🔙 Quay lại trang tải sách pdf ebook Giáo trình Hóa hữu cơ Ebooks Nhóm Zalo Đ Ạ I HỌC QUỐC GIA T P H ồ C H Í M IN H TRƯỜNG Đ Ạ I HỌC BÁ CH KHOA PHAN THANH SƠN NAM (C hủ b iê n ) TRẦN THỊ VIỆT HOA GIÁO TRÌNH HỔA HỮU Cơ N H À XUẤT B Ả N Đ Ạ I HỌC QUỐC GIA T P HỒ CHÍ M IN H - 2011 GT.01J 4(V)---- O/CXB/166-08 ĐHQG.HCM-11 MỤC LỤC LỜ I N Ó I ĐẦU 7 Phẩn 1 Cơ SỞ LÝ THUYẾT HÓA HỮU cơ 9 Chương 1 ĐỒNG PHÂN LẬP THỂ 11 1.1 Giới thiệu chung 11 1.2 Các công thức biểu diễn cấu trúc 13 1.3 Quy tắc Cahn-Ingold-Prelog 16 1.4 Đồng phân hình học 18 1.5 Đồng phân quang học 27 1.6 Cấu dạng của một số hợp chất thường gặp 54 Chương 2 CÁC LOẠI HIỆU ỨNG TRONG PHÂN TỬ HỢP ch ấ t hữu cơ 65 2 .1 Giới thiệu chung 65 2.2 Hiệu ứng cảm ứng 66 2.3 Hiệu ứng liên hợp 70 2.4 Hiệu ứng siêu liên hợp 79 2.5 Hiệu ứng không gian và hiệu ứng ortho 81 2.6 Ảnh hưởng của các hiệu ứng lên tính acid-base 85 2.7 Ảnh hưởng của các hiệu ứng lên độ bền của carbocation, carbanion và gốc tự do 105 Chương 3 PHÀN ỨNG HỮU cơ VÀ cơ CHẾ PHÀN ỨNG 112 3.1 Giới thiệu chung 112 3.2 Phân loại phản ứng hữu cơ 113 3.3 Giới thiệu về các phương pháp xác định cơ chế phản ứng 119 3.4 Cơ chế tổng quát của các phản ứng hữu cơ thường gặp 124 3.5 Ảnh hưởng của các hiều ứng lên khả năng phản ứng 139 P h ầ n 2 CÁC NHÓM ĐỊNH CHỨC CHÍNH 145 Chương 4 CÁC HỢP CHẤT ALKANE 147 4.1 Cấu tạo chung 147 4.2 Danh pháp IUPAC 149 4.3 Các phương pháp điều chế 153 4.4 Tính chất vật lý 158 4.5 Tính chất hóa học 160 4.6 Một số ứng dụng của alkane 177 Chương 5 CÁC HỘP CHẤT ALKENE 179 5.1 Cấu tạo chung 179 5.2 Danh pháp 180 5.3 Các phương pháp điều chế 182 5.4 Tính chất vật lý 186 5.5 Tính chất hóa học 187 Chương 6 CÁC HỢP CHẤT ALKADIENE 228 6.1 Cấu tạo chung 228 6.2 Danh pháp 232 6.3 Các phương pháp điều chế 233 6.4 Tính chất vật lý 235 6.5 Tính chất hóa học 236 6.6 Giới thiệu về các hợp chất allene 250 Chương 7 CÁC HỢP CHẤT ALKYNE 252 7.1 Cấu tạo chung 252 7.2 Danh pháp 253 7.3 Các phương pháp điều chế 255 7.4 Tính chất vật lý 257 7.5 Tính chất hóa học 258 Chương 8 CÁC HỢP CHẤT HYDROCARBON THƠM 272 8.1 Cấu tạo của benzene 272 8.2 Tính thơm - quy tắc HŨKEL 275 8.3 Danh pháp 278 8.4 Các phương pháp điều chế 282 8.5 Tính chất vật lý 284 8.6 Tính chất hóa học 287 8.7 Một số ứng dụng của hợp chất hydrocarbon thơm 325 Chương 9 CÁC DẪN XUẤT HALOGEN VÀ HỢP ch ất cú magnesium 326 9.1 Cấu tạo chung 326 9.2 Danh pháp 327 9.3 Các phương pháp điều chế 329 9.4 Tính chất vật lý 336 9.5 Tính chất hóa học 337 9.6 Hợp chất cơ magnesium (Grignard) 366 9.7 Một số ứng dụng của các dẫn xuất halogen 376 Chương 10 CÁC HỢP CHẤT ALCOHOL VÀ PHENOL 378 A CÁC HỢP CHẤT RƯỢU 378 10.1 Cấu tạo chung 378 10.2 Danh pháp 379 10.3 Các phương pháp điều chế 381 10.4 Tính chất vật lý 390 10.5 Tính chất hóa học 391 10.6 Một số ứng dụng của alcohol 410 B CÁC HỢP CHẤT PHENOL 412 10.7 Cấu tạo chung 412 10.8 Danh pháp 313 10.9 Các phươhg pháp diều chế 315 10.10 Tính chất vật lý 418 10.11 Tính chất hóa học 420 10.12 Một số ứng dụng của phenol 433 Chương 11 CÁC HỢP CHẤT CARBONYL 435 11.1 Cấu tạo chung 435 11.2 Danh pháp 436 11.3 Các phương pháp điều chế 439 11.4 Tính chất vật lý 447 11.5 Tính chất hóa học 448 11.6 Một số ứng dụng của hợp chất aldehyde và ketone 478 Chương 12 CÁC HỢP CHẤT CARBOXYLIC ACID 479 12.1 Cấu tạo chung 479 12.2 Danh pháp 480 12.3 Các phương pháp điều chế 485 12.4 Tính chat .vật lý 492 12.5 Tính chất hóa học 494 12.6 Phản ứng của các dẫn xuất từ carboxylic acid 510 12.7 Một số ứng dụng của carboxylic acid 526 Chương 13 CÁC HỢP CHẤT AMINE - DIAZ0NIUM 529 13.1 Cấu tạo chung 529 13.2 Danh pháp 531 13.3 Các phương pháp điều chế 534 13.4 Tính chất vật lý 540 13.5 Tính chất hóa học 543 13.6 Một số ứng dụng của amine 558 13.7 Các hợp chất diazonium 560 Chương 14 CÁC HỢP CHẤT DỊ VÒNG THƠM NĂM VÀ SÁU CẠNH MỘT DỊ Tố 571 14.1 Cấu tạo chung 571 14.2 Các phương pháp điều chế 576 14.3 Tính chất vật lý 584 14.4 Tính chất hóa học của pyrrole, furan và thiophene 585 14.5 Tính chất hóa học của pyridine 603 14.6 Một số ứng dụng của hợp chất dị vòng thơm năm và sáu cạnh một dị tố 616 TÀI LIỆU THAM KHẢO 620 LỜI NÓI ĐẨU Hóa hữu cơ là ngành hóa học chuyên nghiên cứu các hợp chất của carbon. Các nguyên tử carbon có thể hình thành liên kết với các nguyên tử của các nguyên tố khác, và đặc biệt còn có khả năng liên kết được với nhau, hình thành hàng triệu hợp chất hữu ca khác nhau có cấu trúc từ đơn giản đến phức tạp. Các hợp chất hữu cơ đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong các lĩnh vực khoa học kỹ thuật và trong đời sống nhân loại. Việc nghiên cứu tìm ra các phương pháp xây dựng nên các phân tử phức tạp với tính chất mong muốn từ những phân tử đan giản là hết sức cần thiết. Giáo trình HÓA HỮU c ơ được các cán bộ giảng dạy của Bộ môn Kỹ thuật Hóa hữu cơ, Khoa Kỹ thuật Hóa học đồng biên soạn dựa trên đề cương môn học Hóa hữu cơ của Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Đây là chương trình Hóa hữu cơ dành cho sinh viên các ngành kỹ thuật hóa học với mục tiêu đào tạo theo diện rộng, đồng thời có kỹ năng chuyên môn cao. Nội dung Giáo trình được chia thành hai phần: Phần một: “Cơ sở lý thuyết Hóa hữu cơ”, cung cấp những kiến thức ca bản về cơ sở lý thuyết hóa hữu cơ, ảnh hưởng của thành phần và cấu tạo đến sự phân bố mật độ điện tử của các nguyên tử trong phân tử, ảnh hưởng của cấu tạo đến cơ chế, khả năng phản ứng và tính chất lý hóa của hợp chất hữu cơ cũng như các cơ chế phản ứng quan trọng trong hóa học hữu cơ. Phần hai: “Các nhóm định chức chính”, cung cấp những kiến thức cơ bản về hóa học của các nhóm định chức chính trong hóa hữu ca, các phương pháp tổng hợp