Organic Chemistry Structure and Function - Vollhardt Schore 5th Edition

• Tác giả: K. Vollhardt
• Chuyên ngành: Hóa học hữu cơ
• Đề tài: Hóa học hữu cơ: Cấu trúc và Chức năng
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2005
• Địa điểm: New York

Tóm tắt

I. Tổng quan giáo trình Organic Chemistry Vollhardt Schore

Giáo trình Organic Chemistry: Structure and Function ấn bản thứ năm do K. Peter C. Vollhardt và Neil Eric Schore biên soạn, được nhà xuất bản W.H. Freeman phát hành năm 2005. Đây là một trong những giáo trình hóa học hữu cơ uy tín nhất dành cho sinh viên đại học trên toàn thế giới. Nội dung sách trình bày cấu trúc phân tử, tính chất và phản ứng của các hợp chất hữu cơ một cách có hệ thống. Giáo trình bao gồm nhiều chủ đề từ cơ bản đến nâng cao. Các khái niệm được giải thích rõ ràng qua sơ đồ minh họa chất lượng cao. Sách tích hợp công cụ học tập số hiện đại. Ấn bản này đã được cập nhật với nhiều cơ chế phản ứng mới. Giáo trình phục vụ hiệu quả cho cả sinh viên và giảng viên trong quá trình dạy học hóa học hữu cơ chuyên sâu.

1.1. Thông tin xuất bản và tác giả

K. Peter C. Vollhardt là giáo sư hóa học tại Đại học California, Berkeley. Neil Eric Schore công tác tại cùng trường. Hai tác giả đã hợp tác viết giáo trình này qua nhiều ấn bản. Ấn bản thứ năm xuất bản năm 2005 bởi nhà W.H. Freeman. Đây là nhà xuất bản chuyên về sách khoa học tự nhiên danh tiếng. Giáo trình đã được dịch sang nhiều ngôn ngữ và sử dụng rộng rãi tại các trường đại học trên toàn cầu. Ấn bản này đánh dấu sự phát triển vượt bậc về nội dung và công nghệ hỗ trợ học tập.

1.2. Cấu trúc nội dung giáo trình

Giáo trình được chia thành nhiều chương bao quát toàn bộ hóa học hữu cơ. Phần đầu giới thiệu cấu trúc nguyên tử, liên kết và orbital phân tử. Tiếp theo là các nhóm hợp chất hữu cơ từ đơn giản đến phức tạp. Nội dung bao gồm alkane, alkene, alkyne, hợp chất thơm và dẫn xuất. Các phản ứng cơ bản như thế, cộng, khử, oxi hóa được trình bày chi tiết. Cuối sách đề cập đến hóa học sinh học và polymer. Mỗi chương đi kèm bài tập và ví dụ minh họa thực tế.

II. Tính năng học tập tương tác trong giáo trình

Giáo trình Vollhardt Schore ấn bản thứ năm tích hợp nhiều tính năng học tập tương tác hiện đại. Website www.tmmedia.com/vollhardtschore5e cung cấp công cụ trực quan hóa phân tử. Tính năng Animations cho phép sinh viên quan sát chuyển động phân tử ở cấp độ nguyên tử. Các animation mô tả orbital, lai hóa và tương tác nguyên tử. Tính năng Animated Mechanisms hiển thị cơ chế phản ứng dưới dạng cấu trúc và mô hình cầu que. Sinh viên có thể theo dõi từng bước của phản ứng Brom hóa stereospecific của 2-butene. Các phản ứng Diels-Alder, thế electrophilic thơm và nucleophilic substitution đều được minh họa sinh động. Nền tảng eBook phiên bản trực tuyến cung cấp đầy đủ nội dung sách gốc với nhiều tính năng bổ sung. Hệ thống bài tập kéo thả giúp ghi nhớ danh pháp và phản ứng hiệu quả.

