اگر شما شروع به
با شیمی آلی اولیه مواجه شوید، ممکن است احساس کنید که در این مورد غرق شده اید
حجم عظیمی از مواد

دروس مقدماتی شیمی آلی می تواند سخت ترین دوره به نظر برسد. اما نگران نباشید! در این پست قصد داریم در مورد یک “ترفند” یا مفهوم کلیدی صحبت کنیم که به شما در این راه کمک می کند.

بیایید بگوییم، این مفهوم یک “دیدگاه” است که شما می توانید اتخاذ کنید، و به شما کمک می کند شیمی آلی را از منظری ساده تر ببینید. تصویر بزرگ را ببینید.

کلیدهای یادگیری شیمی آلی چیست؟

شما تنها نیستید که احساس می کنید این موضوع خاص است. این کاملاً منطقی است، زیرا شیمی آلی یک شاخه بسیار منحصر به فرد از علم است. فرآیند یادگیری که مغز شما باید برای o-chem دنبال کند بسیار متفاوت است.

در هر صورت، شما واقعاً باید آماده باشید. برای انجام این کار، یک کتاب درسی شیمی آلی خوب و یک کیت مدل‌سازی مولکولی خوب، بهترین همراهان شما خواهند بود. بدیهی است که شما همچنین به یک پیش زمینه قوی در مورد شیمی عمومی نیاز دارید.

و بله، یادگیری نحوه اجرای یک TLC عالی نیز کمک می کند!

با این حال، مفاهیم کلیدی وجود دارد، به‌ویژه یکی(های) که در اینجا مورد بحث قرار خواهیم داد، که به شما کمک می‌کند شیمی آلی را از جنبه روشن‌تری ببینید.

به خواندن ادامه دهید!

مهم ترین مفهوم برای درک در شیمی آلی پایه چیست؟

به روشی بسیار ساده، می‌توانید استدلال کنید که می‌توانید همه چیز را در شیمی آلی با استدلال‌های «اثرات الکترونیکی»، «اثرات فضایی» یا ترکیبی از این دو توضیح دهید.

به عبارت بسیار ساده، هسته دوست ها به دلیل اثرات الکترونیکی به موقعیت های الکتروفیل حمله می کنند. مراکز الکتریفیلی قابل دسترس تر، به دلیل اثرات فضایی، واکنش پذیرتر خواهند بود. این مفاهیم ساده اما مهم اساس اکثر منطق‌سازی‌ها یا مدل‌ها در شیمی آلی هستند.

اثرات الکترونیکی و فضایی اساس اکثر مدل های شیمی آلی هستند.

استریوالکترونیک مفهومی نیست که به خودی خود معمولاً در دوره های مقدماتی تدریس شود (مثلاً اگر صفحه ویکی پدیا را بررسی کنید، بحث بسیار پیشرفته ای را نشان می دهد). با این حال، ما دوست داریم به ترکیبی از جلوه های فضایی و الکترونیکی به عنوان نسخه ساده شده این مفهوم فکر کنیم. این ترکیب کلیدی برای درک تصویر بزرگ شیمی آلی است.

 

ما توضیح خواهیم داد که این ترکیب در مورد چیست، با بررسی اصول اولیه اینکه اثرات الکترونیکی و فضایی چیست. ما مثال‌های مختلفی در مورد نحوه استفاده از این دو برای منطقی کردن شیمی، هر دو به طور مستقل یا ترکیبی نشان خواهیم داد.

من می‌توانم بگویم که اکثر کتاب‌های درسی یک نمای کلی خاص درباره این موضوع ندارند (اگرچه می‌توانید استدلال کنید که این کل خود شیمی آلی پایه است). بنابراین، ما سعی خواهیم کرد این شکاف را در این مقاله پوشش دهیم.

شیمی آلی پایه: اثرات الکترونیکی چیست؟

اگر در مورد واکنش پذیری مولکول های آلی مطالعه کرده باشید، می دانید که حرکت الکترون ها بر همه چیز حاکم است.

