Корреляционные Соотношения

, характеризуют эмпирически устанавливаемые зависимости между разл. Св-вами одного ряда хим. Соед. (реакц. Способностью, физ., термодинамич. Св-ми, биол. Активностью и др.) и параметрами структуры, среды или св-вами того же или др. Ряда соединений. Формальный прототип большинства К. С. - ур-ниe Брёнстеда, выражающее найденную экспериментально линейную зависимость между константами скорости р-ций kc кислотного (основного) катализа и константами равновесия диссоциации к-ты (основания) К a. lgke=algKa+c, (1) где а и с- эмпирич. Параметры для данной р-ции. Ур-ние (1) - пример выполнения общего соотношения линейности своб. Энергий (ЛСЭ), согласно к-рому изменения в своб. Энергиях р-ций DG°. И в своб. Энергиях активации (DG++), вызываемые в разл.

Р-циях одинаковыми вариациями структуры реагирующих соед. Или среды, связаны линейными зависимостями. dRDGi=adRDGj+b,(2) где dR - оператор изменения структуры (напр., при введении заместителя R) или среды, i,j -индексы р-ций. Ур-ние (2) отражает широкую эмпирич. Закономерность. Сходные изменения в строении соед. Приводят к сходным изменениям в реакц. Способности. Оно не вытекает из принципов термодинамики, поэтому К. С., основанные на соотношении ЛСЭ, принято относить к экстратермодинамическим. Важнейшее К. С. Этого типа - ур-ние Гаммета, сопоставляющее изменения в константах скорости или равновесия, индуцируемые введением заместителей в ароматич. Бензольное ядро в соед. I, с изменениями в константах диссоциации бензойных к-т II при аналогичном замещении.

dRDGi=аdRDG0 БK, (3) где DGi - своб. Энергии р-ции или активации произвольной р-ции соед. I в произвольных (но одинаковых для данной серии-,соед.) условиях, а DG0 БК - своб. Энергия диссоциации бензойной к-ты в заданных (не обязательно идентичных) условиях. Ур-ние (3) сводится к виду. lg(k/k0)=rlg(K/K0) БК (4) где k - константа скорости (равновесия) р-ции соед. I с заместителем R, а k0 - та же константа для соед. С R=Н, Ки К 0 - константы диссоциации соответствующих бензойных к-т II, r - константа, характеризующая относительную (в сравнении с эталонной серией р-ций диссоциации бензойных к-т) чувствительность р-ций соед. I к структурным изменениям. Реакц. Серия диссоциации бензойных к-т в воде при 25 °С выбрана как стандартная, при этом величины lg(K/K0)=s представляют константы заместителей R.

Ур-ние (4) известно как ур-ние Гаммета и обычно записывается в форме. Lgk=rs+lgk0 (5) Ур-ние (5) позволяет с точностью b15% рассчитывать кинетич. И равновесные параметры мн. Р-ций производных бензола с мета- и пaра -заместителями, располагая константами заместителей и величинами r, определенными статистически достоверно для неск. Соед. Данной реакц. Серии. К. С. Для структурных вариаций субстрата. В табл. Приведены значения констант заместителей s для нек-рых наиб. Важных групп (s м и sn - константы заместителей в мета- и пара-положениях). Для р-ций, ускоряемых электронодонорными заместителями (s<0), r<0, для р-ций, ускоряемых электроноакцепторными заместителями (s>0), r>0. Абс. Величина r тем больше, чем более полярно переходное состояние лимитирующей стадии р-ции.

Напр., для нитрования соед. I (Y=Н) в ацетоне при 25 °С r=-7,3, для замещения Y=F в соед. I на метоксигруппу под действием CH3ONa r=+7,55, для этерификации бензойных к-т II метиловым спиртом r=-0,58. Рассчитанные по данным о константах диссоциации бензойных к-т II значения а для заместителей, способных к сопряжению с реакц. Центрами Y в соединениях I, оказываются заниженными по абс. Величине. Такие заместители, как NO2, CHO, СООСН 3, взаимодействующие с сильными нуклеоф. Группами Y=ОН, О -, СH2-, NH2 и др., или электронодонорные заместители ОН, О -, NH2, SR, взаимодействующие с электроф. Реакц. Центрами Y=COR, NO2, С + и др., характеризуются соотв. Нуклеоф. S - и электроф. S+ константами, вычисляемыми на основе подходящих реакц.

