Bản chất của dị hợp tử
Độ thơm biểu thị sự ổn định đáng kể của hợp chất vòng bằng một hệ thống liên kết đơn và đôi xen kẽ, được gọi là hệ liên hợp tuần hoàn, trong đó có sáu electron π thường tham gia. Một nguyên tử nitơ trong một vòng có thể mang điện tích dương hoặc điện tích âm hoặc nó có thể ở dạng trung tính. Một nguyên tử oxy hoặc lưu huỳnh trong một vòng có thể ở dạng trung tính hoặc mang điện tích dương. Một sự khác biệt cơ bản thường được thực hiện giữa (1) các dị hợp đó tham gia vào hệ liên hợp tuần hoàn bằng một cặp hoặc không chia sẻ, các cặp electron nằm trong quỹ đạo vuông góc với mặt phẳng của vành và (2) các dị thể đó làm như vậy bởi vì chúng được kết nối với một nguyên tử khác bằng liên kết đôi.
Một ví dụ về nguyên tử loại thứ nhất là nguyên tử nitơ trong pyrrole, được liên kết bởi các liên kết cộng hóa trị duy nhất với hai nguyên tử carbon và một nguyên tử hydro. Nitơ có lớp vỏ ngoài cùng gồm năm electron, ba trong số đó có thể tham gia vào ba liên kết cộng hóa trị với các nguyên tử khác. Sau khi các liên kết được hình thành, như trong trường hợp pyrrole, vẫn còn một cặp electron không chia sẻ có thể tham gia vào liên hợp tuần hoàn. Sextet thơm trong pyrrole được tạo thành từ hai electron từ mỗi liên kết đôi carbon-carbon và hai electron tạo thành cặp electron không chia sẻ của nguyên tử nitơ. Kết quả là, có xu hướng có một dòng chảy mật độ electron từ nguyên tử nitơ đến các nguyên tử carbon khi các electron của nitơ được hút vào sextet thơm. Ngoài ra, phân tử pyrrole có thể được mô tả như là một phép lai cộng hưởng, đó là một phân tử có cấu trúc thực sự chỉ có thể được xấp xỉ bởi hai hoặc nhiều dạng khác nhau, được gọi là các dạng cộng hưởng.
Một ví dụ về dị hợp tử của loại thứ hai là nguyên tử nitơ trong pyridine, được liên kết bởi các liên kết cộng hóa trị chỉ với hai nguyên tử carbon. Pyridine cũng có một sextet electron, nhưng nguyên tử nitơ chỉ đóng góp một electron cho nó, một electron bổ sung được đóng góp bởi mỗi trong số năm nguyên tử carbon trong vòng. Đặc biệt, cặp electron không chia sẻ của nguyên tử nitơ không liên quan. Hơn nữa, vì sức hút của nitơ đối với các điện tử (độ âm điện của nó) lớn hơn so với carbon, các electron có xu hướng di chuyển về phía nguyên tử nitơ chứ không phải cách xa nó, như trong pyrrole.
Nói chung, các dị thể có thể được gọi là pyrrolelike hoặc pyridine, tùy thuộc vào việc chúng rơi vào lớp thứ nhất hay thứ hai được mô tả ở trên. Các dị thể pyrrolelike NR― (R là hydro hoặc một nhóm hydrocarbon), ―N - -, O― và S― có xu hướng tặng các electron vào hệ thống electron, trong khi các dị hợp giống pyridine N =, N + R =, ―O + = và ―S + = có xu hướng thu hút các electron π của liên kết đôi.
Trong các vòng dị vòng sáu thành viên, các dị hợp tử (thường là nitơ) là pyridine, ví dụ như các hợp chất pyrimidine, chứa hai nguyên tử nitơ và 1,2,4-triazine, chứa ba nguyên tử nitơ.
Các hợp chất dị hợp tử sáu thành viên thường không thể chứa các dị hợp pyrrolelike. Tuy nhiên, các vòng dị vòng gồm năm thành viên luôn chứa một nguyên tử nitơ, oxy hoặc lưu huỳnh pyrrolelike, và chúng cũng có thể chứa tới bốn dị thể giống như pyridin, như trong các hợp chất thiophene (với một nguyên tử lưu huỳnh), 1,2,4 -oxadiazole (với một nguyên tử oxy và hai nguyên tử nitơ) và pentazole (với năm nguyên tử nitơ).
Phép đo định lượng của thơm thơm và thậm chí cả định nghĩa chính xác của nó đã thách thức các nhà hóa học kể từ khi nhà hóa học người Đức August Kekule xây dựng cấu trúc vòng cho benzen vào giữa thế kỷ 19. Các phương pháp khác nhau dựa trên các tiêu chí năng lượng, cấu trúc và từ tính đã được sử dụng rộng rãi để đo lường độ thơm của các hợp chất carbocyclic. Tuy nhiên, tất cả chúng đều khó áp dụng định lượng cho các hệ thống dị thể vì các biến chứng phát sinh từ sự hiện diện của các dị hợp tử.
Phản ứng hóa học có thể cung cấp một cái nhìn sâu sắc định tính nhất định về độ thơm. Khả năng phản ứng của một hợp chất thơm bị ảnh hưởng bởi sự ổn định thêm của hệ thống liên hợp mà nó chứa; Sự ổn định thêm lần lượt xác định xu hướng phản ứng của hợp chất bằng cách thay thế hydro, tức là thay thế một nguyên tử hydro liên kết đơn bằng một nguyên tử liên kết đơn lẻ khác hoặc nhóm nhóm thay vì thêm một hoặc nhiều nguyên tử vào phân tử thông qua sự phá vỡ của một liên kết đôi (xem phản ứng thay thế; phản ứng cộng). Do đó, về mặt phản ứng, mức độ thơm được đo bằng xu hướng tương đối đối với sự thay thế hơn là bổ sung. Theo tiêu chí này, pyridine thơm hơn furan, nhưng thật khó để nói chỉ cần thơm hơn bao nhiêu.
