CHƢƠNG 1. ĐỒNG PHÂNChuẩn đầu ra:G1.1 : Biểu diễn được cấu trúc các hợp chất hữu cơ trong không gian.G1.2 :- Gọi tên các đồng phân hình học theo hệ danh pháp cis –trans, Z-E.- Xác định được cấu hình tuyệt đối của hợp chất hữu cơ theo hệ danh pháp R-S.- Gọi tên các hợp chất monosaccharide và các hợp chất amino acid theo hệ danh phápD-L.Nội dung:1. Đồng phân cấu tạo2. Đồng phân lập thể2.1. Các công thức biểu diễn cấu trúc2.2. Quy tắc Cahn – Ingold – Prelog2.3. Đồng phân hình học2.3.1. Đồng phân cis – trans2.3.2. Đồng phân Z – E2.4. Đồng phân quang học2.4.1. Khái niệm về hợp chất quang hoạt2.4.2. Điều kiện để có đồng phân quang học2.4.3. Gọi tên các đồng phân quang họca. Hệ danh pháp D – Lb. Hệ danh pháp R – S2.5. Đồng phân cấu dạng2.5.1. Cấu dạng của hợp chất mạch hở2.5.2. Cấu dạng của cyclohexaneTham khảo:1. Phan Thanh Sơn Nam, Trần Thị Việt Hoa, Giáo trình Hoá hữu cơ, trang 11-64.2. David Klein, Organic Chemistry, trang 188-232, 155-187.3. David Klein, Student study guide & solutions manual Organic Chemistry, trang 78-91,58-76.-1-Đồng phân (isomers) là những hợp chất hữu cơ có cùng công thức phân tử như có cấutrúc hóa học khác nhau.Tùy theo trật tự liên kết, cách thức liên kết của các nguyên tử trong phân tử trong mặtphẳng hoặc trong không gian mà phân loại các loại đồng phân như sau:ĐỒNG PHÂNĐồng phân lập thểĐồng phân cấu tạoĐP mạch carbonĐồng phân cấu hìnhĐP vị trí liên kết đa vànhóm định chứcĐồng phânhình họcĐồng phân nhóm định chứcCấu dạngĐồng phânquang học1. ĐỒNG PHÂN CẤU TẠO (constitutional isomerism)Đồng phân cấu tạo hay đồng phân trong mặt phẳng (đã học trong chương trình phổthông).Ví dụ: Hãy vẽ các đồng phân cấu tạo có thể có của C4H10O.2. ĐỒNG PHÂN LẬP THỂ (stereoisomerism)Đồng phân lập thể (stereoisomers) là những đồng phân có trật tự liên kết và cách thứcliên kết giống nhau khi xét trong phạm vi mặt phẳng nhưng khác nhau về sự phân bố cácnhóm thế trong không gian.2.1. Các công thức biểu diễn cấu trúcCông thức phối cảnh (perspective formula) mô tả cấu trúc không gian của phân tử trongtờ giấy.Quy ước: những liên kết nằm trong mặt phẳng tờ giấy được vẽ bằng nét gạch liền nét,những liên kết ở gần người quan sát hay nằm trước mặt phẳng tờ giấy được vẽ bằng nét gạchđậm, những liên kết ở xa người quan sát hay nằm sau mặt phẳng tờ giấy được vẽ bằng nétgạch gián đoạn.Ngoài ra còn có một cách biểu diễn công thức phối cảnh một cách đơn giản hơn là côngthức chiếu hình giá cưa (sawhorse projection), dùng trong trường hợp phân tử có liên kếtcarbon – carbon trung tâm. Trong đó, liên kết C–C được biểu diễn bằng một đường chéo từtrái sang phải và xa dần người quan sát. Tất cả các liên kết được vẽ bằng nét gạch liền nét,giao điểm các liên kết là các nguyên tử carbon.Công thức chiếu Newman (Newman projection): phân tử được nhìn dọc theo trục mộtliên kết carbon – carbon trung tâm và chiếu tất cả các nguyên tử hay nhóm nguyên tử trongphân tử lên mặt phẳng tờ giấy. Nguyên tử carbon ở đầu liên kết carbon – carbon gần ngườiquan sát (C1) được biểu diễn bằng một vòng tròn, che khuất nguyên tử carbon ở đầu liên kếtxa mắt người quan sát (C2). Các liên kết tương ứng với nguyên tử carbon thứ nhất (C1) được-2-nhìn thấy toàn bộ trong công thức chiếu Newman. Các liên kết tương ứng