Tiêu đề 2 Cấu trúc hữu cơ.pdf ✅

Hỗ trợ online. Biểu tượng trong lề cho biết rằng các tài nguyên tương tác đi kèm được cung cấp trực tuyến để giúp sự hiểu biết của bạn: chỉ cần nhập www.chemtube3d.com/clayden/123 vào trình duyệt của bạn, thay thế 123 bằng số trang mà bạn thấy biểu tượng. Đối với các trang liên kết đến nhiều tài nguyên, hãy nhập 123-1, 123-2, v.v. (thay 123 bằng số trang) để truy cập vào các liên kết liên tiếp. Cấu trúc hữu cơ 2 Có hơn 100 nguyên tố trong bảng tuần hoàn. Nhiều phân tử chứa hơn 100 nguyên tử — chẳng hạn như palytoxin (một hợp chất tự nhiên có hoạt tính chống ung thư), chứa 129 nguyên tử cacbon, 221 nguyên tử hydro, 54 nguyên tử oxy và 3 nguyên tử nitơ. Có thể dễ dàng thấy được cách các cấu trúc hóa học có thể thể hiện sự đa dạng khổng lồ, cung cấp đủ phân tử để tạo nên những sinh vật sống ngay cả phức tạp nhất. OH H N H O N HO O O OH OH OH OH HO OH OH H OH HO HO OH O O O OH OH OH HO OH OH OH O HO HO OH HO O OH HO HO OH HO HO OH OH HO OH HO OH O OH HO OH O O O HO NH2 HO HO H H H H H H H H H H H H H palytoxin ■ Palytoxin được phân lập vào năm 1971 ở Hawaii từ Limu make o Hane ('Rong biển chết chóc của Hana'), đã được sử dụng để tẩm độc các mũi giáo. Nó là một trong những hợp chất độc nhất được biết đến, chỉ cần khoảng 0,15 microgam / kg để gây tử vong khi tiêm. Cấu trúc phức tạp được xác định vài năm sau đó. Kết nối Xây dựng trên • Chương này không phụ thuộc vào Chương 1 Đi đến • Các giản đồ được sử dụng trong phần còn lại của cuốn sách • Tại sao chúng tôi sử dụng những giản đồ cụ thể này • Cách các nhà hóa học hữu cơ gọi tên các phân tử trong văn bản và lời nói • Bộ khung của một phân tử hữu cơ là gì • Nhóm chức là gì • Một số chữ viết tắt được sử dụng bởi tất cả các nhà hóa học hữu cơ • Vẽ các phân tử hữu cơ một cách thực tế theo phong cách dễ hiểu Mong chờ • Xác định cấu trúc phân tử bằng quang phổ ch3 • Điều gì xác định cấu trúc của một phân tử ch4 2069_Book.indb 15 12/12/2011 8:22:14 PM
C C H NH2 H O OH C C H NH2 H3C O OH C C H NH2 C O OH C C C C C C H H H H H H H glycine alanine phenylalanine Lysine có một chuỗi các nguyên tử; tryptophan có cấu trúc vòng. C C H NH2 C O OH C C H NH2 C O OH C C C H2N H H H H H H H H CC C N C C C C C H H H H H H H H lysine tryptophan Trong methionine, các nguyên tử được sắp xếp trong một mạch đơn; trong leucine mạch được phân nhánh. Trong proline, chuỗi tự uốn cong trở lại để tạo thành một vòng. C C H NH2 C O C OH CH3 H3C H H C H C H NH2 C O C OH S H3C H H H H C C C C N C O OH H H H H H H H H methionine leucine proline Tuy nhiên, tất cả các phân tử này đều có các tính chất tương tự - chúng đều hòa tan trong nước, chúng đều có tính axit và bazơ (lưỡng tính), tất cả chúng đều có thể liên kết với các axit amin khác để tạo thành protein. Điều này là do tính chất hóa học của các phân tử hữu cơ phụ thuộc vào số lượng hoặc sự sắp xếp của các nguyên tử cacbon hoặc hydro ít hơn nhiều so với các loại nguyên tử khác (O, N, S, P, Si ...) trong phân tử. Chúng tôi gọi các phần của phân tử chứa các tập hợp nhỏ của các nguyên tử khác này là các nhóm chức , đơn giản vì chúng là các nhóm nguyên tử quyết định cách thức hoạt động của phân tử. Tất cả các axit amin đều chứa hai nhóm chức: nhóm amin (NH2 hoặc NH) và nhóm axit cacboxylic (CO2H) (một số còn chứa các nhóm chức khác). Các cấu trúc axit amin tương tác Chúng ta sẽ quay lại các axit amin làm ví dụ nhiều lần trong chương này nhưng chúng ta sẽ thảo luận chi tiết về hóa học của chúng cho đến Chương 23 và 42 khi chúng ta xem xét cách chúng trùng hợp để tạo thành peptit và protein. CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC HỮU CƠ Nhưng làm thế nào chúng ta có thể hiểu những gì có vẻ giống như một công thức cho sự nhầm lẫn? Đối mặt với tập hợp các nguyên tử mà chúng ta gọi