chủ yếu được sử dụng và các tính chất lý hóa quan trọng của các hợp chất hữu cơ. Giáo trình không nhằm mục đích trình bày tất cả các nhóm định chức có thể có trong hóa hữu cơ mà chỉ tập trung nghiên cứu một số nhóm định chức quan trọng. Giáo trình bao gồm 14 chương do PGS - TS Phan Thanh Sơn Nam chủ biên và được phân công biên soạn như sau: Chương 1 và chương 2 do PGS - TS Trần Thị Việt Hoa và PGS - TS Phan Thanh Sơn Nam đồng biên soạn. Từ chương 3 đến chương 14 do PGS - TS Phan Thanh Sơn Nam chịu trách nhiệm biên soạn. Giáo trình được dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên đại học và học viên cao học ngành kỹ thuật hóa học (chemical engineering) tại Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, cũng là tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu sinh, các cán bộ giảng dạy và cán bộ nghiên cứu ngành kỹ thuật hóa học tại các trường đại học và cao đẳng khác. Sinh viên đại học và học viên cao học ngành hóa học (chemistry) cũng có thể tham khảo thêm giáo trình này ngoài những giáo trình Đại học Khoa học Tự nhiên và Đại học Sư phạm. Xin chăn thành cảm an PGS TS Phạm Thành Quân, TS Nguyễn Hữu Lương, T S Tống Thanh Danh, TS Lê Thị Hồng Nhan, PGS TS Nguyễn Phương Tùng và GS TSKH Nguyễn Công Hào đã đọc bản thảo và góp ý cho nhóm biên soạn. Xin cám ơn các cán bộ giảng dạy, học viên cao học và sinh viên làm luận văn tốt nghiệp tại Bộ môn Kỹ thuật Hóa hữu cơ, Khoa Kỹ thuật Hóa học đã nhiệt tình giúp chúng tôi sửa bản thảo. Riêng người chủ biên xin chân thành cảm ơn PGS TS Trần Thị Việt Hoa về những kiến thức quý báu liên quan đến lĩnh vực tổng hợp hữu cơ đã được PGS truyền thụ ở bậc đại học và sau đại học. Những kiến thức đó là tiền đề quan trọng cho sự ra đời của giáo trình Hóa hữu cơ này. Nhóm biên soạn xin chân thành biết ơn tất cả những nhà khoa học là tác giả của các công trình khoa học được liệt kê trong mục tài liệu tham khảo ở cuối giáo trình. Cần phải khẳng định rằng nếu không có những công trình khoa học có giá trị đó thỉ sẽ không có sự ra đời của cuốn giáo trình này. Chúng tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các bạn đọc để lần tái bản tới, Giáo trình HÓA HỮU c ơ được hoàn thiện hơn. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về: PGS - TS Phan Thanh Sơn Nam, Bộ môn Kỹ thuật Hóa hữu cơ, Klioa Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, số 268 Lý Thường Kiệt, Quận 10, Thành phố Hồ Chí Minh. Điện thoại: 38647256 (số nội bộ 5690) Số fax: 38637504 Email: ptsnam@hcmut. edu. vn Xin chân thành cảm ơn. TP. HỒ Chí Minh Ngày 20.6.2013 Chủ biên PGS - TS Phan Thanh San Nam PHẦN 1 Cơ SỞ LÝ THUYẾT HÓA HỮU cơ Chương 1 ĐỔNG PHÂN LẬP THỂ 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG Đồng phân (isomer) là những hợp chất hữu cơ có cùng một công thức phân tử nhưng có cấu trúc hóa học khác nhau. Do đó, các đồng phân này là những hợp chất khác nhau, có các tính chất hóa học và tính chất vật lý hầu như khác nhau hoàn toàn. Riêng hai đồng phân quang học là đôi đối quang sẽ có tính chất hóa học và tính chất vật lý giống nhau, tuy nhiên chúng thể hiện các hoạt tính sinh học khác nhau. Vấn đề này sẽ được trình bày chi tiết các phần tiếp theo. Trong định nghĩa nói trên, khái niệm ‘cấu trúc hóa học’ bao gồm cả trậ t tự liên kết, cách thức liên kết của các nguyên tử có m ặt trong phân tử, xét cả trong m ặt phảng và trong không gian. Các vấn đề liên quan đến đồng phân trong m ặt phẳng, hay còn gọi là đồng phân cấu tạo (constitutional isomer), đã được trình bày chi tiết ở các lớp Hóa học hữu cơ trong chương trình bậc phổ thông. Thường gặp nhất là các loại đồng phân cấu tạo sau đây: • Đồng phân về mạch carbon (chỉ khác nhau về cách sắp xếp mạch carbon), ví dụ:CH3 I CH3CH2CH2CH2CH3 và CH3ÓHCH2CH3 pentane isopentane • Đồng phân về vị trí nhóm chức (có cùng nhóm chức nhưng khác nhau về vị trí nhóm chức trong phân tử), ví dụ: C1 CH3CH2CH2CH2C1 và CH3CH2CHCH3 1-chỉorobutane 2-chlorobutane 12 CHƯƠNG 1 • Đồng phân có các nhóm định chức khác nhau về bản chất, ví dụ: ° o __ H II CH3CCH3 và CH3CH2CH CH3CH2OH và CH3OCH3 acetone propỉonaldehyde ethanol dimethyl ether Trong chương trình Hóa học hữu cơ bậc đại học, sẽ không trình bày chi tiết lại những kiến thức về đồng phân cấu tạo mà chú trọng vào các vấn đề liên quan đến đồng phân lập thể (stereoisomer). Các đồng phân lập thể có trậ t tự liên kết và cách thức liên kết của các nguyên tử có m ặt trong phân tử giống nhau, nếu chĩ xét trong phạm vi m ặt phẳng. Tuy nhiên, xét trong phạm vi không gian, cách thức phân bố các nhóm th ế của các đồng phân lập thể sẽ khác nhau. Đồng phân lập thể, hay còn gọi là đồng phân cấu hình (configurational isomer), bao gồm hai loại: (i) Đồng phân hình học {geometric isomer hay còn gọi là cis-trans isomer), và (ii) đồng phân chứa trung tâm bất đối xứng (asymmetric center hay chirality center) (Hình 1.1). Các đồng phân cấu hình là những chất riêng biệt và không thể chuyển hóa qua lại trong điều kiện thông thường. H ình 1.1 Phân loại đồng phân trong Hóa hữu cơ Liên quan đến vấn đề phân bố các nhóm th ế trong không gian, một khái niệm khác được trình bày trong chương này là khái niệm ‘cấu dạng’ (conformation). Khái niệm ‘cấu dạng’ dùng để nói về các dạng hình học khác nhau của một phân tử có được do sự quay của các nguyên tử hay nhóm nguyên tử xung quanh liên kết đơn carbon carbon. c ầ n lull ý trong điều kiện thông thường, các cấu dạng của một ĐỒNG PHÂN LẬP THỂ 13 phân tử có thể chuyển hóa qua lại, và không th ể phân lập riêng biệt từng cấu dạng. Một số tài liệu tham khảo trước đây gọi các dạng hình học này là các ‘dồng phân cấu dạng’ hay ‘dồng phân quay’. Tuy 'nhiên, các tài liệu tham khảo xuất bản gần đây chỉ gọi chung là ‘cấu dạng’. 