به طور کلی، دو مولکول آلی واکنش نشان می دهند، زیرا یک قسمت (یا گروه عاملی) یکی از مولکول ها دارای چگالی الکترونی بالا (هسته دوست) و بخشی دیگر از مولکول دیگر، دارای چگالی الکترونی پایین (الکتروفیل) است.

نوکلئوفیل ها و الکتروفیل ها چیست؟

به عبارت بسیار ساده: ما می گوییم که یک مولکول اگر دارای یک گروه عاملی باشد که دارای الکترون های زیادی باشد (چگالی الکترون بالا) مانند یک هسته دوست رفتار می کند و بخواهد به گروه عاملی دیگری که فاقد الکترون است حمله کند. این شریک دوم که چگالی الکترونی پایینی دارد و الکترون می خواهد، الکتروفیل نامیده می شود.

شکل قبلی دارد
طرحی از معمولی ترین الکتروفیل در شیمی آلی: یک کربونیل
گروه

این یک مثال عالی از نحوه کار الکترونیک است. در این مولکول، یک اتم الکترونگاتیو (O) به طور کووالانسی به کربن متصل است. اکسیژن بیشتر از کربن الکترونگاتیو است، بنابراین می‌خواهد الکترون‌های پیوند کووالانسی را بیشتر از کربن نگه دارد. این ترکیبی از اثرات القایی و رزونانس است.

اما نتیجه واضح است: یک بار منفی جزئی (𝛿-) در اتم اکسیژن و یک بار مثبت جزئی (𝛿-) در اتم کربن کربونیل ایجاد می شود. این توزیع بار، اتم کربن گروه کربونیل را به الکتروفیل بالقوه ای تبدیل می کند که می تواند با هسته دوست های مختلف واکنش نشان دهد.

چگونه توزیع شارژ منجر به روند واکنشی می شود؟

بعلاوه و منهای می خواهند دور هم جمع شوند. به این ترتیب، نوکلئوفیل ها می توانند با الکتروفیل ها واکنش نشان دهند.

نوکلئوفیل‌های معمولی برای کتون‌ها، معرف‌های آلی یا آلی فلزی با چگالی الکترون بالا هستند. در این مثال، یک اتم کربن با بار منفی از یک معرف Grignard، مانند PhMgBr (فنیل منیزیم برومید)، به عنوان یک هسته دوست عمل می کند.

افزودن هسته دوست معرف های آلی فلزی به کتون های الکتروفیل

افزودن یک نوکلئوفیل به a
کتون این پلاریزاسیون بار را روی کتون الکتروفیل آزاد می کند (این است
نیروی محرکه واکنش)
دادن یک آلکوکسید میانی، که پس از درمان با منبع پروتون (H+)،
الکل سوم مربوطه را می دهد.

این احتمالا یکی از اولین هاست
نمونه هایی که در هر دوره واکنش پذیری شیمی آلی به شما آموزش داده خواهد شد

ه،
و واقعا ساده است اینطور نیست؟

خوب، یک خبر خوب! بیشترین واکنش ها
بین ترکیبات آلی را می توان تنها با استفاده از اصل او توضیح داد
توزیع الکترون!

بنابراین، چگونه تعیین کنیم که بار مثبت و بار منفی در هر مولکول آلی وجود دارد، بنابراین می توانیم بدانیم که چه چیزی با چه چیزی واکنش نشان می دهد؟

بیایید روندهای کلی در چگالی الکترون را بررسی کنیم. به خواندن ادامه دهید!

نقشه های چگالی الکترونی مولکول ها

این چگالی الکترون‌های درون یک مولکول را می‌توان به شیوه‌ای بسیار بصری ترسیم کرد. به چند نمونه اساسی در شکل زیر نگاه کنید:

توزیع چگالی الکترون در مولکول های کوچک: اتان و کلرواتان.