2.1. Công cụ trực quan hóa phân tử

Công cụ trực quan hóa phân tử là điểm nổi bật của giáo trình này. Animations hiển thị orbital p_x, p_y, p_z và hybrid sp3 một cách trực quan. Sinh viên quan sát được cấu trúc ba chiều của ethene và cyclohexane. Cơ chế phản ứng được mô tả qua cả công thức cấu trúc và mô hình cầu que. Các phản ứng như cộng HBr vào 1,3-butadiene, đồng cycloaddition Diels-Alder được minh họa rõ ràng. Tính năng này giúp sinh viên hiểu sâu về bản chất của liên kết hóa học và phản ứng ở cấp độ nguyên tử.

2.2. Hệ thống bài tập và đánh giá

Giáo trình cung cấp hệ thống bài tập đa dạng phục vụ việc tự học. Có 19 bài tập kéo thả về danh pháp hóa học giúp ghi nhớ quy tắc đặt tên. 16 bài tập kéo thả về phản ứng hỗ trợ học thuộc cơ chế. Bài kiểm tra trực tuyến giúp sinh viên tự đánh giá kiến thức. Ngân hàng câu hỏi trắc nghiệm với hàng trăm câu dành cho giảng viên. Cơ sở dữ liệu phân tử chứa 120 mô hình CHIME với nhiều tùy chọn hiển thị. Phần Tools cung cấp máy tính, đồ thị và bảng tuần hoàn tương tác.

III. Phương pháp học hiệu quả với giáo trình hóa hữu cơ

Học hóa học hữu cơ với giáo trình Vollhardt Schore đòi hỏi phương pháp phù hợp. Trước tiên, sinh viên cần nắm vững cấu trúc Lewis và ký hiệu Kekulé. Liên kết đơn, đôi, ba được biểu diễn bằng đường thẳng thay cho chấm electron. Quy tắc octet là nền tảng để hiểu liên kết hóa học. Tuy nhiên, một số phân tử như H2SO4 hay HNO3 vi phạm quy tắc này. Cơ học lượng tử cung cấp giải thích thỏa đáng cho các trường hợp ngoại lệ. Sinh viên nên xây dựng cấu trúc lưỡng cực để duy trì quy tắc octet. Việc sử dụng eBook giúp truy cập nội dung mọi lúc mọi nơi. Các video bài giảng của Peter Vollhardt hỗ trợ hiểu bài sâu hơn. Bài tập tương tác trên website giúp củng cố kiến thức lý thuyết.

3.1. Nắm vững cấu trúc liên kết cơ bản

Hiểu cấu trúc liên kết là bước đầu tiên trong hóa học hữu cơ. August Kekulé đề xuất ký hiệu đường thẳng cho liên kết cộng hóa trị. Liên kết đơn dùng một đường, đôi dùng hai đường, ba dùng ba đường. Các electron tự do có thể hiển thị dạng chấm hoặc bỏ qua. Cấu trúc Lewis giúp xác định điện tích trên nguyên tử. Bài tập 1-7 trong sách yêu cầu vẽ cấu trúc Lewis của SO, F2O, HClO2, BF3NH3. Phương pháp này giúp sinh viên phân tích tính chất hóa học của phân tử hữu cơ một cách có hệ thống.

3.2. Sử dụng tài liệu số và eBook

eBook Organic Chemistry là phiên bản trực tuyến hoàn chỉnh của giáo trình. Phiên bản này tích hợp tất cả tài liệu học tập số đi kèm. Sinh viên tiết kiệm chi phí đáng kể so với sách in truyền thống. eBook cung cấp trải nghiệm học tập phong phú nhờ tận dụng ưu thế của môi trường điện tử. Giảng viên có tùy chỉnh linh hoạt chưa từng có với sách in. Website giảng viên bao gồm PowerPoint, video bài giảng và sổ điểm. Đĩa CD-ROM tài nguyên giảng viên cho phép tìm kiếm và xuất tất cả nội dung tài liệu.