1.2 CÁC CÔNG THỨC BlỂU DIỄN CẤU TRÚC 1.2.1 Công thức phấỉ cảnh Công thức phối cảnh {perspective formula) là một trong các công thức được sử dụng để mô tả cấu trúc không gian của phân tử trong m ặt phẳng tờ giấy. Trong đọ, vị trí các nguyên tử hay nhóm nguyên tử trong phân tử được biểu diễn đúng như cách sắp xếp th ật sự của chúng trong không gian. Để cho dễ hình dung, người ta có quy ước như sau: Những liên kết nằm trên m ặt phẳng tờ giấy được vẽ bằng nét gạch liền bình thường, những liên kết ở gần hay nằm trước m ặt phẳng tờ giấy được vẽ bằng nét gạch đậm, những liên kết xa hay nằm sau m ặt phẳng tờ giấy được vẽ bằng nét gạch gián đoạn (H.1.2). Nguyên tử carbon có thể được vẽ ra hay được hiểu ngầm là tại giao điểm của các liên kết. Ngoài ra, trong một số trường hợp, người ta còn quy định thêm: Đầu liên kết gần được vẽ to hơn đầu liên kết xa m ắt người quan sát, áp dụng cho các liên kết nằm trưức (gạch đậm) và nằm sau (gạch gián đoạn) m ặt phẳng tờ giấy. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, quy định này không được sử dụng. H *H H ì \ H H (a) (b) (c) H ình 1.2 Công thức phối cảnh của ethane (a), một đồng phân của lactic acid (b), và methylcyclohexane (c) Ngoài ra, còn một kiểu công thức phối cảnh khác đơn giản hơn, thường được sử dụng cho những trường hợp phân tử có liên kết carbon-carbon trung tâm. Trong đó, liên kết chính carbon-carbon được biểu diễn bằng một đường chéo từ trái qua phải và xa dần người quan sát. Các liên kết trong công thức này đều được vẽ bằng các nét gạch 14 CHƯƠNG 1 liền bình thường. Giao điểm của các liên kết này là các nguyên tử carbon. Cách biểu diễn này còn có tên gọi là công thức chiếu hình giá cưa (sawhorse projection) (H.1.3). H H H H (a) (b) H ình 1.3 Công thức phối cảnh dạng công thức chiếu hình giá cưa của ethane (a), và cyclohexane 1.2.2 Công thức chiếu Newm an Đối với công thức chiếu Newman (Newman projection), phân tử được nhìn dọc theo trục một liên kết carbon-carbon trung tâm và chiếu tấ t cả các nguyên tử hay nhóm nguyên tử trong phân tử lên m ặt phẳng tờ giấy. Nguyên tử carbon ở đầu liên kết carbon-carbon gần m ắt người quan sát (Cl) được biểu diễn bằng một vòng tròn, che khuất nguyên tử carbon đầu liên kết xa m ắt người quan sát (C2). Các liên kết tương ứng với nguyên tử carbon thứ nhất (Cl) được nhìn thấy toàn bộ trong công thức chiếu Newman. Các liên kết tương ứng với nguyên tử carbon thứ hai (C2) bị che một phần, do đó chỉ thấy được phần không bị hình tròn biểu diễn cho nguyên tử carbon C l che khuất (H.1.4). Cần lưu ý tùy thuộc vào cách chọn liên kết carbon carbon trung tâm mà một phân tử sẽ có thể có nhiều công thức chiếu Newman khác nhau. H CH, H CH3 (a) (b) H ình 1.4 Công thức chiếu Newman của ethane (a) và butane (b) ĐỔNG PHÂN LẬP THỂ 15 1.2.3 Công thức ch iếu Fischer COOH COOH COOH H- OH (a) c h 3 (b) c h 3 (c) H ình 1.5 Công tliức phối cảnh của một đồng phân lactic acid đặt không theo quy ước (a), đặt theo quy itóc (b) và công thức chiếu Fischer tương ứng (c) Một dạng công thức chiếu khác thường được sử dụng để biểu diễn cấu trúc phân tử trong m ặt phẳng tờ giấy là công thức chiếu Fischer (Fischer projection). Để vẽ công thức chiếu Fischer, phải tuân theo quy ước sau đây: Đặt công thức phối cảnh sao cho nguyên tử carbon được chọn nằm trong m ặt phẳng tờ giấy, hai nguyên tử hay nhóm nguyên tử nằm ở bên trái và bên phải nguyên tử carbon nói trên nằm ở trên m ặt phẳng tờ giấy và gần với m ắt người quan sát, hai nguyên tử hay nhóm nguyên tử trên và dưới nguyên tử caxbon nói trên sẽ nằm sau m ặt phẳng tờ giấy và xa m ắt người quan sát. Tiếp theo chiếu công thức phối cảnh đã đúng vị trí như vậy xuống m ặt phẳng tờ giấy, sẽ thu được công thức chiếu Fischer (H.1.5). Như vậy, trong công thức chiếu Fischer, đường thẳng đứng sẽ biểu diễn hai liên kết xa m ắt người quan sát, đường nằm ngang biểu diễn hai liên kết gần với m ắt người quan sát, điểm giao nhau của hai đường thẳng này biểu diễn nguyên tử carbon đang xét. c ầ n lưu ý tùy thuộc vào vị trí m ắt người quan sát, một phân tử có thể có nhiều công thức chiếu Fischer nếu tuân theo quy ước nói trên. Tuy nhiên, thông thường mạch chính của phân tử được bố trí theo đường thẳng đứng, trong đó các nhóm th ế chứa nguyên tử carbon có số oxy hóa cao hơn sẽ được đặt phía trên công thức. Ví dụ trậ t tự giảm dần số oxy hóa của nguyên tử carbon trong các nhóm th ế sau đây là: -COOH > -CHO > -CHaOH > -C H 3. 16 CHƯƠNG 1 1.3 QUY TẮC CAHN-INGOLD-PRELOG Quy tắc Cahn-Ingold-Prelog được sử dụng để so sánh thứ tự ưu tiên của các nhóm th ế khi gọi tên các đồng phân hình học và đồng phân quang học (sẽ được trình bày các phần tiếp theo). Quy tắc này dựa trên số thứ tự trong bảng hệ thống tuần hoàn của các nguyên tử tương ứng trong các nhóm thế. Trong dó, nguyên tử liên kết trực tiếp với trung tâm cần xác định được tạm gọi là “nguyên tử thứ nhất”, các nguyên tử liên kết trực tiếp với “nguyên tử thứ nhất” trong nhóm th ế dược gọi là các “nguyên tử thứ hai” và cứ tiếp tục như thế. Theo quy tắc Cahn-Ingold-Prelog, *nguyên tử thứ nhất” của nhóm thế nào có số thứ tự trong bảng hệ thống tuần hoàn lớn hơn thì nhóm thế đó sẽ được ưu tiên hơn. Nếu hai nhóm th ế có “nguyên tử thứ nhất” như nhau thì sẽ tiếp tục xét đến thứ tự của các “nguyên tử thứ hai’ tương ứng. Trường hợp các nguyên tử đồng vị, do có cùng số thứ tự nên sẽ so sánh dựa trên trọng lượng nguyên tử. Ví dụ, trậ t tự giảm dần thứ tự ưu tiên của các nhóm th ế sau đây theo quy tắc Cahn-Ingold-Prelog là: CH3 c h 3 I > I > I > I > ' > T > I > I > I 0 ' CHs OH H N 'CHs NH2 H3C -C -O H H -C-O H H2C '0H CHS H Trong ví dụ nói trên, nhóm th ế -OCH3 và nhóm -O H có “nguyên tử thứ nhất” giống nhau là oxygen, tuy nhiên “nguyên tử thứ hai” của nhóm -OCH3 là carbon, có số thứ tự trong bảng hệ thống tuần hoàn là 6, lớn hơn thứ tự của hydrogen. Do đó nhóm -OCH3 sẽ được ưu tiên hơn nhóm -O H . Tiếp theo, nguyên tử thứ nhất của nhóm -O H là oxygen có số thứ tự lớn hơn nitrogen của nhóm -N H CH3 nên nhóm - OH sẽ được ưu tiên hơn. Các nhóm th ế có “nguyên tử thứ nhất” là carbon sẽ có thứ tự uu tiên thấp hơn trường hợp oxygen và nitrogen. Đối với trường hợp nhóm -C(CĨĨ3)20H và nhóm -CH(CIĨ3)OH, trong các “nguyên tử thứ hai” khác nhau của hai nhóm này, nguyên tử carbon có số thứ tự lớn hơn hydrogen nên nhóm -C(CH3)2OH sẽ được ưu tiên hơn. Các trường hợp khác được giải thích tương tự. Trường hợp các nguyên tử trong nhóm th ế tham gia vào các liên kết đôi hay liên kết ba, các nguyên tử này được xem như là đã liên kết đơn với hai hay ba nguyên tử kia. Lưu ý, nguyên tắc số lượng liên ĐỒNG .PHẦN LẬP THỂ 17 kết tương đương này chỉ được sử dụng khi xét thứ tự ưu tiên của các nhóm th ế theo quy tắc Cahn-Ingold-Prelog. Dĩ nhiên về bản chất hóa học, không thể bẻ gãy các liên kết đôi hay liên kết ba này thành các liên kết đơn. ~ _ _ ỉ • Nhóm thế dang c ^ đươc xem như tương đương với 1 — ẹ —Ỵ ì I (*) (C), nghĩa là xem như nguyên tử c được liên kết với hai nguyên tử Y, và nguyên tử Y được liên kết với hai nguyên tử c. — ẹ — Ỷ ì I • Nhóm thế c — Y được xem như tương đương với 0 0 (C) nghĩa là xem như nguyên tử c được liên kết với ba nguyên tử Y, và nguyên tử Y được liên kết với ba nguyên tử c. Ví dụ các nhóm th ế chứa liên kết đôi hay liên kết ba sau đây được xem như là tương đương với các nhóm thế chứa liên kết đơn tương ứng khi xét thứ tự ưu tiên của các nhóm th ế theo quy tắc Cahn Ingold-Prelog: H'c"° Aldehyde H3CVc^O Ketone í> (O) H -C -0 (C) (O ) C -C -0 (C) HIcIIIC Alkyne H, .CH, Alkene í> (C) (C) (C)-C-C-H (C) (C) H H -C -C -H V I 1(C) Sử dụng các quy ước nói trên, có thể sắp xếp trậ t tự giảm dần thứ tự ưu tiên của các nhóm th ế sau đây theo quy tắc Cahn-Ingold Prelog là: -COOCHs > -COOH > -COCH3 > -CHO > -C=N > -C=CH > -CH=CH2 > -CH2-CH3 18 CHƯƠNG 1 1.4 ĐỔNG PHÂN HÌNH HỌC 1.4.1 K háỉ niệm về đổng phân hình học Đồng phân hình học, hay còn gọi là đồng phân cis-trans là một loại đồng phân lập thể, xuất hiện do sự phân bố khác nhau của các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử hai bên một “bộ phận cứng nhắc” trong phân tử. Khái niệm “bộ phận cứng nhắc” dùng để nói lên hiện tượng hai nguyên tử không thể quay tự do xung quanh trục liên kết giữa chúng được. Ví dụ hai nguyên tử liên kết với nhau bằng các liên kết đôi như c = c , C=N và N=N không thể quay tự do xung quanh trục liên kết được, sẽ tạo thành “bộ phận cứng nhắc” trong phân tử. Tương tự như vậy, các nguyên tử hình thành các cạnh trong những hợp chất vòng no thường gặp cũng không thể quay tự do xung quanh trục liên kết, sẽ hình thành các “bộ phận cứng nhắc” trong phân tử. & %, cis-2-pentene trans-2-pentene H3C CH2CH3 H3C H \ = c c = c / \ / \ H H H CH2CH3 cis-2-pentene trans-2-pentene Để gọi tên đồng phân hình học theo hệ danh pháp cis-trans, hai nguyên tử carbon của liên kết đôi c=c phải liên kết với một nhóm thế giống nhau. Trong hợp chất alkene, chẳng hạn 2-pentene, sẽ có hai đồng phân hình học khác nhau. Nếu hai nguyên tử hydrogen của liên kết đôi c=c phân bố cùng phía so với liên kết đôi, sẽ được đồng phân cis-2-pentene. Ngược lại, nếu hay nguyên tử hydrogen phân bố khác phía so với liên kết đôi, sẽ được đồng phân írcms-2-pentene. Các hợp ĐỔNG PHÂN LẬP THỂ 19 chất vòng no cũng có đồng phân cỉs và đồng phân trans. Nếu hai nguyên tử hydrogen phân bố cùng phía so với m ặt phẳng vòng, sẽ được đồng phân cis và ngược lại sẽ được dồng phân trans. Ví dụ các hợp chất như l-bromo-3-chlorocyclobutane và 1,4-dimethylcyclohexane đều có hai đồng phân cis và trans tương ứng. H Br Ha Cl Cl cis-l-bromo-3-chlorocyclobutane trans-l-bromo-3-chlorocyclobutane H H CH, H,C’ CH3 cis-l,4-dimethyỉcyclohexane H ?C' H trans -1,4-dimethylcyclohexane Cần lưu ý đế có đồng phân hình học, các nguyên tử carbon của liên kết đôi c=c hoặc của vòng no phải liên kết với hai nhóm thế khác nhau. Nếu một trong hai nguyên tử carbon này liên kết với hai nhóm th ế giống nhau, sẽ không xuất hiện đồng phân hình học. Ví dụ các hợp chất sau đây không có đồng phân hình học: H C H -.C H í \ ............./ 2 c= c / \ H CH, H/ ACH3 / \ o'— f H H H CH, H CH3 2-Methylpropene 1-Butene 1,1 -dimethylcyclohexane Ngoài các đồng phân cis và trans thường gặp của dẫn xuất từ ethylene và hợp chất vòng no nói trên, còn có thể gặp các đồng phân hình học của các hợp chất chứa nhiều liên kết đôi c=c. Tổng quát, nếu phân tử có n liên kết đôi c=c thì tổng số đồng phân hình học tối đa là 2n. Tuy nhiên, khi có các nhóm th ế giống nhau, sô' lượng đồng phân hình học sẽ giảm xuống. Ví dụ hợp chất 2,4-hexadiene có hai liên kết đôi c=c nhưng chỉ cho ba đồng phân hình học là cis-cis, cỉs trans, và trans-trans do có hai nhóm th ế đầu mạch giống nhau. Piperic acid chứa hai liên kết đôi c=c và có bốn đồng phân hình học là cis-cis, cỉs-trans, trans-cis, và trans-trans do hai nhóm th ế đầu mạch không giống nhau. 20 CHƯƠNG 1 H H J c = < CH, HsCT p = c H H H H H3cTc = c H ;c ' TT H CH3 H,c H H;c=c H c=c H CH, cis,cis-2,4-hexadiene cis,trans-2,4-hexadiene trans,trans-2,4-hexadiene R p=C H H b = c COOH r f H cisycis-piperic acid R H " b= đ H t í ;c = ố H 'COOH transytrans-piperic acid. H COOH R c = c V c H