مثال اول یک هیدروکربن ساده است:
اتان اتان یک مولکول بسیار آپولار است. الکترون های آنها توزیع شده است
به طور یکنواخت در سراسر مولکول هیچ قطبی شدن شارژ وجود ندارد، بنابراین خواهد بود
یک مولکول غیر فعال

از سوی دیگر، کلرواتان یک مولکول بسیار قطبی است. همانطور که در نقشه چگالی مشاهده می کنید، چگالی الکترونی (منطقه قرمز) زیادی در اتم کلر وجود دارد. این به این دلیل است که کلر نسبت به کربنی که به آن متصل است الکترونگاتیوتر است و یک بار مثبت جزئی بر روی کربن مجاور ایجاد می کند.

پلاریزاسیون پیوند در کلرومتان اعتبار به شیمی آلی ویرایش هفتم. L. G. Wade, Jr. et al.

دقیقاً همین اتفاق در مورد کلرومتان یا به طور کلی هر آلکیل هالید آلی می‌افتد. این به طور کامل واکنش پذیری این نوع مولکول ها را کنترل می کند. یادگیری نحوه تشخیص مکان الکترون ها یکی از مهمترین چیزهایی است که باید درک کنید!

واکنش‌های جایگزینی مبتنی بر الکترونیک

این پلاریزاسیون پیوند باعث می شود که کربن مستقیماً به کلرید متصل شود، یک مرکز الکتروفیل باشد. مراکز الکتروفیلیک مانند این، می توانند توسط نوکلئوفیل ها از طریق یک واکنش جایگزینی هسته دوست (SN2) مورد حمله قرار گیرند.

واکنش جایگزینی هسته دوست (SN2)

واکنش‌های جایگزینی هسته دوست و افزودن‌های الکتروفیل، همراه با واکنش‌های حذف، عموماً تمام واکنش‌پذیری‌هایی هستند که در هر مقدمه دروس شیمی آلی پوشش داده می‌شوند.

برای بررسی بیشتر مفهوم چگالی الکترون، اجازه دهید به اولین مثال خود در بخش قبل نگاه کنیم. نقشه چگالی دیگر می تواند به راحتی واکنش پذیری یک گروه کربونیل را توضیح دهد:

همانطور که میتوانی
ببینید، پیوند بسیار قطبی شده باعث ایجاد بار منفی جزئی در آن می شود
اکسیژن (منطقه قرمز) و یک بار مثبت جزئی در کربن C=O (منطقه آبی).

این یک است
مفهوم ساده است، اما واقعا به دیدن تصویر بزرگتر ارگانیک کمک می کند
علم شیمی. اگر آن ارگانیک را می فهمید
واکنش‌ها به این دلیل اتفاق می‌افتند که نواحی با چگالی الکترونی بالا مولکول‌ها به پایین «حمله» می‌کنند
مناطق چگالی الکترونی مولکول های دیگر، که چیز بزرگی است!

یکی دیگر
مثال عالی از واکنش آلی الکترونیکی، معطر الکتروفیل است
جایگزینی با این حال، ما در پایان این مقاله به آن خواهیم پرداخت
همچنین به عنوان یک نمونه عالی از a کار می کند
ترکیبی از جلوه های الکترونیکی و فضایی

اما ابتدا باید روی دیگر سکه را بررسی کنیم. اثرات استریک، یا مانع فضایی.

اثرات استریک چیست؟

تصور کنید
ترکیبات آلی به عنوان خوشه های بزرگ الکترون.

الکترون ها دارای بار منفی هستند، بنابراین به طور کلی، یک جریمه انرژی برای یک مولکول که به مولکول دیگر نزدیک می شود وجود دارد (اگرچه استثناهایی از برهمکنش های غیرکووالانسی مثبت وجود دارد).

دو تا را تصور کنید
قطب منفی دو آهنربا: آنها از یکدیگر دور می مانند، مگر اینکه بزرگتر باشد
نیرو، آنها را کنار هم قرار می دهد.