là phân tử, làm thế nào chúng ta có thể hiểu được những gì chúng ta nhìn thấy? Chương này sẽ dạy bạn cách giải thích các cấu trúc hữu cơ. Nó cũng sẽ dạy bạn cách vẽ các phân tử hữu cơ theo cách truyền tải tất cả các thông tin cần thiết và không có gì cao siêu. Khung hydrocacbon và các nhóm chức Như chúng ta đã giải thích trong Chương 1, hóa học hữu cơ là ngành nghiên cứu các hợp chất có chứa cacbon. Gần như tất cả các hợp chất hữu cơ cũng chứa hydro; hầu hết cũng chứa oxy, nitơ hoặc các nguyên tố khác. Hóa học hữu cơ liên quan đến cách mà các nguyên tử này liên kết với nhau thành các cấu trúc phân tử bền, và cách thức mà các cấu trúc này thay đổi trong quá trình phản ứng hóa học. Một số cấu trúc phân tử được hiển thị dưới đây. Các phân tử này đều là axit amin, thành phần cấu tạo của protein. Nhìn vào số lượng nguyên tử cacbon trong mỗi phân tử và cách chúng liên kết với nhau. Ngay cả trong lớp phân tử nhỏ này cũng có rất nhiều loại — glycine và alanin chỉ có hai hoặc ba nguyên tử carbon; phenylalanin có chín. 16 2069_Book.indb 16 12/12/2011 8:22:16 PM
● Các nhóm chức xác định cách phân tử hoạt động cả về mặt hóa học và sinh học. amino C C H NH2 H3C O OH C C H NH2 C O C OH C C H2N H H H H H H H H C C H NH2 C O C OH S H3C H H H H alanine chỉ chứa một nhóm chức amino và một nhóm chức carboxylic acid lysine có thêm một nhóm methionine cũng có thêm một nhóm chức sulfide Điều đó không có nghĩa là các nguyên tử cacbon không quan trọng; chúng chỉ đóng một vai trò hoàn toàn khác với các nguyên tử oxy, nitơ và các nguyên tử khác mà chúng được gắn vào. Chúng ta có thể coi các chuỗi và vòng nguyên tử cacbon mà chúng ta tìm thấy trong phân tử là bộ khung của chúng, hỗ trợ các nhóm chức và cho phép chúng tham gia vào các tương tác hóa học, giống như bộ xương của bạn hỗ trợ các cơ quan nội tạng của bạn để chúng có thể tương tác với nhau và hoạt động bình thường. ● Khung hydrocacbon được tạo thành từ các chuỗi và vòng của các nguyên tử cacbon, và nó hoạt động như một giá đỡ cho các nhóm chức. C H C C C C H H H H H H H H H H H C C C C C C H H H H H H H H H H H H C H C C C C H H C H H C H H H H H H H H H H H một mạch một vòng một mạch nhánh Chúng ta sẽ xem phần sau của việc giải thích các cấu trúc hữu cơ như là khung hydrocacbon hỗ trợ các nhóm chức năng như thế nào giúp chúng ta hiểu và hợp lý hóa các phản ứng của các phân tử hữu cơ. Nó cũng giúp chúng ta nghĩ ra những cách đơn giản, rõ ràng để biểu diễn các phân tử trên giấy. Bạn đã xem những sơ đồ cấu trúc này trong Chương 1 và trong phần tiếp theo, chúng tôi sẽ dạy bạn cách vẽ (và những cách không vẽ) phân tử — chữ viết tay của hóa học. Phần này cực kỳ quan trọng vì nó sẽ dạy bạn cách giao tiếp hóa học, rõ ràng và đơn giản, trong suốt cuộc đời của bạn với tư cách là một nhà hóa học. Vẽ các phân tử Hãy thực tế Dưới đây là một cấu trúc hữu cơ khác — một lần nữa, bạn có thể quen thuộc với phân tử mà nó đại diện; nó là một axit béo thường được gọi là axit linoleic. H3C C C C C C C C C C C C C C C C C C OH H H O H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H linoleic acid carboxylic acid nhóm chức Chúng tôi cũng có thể mô tả axit linoleic là linoleic acid CH3CH2CH2CH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CO2H hoặc như H C C C C C C C C C C C C C C C C C CO2H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H linoleic acid ■ Ba phân tử axit béo và một phân tử glycerol kết hợp với nhau để tạo thành chất béo dự trữ năng lượng trong cơ thể chúng ta và được sử dụng để cấu tạo màng xung quanh tế bào của chúng ta. Axit béo đặc biệt này, axit linoleic, không thể được tổng hợp trong cơ thể con người nhưng phải là một thành phần thiết yếu của chế độ ăn uống lành mạnh được tìm thấy trong dầu hướng dương. Các axit béo khác nhau về độ dài