Bài giảng Hóa học hữu cơ - Hệ dược

HOÁ HỮU CƠ 1HỆ DƯỢCChương 1:Cấu trúc điện tử của nguyên tử cacbon và sự hình thành liên kết trong hoá hữu cơ1. Cấu trúc điện tử của cacbonThuyết cacbon tứ diện (Vant Hoff – Le Bel 1874) Nguyên tử cacbon có hoá trị 4. Bốn hoá trị của cacbon hướng ra bốn đỉnh của tứ diện, tâm tứ diện là nguyên tử cacbonCấu trúc điện tử của cacbon Trạng thái cơ bản: C (Z=6): 1s22s22p2. Trạng thái kích thích: Trạng thái kích thích, cacbon có 4e độc thân  tạo 4 liên kết đơn, cacbon luôn có hoá trị 4. Trạng thái lai hoá K/n: tổ hợp các orbital có năng lượng gần bằng nhau để tạo các orbital có cùng năng lượng, hình dạng, kích thước nhưng có định hướng khác nhau trong không gian gọi là sự lai hoá Lai hoá sp3 (lai hoá tứ diện): 1AOs và 3AOp lai hoá với nhau tạo thành 4AO lai hoá sp3 Lai hoá sp2 (lai hoá tam giác): 1AOs + 2AOp (2px và 2py)  3AO lai hoá sp2. Trục đối xứng của 3AO lai hoá sp2 nằm trên cùng mặt phẳng và tạo với nhau góc 120 Lai hoá sp (lai hoá thẳng): 1AOs + 1AOp (2px) 2AO lai hoá sp. Góc tạo bởi trục của 2AO lai hoá sp là 180 2. Sự tạo thành liên kết ,  * Xen phủ trục – tạo liên kết  s-s s-p p-pTrong hợp chất hữu cơ, liên kết  được hình thành do sự xen phủ:AOs (H) với các AO lai hoá (C): sp, sp2, sp3.AO lai hoá (C) xen phủ với nhauAO lai hoá s và p của (O, N) với AOs (H) hoặc với các AO lai hoá (C) trong các hợp chất có liên kết O-H hoặc C-O, liên kết N-H hoặc C-N. Ví dụ: sự hình thành liên kết  trong phân tử etan * Xen phủ bên – tạo liên kết  Trong hợp chất hữu cơ, liên kết  được hình thành do sự xen phủ:Orbital Px hoặc Py của cacbon xen phủ với nhau từng đôi một để tạo thành liên kết  trong C=C hoặc trong CC.Orbital P của oxy, nitơ xen phủ với orbital P của cacbon tạo thành liên kết  trong C=O hoặc trong C=N, CN.Ví dụ: sự hình thành liên kết  trong phân tử etylen 3. Sự tạo thành liên kết yếu – liên kết hydro Điều kiện hình thành liên kết hidroLiên kết hidro có bản chất tĩnh điện, năng lượng liên kết nhỏ (5kcal/mol).Điều kiện hình thành liên kết hidro: + Độ âm điện: X > H + Y có cặp điện tử tự do (chưa liên kết) + Kích thước của X và Y đều không lớn Liên kết hydro liên phân tửTạo thành giữa các phân tử với nhauKhi pha loãng các hợp chất có liên kết hidro liên phân tử trong dung môi trơ (dung môi không phân cực)  liên kết hidro bị cắt đứt dần Liên kết hydro nội phân tửTạo thành trong cùng một phân tửLiên kết không bị ảnh hưởng khi pha loãng dung dịchNhóm X-H và Y phải ở gần nhau để đảm bảo khi hình thành liên kết thì sẽ hình thành vòng 5 hoặc 6 cạnh bền. Các hợp chất vòng có nhóm chức ở vị trí 1, 2 thường dễ tạo thành liên kết hidro nội phân tử. Ảnh hưởng của liên kết hydroNhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi Liên kết H liên phân tử làm tăng toC và tos, nhưng liên kết hidro nội phân tử không có ảnh hưởng này. Ví dụ: + p-nitrophenol: nhiệt độ nóng chảy 144C và sôi 241C + o-nitrophenol: nhiệt độ nóng chảy 44C và sôi 114C Ảnh hưởng của liên kết hydroĐộ tanCác chất có khả năng tạo thành liên kết hidro với nước thì dễ tan trong nước.Liên kết hidro liên phân tử giữa chất tan và dung môi làm tăng độ tan trong dung môi phân cực. Liên kết hidro nội phân tử làm tăng độ tan trong dung môi không phân cực.Ví dụ:Metanol và etanol dễ tan trong nước do có liên kết hidro với nướcp-nitrophenol có khả năng tan được trong nước, trong khi đó o-nitrophenol không tan trong nước. Ảnh hưởng của liên kết hydroĐộ bền phân tửLiên kết hidro nội phân tử làm cho phân tử đó trở nên bền vững hơn.Ví dụ: 1,2-dicloetan: đồng phân anti bền hơn đồng phân syn Etilenglycol: đồng phân syn lại bền hơn đồng phân anti vì syn-etilenglycol có sự tạo thành liên kết hidro nội phân tử Ảnh hưởng của liên kết hydroẢnh hưởng khácLiên kết hidro làm thay đổi các vạch hấp thụ đặc trưng trong quang phổ hồng ngoại (IR), tử ngoại (UV), phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), momen lưỡng cực, độ dài liên kết.Liên kết hidro cũng có tác dụng làm thay đổi tương tác trong các quá trình chuyển hoá sinh học trong cơ thể động vật và thực vật Chương 2:Hiệu ứng điện tử trong hoá hữu cơMật độ điện tử trong liên kết cộng hoá trị thường được phân bố không đồng đều giữa 2 nguyên tử của liên kết, khi đó phân tử chất hữu cơ bị phân cực. Bản chất của sự phân cực khác nhau còn tuỳ thuộc vào cấu tạo phân tử. Như vậy, cấu tạo phân tử có ảnh hưởng đến sự phân bố mật độ điện tử, ảnh hưởng đó gọi là hiệu ứng điện tử trong phân tử.Các loại hiệu ứng: + Hiệu ứng cảm ứng I (Inductive effect) + Hiệu ứng liên hợp C, M (Conjugate effect) + Hiệu ứng siêu liên hợp H (Hyperconjugate effect) 1. Hiệu ứng cảm ứng I (Inductive effect) Clo hút điện tử  C-Cl phân cực  các liên kết trong phân tử phân cực. Clo gây hiệu ứng cảm ứng.Khái niệm: Sự phân cực hay sự chuyển dịch mật độ điện tử trong các liên kết  gọi là hiệu ứng cảm ứng. Hiệu ứng cảm ứng kí hiệu là I hoặc I. Phân loại hiệu ứng cảm ứngQuy ước: H trong liên kết C-H có I=0Nguyên tử hay nhóm nguyên tử X hút điện tử mạnh hơn H có hiệu ứng cảm ứng –I (hiệu ứng cảm ứng âm)Nguyên tử hay nhóm nguyên tử X đẩy điện tử mạnh hơn H có hiệu ứng cảm ứng +I (hiệu ứng cảm ứng dương). Hiệu ứng cảm ứng dương (+I)Nguyên tử, nhóm nguyên tử có +I gồm:Nhóm ankyl: +I tăng nhanh theo độ phân nhánh của nhómNhóm mang điện tích âm: nhóm có độ âm điện nhỏ hơn sẽ có +I lớn hơn Ảnh hưởng của +I đến tính chất hợp chất: hiệu ứng +I làm tăng tính base và giảm tính axit của hợp chất Ví dụ 1: Tính axit: HCOOH > CH3COOH do CH3 có hiệu ứng +I  giảm độ phân cực của liên kết O-H Ví dụ 2: Tính base: CH3NH2 > NH3 do CH3 có hiệu ứng +I  tăng mật độ điện tử trên N, nên tính base tăng. Hiệu ứng cảm ứng âm (-I)Nguyên tử, nhóm nguyên tử có (-I) gồm:Nhóm không no: C lai hoá sp có –I > C lai hoá sp2, sp3Nhóm có q+: –I > nhóm không mang điện có cùng cấu tạoĐộ âm điện tăng  –I tăng Ảnh hưởng của -I đến tính chất hợp chất: hiệu ứng -I làm giảm tính base và tăng tính axit của hợp chất. Ví dụ: Đặc điểm của I: hiệu ứng cảm ứng lan truyền trên mạch liên kết , và yếu dần khi chiều dài mạch cacbon tăng lên. Ví dụ: 2. Hiệu ứng liên hợp (Conjugate effect)2.1. Hệ thống liên hợp: là một hệ thống chứa:Các liên kết bộ (đôi, ba) luân phiên với liên kết đơnHệ thống chứa nguyên tử còn cặp điện tử p tự do, liên kết trực tiếp với nguyên tử cacbon có liên kết bội. Phân tử chứa hệ thống liên hợp là phân tử liên hợp. Phân loại hệ thống liên hợp: Liên hợp - + Hệ thống liên hợp không vòng + Hệ thống liên hợp vòngLiên hợp p-: tương tác giữa điện tử p tự do với liên kết . Đặc điểm của hệ thống liên hợp: Nguyên tử tạo hệ liên hợp thuộc cùng mặt phẳng, trục AOp song song với nhau và vuông góc với mặt phẳng chứa liên kết .Phân tử liên hợp có năng lượng thấp do điện tử được giải toả  tạo orbital  phân tử (MO) 2.2. Hiệu ứng liên hợp K/n: Hiệu ứng liên hợp là hiệu ứng sinh ra do sự phân cực của liên kết  được lan truyền trong hệ thống liên hợpKý hiệu: C (Conjugate effect) hoặc M (Mesomeric effect)Phân loại: + Hiệu ứng liên hợp dương (+C) + Hiệu ứng liên hợp âm (-C). Hiệu ứng liên hợp dương (+C)Nhóm đẩy e có hiệu ứng +C; các nhóm chứa các nguyên tử có cặp electron p tự do, cặp electron p này liên hợp với e- trong hệ thống liên hợpNhóm có hiệu ứng +CCác nhóm có hiệu ứng liên hợp +C thường có thêm hiệu ứng cảm ứng –I Hiệu ứng liên hợp âm (-C)Nhóm hút e có hiệu ứng –C. Nhóm có hiệu ứng –C: nhóm không no dạng C=X, CZ và một số nhóm khác: –NO2, -SO3H; Nhóm có hiệu ứng liên hợp –C thường có thêm hiệu ứng cảm ứng âm (-I). Đặc điểm của hiệu ứng liên hợpẢnh hưởng của hiệu ứng liên hợp không bị giảm khi hệ liên hợp kéo dài. Ví dụ: H trong phân tử andehit sau đều linh độngHiệu ứng liên hợp làm thay đổi trung tâm phản ứng (H+ vào O- thay vì NH2) Ảnh hưởng của hiệu ứng liên hợp chỉ xảy ra trong hệ thống phẳng. Ví dụ: Xét 2 hợp chất Nhóm CH3 gây cản trở không gian  NO2 bị lệch khỏi mặt phẳng vòng benzen  hiệu ứng liên hợp của NO2 không phát huy tác dụng 2.3. Hiệu ứng siêu liên hợp H (hyperconjugate effect)K/n: Sự tương tác liên hợp giữa orbital  của liên kết C-H với orbital  của liên kết đôi, liên kết ba hoặc hệ thống liên hợp gọi là hiệu ứng siêu liên hợp (ký hiệu là H) Đặc điểm của hiệu ứng HHiệu ứng H làm thay đổi bản chất của liên kết đôi, và các tính chất của liên kết đơn C-H.H làm thay đổi hướng cộng hợp vào liên kết đôi.H ảnh hưởng tới tính linh động của liên kết C-H trong gốc ankyl, ví dụ: Đặc điểm của hiệu ứng HHiệu ứng siêu liên hợp tăng theo số lượng liên kết C-H ở vị trí .Hiệu ứng siêu liên hợp và hiệu ứng +I luông xảy ra cùng hướng