IV. Ứng dụng và ý nghĩa giáo trình trong đào tạo

Giáo trình Organic Chemistry Vollhardt Schore có ý nghĩa quan trọng trong đào tạo hóa học. Nội dung bao gồm các phản ứng thiết yếu cho ngành dược phẩm và công nghiệp. Phản ứng Grignard tạo liên kết carbon-carbon mới hiệu quả. Phản ứng aldol condensation và esterification là nền tảng cho tổng hợp hữu cơ. Phản ứng Wittig chuyển đổi carbonyl thành alkene có ứng dụng rộng rãi. Tổng hợp peptide Merrifield phục vụ sản xuất dược phẩm. Phản ứng Strecker tạo amino acid quan trọng trong hóa sinh. Giáo trình cũng đề cập đến carbohydrate, glucose và glycoside. Chuẩn bị MCAT được tích hợp sẵn trong hệ thống bài tập. Giáo trình giúp sinh viên xây dựng nền tảng vững chắc cho nghiên cứu chuyên sâu. Kiến thức từ sách áp dụng được trong phòng thí nghiệm và công nghiệp hóa chất hiện đại.

4.1. Các phản ứng hữu cơ cốt lõi

Giáo trình trình bày đầy đủ các phản ứng hữu cơ cốt lõi. Phản ứng thế nucleophilic SN1 và SN2 được giải thích qua cơ chế chi tiết. Phản ứng loại bỏ E2 tạo alkene từ halogenalkane. Phản ứng cộng electrophilic vào alkene và diene được mô tả rõ ràng. Phản ứng thế thơm electrophilic và nucleophilic bao gồm cả benzyne. Phản ứng Claisen condensation và Mannich reaction mở rộng khả năng tổng hợp. Hofmann rearrangement và quá trình khử bằng lithium aluminum hydride được trình bày cụ thể.

