二、共轭效应

共轭效应（conjugative effect）是存在于共轭体系（即有电子离域现象发生的体系）中的一种原子间的相互影响，其作用结果也能导致共轭体系中的电子云分布发生改变。共轭效应只存在于具有共轭体系的分子中，不像诱导效应那样普遍存在于大多数分子中。

1.共轭体系的类型

有机物中存在的共轭体系种类较多，根据发生离域的电子类型不同，可大致将共轭体系分为以下几类：

（1）π-π共轭体系　即重键（双键或叁键）-单键-重键交替排列的体系。具有此类共轭体系的分子可以是开链的，也可以是环状的。丁-1，3-二烯、戊-1-烯-3-炔、苯、丙烯醛等属于具有这类体系的分子。

在这类分子中，由于重键-单键-重键交替排列，通过单键相连的重键轨道间存在着额外的重叠，从而导致π键电子运动区域扩大，即发生了π电子的离域。例如，在丁-1，3-二烯分子中，四个碳原子都是sp2杂化的，每个碳以sp2杂化轨道与相邻碳原子相互重叠形成C—Cσ键，与氢原子的s轨道重叠形成C—Hσ键，这三个C—Cσ键、六个C—Hσ键在一个平面上，键角接近于120°。此外每个碳上还有一个未杂化的p轨道，垂直于σ键所在平面，侧面重叠形成π键，这种重叠不是只限于C1与C2、C3与C4之间，而是C2与C3之间也发生了一定程度的重叠，从而使C2与C3之间也具有部分π键的特征，其电子云密度比孤立C—C单键的电子云密度增大，键长缩短。由于整个分子的π键形成了一个整体，导致π电子运动区域扩大，也就是形成了离域大π键。我们通常把这样的体系称为共轭体系，因为π电子离域构成的共轭体系称为π-π共轭体系。丁-1，3-二烯分子中的离域π键如图2-17所示。

（2）p-π共轭体系　具有p轨道的原子通过σ键与重键原子相连的体系。氯乙烯、烯丙基自由基、甲酸等都具有这类共轭体系，其结构见图2-18。

p-π共轭体系中存在着p轨道与π轨道间的重叠，结果会导致p电子或π电子的离域。应当明确的是，p-π共轭体系中p轨道上有无电子都不影响构成这一共轭体系。例如，烯丙基正离子参与组成p-π共轭体系的就是个空p轨道。

（3）σ-π共轭体系　亦称超共轭（hypercongugation）体系。即具有碳氢σ键的碳原子通过σ键与重键原子相连的体系。丙烯、甲苯等属于具有这类共轭体系的分子。丙烯分子的超共轭体系见图2-19。

丙烯分子中的甲基碳原子有四个sp3杂化轨道，其中三个轨道与氢原子的1s轨道重叠形成碳氢σ键，一个轨道与双键碳原子的一个sp2杂化轨道形成碳碳σ键。碳氢键中由于氢原子的1s轨道体积很小，相当于镶嵌在碳原子的sp3杂化轨道中，使得碳氢键电子云靠近氢原子的部分体积增大，当其与π键原子相连时，碳氢σ键的电子云会与π轨道发生某种程度的重叠，导致碳氢σ电子发生离域。由于σ-π共轭体系中发生离域的轨道间并不彼此完全平行，轨道间的重叠程度小，电子离域不充分，故而被称为超共轭体系，碳氢σ键亦能与单独的p轨道构成σ-p超共轭体系，如乙基自由基（图2-19）。

2.共轭效应的方向、强度及传递特征

共轭效应的方向亦分为吸电子的共轭效应（-C效应）与斥电子的共轭效应（+C效应）两种。产生-C效应的取代基有：—NO2，—CN，—CHO，—COR，—COOR，—COOH等。产生+C效应的取代基有：—NR2，—NH2，—OR，—OH，—F，—Cl，—Br，—I等。对于不同的共轭体系，其电子离域的方向由不同的因素决定。在π-π共轭体系中，电子云向电负性强的原子方向偏移。例如，丙烯醛分子中的π电子云会向羰基氧原子方向偏移，羰基相对于烯键就是个引起-C效应的吸电子基（一般用弯箭头表示共轭体系中电子云转移的方向）。

