An introduction to A Level organic chemistry · ⁨Введение в органическую химию уровня A⁩

На уровне A-Level вы знакомитесь с бо́льшим количеством семейств функциональных групп, включая амидную группу и ароматические соединения (те, что построены на бензольном кольце). Как и прежде, функциональная группа определяет свойства, и её можно прочитать из общей, структурной, развернутой или скелетной формулы.

Номенклатура ароматических соединений

Молекула бензола представляет собой кольцо из шести атомов углерода. При названии ароматического соединения используйте бензольное кольцо в качестве основной части и нумеруйте положения заместителей. Например, в 3-нитробензойной кислоте у атома углерода под номером 3 находится $\text{–NO}_2$ группа, а в 2,4,6-трибромфеноле на кольце фенола находятся три атома брома. Также можно называть циклические соединения с одним кольцом до шести атомов углерода.

• электрофильное замещение: электрофил замещает атом водорода в бензольном кольце (так реагирует бензол).
• присоединение–элиминирование: молекула сначала присоединяется, затем удаляется маленькая молекула (наблюдается с 2,4-ДНФГ и ацилхлоридами).

Бензол — плоский правильный шестиугольник. Каждый атом углерода имеет sp² гибридизацию, используя свои три гибридные орбитали для образования сигма-связей σ с двумя соседними атомами углерода и одним водородом. Это образует кольцо σ-связей.

У каждого атома углерода остается один электрон в p-орбитали, стоящей перпендикулярно кольцу. Эти p-орбитали боково перекрываются по всему кругу, образуя единую делокализованную пи-систему π — кольцо электронов над и под плоскостью. Поскольку электроны распределяются равномерно, все шесть C–C связей одинаковы по длине, а бензол очень стабилен.

Как мы знаем, что бензол действительно делокализован? Одно из сильных доказательств — его энтальпия гидрирования. Присоединение водорода к одной двойной связи C=C (как в циклогексене) выделяет около $120\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$, поэтому кольцо Кекуле с тремя отдельными двойными связями должно было бы выделять около $3 \times 120 = 360\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$. Реальный бензол выделяет только $208\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$ — он примерно на $152\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$ более стабилен, чем предсказывает модель.

Два энантиомера (изомера зеркального отражения) имеют идентичные физические и химические свойства, за исключением двух случаев:

• они вращают плоскополяризованный свет в противоположных направлениях. Вещество, которое это делает, является оптически активным.
• они могут оказывать разное воздействие на живые организмы (биологическую активность).

Равновесная смесь (рацемат) — это смесь двух энантиомеров в пропорции 50:50. Она не вращает плоскополяризованный свет, поскольку два противоположных вращения компенсируют друг друга.

Почему хиральность важна для лекарств

Хиральность важна при создании лекарств. Молекула с хиральным центром имеет два энантиомера, и они могут вести себя совершенно по-разному в организме — один может лечить, а другой наносить вред. Поэтому производители лекарств либо:

• разделяют рацемическую смесь на два чистых энантиомера, или
• используют хиральный катализатор для получения только одного нужного им энантиомера.

Разобранный пример. Какой из бутан-1-ола, бутан-2-ола и 2-метилпропан-2-ола является хиральным? Молекула хиральна, если она содержит атом углерода, несущий четыре различные группы. Рассматривайте атомы углерода по очереди. В бутан-2-оле, $\text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_2\text{CH}_3$, атом углерода 2 несет $\text{OH}$, $\text{H}$, $\text{CH}_3$ и $\text{C}_2\text{H}_5$ — четыре различные группы, поэтому это хиральный центр, и бутан-2-ол существует в виде двух оптических изомеров. У бутан-1-ола у атома углерода 1 находятся два атома водорода, а у центрального атома 2-метилпропан-2-ола — две одинаковые метильные группы, поэтому ни один из них не является хиральным. Для разрушения хиральности достаточно всего одной повторяющейся группы на атоме углерода — и правильно сравнивайте группы: $\text{CH}_3$ и $\text{C}_2\text{H}_5$ различаются, но только после того, как вы посмотрите за первый атом.

• Оптические изомеры требуют наличия хирального атома углерода (четыре разные группы); они являются несовместимыми зеркальными отражениями, которые вращают плоскополяризованный свет в противоположных направлениях.
• Равновесная смесь образуется, когда планарный промежуточный продукт (карбокатион или $\text{C}=\text{O}$) атакован одинаково с обеих сторон.
• Делокализованное кольцо бензола (равные длины связей, планарность) объясняет его стабильность по сравнению с моделью Кекуле.
• Выучите два новых механизма — электрофильное замещение аренов и нуклеофильное присоединение–элиминирование.