Tầm quan trọng của khái niệm tính thơm

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ TÍNH THƠM VÀ HỆ CHẤT NGHIÊN CỨU

2.1.1.Tầm quan trọng của khái niệm tính thơm

Thuật ngữ “tính thơm” ra đời khá sớm và nhanh chĩng trở thành khái niệm

then chốt của hĩa học, và là một trong những khái niệm cơ bản và quan trọng nhất của Hĩa học hữu cơ hiện đại. Điều này cĩ thể được định lượng với hơn 300.000 nghiên cứu về tính chất thơm và các vấn đề liên quan được cơng bố trong các tài liệu khoa học từ năm 1981 đến 2005 [19]. Mặc dù hầu hết các nghiên cứu lí thuyết thuần túy về tính thơm chỉ xét trạng thái cơ bản và tinh khiết của nĩ, song những

ứng dụng thường xuyên và quan trọng nhất của khái niệm tính thơm/đặc trưng thơm

lại liên quan mật thiết đến những tính chất hĩa học của các hợp chất với các phản

ứng hĩa học cụ thể [32], [9]. Trong cuốn “Advanced Organic Chemistry” của March [47] và nhiều sách khác, tính thơm hay được sử dụng để giải thích tính bất

thường về khả năng phản ứng hĩa học, sự bền vững về mặt năng lượng, đặc trưng

phổ học phân tử,… của rất nhiều loại hợp chất khác nhau, đặc biệt là của aren hay các benzenoit. Thật vậy, sẽ là rất thiếu sĩt nếu trong giảng dạy, học tập cũng như nghiên cứu hĩa học mà khơng cĩ sự lưu ý nào đến tính chất khác biệt giữa các hợp chất thơm với khơng thơm hay phản thơm. Bất kì ai học Hĩa học hữu cơ một cách nghiêm túc cũng cĩ thể nhận ra mức độ thường trực và những thuận lợi khi sử dụng khái niệm này. Điều này cũng cĩ nghĩa là đối với cộng đồng hĩa học nĩi chung, khái niệm này là khơng thể bỏ qua.

Đối với Hĩa học các hợp chất dị vịng hay đa vịng ngưng tụ khái niệm tính thơm thậm chí cịn quan trọng hơn nữa [30], [36]. Trong hĩa học dị vịng, tính thơm đĩng vai trị cơ bản cả về phương diện định tính lẫn định lượng. Thật vậy, với ứng

dụng quan trọng của hĩa học dị vịng trong hầu hết các mặt của cuộc sống xã hội, khái niệm tính thơm địi hỏi phải được định lượng một cách rõ ràng. Nhu cầu này thu hút sự chú ý của các nhà lí thuyết và thực nghiệm ứng dụng nhằm đem lại

những lợi ích cho cuộc sống con người. Hầu hết các tài liệu khảo sát về hợp chất dị vịng, từ những cuốn sách sơ lược nhất [30] đến những chuyên khảo nâng cao nhất [36], đều nhấn mạnh vào khái niệm tính thơm.

Hơn thế nữa, gần đây cùng với sự phát triển của lí thuyết và thực nghiệm,

các nhà nghiên cứu cịn phát hiện những biểu hiện của tính thơm trong các hợp chất

cơ kim mà cốt lõi là các cấu trúc vịng vơ cơ kim loại được ổn định bởi các phối tử

hữu cơ, hay trong cấu trúc của các cluster 0 chiều, 2 chiều, 3 chiều tinh khiết [12].

Điều này chưa từng được nghĩ đến theo quan niệm trước đây. Bên cạnh đặc tính thơm π (do các electron p), càng ngày người ta càng ngỡ ngàng hơn với những đặc tính thơm  (electron s, p), thơm δ (electron d) hay thậm chí các nhà khoa học hiện đang nỗ lực hiện thực hĩa giấc mơ thơm  (gây ra bởi các electron f) [51]. Xu

hướng này hứa hẹn những ứng dụng vơ cùng hấp dẫn trong hĩa học cơ kim như xúc

tác hiệu năng cao, vật liệu siêu dẫn, bán dẫn, sensor cảm biến từ,… hay xa hơn là mang lại những hiểu biết mới mẻ gĩp phần xây dựng một lí thuyết thống nhất về liên kết hĩa học nĩi chung và tính thơm nĩi riêng.

2.1.2. Khái niệm

Như đã đề cập ở các phần trên, do những biểu hiện đa dạng của tính thơm

nên vẫn chưa cĩ một tiêu chuẩn nào được chấp nhận là chung nhất để đánh giá tính

thơm của một phân tử. Chính vì vậy, cho đến nay các nhà khoa học trên thế giới vẫn chưa đi đến một thống nhất cho khái niệm tính thơm. Một trong những định nghĩa

cổ điển về tính thơm được chấp nhận của M. Volpin là “Hợp chất thơm là những hợp chất vịng chưa no mà tất cả các nguyên tử của vịng tham gia tạo thành một hệ liên hợp thống nhất, trong đĩ cĩ các electron π của hệ tạo nên một vịng electron kín” [4]. Tiếp sau đĩ, khái niệm tính thơm được Schleyer xác định “Phân tử gọi là

cĩ tính thơm khi chúng cĩ tính chất nghịch từ đặc biệt. Phân tử thơm gây nên sự khơng định vị của các electron trong hệ vịng kín dẫn đến một số hệ quả như sự cân

bằng về độ dài liên kết, độ chuyển dịch hĩa học bất thường và hiện tượng chắn từ

ảnh độ bền vững về mặt năng lượng của hệ. Ngược lại, các phân tử thể hiện hiệu ứng thuận từ gọi là phản thơm” [55].

Gần đây, sau nhiều nghiên cứu cĩ hệ thống, Schleyer và cộng sự đã bước đầu

đưa ra khái niệm tính thơm một cách tương đối đầy đủ “Tính thơm là một hệ quả

của sự khơng định vị các electron trong vịng kín 2 chiều lẫn 3 chiều. Điều này dẫn

đến sự giảm đáng kể năng lượng, đem lại nhiều tính chất hĩa học và vật lý khác thường bao gồm xu hướng tiến đến sự cân bằng về độ dài liên kết, khả năng tham

gia các phản ứng đặc biệt và những đặc trưng quang phổ. Từ khi tính thơm được gắn với việc tạo ra một dịng điện vịng cảm ứng thì các đặc trưng từ tính đĩng vai trị đặc biệt quan trọng để nhận diện và đánh giá tính thơm” [19].