4.2. Giá trị cho sinh viên và giảng viên

Giáo trình mang lại giá trị lớn cho cả sinh viên và giảng viên. Sinh viên tiếp cận kiến thức qua nhiều kênh: sách, animation, video và bài tập tương tác. Ngân hàng câu hỏi kiểm tra giúp giảng viên đánh giá sinh viên hiệu quả. Video bài giảng của chính tác giả Vollhardt là tài liệu quý giá. Bảng tuần hoàn tương tác và công cụ tính toán hỗ trợ học tập. Tài liệu được thiết kế theo chuẩn đào tạo đại học quốc tế. Giáo trình đã chứng minh hiệu quả qua nhiều năm sử dụng tại hàng nghìn trường đại học trên toàn thế giới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Tmultimedia he website found at www.com/vollhardtschore5e is a learning tool that focuses on molecular visualizations. “Animations” and “Animated Mechanisms” are two features of this interactive website that are integrated seamlessly with the textbook using media icons and descriptive text. “Animations” allow students to view motion, three dimensions, atomic and molecular interactions, and chemical reactions at the atomic level. Topics focus on orbitals and hybridization. “Animated Mechanisms” allow students to view molecular interactions visually as structural formu- las and in a ball-and-stick format. Topics include chemical reactivity and structures and bonding. The following is a list of selected “Animations” and “Animated Mechanisms” found in this textbook. Molecular Visualizations, Text Reference Fig. 25 (Ch 1) Stereospecific bromination Fig. 1-7, px orbital; of 2-butenes p. 512 (Ch 12) py orbital; pz orbital p. 1-18, sp3 hybrids and Radical hydrobromination of 1-butene p. 35 (Ch 1) Radical allylic halogenation p. 35 (Ch 1) Addition of HBr to 1,3-butadiene p. 1-21, ethene and Diels-Alder cycloaddition (endo rule) p. 37 (Ch 1) Electrophilic aromatic Chlorination of methane p. 105 (Ch 3) sulfonation of benzene p. 4-9, cyclohexane Electrophilic aromatic substitution of potential energy diagram p. 4-11, cyclohexane ring flip p. 781 (Ch 17) Nucleophilic substitution (SN1) The Wittig reaction p. 794 (Ch 17) of (CH3)3CBr with HOH pp. 7-2), Aldol condensation–dehydration pp. 840 (Ch 18) Elimination (E2) reaction of Esterification p. 929 (Ch 20) Reduction of pentanal with Hofmann rearrangement p. 973 (Ch 21) Reduction of cyclobutanone The Mannich reaction p. 977 (Ch 21) with lithium aluminum hydride p. 300 (Ch 8) Benzylic nucleophilic substitution pp.1004,1005(Ch 22) Formation of Grignard reagent Nucleophilic aromatic substitution p. 304 (Ch 8) Nucleophilic aromatic Reaction of Grignard reagent with substitution via benzynes p. 1019 (Ch 22) acetaldehyde to give 2-hexanol p. 307 (Ch 8) The Claisen condensation p. 336 (Ch 9) Cyclic hemiacetal formation by glucose p. 337 (Ch 9) Methyl glycoside formation p. 1114 (Ch 24) Electrophilic addition of HCl The Strecker synthesis p. 506 (Ch 12) Merrifield synthesis of peptides p. 1219 (Ch 26) The Organic Chemistry , Fifth Edition eBook is a complete online version of the respected textbook. This next generation eBook offers students substantial savings and provides a rich learning experience by taking full advantage of the electronic medium. This online version of Organic Chemistry integrates all of the existing student media resources and adds features unique to the eBook. The eBook also offers instructors unparalleled flexibility and customization options not previously possible with any printed textbook. All of the student media that accompany Organic Chemistry were developed specifi- cally for the book. There is no extraneous material that does not directly support and integrate with the concepts and art program of the textbook. The genius of the eBook is that it puts these unique resources right at the students’ fingertips as they read the text—making the integration of the media and text much more seamless than was possible before. Key features of the Organic Chemistry eBook include: ◆ Easy access from any Internet-connected computer via a standard Web browser. ◆ Quick, intuitive navigation to any section or subsection, as well as any printed book page number. ◆ Integration of all student website animated tutorials and activities. ◆ In-text self quiz questions. ◆ In-text links to all glossary entries. ◆ Interactive chapter summary exercises. ◆ Text highlighting, down to the level