với nguyên tửcarbon thứ hai (C2) bị che một phần, do đó chỉ thấy được phần không bị hình tròn biểu diễnnguyên tử carbon C1 che khuất. Tùy thuộc vào cách chọn liên kết carbon – carbon trung tâmmà một phân tử sẽ có thể có nhiều công chiếu Newman khác nhau.CH3H3CH3CCH3CHHHHHHHCHHHHHCH3CH3Công thức phối cảnhCông thức chiếu giá cưaCông thức chiếu NewmanCông thức chiếu Fischer (Fischer projection): được vẽ theo quy ước sau: nguyên tửcarbon được chọn như một dấu thập lớn (được biểu diễn bằng nét liền). Hai nối nằm ngangđược quy ước là hai nối hướng ra trước mặt phẳng. Hai nối thẳng đứng biểu diễn cho hai nốihướng ra sau mặt phẳng.Thông thường mạch carbon chính được bố trí theo đường thẳng đứng, trong đó cácnhóm thế có chứa nguyên tử carbon có số oxy hóa cao hơn sẽ được đặt phía trên trong côngthức (thứ tự giảm dần số oxy hóa của nguyên tử carbon trong các nhóm thế: -COOH > -CHO> -CH2OH > -CH3).COOHHHOCOOHCHOHCCH3COOHHOHCH3CH3Công thức phối cảnhCông thức chiếu Fischer2.2. Quy tắc Cahn – Ingold – Prelog:Quy tắc Cahn – Ingold – Prelog được sử dụng để so sánh thứ tự ưu tiên. Quy ước: “Nguyên tử thứ nhất” của nhóm thế nào có số thứ tự trong bảng HTTH lớn hơn thì nhómthế đó sẽ được ưu tiên hơn.(1)(6)-H-CH 3(7)-N H2(8)(16)- OH- SH(17)- Cl(35)(53)- Br-I Nếu hai nhóm thế có “nguyên Increasingtử thứ nhất” prioritynhư nhau thì sẽ tiếp tục xét “nguyên tử thứhai” tương ứng. Nguyên tử trong nhóm thế tham gia vào nối đơn, đôi hoặc ba được xem như đã liên kếtvới một, hai hoặc ba nguyên tử kia.C-CH=CH2is treated asO-CHis treated asC-CH-CH2O CCOHC CH-3-is treated asC CC C HC CVí dụ: Xác định nhóm ưu tiên hơn trong mỗi cặp sau đây:–CH3và–CH2CH3–Ivà–Br–CH2Brvà–CH2CH2-BrVí dụ: Sắp xếp các nhóm theo thứ tự ưu tiên trong mỗi dãy:a) –COOH,–H,–NH2,–OHb) –CH=CH2,–CH3,–CCH,–H2.3. Đồng phân hình học (Đồng phân cis-trans/cis-trans configuration)Xuất hiện do sự phân bố khác nhau của các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử ở hai bênmột “bộ phận cứng nhắc” trong phân tử. “Bộ phận cứng nhắc” có thể là nối đôi C=C, C=N,N=N hoặc một vòng no.Khi hai nguyên tử carbon của nối đôi liên kết với một nhóm nguyên tử giống nhau thìcó thể sử dụng hệ danh pháp cis – trans. Nếu không có nhóm nguyên tử giống nhau, dùng hệdanh pháp Z-E.Hệ danh pháp Z-E được sử dụng với sự so sánh hai nhóm thế ưu tiên theo quy tắcCalh-Ingold-Prelog. So sánh thứ tự ưu tiên của hai cặp nhóm thế trên từng nguyên tử carboncủa liên kết đôi. Nếu hai nhóm thế ưu tiên hơn được phân bố cùng phía so với liên kết đôi thìđược gọi là đồng phân Z, hay còn gọi là có cấu hình Z. Và ngược lại, cấu hình E.Đôi khi đồng phân cis không nhất thiết là đồng phân Z, và ngược lại.Ví dụ:-4-2.4. Đồng phân quang học2.4.1 Khái niệm về các hợp chất quang hoạtÁnh sáng là hiện tượng sóng điện từ. Ánh sáng tự nhiên gồm nhiều sóng điện từ cóvectơ điện trường hướng theo tất cả mọi hướng trong không gian và thẳng góc với phươngtruyền sóng. Khi cho ánh sáng tự nhiên đi xuyên qua một lăng kính Nicol hoặc một chất phâncực nào đó (như HgS, KClO3,…) thì các vectơ điện trường sẽ hướng theo một phương daođộng xác định và vẫn thẳng góc với phương truyền sóng. Lúc đó ta có ánh sáng phân cựcphẳng.Một số chất hữu cơ, khi được đặt trên đường truyền của ánh sáng