Серий. Применение констант s - и s+ позволяет сохранить форму К. С. (5). Более точные корреляции достигаются при переходе к многопараметровым ур-ниям, в к-рые включаются константы заместителей, характеризующие отдельно индуктивное, мезомерное и стерич. Влияние заместителей. Если оставить в реакц. Серии соед. II в качестве заместителей только группы, своб. От сопряжения с реакц. Центром (ОСН 3, F, Cl, Вr, I, СОСН 3), можно получить ряд констант s°, значения к-рых учитывают индукц. Эффект заместителя в бензольном кольце и индуцируемую поляризацию p-электронов кольца. Посредством подбора подходящих модельных соед. (напр., 4-замещенных бицикло [2,2,2] октан-1-карбоновых к-т) можно, пользуясь соотношением типа (5), получить константы, описывающие только индукц.

Влияние sI, и выделить мезомерные константы заместителей s с и s0c. s с=sn-sI s0c=s0n-sI, где s0n - константа заместителя в пара-положении. Корреляц. Четырехпараметровые ур-ния. позволяют раздельно оценивать вклады индукц. И мезомерных эффектов заместителей в относит. Реакц. Способность. Известны другие К. С. [Юкава-Цуно, Дьюара - Грисдейла, Свена(Свейна) - Лаптона], в к-рых применяются др. Подходы к разделению общего эффекта заместителя на его составляющие. Рассмотренные константы заместителей характеристичны для производных бензола I. Развиты К. С. Для характеристики реакц. Способности др. Типов соед. - полиядерных ароматич., гетероциклич., олефинов и алифатич. Соединений. В последнем случае применяют ур-ние Тафта [s* - константа Тафта, k и kCH3- константы скорости или равновесия р-ций алифатич.

Соед. Соотв. RY и CH3Y, r* - параметр, аналогичный r в ур-нии (4)]. и для соед. С неск. Заместителями. причем s* линейно связаны с константами sI. s*(R)=6,23sI(R) sI(R)=0,45s*(CH2R) Для учета влияния пространств. Эффектов заместителей на реакц. Способность алифатич. Соед. Вводятся стерич. Константы заместителей Es, определяемые по данным о скоростях кислотного гидролиза сложных эфиров. Es=lg(k/k0), где k иk0 - константы скорости соотв. Для. Соед. С заместителем R в ацильной компоненте и для ацетата. Константы Es определяются объемом заместителей и линейно зависят от их ван-дер-ваальсовых радиусов. Совместный учет влияния электронных и пространств. Факторов на реакц. Способность алифатич. Соед. Осуществляется при помощи ур-ния. lg(k/k0)=r*s*+rsEs, (9) где rs - параметр, аналогичный по смыслу r в ур-нии (4).

К. С. Для вариации реагентов применяют для количеств, описания р-ций с варьируемым реагентом при постоянном субстрате. Для бимолекулярного нуклеоф. Замещения выполняется ур-ние Свена-Скотта. Lg(k/k0)=s.n.(10) где k и k0 -константы скорости р-ции субстрата соотв. С данным нуклеофилом и с водой, параметр sхарактеризует чувствительность р-ции к варьированию реагента (селективность), константы попределяются по данным о кинетике р-ций стандартного субстрата - СН 3 Вr с рядом нуклеофилов и зависят от условий проведения р-ции (среды, т-ры). Для водных р-ров при 0 °С значения пдля нек-рых нуклеофилов равны 6,35 (для S2 О 32-, 5,13 (CN-), 4,16 (NH3), 2,99 (Сl-), 1,88 (F-), 0 (Н 2O). Для р-ций стабильных орг. Катионов и активир.

Карбонильных соед. С нуклеофилами хорошая корреляция достигается при помощи ур-ния Ритчи. Lgk=N++C,(11) где С - константа, характерная для субстрата [напр., С=-5 для трис-(n-диметиламинофенил)метильного катиона и С - 1 для n-нитрофенилдиазония], значение N+- ф-ции среды и т-ры. Так, N+=13,1 для нуклеофила C6H5S- в диметилсульфоксиде, а в СН 3 ОН составляет 10,7. Отсутствие в ур-нии (11) константы чувствительности р-ции означает, что два субстрата (1 и 2) имеют одинаковую селективность по отношению к одному и тому же нуклеофилу. Lg(k1/k2)=С 1 -С 2. Известен целый ряд многопараметровых К. С. Для учета влияния варьируемого реагента на реакц. Способность. К. С. Для характеристики влияния р-рителя на реакц. Способность. Соотношения ЛСЭ выполняются для характеристики влияния варьирования р-рителя на скорость или константы равновесия заданной р-ции.

Для корреляции скоростей сольволиза используют ур-ние Грюнвальда - Уинстейна. Lg(k/k0)=m.Y, (12) где т- константа чувствительности, аналогичная реакц. Константе r в ур-ниях (4)-(9), а Y-параметр полярности р-рителя. В качестве стандартной серии (т=I) выбран сольволиз трет -С 4 Н 9 Сl в 80%-ном этаноле. Применимость ур-ния (12) ограничивается сольволизом в достаточно высокополярных р-рителях (Y=0 для 80%-ного этанола, -0,60 для формамида, -3,26 для трет -бутанола, 3,49 для воды). Для более широкого круга р-ций применяют многопараметровые К. С., включающие параметры р-рителей, рассчитанные на основе спектральных данных (смещения длинноволновых полос поглощения полярных соед. В разл. Р-рителях), - параметры Димрота FT, константы Косовера Z, константы Тафта -Камле p*.

В основе К. С. Для физ. Характеристик лежит установленная квантовомех. Расчетами линейная зависимость констант заместителей а от величин электронных зарядов, индуцируемых заместителем на реакц. Центре и прилегающих атомах, и др. Характеристик электронного распределения в молекулах и ионах. Известны разнообразные К. С., связывающие дипольные моменты, частоты и интенсивности полос в колебат. Спектрах, хим. Сдвиги ядер в спектрах ЯМР и пр. От разл. Типов электронных и стерич. Констант заместителей. Напр., для хим. Сдвигов 19F в спектрах ЯМР мета-(F м) и пара -замещенных (Fn) бензолов с хорошей точностью выполняются К. С. Для интенсивностей колебаний кольца производных бензола в области 1600 и 1585 см -1, характеризующих искажения p-электронной системы кольца, выполняется К.

С. ( А-100)1/2= 132,7sc°, (14) где А - интегральная интенсивность полосы поглощения в ИК спектре. Соотношения (13), (14) используют для вычисления констант заместителей sI, s°c, s°. К. С. В биохимии становятся важным ср-вом предсказания и целенаправленного поиска структурных модификаций, способствующих повышению биол. Активности, в сериях соед. С систематич. Варьируемыми структурными признаками. Важный параметр, связываемый с библ. Активностью, - коэф. Распределения Рв бинарной системе углеводород-вода. Значения Ропределены для более чем 10000 соединений. Общая модель К. С. Типа "структура - активность" строится на изучении зависимостей (15)-(17). Скорость биол. Ответа = B.C.k.(15) где С - кол-во введенного в организм препарата, В -фактор, характеризующий вероятность достижения препаратом рецептора за определенный промежуток времени, k -константа скорости или равновесия лимитирующей стадии р-ции, ведущей к контролируемому биол.

Ответу. Ур-ниe (15) сводится к К. С. Lg(1/C)=a(lgP)2+b(lgP)+clgk+d, (16) где a, b, с, d -коэф., получаемые в результате статистич. Обработки данных эксперимента. Для мн. Биол. Систем для констант k выполняется К. С. lgk=ap+bv+cEs+d(17) где p=lg(P/PH), Рн - коэф. Распределения для соед. С заместителем Н. Ур-ния типа (15)-(17) - важные элементы системного анализа биол. Активности орг. И прир. Соединений. Лит. Жданов Ю. А., Минкин В. И., Корреляционный анализ в органической химии. Ростов н/Д., 1966. Пальм В. А., Основы количественной теории органических реакций. Л., 1967. Джонсон К., Уравнения Гаммета, пер. С англ., М. 1977. Advances in linear free energy relationships, ed. By N. B. Chapman. J. Shorter. N.Y.-L, 1972. Correlation analysis in chemistry. Recent advances, ed.

By N.B. Chapman, J. Shorter, N. Y.-L, 1978. Hansch C, Leo A., Substituent constants for correlation analysis in chemistry and biology, N. Y., 1979. Klumpp G. W., Reactivity in organic chemistry, N. Y., 1982. В. И. Mинкин.