J. Priestley (1733-1804) –nhà hóa học triết học người Anh, một trong những người sáng lập lên các
4.3.1. Liên kết hóa học trong hợp chất hữu cơ
Tại sao liên kết hóa học trong hợp chất hữu cơ chủ yếu là cộng hóa trị?
Các quan điểm của J. J. Berzelius về bản chất điện của các liên kết hóa học giữa các nguyên tử đã được xác nhận trong vòng 100 năm. Sau khi phát hiện ra điện tử và phát triển lý thuyết điện tử của cấu trúc nguyên tử, những bước đi đầu tiên trong việc tìm hiểu bản chất của liên kết hóa học đã được thực hiện. Năm 1907 nhà khoa học và hoạt động cách mạng người Nga, Nikolai Morozov (1854-1946) cho rằng các liên kết hóa học có thể được hình thành bằng cách tạo thành một cặp điện tử chung. Morozov, gần 30 năm sống trong tù của Sa hoàng. Trong phòng biệt giam của pháo đài Shlisselburgsk, ông đã viết gần như tất cả các công trình khoa học của mình, đặc biệt là về cấu trúc nguyên tử, quy luật chu kỳ và lý thuyết về dung môi.
Nhà hóa học vật lý người Mỹ Gilbert Newton Lewis (1875-1946) đã xác nhận ý tưởng của Morozov vào năm 1916 bằng cách tính toán. Theo tính toán của Lewis chỉ ra rằng những phân tử có năng lượng ổn định nếu một vỏ 8 điện tử (bát tử) được tạo nên xung quanh mỗi nguyên tử tham gia. Liên kết hóa học xảy ra không chỉ do sự chuyển giao của các điện tử từ một nguyên tử sang cái khác, mà còn cả sự cặp đôi của các electron hóa trị. Vì vậy, các cặp electron tạo thành liên kết hóa học đồng thời thuộc về cả hai nguyên tử cạnh nhau. Liên kết giữa hai nguyên tử có thể được thực hiện bởi một, hai hoặc ba cặp điện tử. Liên kết như vậy được gọi là cộng hóa trị. Khái niệm cặp điện tử chung được phát triển bởi Lewis đã được chứng minh là rất hiệu quả đối với hóa học hữu cơ.
Trong các hợp chất hữu cơ, hầu hết các liên kết là cộng hóa trị. Hơn nữa, các nguyên tử khác nhau thu hút (giữ) cặp điện tử chung một cách khác nhau. Khả năng thu hút các điện tử về phía mình của các nguyên tử trong phân tử được nhà khoa học Mỹ Linus Pauling xác định một cách định lượng, sau khi ông xây dựng
thang độ âm điện vào năm 1932. Pauling tin rằng sự khác biệt giữa các giá trị độ âm điện càng lớn hơn, liên kết được hình thành giữa chúng càng bền vững.
Mặc dù rằng những ý tưởng của Lewis và Pauling ở trong một mức độ, chỉ là hình thức, họ cũng đã giải thích tốt không chỉ cấu trúc, mà còn khả năng phản ứng của các phân tử hữu cơ. Tầm quan trọng đặc biệt trong đó được cho là sự dịch chuyển của các cặp điện tử trong khi hình thành liên kết giữa các nguyên tử nguyên tố có độ âm điện khác nhau.
Mô tả chính xác hơn về liên kết hóa học là phương pháp cơ học lượng tử. Đối với hóa học hữu cơ cộng hưởng lý thuyết, hình thành trên cơ sở mô tả lượng tử của liên kết hóa học, là rất hữu ích. Từ năm 1930, Pauling đã áp dụng rộng rãi lý thuyết cộng hưởng cho các mô tả định tính các phân tử. Nếu có thể đề xuất cho một phân tử hai hay nhiều công thức cấu tạo với sự phân phối mật độ điện tử khác nhau, thì nó liên tục thay đổi cấu trúc của mình từ trạng thái này sang trạng thái khác với tần số cao. Bằng cách này, cấu trúc của phân tử được mô tả, và cấu trúc hình học và điện tử thực tế của chúng không phù hợp với bất kỳ cấu trúc có thể nào. Phân tử riêng nó phải có các thuộc tính (bao gồm cả hóa học) của tất cả các cấu trúc điện tử có thể.
Song song với lý thuyết cộng hưởng, ý tưởng về chuyển vị (dịch chuyển điện tử) cũng được phát triển, theo đó các cấu trúc thực tế của phân tử được coi là trung gian giữa hai hay nhiều cấu trúc có thể. Lý thuyết chuyển điện tử được phát triển bởi nhà hóa học Anh Christopher Ingold (1893-1970), người đã nghiên cứu sự phụ thuộc của tính chất vật lý và khả năng phản ứng của các hợp chất vào cấu trúc điện tử của chúng. Ingold gắn khả năng phản ứng của các hợp chất hữu cơ với sự xuất hiện của các khu vực có mật độ điện tử cao và thấp và sự hình thành các trung tâm hoạt động.
Linus Pauling Carl (1901-1994) - nhà vật lý và nhà hóa học Mỹ. Tác giả của các nghiên cứu cơ bản đầu tiên, trong đó các luận điểm của cơ học lượng tử được sử
dụng để giải thích bản chất của liên kết hóa học. Nghiên cứu cấu trúc của các chuỗi polypeptide trong protein và lần đầu tiên đề nghị cấu trúc xoắn ốc của nó. Đã được trao giải Nobel Hóa học trong năm 1954 cho nghiên cứu về bản chất của liên kết hóa học và ứng dụng của nó để xác định cấu trúc của các hợp chất phức tạp. Năm 1962, ông được trao giải Nobel Hòa bình.
Câu hỏi
1. Lý thuyết điện tử của liên kết hóa học có tác động gì tới lý thuyết về cấu trúc của các hợp chất hữu cơ?
2. Đưa ra ví dụ về các hợp chất hữu cơ, mà khả năng phản ứng của nó có thể được giải thích trên cơ sở của lý thuyết liên kết hóa học hiện đại.