của chuỗi nguyên tử cacbon, nhưng chúng có các tính chất hóa học rất giống nhau vì chúng đều chứa nhóm chức axit cacboxylic. Chúng ta sẽ trở lại với các axit béo trong Chương 42. HO C C C OH H H H H H OH glycerol Bộ khung hữu cơ Các phân tử hữu cơ bị phân hủy trong hàng triệu năm trong điều kiện thiếu ánh sáng và oxy trở thành bộ khung carbon theo nghĩa đen - dầu thô chẳng hạn, là một hỗn hợp các phân tử không bao gồm gì ngoài carbon và hydro, trong khi than chỉ bao gồm một ít khác ngoài carbon. Mặc dù các phân tử trong than và dầu rất khác nhau về cấu trúc hóa học, nhưng chúng có một điểm chung là không có nhóm chức. Chúng rất không phản ứng: về phản ứng hóa học duy nhất mà chúngcó thể tham gia là đốt cháy, so với hầu hết các phản ứng hóa học diễn ra trong các phòng thí nghiệm hóa học, là một quá trình cực kỳ bạo lực. Trong Chương 5, chúng ta sẽ bắt đầu xem xét cách mà các nhóm chức điều khiển các phản ứng hóa học của các phân tử. VẼ C ÁC PHÂN TỬ 17 2069_Book.indb 17 12/12/2011 8:22:17 PM
Cấu trúc tia X của axit linoleic Bạn có thể thấy rằng chuỗi nguyên tử cacbon không phải là đường thẳng, mà là một đường zig-zag. Mặc dù giản đồ của chúng ta chỉ là một biểu diễn hai chiều của cấu trúc ba chiều này, nhưng cũng có vẻ hợp lý khi vẽ nó dưới dạng zig-zag. H3C C C C C C C C C C C C C C C C C C OH H H O H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H linoleic acid Điều này cung cấp cho chúng tôi hướng dẫn đầu tiên của chúng tôi để vẽ các cấu trúc hữu cơ. ● Hướng dẫn 1 Vẽ chuỗi nguyên tử dưới dạng zig-zag. Chủ nghĩa hiện thực tất nhiên có giới hạn của nó - cấu trúc tia X cho thấy phân tử axit linoleic trên thực tế hơi bị bẻ cong trong vùng lân cận của các liên kết đôi; chúng tôi đã tự do vẽ nó như một "zig-zag thẳng". Tương tự, việc kiểm tra kỹ các cấu trúc tinh thể như thế này cho thấy rằng góc của đường zig-zag là khoảng 109 ° khi nguyên tử carbon không phải là một phần của liên kết đôi và 120 ° khi nó có. Góc 109 ° là "góc tứ diện", góc giữa hai đỉnh của một tứ diện khi nhìn từ tâm của nó. Trong Chương 4, chúng ta sẽ xem xét lý do tại sao các nguyên tử cacbon lại sử dụng cách sắp xếp liên kết cụ thể này. Bản vẽ thực tế của chúng tôi là hình chiếu của một cấu trúc ba chiều lên giấy, vì vậy chúng tôi phải thỏa hiệp. Hãy tiết kiệm Khi chúng tôi vẽ các cấu trúc hữu cơ, chúng tôi cố gắng trở nên thực tế nhất có thể mà không cần đưa vào các chi tiết quá lớn. Nhìn vào ba bức tranh này. (1) có thể nhận ra ngay là nàng Mona Lisa của Leonardo da Vinci. Bạn có thể không nhận ra (2) —cũng là Mona Lisa của Leonardo da Vinci — lần này được nhìn từ trên cao. Khung được trang trí rất công phu, nhưng bức tranh cho chúng ta biết nhiều điều về bức tranh như các giản đồ tuyến tính và góc 90 ° bị bác bỏ của chúng tôi đã làm về axit béo của chúng tôi. Cả hai đều đúng — theo cách của họ — nhưng thật đáng buồn là vô dụng. ■ Tinh thể học tia X khám phá cấu trúc của các phân tử bằng cách quan sát cách tia X bật ra khỏi các nguyên tử trong chất rắn kết tinh. Nó đưa ra các giản đồ rõ ràng với các nguyên tử được đánh dấu dưới dạng vòng tròn và các liên kết dưới dạng thanh nối chúng lại với nhau. Cấu trúc axit linoleic tương tác CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC HỮU CƠ Có thể bạn đã từng thấy những giản đồ như hai giản đồ cuối cùng này trong những cuốn sách cũ — chúng từng rất dễ in (trong những ngày trước khi có máy tính) vì tất cả các nguyên tử đều nằm trên một đường thẳng và tất cả các góc đều là 90 °. Nhưng chúng có thực tế không? Chúng ta sẽ xem xét các cách xác định hình dạng và cấu trúc của phân tử chi tiết hơn trong Chương 3, nhưng hình ảnh dưới đây cho thấy cấu trúc của axit linoleic được xác định bằng phương pháp tinh thể học tia X. 18 2069_Book.indb 18 12/12/2011 8:22:20 PM