این در مورد مولکول های آلی نیز مشابه است. در این مورد، همانطور که در بخش اثرات الکترونیکی دیدیم، این نیروی بزرگتر که می تواند الکتروفیل ها و هسته دوست ها را در کنار هم قرار دهد، قطبش الکترون است. پایداری ترمودینامیکی بالاتری که هنگام کنار هم قرار دادن یک الکتروفیل و یک هسته دوست به دست می آید، دافعه های طبیعی بین مولکول ها را نادیده می گیرد.

مفهوم مشابهی در نمودار انرژی پتانسیل نشان داده شده است. سیستمی متشکل از دو اتم حداقل انرژی (پایدارترین وضعیت) را در یک فاصله پیوند معین به دست می آورد. اگر آنها را به هم نزدیک کنید، دافعه های الکترونیکی خیلی بزرگ می شوند (به سمت چپ در محور x حرکت می کنند)، و انرژی سیستم افزایش می یابد. این بدان معناست که اساساً به دلیل دافعه هسته-هسته (+) یا الکترون-الکترون (-) بی ثبات می شود.

نمودار انرژی بالقوه اعتبار به شیمی: علم مرکزی توسط براون و همکارانش (پیرسون، 2012)

ولی
اگر توضیح فیزیکی را دریافت نکردید نگران نباشید! مفهوم اثرات فضایی در واقع بسیار بیشتر است
ساده از این!

آی تی
به این خلاصه می شود: زیاد خواهد بود
برای یک نوکلئوفیل راحت تر به مرکز الکتروفیل نزدیک می شود
در دسترس تر است (به این معنی که اگر جایگزین های حجیم کمتری در اطراف خود داشته باشد).

اثرات استریک چگونه بر واکنش های شیمیایی تأثیر می گذارد؟

مثال زیر استخراج شده از شیمی آلی Wade برای تجسم این مفهوم پایه شیمی آلی عالی است:

اثرات استریک در واکنش های جایگزینی اعتبار به شیمی آلی ویرایش هفتم. L. G. Wade, Jr. et al.

واکنش SN2 بسیار سریع در اتیل بروماید (سمت چپ) اتفاق می افتد. کربن الکتروفیل بسیار قابل دسترسی است

e، و واکنش به آرامی انجام می شود.

از سوی دیگر، ایزوپروپیل بروماید، دارای کربن الکتروفیل ثانویه است. این
مرکز بسیار محافظت‌شده‌تر خواهد بود (محیط بزرگ‌تری در اطراف خود دارد)، بنابراین
یک واکنش جایگزینی نوکلوفیلیک می تواند رخ دهد، اما بسیار کندتر خواهد بود
نسبت به اولیه این به دلیل فعل و انفعالات دافعه بالاتری است که
بین مولکول هسته دوست (در این مورد، OH–) و
دو گروه متیل مولکول الکتروفیل.

در حالت سوم، یک آلکیل برومید سوم داریم. کربن الکتروفیل به طور کامل توسط گروه ترت بوتیل مسدود می شود. الکتروفیل نمی تواند به مرکز الکتروفیل نزدیک شود و واکنش SN2 هرگز روی این بستر انجام نخواهد شد.

با این حال، مکانیسم های دیگری (SN1) وجود دارد که ممکن است در برخی موارد به این واکنش اجازه ادامه دهد. اما قطعاً هرگز از طریق یک انتقال پنج هماهنگ شده از حالت معمولی واکنش های هماهنگ SN2 صورت نمی گیرد.

ما این را در بررسی آموزشی دیگری در مورد واکنش‌های SN2 و SN1 و نحوه ارتباط آنها با اثرات فضایی پوشش داده‌ایم.