phân cực phẳng(plane-polarized light), thì có khả năng làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực về phía phảihoặc phía trái một góc có giá trị là + hoặc - Những hợp chất như vậy được gọi là hợp chấtquang hoạt.Nguồn sángLăng kínhNicolỐng chứa mẫu chấthữu cơ cần khảo sátChất hữu triền là chất làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực về bên phải, kí hiệu làdấu (+) hay d (dextrorotatory).Chất tả triền thì làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực theo chiều ngược lại tức làquay về bên trái, kí hiệu là dấu (-) hay l (laevorotatory).Hỗn hợp racemic là hỗn hợp đồng lượng hai hợp chất hữu triền và tả triền không làmquay mặt phẳng ánh sáng phân cực, hỗn hợp không còn khả năng quang hoạt nữa, còn đượcgọi là hỗn hợp tiêu triền () hay dl.2.4.2 Điều kiện để có đồng phân quang họcTính không trùng vật – ảnh qua gương (nonsuperimposable). Ví dụ về bàn tay phải vàbàn tay trái của một người bình thường thể hiện rõ nhất tính chất vật và ảnh qua gương khôngtrùng nhau.Các phân tử có tính chất không trùng vật – ảnh của phân tử qua gương thì sẽ có tínhquang hoạt (optical activity).-5-Những nghiên cứu khoa học cho thấy nguồn gốc tính quang hoạt của một hợp chất làdo sự bất đối xứng trong cấu trúc tinh thể hoặc trong cấu trúc phân tử làm cho nó có tính chấtkhông trùng vật - ảnh qua gương.Trong các hợp chất hữu cơ, tính bất đối xứng trong phân tử thường do trong phân tử củachúng có chứa một hoặc nhiều carbon bất đối xứng.Carbon bất đối xứng là carbon mang 4 nhóm thế hoàn toàn khác nhau, carbon bất đốixứng được ký hiệu là C*, một số tài liệu gọi là carbon thủ tánh hay thủ tính (chiral center,stereocenter, stereogenic center, and asymmetric center).Ví dụ: Hãy xác định các carbon bất đối xứng trong hợp chất sau:Phân tử có carbon bất đối xứng thì ảnh của nó qua gương sẽ khác với phân tử gốc nênnó có tính chất không trùng vật - ảnh qua gương và có tính quang hoạt.Khi trong phân tử có chứa một carbon bất đối xứng, phân tử có thể tồn tại ở hai dạngcấu trúc không gian đối xứng nhau qua mặt phẳng gương. Cả 2 cấu trúc này đều có tínhquang hoạt, một cấu trúc làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực về phía phải, một làm quayvề phía trái với một góc cùng độ lớn. Hai cấu trúc này là đồng phân quang học của nhau, đượcgọi là một đôi đối quang (enantiomers).A và B là một cặp đối quangKhi phân tử có n carbon bất đối xứng số đồng phân quang học tối đa là 2n. Tuy nhiên,khi trong phân tử có mặt phẳng đối xứng thì số đồng phân quang học giảm xuống. Hợp chấtcó mặt phẳng đối xứng trong phân tử, dù có carbon bất đối xứng nhưng vẫn không có tínhquang hoạt, gọi là hợp chất meso.Ví dụ: Hợp chất 2,3-dibromobutane có 2 carbon bất đối xứng, có tối đa 2n = 4 đồngphân quang học. Hai đồng phân A và B đối xứng nhau qua gương nên là cặp đối quang. Đồngphân C có cấu trúc đối xứng, nên dù có 2 C* đồng phân này vẫn không có tính quang hoạt,đây là hợp chất meso. Vậy số đồng phân quang học của hợp chất 2,3-dibromobutane chỉ là 3.-6-Hợp chất mesoCặp đối quang(A và C), (B và C) là các cặp không đối quang(diastereomers)2.4.3 Gọi tên các đồng phân quang họca) Hệ danh pháp D-LMuốn sử dụng danh pháp D-L bắt buộc phải dùng công thức chiếu Fischer. Fischer đãchọn glyceraldehyde làm kiểu mẫu và ấn định một cách độc đoán cấu hình của nó như sau:Danh pháp D-L thường áp dụng cho các loại đường và các hợp chất amino acid cùngvới những dẫn xuất của chúng.