l í H cis,trans-piperic acid R: R H J c = c COOH lí c=ế H trans, cis-piperic acid P "\ 1.4.2 Gọi tê n đồng phân hình học th eo hệ danh pháp Z-E Cách gọi tên các đồng phân hình học theo danh pháp cis-trans trong nhiều trường hợp không thể sử dụng được. Ví dụ trong các hợp chất sau đây, không thể gọi là đồng phân cis hay đồng phân trans được, do cả hai nhóm th ế trên nguyên tử carbon thứ nhất của liên kết đôi c=c khác với các nhóm th ế trên nguyên tử carbon thứ hai: Br Cl Br CH \ / \ / c := c c = (2E,4E)-l-chloro-2,4-heptadiene ĐỔNG PHÂN LẬP THỂ 23 Hệ danh pháp Z-E còn được áp dụng để gọi tên các đồng phân chứa liên kết đôi C=N hoặc N=N. Trong đó, nguyên tử nitrogen chỉ liên kết với một nhóm thê và còn một đôi điện tử tự do nên người ta quy ước nhóựi th ế đó được ưu tiên hơn. Việc gọi tên các đồng phân là z hay E trong trường hợp này cũng tương tự như đối với các hợp chất chứa liên kết đôi c=c nói trên. N=N J 3 (E)-l,2-diphenyìdiazene hay (E)-azobenzene H OH C=N ĩ ự í (E)-acetaìdehyde oxừne hay (E)-acetaỉdoxàne HoC OH ' C=N H (Z)-l,2-diphenyldiazene (Z)-acetaldehyde oxừne hay (Z)-azobenzene hay (Z)-acetaldoxvne 1.4.3 Sự khác nhau về tính chất hóa ỉý của đồng phân hình học Thực nghiệm cho thấy mặc dù hai đồng phân hình học có cấu tạo hóa học giống nhau, nhưng hầu hết các tính chất hóa lý của chúng khác nhau. Ngày nay, các đồng phân hình học có th ể được phân lập bằng các phương pháp sắc ký thích hợp, và được nhận danh thông qua các phương pháp phân tích phổ hiện đại như phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR, viết tắt của Nuclear Magnetic Resonance). Các phương pháp phân lập và xác định cấu trúc hiện đại cho phép phân lập và nhận danh được gần như tấ t cả các đồng phân hình học có m ặt trong tự nhiên hoặc được tổng hợp ra. Tuy nhiên, các thông số hóa lý cổ điển như nhiệt độ nóng chảy, độ tan, chiết suất, tỷ trọng, moment lưỡng cực... vẫn còn có ý nghĩa nhất định. 24 CHƯƠNG 1 Thông thường, nhiệt độ nóng chảy của đồng phân trans cao hơn đồng phân cis tương ứng. Nguyên nhân của điều này là do đồng phân trans có cấu trúc đối xứng hơn, trạng thái rắn sẽ có cấu trúc tinh thể bền vững hơn so với trường hợp đồng phân cis (Bảng 1.1). Thực nghiệm còn cho thấy nhiệt cháy của đồng phân cis thường cao hơn đồng phân trans tương ứng. Đối với các thông số như nhiệt độ sôi, chiết suất và tỷ trọng, sự liên hệ với cấu hình thường không có quy luật như trường hỢD nhiệt độ nóng chảy. Trong một số trường hợp, đồng phân cis có nhiệt độ sôi cao hơn. Tuy nhiên trong một số trường hợp khác, đồng phân trans lại có nhiệt độ sôi cao hơn. Trong nhiều trường hợp, nếu một trong ba thông số này của một đồng phân nào đó lớn hơn so với đồng phân kia tương ứng thì hai thông số còn lại cũng sẽ lởn hơn (Bảng 1.2). B ảng 1.1 Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt cháy của một số đồng phân hình học HỢp Chất Nhiệt dộ nóng chảy (°C) Nhiệt cháy (Kcal/mol) HOOC COGH > = < H H HOOC H ) = ( H COOH ° Ỵ oho H3C ^ ^ v'OH c h 3 0 o 130 327 287 320 91 482 202 478 h 3c ^ J ^ o h 15 486 ĐỒNG PHÂN LẬP THỂ 25 Hợp chất Nhiệt độ nóng chảy (°C) Nhiệt cháy (Kcal/mol) 0 72 478 H3C ^ ^ O H c a 68 1047 HO 133 1040 cT Ò 6 1769 125 1759 61 1723 ^ n o 2 157 1716 26 CHƯƠNG 1 B ảng 1.2 N hiệt độ sôi, tỷ trọng và chiết suất của một sô' đồng phân hình học Hợp chất Nhiệt độ sôi (°C) (760 mmHg) Tỷ trọng (20 °C) Chiết suất (20 °C) CI>= = ^ N(^2 ụ =0,5D C 2H5. 0 A ^ y O. C2H5 0 ụ = 2,38D hoh2c h ) = K H CH2OH ụ = 2 45D 1.5 ĐỒNG PHÂN QUANG HỌC Cl CI ) = ( ^ H ụ = 1,89D H3C c i > = < H H ụ = 1,64D n o 2 0 2N 0 ^ H ụ = 7.38D C2H5 c 2H5 p ố x= / = 2,54D h o h 2c c h 2o h K H H ụ = 2,48D 1.5.1 K hái n iệm về các hợp chất quang hoạt Theo thuyết điện từ của ánh sáng thì ánh sáng tự nhiên hay còn gọi là ánh sáng thường, sẽ bao gồm các sóng điện từ có độ dài sóng khác nhau và dao động theo tấ t cả các phương nằm trong m ặt phẳng 28 CHƯƠNG 1 vuông góc với phương truyền. Ngược lại, ánh sáng phân cực phẳng (plane-polarized, light), hay gọi đơn giản là ánh sáng phân cực, chỉ dao động theo một phương duy nhất nằm trong m ặt phẳng vuông góc với phương truyền. Ánh sáng phân cực được hình thành khi cho ánh sáng thường chiếu qua một lăng kính phân cực (polarizer), thường là lăng kính Nicol .(H.1.6). Khi cho ánh sáng thường chiếu vào hai lăng kính phân cực đặt vuông góc với nhau, ánh sáng sẽ không truyền qua được tổ hợp hai lăng kính này (H.1.7). Nhờ có lăng kính phân cực, có thể xác định được m ặt phẳng chứa ánh sáng phân cực. Ánh sáng dao động theo mọi phương Nguồn sáng Ánh sáng thưởng Lăng kính phân cực Ánh sáng dao động trong mọt mặt phẳng ' ' r \ I \ t I I I 1 I 1 ' v'.. 4 > ' \ 1 y X. Ánh sáng phân cực H ìn h 1.6 Mô tả sự hình thành ánh sáng phân cực [18] H ình 1.7 Ánh sáng không thể truyền qua hai lăng kính phân cực đặt vuông góc với nhau [18] ĐỔNG PHÂN LẬP THỂ 29 Mặt phẳng ánh sáng phãn cực không quay (a) Ánh sáng Lăng kính Ánh sáng thường phân cực phân cực v í Hợp chất không quang hoạt ' T ' N T / Ánh sáng phãn cực (b) Ánh sáng Lăng kính Ánh sáng thường phân cực phân cực Mặt phắng ánh sáng phãn cực ________quay một góc Ánh sáng phân cực H ình 1.8 Mô tả hiện tượng xảy ra klii cho ánh sáng phân cực đi qua hợp chất không quang hoạt (a) và hợp chất quang hoạt (b) [18] Có những hợp chất hữu cơ khi được đặt trên đường truyền của ánh sáng phân cực thì có khả năng làm quay m ặt phẳng ánh sáng phân cực sang bên phải hoặc bên trái một góc ãi nào đó. Những hợp chất có khả năng này được gọi là chất hoạt động quang học hay còn gọi là chất quang hoạt (optically active). Ngược lại, những hợp chất không có khả năng này