یک مثال واقعی از اثرات فضایی در شیمی آلی پایه

ما
می تواند بیشتر به مفهوم شیمی آلی اولیه از اثرات فضایی با
یک مثال زندگی واقعی

به واکنش فینکلشتاین دی بروموآلکان در زیر نگاه کنید:

این
واکنش از طریق یک هماهنگ ساده انجام می شود (این بدان معنی است که هسته دوست – یدید –
حملات در همان زمان از گروه خروجی -بروماید- در حال ترک است
مولکول) حمله هسته دوست I- از یدید سدیم به
آلکیل بروماید

وجود دارد
دو کربن الکتروفیل متصل به یک برمید که در اصل می تواند واکنش نشان دهد.
با این حال، فقط حاصلضرب جایگزینی اولیه به دست می آید! در
برمید سوم دست نخورده است.

اینها هستند
اثرات فضایی در عمل

اثر گروه های حجیم دیستال در واکنش های آلی

اگر از نظر جسمی بزرگ باشد، مانع استریک نیز می تواند نقش داشته باشد
جانشین ها در اتم های کربن هستند که در واقع واکنش نشان نمی دهند. جانشین های همسایه
با حجم بالا می تواند سرعت یک واکنش شیمیایی را تعریف کند.

یک مثال
هیدرولیز ساده یک استر است.

هر چه جانشین‌های موجود در نزدیکی بزرگ‌تر باشند، مرکز الکتروفیل واکنشی کمتر در دسترس خواهد بود و در نتیجه، هیدرولیز کندتر می‌شود:

با استفاده از کیت مدل مولکولی می توان اثرات استریک را به راحتی مشاهده کرد. ما قبلاً در مورد نحوه استفاده از آنها برای آن و اهداف دیگر بحث کرده ایم.

این می آورد
ما به پایان بازی این بررسی مفهومی: ادغام
با هم جلوه های الکترونیکی و فضایی

چگونه جلوه های الکترونیکی و فضایی را در یک مفهوم واحد ترکیب کنیم؟

اکنون
که ما کاملاً می دانیم که هم جلوه های الکترونیکی و هم جلوه های فضایی چیست،
درک موقعیتی که در آن هر دوی آنها به طور همزمان نقش دارند
نسبتا رک باشید!

ولی
واکنش پذیری یک مولکول را می توان با هر دو اثر به طور همزمان کنترل کرد.

اکنون، این می تواند هر چقدر که می خواهید پیچیده یا پیچیده شود، اما واکنش های بسیار ساده ای مانند جایگزینی معطر الکتروفیلیک (EAS) می تواند به عنوان نمونه استفاده شود.

معرفی جایگزین های معطر الکتروفیل

ما قصد نداریم این واکنش کلاسیک را از ابتدا بررسی کنیم، برای هدف این مقاله بسیار طولانی خواهد بود. مطالب زیادی در مورد این تغییر در سایت های دیگر وجود دارد.

اما بدیهی است که اصول اولیه را بررسی خواهیم کرد. نمونه معمولی EAS نیتراسیون یک ترکیب معطر با تیمار HNO3 و H2SO4 است.

حلقه بنزن به عنوان هسته دوست به کاتیون NO2+ حمله می کند، یک الکتروفیل که در محل تولید می شود.

واکنش از طریق یک ماده واسط Wheland با بار مثبت انجام می شود، که سپس با انتزاع یک پروتون (H+) دوباره معطر می شود. این حلقه معطر نیترات شده را می دهد.

مکانیسم اساسی جایگزین های معطر الکتروفیل (EAS). اعتبار به V8rik از طریق ویکی پدیا.

قسمت جالب اینجاست که به جای بنزن ساده، از بنزن های جایگزین به عنوان مواد اولیه استفاده می کنیم.

جلوه های الکترونیکی در EAS: یک مفهوم پایه شیمی آلی

در
جایگزین های موجود در حلقه معطر، واکنش پذیری آن را نسبت به الکتروفیل مشخص می کنند
جایگزینی معطر

همانطور که اشاره کردیم، حلقه معطر به عنوان یک هسته دوست عمل می کند. بنابراین، اگر جایگزین هایی داشته باشد که به حلقه الکترون اهدا می کنند، بسیار واکنش پذیرتر خواهد بود. این باعث افزایش چگالی الکترون روی پیوندهای آروماتیک غیرمحلی شده و آن را به یک هسته دوست بهتر تبدیل می کند.