对于p-π共轭体系而言，电子云会由密度大的地方向密度小的地方偏移。例如，氯乙烯分子中氯原子的未共用电子对会向π键方向偏移；而在烯丙基正离子中，π电子则会向带正电荷碳原子的p轨道方向偏移。通常情况下，由具有未共用电子对的原子与π键原子构成的p-π共轭体系，都和氯乙烯相似，发生的都是斥电子共轭效应，因而这类原子（或基团）都属于斥电子基。

对于σ-π共轭体系而言，都是碳氢σ键电子向π键方向离域，引起的也都是斥电子共轭效应，所以具有碳氢键的烷基从共轭效应的角度看都属于斥电子基。

不同共轭体系的共轭效应强度由不同的因素所决定：对于π-π共轭体系而言，电负性是决定共轭效应强度的主要因素。例如，-C效应：C==O＞C==S。

对于p-π共轭体系而言，是由电负性和轨道间的能级差共同决定共轭效应的强度。例如，+C效应：NH2＞OH（氮的电负性弱于氧）；卤乙烯中的+C效应：Cl＞Br＞I（Cl与C属相邻元素周期，能级差最小；I与C隔两个元素周期，能级差最大）。

至于σ-π体系中共轭效应的强度，则是由可发生离域的碳氢键的数目来决定。能发生离域的碳氢键数目越多，发生σ-π超共轭效应的几率越大，引起的超共轭效应就强度越强。例如，+C效应：CH3＞CH2CH3＞CH（CH3）2，这是因为CH3有三个碳氢σ键，而CH（CH3）2只有一个这样的键。

共轭效应有着与诱导效应不同的传递特征，其主要特征为：

（1）共轭效应只在共轭体系中传递，不会超出范围传递。

（2）在传递过程中，共轭效应的强度不会因距离的延长而明显减弱。

（3）共轭效应在π-π共轭体系中传递时，会导致体系出现极性交替现象。例如：

共轭效应可以用来解释有机反应中的一些问题。例如：氯乙烷分子中的氯原子比较活泼，容易发生亲核取代反应；而氯乙烯（CH2==CH—Cl）分子中的氯原子则很不活泼，很难被取代。其中的原因就是氯原子和双键直接相连时，氯的p轨道与碳碳双键的π轨道相平行，可侧面重叠形成p-π共轭体系，电子云的密度发生平均化，电子由电子云密度较大的氯原子向电子云密度较小的碳原子方向转移，从而使C—Cl键电子云密度增大，键能增大，键长缩短，难以被取代。

诱导效应和共轭效应同属分子中原子间相互影响的电性效应，二者的不同之处在于：诱导效应是由于成键原子电负性的不同而产生的，通过静电诱导传递所体现的；而共轭效应则是在特殊的共轭体系中，通过电子的离域所体现的。

在有机物分子中，诱导效应既可以单独存在，也可以与共轭效应同时存在。当一个原子（或基团）既有诱导效应又有共轭效应，且二者作用方向相反时，应注意判断其电子效应对分子性质的实际影响。例如，—NH2、—OH、—OCH3等不连接构成共轭体系时，都是仅具有-I效应的基团，属于吸电子基；但当它们连接构成共轭体系时，则是同时具有-I和+C效应的基团，由于它们+C效应的强度超过了-I效应，实际电性效应的方向由共轭效应决定，所以三者同属斥电子基。—Cl的情况与这三者相似，不同之处在于氯原子的电负性较强，-I效应强度大，+C效应不足以抵消-I效应的影响，因而氯原子通常表现为吸电子基（决定反应活性），但其+C效应在反应过程中也会体现出来（决定反应方向）。