Đối với các hợp chất đường (carbohydrate), người ta xét carbon bất đối xứng ở xa nhấtđối với nhóm carbonyl (carbon bất đối xứng có chỉ số định vị lớn nhất). Nếu carbon đó mangnhóm -OH ở bên phải trong công thức chiếu Fischer thì đồng phân đó có cấu hình D. Vàngược lại, nếu carbon đó mang nhóm -OH ở bên trái thì đồng phân đó có cấu hình L.CHOHHOCHOOHHOHHCHOCHOHHOHHOOHHOHHOHOHHOHHOHHOHHHOHHOHHOHHOCH2OHCH2OHD-(+)-glucoseCH2OHL-(-)-glucoseHHCH2OHD-manoseL-galactoseĐối với các hợp chất amino acid, xét carbon bất đối xứng có mang nhóm -NH2 ở gầnnhất đối với nhóm acid carboxilic (carbon bất đối xứng có chỉ số định vị nhỏ nhất). Nếu nhóm-NH2 ở bên phải trong công thức chiếu Fischer thì đồng phân đó có cấu hình D. Và ngược lại,nếu nhóm NH2 ở bên trái trong công thức chiếu Fischer thì đồng phân đó có cấu hình L.COOHCOOHHNH 2CH 3D-(-)-alanineCOOHH 2NHCH 3L-(+)-alanine-7-H 2NHHOHCH 3L-(-)-treinineb) Hệ danh pháp R-SDanh pháp R-S (cấu hình R-S: R-S configuration) được đề nghị bởi ba nhà khoa họcCahn, Ingold, Prelog dùng để gọi tên cấu hình tuyệt đối (nghĩa là cấu hình thực sự trongkhông gian). Việc xác định danh pháp của hợp chất được gọi theo 3 bước sau:Bước 1: sắp xếp các nhóm thế theo thứ tự ưu tiên theo Quy tắc Cahn-Ingold-Prelog.Bước 2: quan sát C* theo chiều từ C* đến nhóm thế có thứ tự ưu tiên thấp nhất.Bước 3: xác định chiều từ nhóm thế có thứ tự ưu tiên từ lớn đến nhỏ. Sự quay thuậnchiều kim đồng hồ - cấu hình R. Ngược lại, ngược chiều kim đồng hồ - cấu hình S. Đặt chữcái R hoặc S trước tên công thức phân tử.Ví dụ: Xác định danh pháp R-S cho từng C* của hai đồng phân lập thể sauBƣớc 1: sắp xếp các nhóm thế theo thứ tự ưu tiên theo Quy tắc Cahn-Ingold-Prelog.Bƣớc 2: quan sát C* theo chiều từ C* đến nhóm thế có thứ tự ưu tiên thấp nhất.-8-Bƣớc 3: xác định chiều từ nhóm thế có thứ tự ưu tiên từ lớn đến nhỏ.Ví dụ: xác định danh pháp R-S cho từng hợp chất sau đây-9-2.5. Cấu dạng (conformation)Cấu dạng là các dạng hình học khác nhau của một cấu hình, có được do sự quay cácnhóm nguyên tử xung quanh liên kết đơn C-C. Các phương pháp phân tích hiện đại cho thấysự quay này không phải tự do hoàn toàn. Trong đó một vài vị trí chiếm ưu thế hơn, một vài vịtrí kém bền hơn và ít khi hình thành hơn. Các cấu dạng có thể chuyển hóa qua lại hàng triệulần trong một giây ở nhiệt độ phòng. Vì vậy không thể phân lập từng cấu dạng thành các chấtriêng biệt được.2.5.1 Cấu dạng của các hợp chất mạch hởEthane C2H6Trong vô số cấu dạng của ethane, cấu dạng bền nhất là cấu dạng lệch, có các nguyên tửhydrogene ở xa nhau nhất, ứng với mức năng lượng thấp nhất. Cấu dạng kém bền nhất là cấudạng che khuất với các nguyên tử hydrogene ở gần nhau nhất, ứng với mức năng lượng caonhất.Cấu dạngche khuấtCấu dạng lệch-10-Butane C4H10Có thể vẽ được các cấu dạng khác nhau của butane khi cho các nhóm thế quay xungquanh liên kết C1-C2 hoặc C2-C3 (cấu dạng này được nghiên cứu nhiều hơn). Trong vô sốcác cấu dạng của butane, có 4 cấu dạng được quan tâm nhất. Cấu dạng đối lệch bền nhất dohai nhóm methyl phân bố xa nhau nhất, ứng với mức năng lượng thấp nhất. Cấu trạng bánlệch kém bền hơn do hai nhóm methyl gần nhau hơn. Kém bền tiếp theo là cấu trạng chekhuất một phần với nhóm methyl và nguyên tử hydrogen che khuất nhau. Kém bền nhất làcấu trạng che khuất toàn phần với hai nhóm methyl phân bố gần nhau nhất trong không gian.