Giới thiệu về hóa hữu cơ A Level

Ở cấp A-Level, bạn sẽ gặp nhiều họ nhóm chức năng hơn, bao gồm nhóm amide và hợp chất aromatic (những hợp chất xây dựng trên vòng benzen). Giống như trước đây, nhóm chức năng quyết định tính chất, và bạn đọc nó từ công thức tổng quát, cấu trúc, hiển thị hoặc khung.

Đặt tên hợp chất aromatic

Một phân tử benzen là vòng gồm sáu nguyên tử carbon. Khi đặt tên một hợp chất thơm, hãy dùng vòng benzen làm gốc và đánh số các vị trí của nhóm thế. Ví dụ, axit 3-nitrobenzoic có một nhóm $\text{–NO}_2$ ở carbon 3, và 2,4,6-tribromophenol có ba nguyên tử bromine trên vòng phenol. Bạn cũng có thể đặt tên các hợp chất vòng có một vòng duy nhất với tối đa sáu carbon.

• thay thế điện tử: một chất nhận electron thay thế một nguyên tử hydro trên vòng benzen (đây là cách benzen phản ứng).
• cộng–loại trừ: một phân tử trước tiên cộng vào, sau đó một phân tử nhỏ bị loại bỏ (gặp với 2,4-DNPH và acyl chloride).

Benzen là một lục giác đều phẳng. Mỗi carbon lai hóa sp², sử dụng ba orbital lai hóa để tạo liên kết sigma σ với hai carbon lân cận và một hydrogen. Điều này tạo ra vòng liên kết σ.

Mỗi carbon còn lại một electron trong orbital p, đứng vuông góc với mặt phẳng vòng. Các orbital p này chồng chập bên nhau quanh toàn bộ vòng, tạo thành một hệ thống liên kết pi phân tán π duy nhất — một vòng electron nằm phía trên và dưới mặt phẳng. Vì các electron được chia sẻ đều đặn, tất cả sáu liên kết C–C đều có cùng độ dài, và benzen rất bền vững.

Làm sao chúng ta biết benzen thực sự có hệ thống phân tán? Một bằng chứng mạnh mẽ là biến thiên enthalpy hiđrô hóa. Thêm hydro vào một liên kết đôi C=C (như trong cyclohexene) giải phóng khoảng $120\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$, vì vậy một vòng Kekulé gồm ba liên kết đôi riêng biệt sẽ giải phóng khoảng $3 \times 120 = 360\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$. Benzen thực tế chỉ giải phóng $208\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$ — nó bền hơn mô hình dự đoán khoảng $152\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$ bền hơn.

Hai enantiomer (đồng phân đối xứng gương) có tính chất vật lý và hóa học giống hệt nhau, ngoại trừ hai trường hợp:

• chúng làm quay ánh sáng phân cực phẳng theo hướng ngược nhau. Một chất thực hiện điều này được gọi là hoạt động quang học.
• chúng có thể có tác động khác nhau trong sinh vật sống (hoạt tính sinh học).

Một hỗn hợp racemic là hỗn hợp 50:50 của hai enantiomer. Nó không làm quay ánh sáng phân cực phẳng, vì hai chiều quay ngược nhau triệt tiêu lẫn nhau.

Tại sao tính chirality quan trọng đối với thuốc

Chirality rất quan trọng khi sản xuất dược phẩm. Một phân tử có trung tâm chirality sẽ có hai enantiomer, và chúng có thể hoạt động rất khác nhau trong cơ thể — một loại có thể chữa bệnh trong khi loại kia gây hại. Do đó, nhà sản xuất thuốc hoặc:

• tách hỗn hợp racemic thành hai enantiomer tinh khiết, hoặc
• sử dụng xúc tác chirality để chỉ tạo ra một enantiomer mong muốn.

Ví dụ giải. Trong butan-1-ol, butan-2-ol và 2-methylpropan-2-ol, chất nào là chiral? Một phân tử chiral nếu nó có carbon mang bốn nhóm khác nhau. Xét từng carbon một. Trong butan-2-ol, $\text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_2\text{CH}_3$, carbon 2 mang $\text{OH}$, $\text{H}$, $\text{CH}_3$ và $\text{C}_2\text{H}_5$ - bốn nhóm khác nhau, vì vậy nó là trung tâm chiral và butan-2-ol tồn tại dưới dạng hai đồng phân quang học. Butan-1-ol's carbon 1 mang hai hydro, và carbon trung tâm của 2-methylpropan-2-ol mang hai nhóm methyl giống hệt nhau, vì vậy cả hai đều không chiral. Chỉ cần một nhóm lặp lại trên carbon là đủ phá vỡ tính chiral tại đó - và so sánh các nhóm đúng cách: $\text{CH}_3$ và $\text{C}_2\text{H}_5$ khác nhau, nhưng chỉ khi bạn nhìn vượt qua nguyên tử đầu tiên.

• Đồng phân quang học cần một carbon chirality (bốn nhóm khác nhau); chúng là ảnh đối xứng không chồng chập lên nhau và làm quay ánh sáng phân cực phẳng theo hướng ngược nhau.
• Hỗn hợp racemic hình thành khi một trung gian phẳng (carbocation hoặc $\text{C}=\text{O}$) bị tấn công đều từ cả hai phía.
• Vòng phân tán của benzen (độ dài liên kết bằng nhau, phẳng) giải thích tính bền vững của nó so với mô hình Kekulé.
• Học hai cơ chế mới — thay thế điện tử của aren và cộng-loại trừ nucleophilic.