מבוא לכימיה אורגנית ברמת A-Level

ברמת A-Level תפגוש משפחות קבוצות פונקציונליות נוספות, כולל קבוצת אמיד ותרכובות ארומטיות (אלו הבנויות מסביבת בנזן). כמו קודם לכן, הקבוצה הפונקציונלית קובעת את התכונות, ואתה קורא אותה מהנוסחה הכללית, המבנית, המוצגת או השלדית.

שמירת תרכובות ארומטיות

מולקולת בנזן היא טבעה של שישה פחמן. כאשר אתה שומר תרכובת ארומטית, השתמש בטבעת הבנזן כמבנה האם ומספר את מיקומי ההחלפים. לדוגמה, חומצה 3-ניטרו-בנזואית יש לה $\text{–NO}_2$ על פחמן 3, ו-2,4,6-טרבורโม-פנול יש שלושה אטומי ברום בטבעת פנול. ניתן גם לשמור תרכובות מחזוריות עם טבעה אחת של עד שישה פחמן.

• החלפה אלקטרופילית: אלקטרופיל מחליף אטום מימן בטבעת בנזן (כך בנזן מגיב).
• חיבור–הסרה: מולקולה נוספת תחילה, ולאחר מכן מולקולה קטנה מופקת (נצפה עם 2,4-DNPH ועם כלורידי אציל).

בנזן הוא מצעג משוכלל ושטוח. לכל פחמן יש sp² היברידיות, והוא משתמש בשלושת האורביטליים היברידיים שלו ליצירת קשרי סigma σ עם שני פחמנים שכנים ואחד מימן. הדבר יוצר טבעת של קשרי σ.

לכל פחמן נותר גם אלקטרון אחד באורביטל p העומד אנכית לטבעת. אורביטלי ה-p הללו חופפים בצדדים לאורך כל הטבעת, ויוצרים מערכת אחת של קשר פיי π מופץ — טבעת של אלקטרונים מעל ומתחת למישור. מכיוון שהאלקטרונים מתחלקים באופן שווה, כל שישה קשרי C–C זהים באורכם, ובנזן יציבות גבוהה מאוד.

איך אנו יודעים שבנזן באמת מופץ? עדות חזקה אחת היא שינוי האנטלפיה בהידרוגנציה. הוספת מימן לקשר כפול C=C אחד (כמו בציκλοהקסן) משחררת כ-$120\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$, ולכן טבעת קיקולé עם שלושה קשרים כפולים נפרדים אמורה לשחרר כ-$3 \times 120 = 360\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$. בנזן אמיתי משחרר רק $208\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$ — הוא יציב יותר ב-$152\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$ מהמודל חוזה.

שתי אננטיומרים (איזומרים המשתקפים זה בזה) יש להן מאפיינים פיזיקליים וכימיים זהים, עם שתי יוצאים מן הכלל:

• הן מסובבות אור מקוטב מישורי בכיוונים הפוכים. חומר שעושה זאת הוא פעיל אופטית.
• ייתכן שיש להן השפעות שונות באורגניזמים חיים (פעילות ביולוגית).

תערובת ראצמית היא מערבוב 50:50 של שתי האננטיומרים. היא לא מסובבת אור מקוטב מישורי, מכיוון שהשתי סיבובים הנגדים מבטלים זה את זה.

למה כיראליות חשובה לתרופות

כיראליות היא חשובה בעת ייצור תרופות. למולקולה עם מרכז כיראלי יש שתי אננטיומרים, והן יכולות להתנהג בצורה שונה מאוד בגוף — האחת עשויה לרפא בעוד השנייה לגרום נזק. לכן יצרני תרופות או:

• מפרידים תערובת ראצמית לשתי האננטיומרים הנקיים, או
• השתמש בקטליזיר כיראלי כדי לייצר רק את האנאנטיומר הבודד הרצוי.

דוגמה מפורטת. איזה מהמתאנים הבאים: בוטן-1-ול, בוטן-2-ול ו-2-מתילפרופאן-2-ול הוא כיראלי? מולקולה היא כיראלית אם יש בה פחמן הנשען על ארבעה קבוצות שונות. בדוק את הפחמנים אחד אחד. בבוטן-2-ול, $\text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_2\text{CH}_3$, הפחמן מס' 2 נשען על $\text{OH}$, $\text{H}$, $\text{CH}_3$ ו-$\text{C}_2\text{H}_5$ - ארבע קבוצות שונות, ולכן זהו מרכז כיראלי והבוטן-2-ול קיים בשתי איזומרים אופטיים. בפחמן מס' 1 של בוטן-1-ול ישנם שני אטומי מימן, ובפחמן המרכזי של 2-מתילפרופאן-2-ול ישנם שתי קבוצות מתיל זהות, ולכן אף אחת מהן אינה כיראלית. מספיק קבוצה חוזרת אחת על פחמן כדי לבטל את הכיראליות במקום זה - ועוד, השווה בין קבוצות באופן נכון: $\text{CH}_3$ ו-$\text{C}_2\text{H}_5$ שונים, אך רק לאחר שתסתכל מעבר לאטום הראשון.

• איזומרים אופטיים דורשים פחמן כיראלי (ארבע קבוצות שונות); הם תמונות ראי שאינן חופפות זו על זו ומסובבים אור מקוטב במישור בכיוונים הפוכים.
• תערובת רצמית נוצרת כאשר ביניים פלסטי (קרבוקטיון או $\text{C}=\text{O}$) נפגע באופן שווה משני הצדדים.
• הטבעת המוצללת של בנזן (אורך קשרים שווה, פלסטית) מסבירה את יציבותה לעומת מודל הקלקול.
• למד את שני המנגנונים החדשים - החלפה אלקטרופילית של ארנים, והוספה-סינון נוקליאופילית.