Đối lệchChe khuấtmột phầnBán lệchChe khuấttòan phần-11-2.5.2 Cấu dạng của cyclohexaneCyclohexane C6H12Cấu dạng của cyclohexane và dẫn xuất nói chung tương đối phức tạp do vòngcyclohexane thực tế không có cấu tạo phẳng. Điều này là với vòng 6 là lục giác phẳng thì góclà 120o, nhưng góc liên kết C-C-C với carbon bão hòa lai hóa sp3 là 109o28’. Vậy nên, cácnhóm nguyên tử trong vòng phải xoay quanh các liên kết đơn C-C sao cho các góc C-C-Ctrong vòng có giá trị gần với 109o28’.Trong khi các nhóm nguyên tử của vòng cyclohexane xoay quanh liên kết đơn C-C sẽhình thành nhiều cấu dạng không phẳng khác nhau. Trong đó cấu dạng bền nhất và thườnggặp nhất trong tự nhiên là cấu dạng ghế, với các góc liên kết C-C-C trong vòng là 111o. Tất cảcác nguyên tử carbon trong cấu dạng ghế của vòng cyclohexane đều tương đương nhau, việcvẽ cấu hình có chân ghế và lưng ghế chỉ là do vị trí đặt mắt quan sát.Khi vẽ cấu dạng ghế của cyclohexane với công thức phối cảnh, phải có các cặp liên kếtlần lượt song song với nhau từng đôi một. Tại mỗi nguyên tử carbon trong vòng cyclohexanecó hai liên kết. Liên kết trên trục thẳng đứng gọi là liên kết trục hay liên kết axial, liên kếtcòn lại gọi là liên kết xích đạo hay liên kết equatorial. Liên kết trục hướng lên trên khi mũitên tạo bởi hai liên kết C-C-C đang hướng lên, liên kết trục hướng xuống trên khi mũi tên tạobởi hai liên kết C-C-C đang hướng xuống. Liên kết xích đạo tại nguyên tử carbon C1 phảisong song với cặp liên kết C2-C3 và C5-C6, các liên kết xích đạo tại các nguyên tử carboncòn lại cũng được vẽ theo quy tắc song song với các liên kết tương ứng như vậy.Trong điều kiện thông thường, các nhóm nguyên tử trong vòng cyclohexane ở cấu dạngghế vẫn có thể xoay quanh liên kết đơn C-C để chuyển thành cấu dạng ghế thứ hai. Khichuyển từ cấu dạng ghế này sang cấu dạng ghế khác, liên kết trục sẽ biến thành liên kết xíchđạo và ngược lại.-12-Khi vòng cyclohexane có mang một nhóm thế, một trong hai cấu dạng ghế sẽ bền hơnvà là cấu dạng chủ yếu. Ví dụ trường hợp methylcyclohexane: Trong hai cấu dạng này, chỉ cócấu dạng ghế với nhóm methyl ở liên kết xích đạo mới bền hơn và chiếm ưu thế hơn. Nguyênnhân do khi nhóm thế ở liên kết xích đạo khoảng cách giữa nhóm thế và các nguyên tửhydrogen trong vòng cyclohexane xa hơn trong trường hợp ở liên kết trục.BềnKém bền(do tương tác nhị trục)Khi vòng cyclohexane có mang hai nhóm thế giống nhau, tùy thuộc vào vị trí của hainhóm thế trong vòng cyclohexane và cả cấu hình cis hay trans của chúng mà sẽ có các cấudạng ghế chiếm ưu thế hơn.Khi vòng cyclohexane có mang nhiều nhóm thế, cũng có thể đánh giá cấu dạng chiếmđa số hơn cũng như đồng phân hình học bền hơn bằng cách so sánh năng lượng của các cấudạng. Cấu dạng nào có năng lượng thấp hơn thì bền hơn và chiếm đa số. Thông thường, cấudạng với nhóm thế có kích thước lớn ở liên kết xích đạo sẽ chiếm đa số, cũng như đồng phânhình học tương ứng sẽ bền hơn.-13--14--15--16- |