được gọi là chất không hoạt động quang học hay chất không quang hoạt (optically inactive) (H.1 .8). Trong thực tế, để xác định góc quay của m ặt phẳng ánh sáng phân cực, người ta sử dụng một dụng cụ đo gọi là phân cực kế (polarimeter). Phân cực kế gồm các bộ phận chủ yếu như: (i) Lăng kính Nicol thứ nhất dùng dể tạo ra ánh sáng phân cực từ ánh sáng thường, (ii) lăng kính Nicol thứ hai quay được và có chia độ dùng để làm kính phân tích, (iii) các bộ phận hỗ trợ khác như bộ phận chứa mẫu, kính quan sát, nguồn sáng... Hai lăng kính Nicol được bố trí sao cho ánh sáng phân cực từ sau lăng kính thứ nhất có thể đi xuyên qua lăng kính thứ hai, từ đó dọc được góc quay cực do mẫu phân tích gây ra (H.1.9). H ình 1.9 Nguyên lý hoạt động (à) và hình dạng bên ngoài của một phân cực kế (b) [18] Khả năng làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực của một hợp chất quang hoạt được xác định bằng một đại lượng [a] gọi là độ quay cực riêng (specific rotation). Giá trị độ quay cực riêng phụ thuộc vào nhiệt độ và bước sóng của ánh sáng phân cực sử dụng, được xác định bằng công thức sau đây: trong đó: T - nhiệt độ của mẫu khi đo góc quay cực Ằ - bước sóng ánh sáng phân cực, trong thực tế thường sử dụng ánh sáng từ đèn hơi Na có bước sóng X = 589,6 nm và thường được ký hiệu là D a - góc quay quan sát được trên phân cực kế (°) 1 - bề dày ống chứa mẫu mà ánh sáng phân cực đi qua (dm) c - nồng độ dung dịch mẫu (g/ml). ĐỔNG PHÂN LẬP THỂ 31 1.5.2 Tính k h ôn g trùng vật - ảnh trong gương và khái niệm đổng phân quang học Bàn tay trái Gương Bàn tay phải Hình 1.10 Tính không trùng vật - ảnh trong gương của hai bàn tay [18] Để dễ hình dung, có thể hình dung bàn tay trái và bàn tay phải của một người bình thường là một ví dụ vĩ mô về tính chất vật và ảnh trong gương không trùng nhau (H.1.10). Đặt bàn tay trái trước gương, ảnh trong gương sẽ trùng với bàn tay phải. Rõ ràng bàn tay trái và bàn tay phải của một người không có khả năng chồng khít lên nhau, cho dù xoay hay tịnh tiến chúng theo mọi cách. Bàn tay và những vật tương tự được gọi là có ảnh trong gương không trùng với vật (nonsuperim posable mirror image), hay được gọi là tính không trùng vật - ảnh trong gương (chirality). c ần lưu ý đây là tính chất của toàn bộ cấu trúc vật dang xét. Một số tinh thể như thạch anh, NaC103... cũng có cấu trúc không trùng vật - ảnh trong gương. Tuy nhiên, khi các chất này ở trạng thái nóng chảy hay trong dung dịch, tính chất này biến mất. Có những chất cho dù ở trạng thái tinh thể rắn, trạng thái lỏng trong dung dịch hay trong pha hơi thì phân tử của chúng vẫn có tính chất không trùng vật - ảnh trong gương. Các phân tử có tính chất không trùng vật - ảnh trong gương thì sẽ có tính quang hoạt. Kết quả của nhiều nghiên cứu đã cho thấy các phân tử mà cấu trúc th ật trong không gian không có tâm đối xứng hình học và không có m ặt phẳng đối xứng hình học thì sẽ có tính chất không trùng vật - ảnh trong gương. Trong lĩnh vực Hóa hữu cơ, yếu tố thường gặp nhất gây ra tính chất không trùng vật - ảnh trong gương là nguyên tử carbon bất đối xứng (asymmetric carbon). Ngoài ra, còn một sô' yếu tô" khác sẽ được 32 CHƯƠNG 1 giới thiệu ở các phần tiếp theo. Theo định nghĩa, nguyên tử carbon bất đối xứng là nguyền tử carbon liên kết với bốn nhóm thế hoàn toàn khác nhau, thường được ký hiệu là c*. Dĩ nhiên phân tử chứa một nguyên tử c* sẽ có tính chất không trùng vật - ảnh trong gương và có tính quang hoạt (H. 1.11). w 1 Gương Gương w w (Xoay) Không trùng H ình 1.11 Mô tả phân tử chứa một nguyên tử c* với bốn nhóm thế khác nhau có tính chất không trùng vật - ảnh trong gương cho dù xoay theo mọi cách Khi trong phân tử có chứa một nguyên tử carbon bất đối xứng, phân tử đó có thể tồn tại ở hai dạng cấu trúc không gian đối xứng với nhau qua m ặt phẳng gương, tương tự như vật và ảnh trong gương của nó. Cả hai cấu trúc không gian này có tính quang hoạt, tuy nhiên một dạng làm quay m ặt phẳng ánh sáng phân cực qua bên phải, một dạng làm quay m ặt phẳng ánh sáng phân cực qua bên trái một góc với cùng độ lớn. Hai dạng cấu trúc không gian này có tính chất vật lý và tính chất hóa học giống nhau, chỉ khác nhau về khả năng làm quay mặt ĐỔNG PHÂN LẬP THE 33 phẳng ánh sáng phân cực và khác nhau về hoạt tính sinh học (biological activity). Chúng được gọi là hai đồng phân quang học của nhau {optical isomer). Trong trường hợp này, hai đồng phân quang học tương tự như vật và ảnh trong gương, còn được gọi là một đôi dối quang (enantiomer). CHjệHCH7CH3 X 2-bromobutane BrI CH iC H rV 'H CHj Gương Br H"’ /" " C H CH CH, Một đôi đối quang BrI Br c h ,chÍV'"h CH, ...Cs. H*y* h 3g CH2€ H 3 CH3C h Í ì ''C H 3 CH 3 Một đôi đối quang Hai dạng trùng nhau của một phân tử Hình 1.12 Mô tả 2-bromobutane có hai đồng phân quang học là một đồi đối quang và 2-bromo-2-methyìbutane không có đồng phân quang học Ví dụ 2-bromobutane có hai đồng phân quang học là đôi đối quang do có một nguyên tử carbon bất đối xứng trong phân tử, có tính chất vật và ảnh trong gương không trùng nhau, và đó là hai chất riêng biệt. Trong khi đó, 2-bromo-2-methylbutane không có đồng phân quang học do không chứa ngùyên tử carbon bất đối xứng, có tính chất vật và ảnh trong gương trùng nhau, nghĩa là hai dạng cấu trúc không gian của 2-bromo-2-methylbutane th ật ra chỉ Ịằ một chất (H.1.12). Hiện nay, các đồng phân quang học của nhiều hợp chất hữu cơ khác nhau đã được phân lập từ tự nhiên hoặc được tổng hợp ra. Những vấn đề liên quan đến các đồng phân quang học chứa nhiều nguyên tử carbon bất đối xứng và đồng phân quang học không phải là đôi đối quang (diastereomer) sẽ được trình bày các phần tiếp theo. 34 CHƯƠNG 1 1.5.3 Gọi tê n các đồng phân quang học 1- Hệ d a n h p h á p D-L Hệ danh pháp D-L được sử dụng để gọi tên các đồng phân quang học so với một chất chuẩn, còn gọi là xác định cấu hỉnh tương đối của các đồng phân. D là viết tắ t của Dextrorotatory nghĩa là quay sang phải, L là viết tắ t của Laevorotatory nghĩa là quay sang trái. Chất chuẩn được nhà hóa học Fischer sử dụng là hai đồng phân quang học của glyceraldehyde (hay còn gọi là 2,3-dihydroxypropanal): (i) Dạng quay phải ký hiệu là D-(+)-glyceraldehyde, và (ii) dạng quay trái ký hiệu là L-f->glyceraldehyde. Mặc dù cách gọi tên này ban đầu là do Fischer cứng nhắc đặt ra, tuy nhiên sau này kết quả nghiên cứu đã cho thấy cách gọi tên này rất phù hợp với thực nghiệm. Muốn sử dụng hệ danh pháp D-L, phải sử dụng công thức chiếu Fischer. HC= 0 HC= 0 COOH HC= 0 HO—I—H CH,OH H----- OH CH3 H---- Bi CH3 L-glyceraldehyde D-lactic acid D-2-bromopropanal Theo cách gọi tên này, những đồng phân có cấu trúc tương tự như D-(+,)-glyceraldehyde với nguyên tử dị tố (oxygen, nitrogen ...) nằm bên phải công thức chiếu Fischer sẽ có cấu hình tương đối là D. Ngược lại, những đồng phân có cấu trúc tương tự như L-(-)-glyceraldehyde với nguyên tử dị tố nằm bên trái công thức chiếu Fischer sẽ có cấu hình tương đối là L. c ầ n lưu ý không có bất kỳ sự liên hệ nào giữa cấu hình D và L với dấu của độ quay cực riêng có được từ thực nghiệm mà thường được ký hiệu là d (+) và l (-). Rõ ràng hệ danh pháp này không thể áp dụng cho những hợp chất có cấu trúc phức tạp hơn và không có gì liên quan đến glyceraldehyde. Từ năm 1951, ba nhà hóa học Cahn, Ingold và Prelog đã đưa ra cách gọi tên các đồng phân quang học theo hệ danh pháp R-S có tính chất tổng quát hơn và được sử dụng rộng rãi cho đến ngày nay. v ấn đề này sẽ được trình bày chi tiết phần tiếp theo. Tuy nhiên, hiện tại hệ danh pháp D-L vẫn còn được sử dụng phổ biến riêng cho các hợp chất thuộc họ đường và amino acid. Việc gọi tên cấu hình tương đối của các hợp chất này được quy định như sau: ĐỒNG PHÂN LẬP THỂ 35 Đối với các hợp chất họ đường, nguyên tử carbon bất đối xứng sử dụng để 50 sánh với cấu hình của glyceraldehyde là nguyên tử carbon bất đối xứng chứa nhóm -O H có số thứ tự lớn nhất. Như vậy, cấu hình đường với nhóm -O H liên kết với carbon bất đối xứng có số thứ tự lớn nhất nằm bên phải công thức chiếu Fischer sẽ có cấu hình D, và nếu nhóm -O H này nằm bên trái công thức chiếu Fischer thì đường sẽ có cấu hình L. H C = 0 H C = 0 H C = 0 H C = 0 H——OH HO——H HO——H H——OH H——OH HO——H H——OH HO——H CH2OH D-erythrose H C = 0 CH2OH L-erythrose H C = 0 CH2OH D-threose H C = 0 CH2OH L-threose H C = 0 H H H H--0H -ỌH -pH -OH CH2OH HO H H H -H-OH -OH -OH CH2OH H HO H H -OH -H -OH -0H CH2OH HO HO H H-'H-IJ 1 1 -ỌH -OH CH2OH D-allose H C = 0 D-altrose H C = 0 D-glucose HC==0 D-mannose H C = 0 H——OH HO——H H——OH HO——H H——OH H——OH HO——H HO——H HO——H HO——H HO— —H HO——H H— —OH H——OH H —OH H——OH CH,OH D-gulose CH2OH D-idose c h 2o h D-galactose CH2OH D-talose • Đối với các hợp chất amino acid, nguyên tử carbon bất đối xứng chứa nhóm -N H 2 có số thứ tự nhỏ nh ất được sử dụng dể gọi tên cấu hình tương đối khi so sánh với cấu hình của gly ceralđehyde. COOH COOH HịN—j—H COOH H a N - f - H COOH H-I-NH2 H ịN - H - - H -OH COOH HgN—ị— H CH2OH L-serine Cỉ^ ch:ch3)2 ci^CgHg L-valine D-phenylalanine L-threonine Cĩk L-alanine 36 CHƯƠNG 1 2- Hệ d an h p h á p R-S Như đã trình bày, hệ danh pháp D-L chỉ được sử dụng cho một số trường hợp, và trong rất nhiều trường hợp không thể sử dụng hệ danh pháp này để gọi tên các đồng phân quang học. Ngày nay, hệ danh pháp R-S do ba nhà hóa học Cahn, Ingold và Prelog đề nghị đã dược sử dụng rộng rãi cho 'tất cả các trường hợp. R là viết tắ t của Rectus có nghĩa là bên phải trong tiếng Latin, s là viết tắ t của Sinister nghĩa là bén trái trong tiếng Latin. Hệ danh pháp R-S cho phép gọi tên cấu hình tuyệt đối của các đồng phân quang học, tức là cấu hình thực sự của phân tử trong không gian mà không phải so sánh với một cấu hình nào khác, c ần lưu ý không có bất kỳ sự liên hệ nào giữa dấu hình R và s với dấu của độ quay cực riêng có được từ thực nghiệm mà thường được ký hiệu là d (+) và l (-). Có thể gọi tên cấu hình tuyệt đối của một đồng phân quang học bất kỳ dựa trên công thức phối cảnh hoặc công thức chiếu Fischer. Phần này trình bày cách gọi tên cấu hình tuyệt đối của các đồng phân quang học chỉ chứa một nguyên tử carbon bất đối xứng trong phân tử. Cấu hình tuyệt đối của các đồng phân quang học chứa nhiều nguyên tử carbon bất đối xứng sẽ được lần lượt trình bày ở cắc phần tiếp theo. • Đối với đồng phân đưẹc biểu diễn bằng còng thức ph ối cảnh Cùng chiều kim đồng hồ Ngược chiều kim đồng hồ H ình 1.13 Mô tả cách gọi tên cấu hình đồng phân quang học theo hệ danh pháp R -S dựa trên công thức phối cảnh ĐỔNG PHÂN LẬP THỂ 37 H— K O O H M o ổ Í H— C 2CH2CH3 ■> II— C\2 COOH R-Lactic acid ÌOH ÃkCH33 H— c 2CH2CH3 (R)-2-Butanol (S)-2-Butanol Để gọi tên cấu hình tuyệt đối của đồng phân quang học dựa trên công thức phối cảnh, trước hết phải xác định thứ tự ưu tiên của các nhóm th ế theo quy tắc Cahn-Ingold-Prelog. Xoay toàn bộ công thức phối cảnh trong không gian, hoặc thay đổi vị trí đặt m ắt quan sát trong không gian, sao cho nhóm thê ít ưu tiên nhất xa người quan sát nhất. Nếu chiều đi từ nhóm th ế ưu tiên nhất đến nhóm th ế ưu tiên thứ hai là cùng chiều kim đồng hồ, đồng phân có cấu hình tuyệt đối là R. Ngược lại, nếu chiều đi từ nhóm th ế ưu tiên nhất đến nhóm th ế ưu tiên thứ hai là ngưọe chiều kim đồng hồ, đồng phân có cấu hình tuyệt