定同位素变体质量的分布,并确定某些元素的定性存在,因为它们具有特征性的天然同位素分布。碎片质量群与母离子群的比率可以与经验碎片数据库进行比较,并与已知的分子结构相匹配。气相色谱和质谱联用用于定性识别分子和定量测量浓度,具有很高的精度和准确性,广泛用于检测血液样本中的少量生物分子和非法麻醉品。对于合成有机化学家来说,它是表征新化合物和反应产物的有用工具。

晶体学

与光谱方法不同,X射线晶体学始终允许明确的结构确定,并提供通过光谱完全无法获得的精确键角和长度。它常用于物理有机化学中以提供xxx分子构型,是改进纯对映体物质合成的重要工具。这也是识别缺乏NMR活性核(如氧)的元素的位置和键合的xxx方法。事实上,在20世纪初X射线结构测定方法可用之前,所有有机结构都完全是推测性的:例如,四面体碳仅由金刚石的晶体结构证实,苯的离域结构由六甲基苯的晶体结构虽然晶体学为有机化学家提供了非常令人满意的数据,但它并不是有机化学中的日常技术,因为必须生长目标化合物的完美单晶。只有不能明确解释核磁共振数据的复杂分子才需要这种技术。在下面的例子中,如果没有单晶结构,主客体复合物的结构将很难解决:富勒烯上没有质子,并且有机复合物光谱的两半之间没有共价键无法证明假设的结构。对于不能明确解释NMR数据的情况,需要这种技术。在下面的例子中,如果没有单晶结构,主客体复合物的结构将很难解决:富勒烯上没有质子,并且有机复合物光谱的两半之间没有共价键无法证明假设的结构。对于不能明确解释NMR数据的情况,需要这种技术。在下面的例子中,如果没有单晶结构,主客体复合物的结构将很难解决:富勒烯上没有质子,并且有机复合物光谱的两半之间没有共价键无法证明假设的结构。


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  1. 物理有机化学
  2. 物理有机化学的应用
  3. 物理有机化学的范围
  4. 历史
  5. 化学结构和热力学
  6. 热化学
  7. 构象分析
  8. 非共价相互作用
  9. 酸碱化学
  10. 动力学
  11. 费率法
  12. 催化
  13. 动力学同位素效应
  14. 取代基效应
  15. 溶剂效应
  16. 量子化学
  17. 光谱学、光谱学和晶体学
  18. 核磁共振和EPR光谱
  19. 振动光谱
  20. 电子激发光谱
  21. 质谱
  22. 晶体学

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