مانند
در تصویر می توانید مشاهده کنید که یک گروه اهداکننده الکترون (مانند من،
MeO یا NMe2) در حلقه، فعال می شود. حلقه چگالی بیشتری از الکترون خواهد داشت و خواهد بود
نوکلئوفیلیک تر (در واقع واکنش پذیرتر).

بر
از سوی دیگر، اگر یک گروه خارج کننده الکترون را اضافه کنید (مانند CF3،
CO2R یا NO2)، اثر برعکس خواهد بود. حلقه
از نظر الکترون فقیرتر می شود و بنابراین غیرفعال می شود.

افزودن اثرات استریک به شیمی آلی پایه

ماهیت جانشین ها بر عوامل بیشتری تأثیر می گذارد، مانند انتخاب منطقه ای واکنش (جایگزینی الکتروفیل در کدام موقعیت انجام می شود). این سایت اطلاعات زیادی در مورد آن دارد.

اما برای
مقاصد

در این پست، شایان ذکر است که گروه های آلکیل مانند متیل، گروه های فعال کننده (از طریق القاء) هستند که EAS را نیز هدایت می کنند.
به سمت موقعیت ارتو و پارا حلقه.

شما
احتمالاً از قبل حدس بزنید که این به کجا می رود…

خوب،
اگر تولوئن (متیل بنزن) مصرف کنید، همانطور که انتظار می رود، تقریباً 50:50 دریافت می کنید
مخلوطی از محصولات جایگزین ارتو و پارا، در یک نرخ
حدود 20 برابر سریعتر از بنزن برهنه.

از طرف دیگر، اگر ترت بوتیل بنزن مصرف کنید، گزینش پذیری بسیار بالاتری خواهید داشت. اگرچه از نظر الکترونیکی هر دو گروه Me و tBu تقریباً یکسان هستند، tBu یک جایگزین بسیار بزرگتر است. جلوه های استریک وارد بازی می شوند!

با
یک گروه آلکیل بزرگتر، نسبت ارتو/پارا تقریباً آماری نیست (1:1)
توزیع درعوض، نسبت 75:8 را دریافت می‌کنید که به نفع یک نسبت جایگزین شده است.

چرا؟ از آنجایی که گروه ترت بوتیل آنقدر حجیم است که به دلیل اثرات فضایی، با توجه به انتخاب بین دو موقعیت الکترونیکی مطلوب (اورتو و پارا)، الکتروفیل از طریق حلقه ای که دورتر است (دفعه کمتر) به حلقه نزدیک می شود. گروه بزرگ (موقعیت پارا).

ترکیبی از اثرات فضایی و الکترونیکی در گزینش پذیری یک واکنش

این یک مثال عالی از ادغام جلوه های الکترونیکی و جلوه های فضایی است. همانطور که می بینید، پاسخ به سوال اصلی ما “مهم ترین مفهوم پایه شیمی آلی چیست” روشن است. در واقع یک مفهوم واحد نیست، بلکه ترکیبی از این دو است.

امیدوارم از این تعاریف و مثال های شیمی آلی لذت برده باشید. حتماً آموزش ما را در مورد چرایی واکنش مواد شیمیایی بر اساس ترمودینامیک و سینتیک بررسی کنید.

اکنون زمان آن است که شما شرکت کنید!

به بخش نظرات بروید و هر پیشنهاد، سوال یا مثال دیگری را که ممکن است در مورد این مفاهیم برایتان جالب باشد ارسال کنید.

علاوه بر این، در صورت تمایل می توانید این مطالب را با دانش آموزان یا همکاران خود یا در وب سایت خود به اشتراک بگذارید، امیدوارم بتواند به بیشترین افراد ممکن کمک کند!