of individual phrases. ◆ A bookmarking feature that allows for quick reference to any page. ◆ A powerful Notes feature that allows students or instructors to add notes to any page. ◆ A full glossary and index. ◆ Full-text search, including an option to also search the glossary and index. ◆ Automatic saving of all notes, highlighting, and bookmarks. Additional features for instructors: ◆ Custom Chapter Selection: Instructors can choose the chapters that correspond to their syllabus, and students will get a custom version of the eBook with the selected chapters only. ◆ Instructor Notes: Instructors can choose to create an annotated version of the eBook with their notes on any page. Once a student enters their eBook, they will see the instructor’s version. ◆ Custom Content: Instructor notes can include text, web links, and even images, allowing instructors to place any content they choose exactly where they want it. ◆ Online Quizzing: The online quizzes from the student website are integrated into the eBook. For more information, please visit www. About the Authors K. Vollhardt was born in Madrid, raised in Buenos Aires and Munich, studied at the University of Munich, got his Ph. with Professor Peter Garratt at the University College, London, and was a postdoctoral fellow with Professor Bob Bergman (then) at the California Institute of Technology. He moved to Berkeley in 1974 when he began his efforts toward the development of organocobalt reagents in organic synthesis, the preparation of theoretically interesting hydrocarbons, the assembly of novel transition metal arrays with potential in catalysis, and the discov- ery of a parking space. Among other pleasant experiences, he was a Studienstiftler, Adolf Windaus medalist, Humboldt Senior Scientist, ACS Organometallic Awardee, Otto Bayer Prize Awardee, A. Cope Scholar, Japan Society for the Promotion of Science Prize Holder, and recipient of the Medal of the University Aix-Marseille and an Honorary Doctorate from The University of Rome Tor Vergata. He is the current Chief Editor of Synlett. Among his more than 290 publications, he treasures especially this textbook in organic chemistry, translated into ten languages. Peter is married to Marie-José Sat, a French artist, and they have two children, Paloma (b. 1997), whose picture you can admire on p. Schore was born in Newark, New Jersey, in 1948. His education took him through the public schools of the Bronx, New York, and Ridgefield, New Jersey, after which he completed a B. with honors in chemistry at the University of Pennsylvania in 1969. Moving back to New York, he worked with Professor Nicholas Turro at Columbia University, study- ing photochemical and photophysical processes of organic compounds for his Ph. He first met Peter Vollhardt when he and Peter were doing postdoctoral work in Profes- sor Robert Bergman’s laboratory at Cal Tech in the 1970s. Since joining the U. Davis faculty in 1976, he has taught organic chemistry to more than 10,000 nonchemistry majors, winning three teaching awards, and has published over 80 papers in various areas related to organic synthesis. Neil is married to Carrie Erickson, a microbiologist at the U. Davis School of Veterinary Medicine. They have two children, Michael (b. 1983), both of whom carried out experiments for this book. ORGANIC CHEMISTRY This page intentionally left blank O RGANIC C HEMISTRY Structure and Function FIFTH EDITION K. VOLLHARDT University of California at Berkeley NEIL E. SCHORE University of California at Davis W. FREEMAN AND COMPANY New York Publishers: Susan Finnemore Brennan, Craig Bleyer Senior Acquisitions Editor: Clancy Marshall Senior Marketing Manager: Krista Bettino Developmental Editor: David Chelton Media Editor: Victoria Anderson Associate Editor: Amy Thorne Photo Editor: Cecilia Varas Photo Researcher: Elyse Reider Cover Designer: Cambraia Fernandes Text Designer: Blake Logan Project Editor: TechBooks Illustrations: Network Graphics Illustration Coordinator: Bill Page Production Coordinator: Susan Wein Composition: TechBooks Printing and Binding: RR Donnelley EAN: 9780716799498 Library of Congress Cataloging-in-Publication Data Vollhardt, K. Organic chemistry : structure and function. Chemistry, Organic—Textbooks. Schore, Neil Eric, 1948– II.V65 2007 547—dc22 2005025107 ©2007 All rights reserved Printed in the United States of America First printing W. Freeman and Company 41 Madison Avenue New York, NY 10010 Houndmills, Basingstoke RG21 6XS, England www.com CONTENTS Preface: A User’s Guide to Organic Chemistry: Structure and Function xx 1 Structure and Bonding in Organic Molecules 1 1-1 The Scope of Organic Chemistry: An Overview 2 Chemical Highlight 1-1 Saccharin: One of the Oldest Synthetic Organic Compounds in Commercial Use 4 1-2 Coulomb Forces: A Simplified View of Bonding 5 1-3 Ionic and Covalent Bonds: The Octet Rule 7 1-4 Electron-Dot Model of Bonding: Lewis Structures 14 1-5 Resonance Forms 19 1-6 Atomic Orbitals: A Quantum Mechanical Description of Electrons Around the Nucleus 23 1-7 Molecular Orbitals and Covalent Bonding 29 1-8 Hybrid Orbitals: Bonding in Complex Molecules 32 1-9 Structures and Formulas of Organic Molecules 38 Chapter Integration Problems 41 Important Concepts 45 Problems 46 Structure and Reactivity: Acids and Bases, 2 Polar and Nonpolar Molecules 51 2-1 Kinetics and Thermodynamics of Simple Chemical Processes 52 2-2 Acids and Bases; Electrophiles and Nucleophiles 58 Chemical Highlight 2-1 Stomach Acid and Food Digestion 59 2-3 Functional Groups: Centers of Reactivity 66 2-4 Straight-Chain and Branched Alkanes 69 2-5 Naming the Alkanes 71 2-6 Structural and Physical Properties of Alkanes 76 2-7 Rotation about Single Bonds: Conformations 79 Chemical Highlight 2-2 “Sexual Swindle” by Means of Chemical Mimicry 79 2-8 Rotation in Substituted Ethanes 83 Chapter Integration Problems 87 Important Concepts 89 Problems 90 vi CONTENTS Reactions of Alkanes: Bond-Dissociation Energies, 3 Radical Halogenation, and Relative Reactivity 96 3-1 Strength of Alkane Bonds: Radicals 97 3-2 Structure of Alkyl Radicals: Hyperconjugation 100 3-3 Conversion of Petroleum: Pyrolysis 101 Chemical Highlight 3-1 Petroleum and Gasoline: Our Main Energy Sources 104 3-4 Chlorination of Methane: The Radical Chain Mechanism 105 3-5 Other Radical Halogenations of Methane 110 3-6 Chlorination of Higher Alkanes: Relative Reactivity and Selectivity 112 3-7 Selectivity in Radical Halogenation with Fluorine and Bromine 116 3-8 Synthetic Radical Halogenation 118 3-9 Synthetic Chlorine Compounds and the Stratospheric Ozone Layer 119 Chemical Highlight 3-2 Chlorination, Chloral, and DDT 119 3-10 Combustion and the Relative Stabilities of Alkanes 122 Chapter Integration Problems 124 Important Concepts 126 Problems 127 4 Cycloalkanes 131 4-1 Names and Physical Properties of Cycloalkanes 132 4-2 Ring Strain and the Structure of Cycloalkanes 134 4-3 Cyclohexane: A Strain-Free Cycloalkane 139 4-4 Substituted Cyclohexanes 144 4-5 Larger Cycloalkanes 148 4-6 Polycyclic Alkanes 149 4-7 Carbocyclic Products in Nature 151 Chemical Highlight 4-1 Cubane Derivatives with Potential as Explosives: Octanitrocubane 151 Chemical Highlight 4-2 Cholesterol: How Is It Bad and How Bad Is It? 155 Chemical Highlight 4-3 Controlling Fertility: From “the Pill” to RU-486 156 Chapter Integration Problems 158 Important Concepts 161 Problems 162 CONTENTS vii 5 Stereoisomers 168 5-1 Chiral Molecules 170 Chemical Highlight 5-1 Chiral Substances in Nature 173 5-2 Optical Activity 174 5-3 Absolute Configuration: R–S Sequence Rules 177 Chemical Highlight 5-2 Absolute Configuration: A Historical Note 181 5-4 Fischer Projections 182 5-5 Molecules Incorporating Several Stereocenters: Diastereomers 186 Chemical Highlight 5-3 Stereoisomers of Tartaric Acid 189 5-6 Meso Compounds 190 5-7 Stereochemistry in Chemical Reactions 192 Chemical Highlight 5-4 Chiral Drugs: Racemic or Enantiomerically Pure? 194 Chemical Highlight 5-5 Why Is Nature “Handed”? 198 5-8 Resolution: Separation of Enantiomers 201 Chapter Integration Problems 204 Important Concepts 206 Problems 207 Properties and Reactions of Haloalkanes: Bimolecular 6 Nucleophilic Substitution 215 6-1 Physical Properties of Haloalkanes 215 Chemical Highlight 6-1 Halogenated Steroids as Anti-Inflammatory and Anti-Asthmatic Agents 217 6-2 Nucleophilic Substitution 218 6-3 Reaction Mechanisms Involving Polar Functional Groups: Using “Electron-Pushing” Arrows 221 6-4 A Closer Look at the Nucleophilic Substitution Mechanism: Kinetics 223 6-5 Frontside or Backside Attack?