đối là s . Trường hợp nhóm th ế ít ưu tiên nhất ở gần m ắt người quan sát, để đơn giản, không cần phải xoay công thức phối cảnh trong không gian để đưa nhóm th ế này ra xa người quan sát. Trong trường hợp này, cách xác định cấu hình tuyệt đối sẽ ngược lại với trường hợp nói trên. Bi Bi OH (R)-l-bromo-3-pentanol 38 CHƯƠNG 1 c h 2o h C/ \ " 'H c h 3 CH2CH3 CH2OH H.. CH2CH3 CHi HOÁ '"H COOH (R)-2-methyl-l-butanol (S)-2-methyl-1-butanol CH, cocr Na+ (S)-lactic acid C H = 0 H HO COO~Na+ Á ...... -OOCCH2CH2 +Vn h ‘ HO V H CHĨOH (S)-sodium lactate (S)-monosodium glutamate (R)-glyceraldehyde • Đối với đồng phân được biểu diễn bằng công thức chiếu Fischer: Để gọi tên cấu hình tuyệt đối của các đồng phân quang học dựa trên công thức chiếu Fischer, trước hết cũng phải xác định thứ tự ưu tiên của các nhóm th ế theo quy tắc Cahn-Ingold-Prelog. Trường hợp nhóm th ế ít ưu tiên nhất à trên đường thẳng đứng (nằm trên hoặc nằm dưới trong công thức chiếu Fischer), nếu chiều đi từ nhóm th ế ưu tiên nhất đến nhóm th ế ưu tiên thứ hai là cùng chiều kim đồng hồ, đồng phân có cấu hình tuyệt đối là R. Ngược lại, nếu chiều đi từ nhóm th ế ưu tiên nhất đến nhóm th ế ưu tiên thứ hai là ngược chiều kim đồng hồ, đồng phân có cấu hình tuyệt đối là s. Trong trường hợp nhóm th ế ít ưu tiên nhất trên đường nằm ngang (bên trái hay bên phải trong công thức chiếu Fischer), cách xác định cấu hình tuyệt đối sẽ ngược lại với trường hợp nói trên. Cl CH,CH2- -g h 2c h 2c h 3 H 1C1 c h 3c h 2c h 2------ 2 H c h 2c h 3 “ 3 ■ (R)-3-chlorohexane CH, c h 3 (S)-3-chlorohexane Ọ ọ 4 1 > 1 ' COH : C O H " 4 H- -OH HO -H 4 4 H” -CH, 3 ?CH3- ~H 4 ìOH >► c h 2c:h3 c h 2c:h ? [ÒH (S)-2-butanol (R)-2-butanol (S)-lactic acid (R)-lactic acid ĐỒNG PHÂN LẬP THỂ 39 Công thức phối cảnh và công thức chiếu Newman vẫn biểu diễn cấu trúc thực sự của đồng phân trong không gian ba chiều. Vì vậy, có thể xoay toàn bộ công thức phối cảnh hay công thức chiếu Newman trong không gian mà cấu hình tuyệt đối của đồng phân không thay đổi. Ngược lại, theo quy ước, công thức chiếu Fischer không biểu diễn cấu trúc th ật sự của đồng phân trong không gian ba chiều. Do đó không được phép tùy tiện xoay công thức chiếụ Fischer như các trường hợp khác. Nếu không theo đúng quy ưởc, sẽ dễ dàng làm thay đổi cấu hình thực sự của đồng phân. Có một số quy ước phải tuân theo khi muốn xoay công thức chiếu Fischer như sau đây: • Công thức chiếu Fischer chỉ được phép quay trong m ặt phẳng tờ giấy một góc 180° mà cấu hình của đồng phân tương ứng không thay đổi. Khi quay công thức trong m ặt phẳng tờ giấy một góc 90° hay 270°, hoặc đưa công thức ra khỏi m ặt phẳng tờ giấy, sẽ làm thay đổi cấu hình của đồng phân tương ứng. Nghĩa là cấu hình R sẽ bị biến thành cấu hình s và ngược lại trong trường hợp này. Q uay 180°HO ■H COOH Cấu hình R Cấu hình R ỌH Q uay 90° HOOC H Cấu hình R cẳu hình s II II COOH ỌH OH HOOC’^ C- c h 3 c h 3 H (R)-Lactic acid CS)-Lactic acid 40 CHƯƠNG 1 Trong công thức chiếu Fischer, nếu đổi chỗ hai nhóm th ế bất kỳ liên kết với trực tiếp với một nguyên tử carbon bất đối xứng, cấu hình tuyệt đối tại nguyên tử carbon bất đối xứng đó sẽ thay đổi từ R thành s và ngược lại. Nếu đổi chỗ hai cặp nhóm th ế bất kỳ cho nhau thì cấu hình sẽ không thay đổi. Đồi hai cặp nhóm thế Đổi hai cặp nhóm thế CH2CH3 OH ỊỊ CH3 CH2CH3 h 3c - -CH2CH3 OH Cấu hình s HÒ CH CH C^P nhóm th® 2 ? L. —H '------------------► HO— CH3 Cấu hình s c h 2c h 3 Cấu hình s 3 cấu hình R 1.5.4 Các đồng phân quang học chứa n h iều hơn m ột nguyên tử carbon bất đối xứng Trong thực tế có rấ t nhiều hợp chất hữu cơ chứa hai hay nhiều hơn hai nguyên tử carbon bất đối xứng, và từ đó có nhiều đồng phân quang học khác nhau. Thông thường, một hợp chất có n nguyên tử carbon bất đối xứng sẽ có tối đa 2n đồng phần quang học. Trong trường hợp có các nhóm th ế tương đương liên kết với chúng, số lượng đồng phân quang học sẽ giảm xuống (trường hợp đồng phân m eso, sẽ trìn h bày phần tiếp theo). Số lượng đồng phân quang học dự đoán được từ cấu trúc lý thuyết cũng đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm trong rấ t nhiều trường hợp. Cách gọi tên cấu hình tuyệt đối tại các nguyên tử carbon bất đối xứng trong trường hợp này cũng tương tự như trường hợp một nguyên tử carbon bất đối xứng. Lần lượt xác định cấu hình tại các nguyên tử carbon bất đối xứng tương ứng, thêm chỉ số thứ tự vào trước R hay s để chỉ rõ nguyên tử carbon bất đối xứng đang xét. ĐÓNG PHẦN LẬP THỂ 41 H3C Br T HO CH3 HÒ CH3 (2S, 3R)-3 - brom o-2-butanol Ví dụ xét trường hợp các đồng phân quang học của một đồng phân của 3-bromo-2-butanol như trong hình vẽ, có hai nguyên tử carbon bất đối xứng tại C2 và C3. Tại nguyên tử C2, nhóm thế ưu tiên nhất là -O H , nhóm th ế ưu tiên thứ hai là -CH BrCH 3, nhóm th ế ưu tiên thứ ba là -C H 3 và nhóm th ế ít ưu tiên nh ất là -H . Đặt m ắt quan sát để nhóm th ế -H xa nhất, đi từ nhóm -O H đến - CHBrCH3 sẽ ngược chiều kim đồng hồ nên nguyên tử C2 có cấu hình s . Tương tự như vậy, lần lượt xét các nhóm th ế xung quanh nguyên tử carbon C3 và xác định được nguyên tử này có cấu hình R. Đồng phân này sẽ được gọi tên là (2S,3iỉ)-3-bromo-2-butanol. Đối với đồng phân biểu diễn bằng công thức chiếu Fischer, cũng lần lượt xét cấu hình tại từng nguyên tử carbon bất đối xứng như trên và gọi tên cấu hình tuyệt đối tại các nguyên tử carbon bất đối xứng theo những nguyên tắc đã trìn h bày. (2S,3R)-3-bromo-2-butanol Xét tấ t cả các khả năng có thể có, sẽ được bốn đồng phân quang học từ phân tử 3-bromo-2-butanol. Đây là lần lượt hai đôi đôi quang và có thể được biểu diễn bằng công thức phối cảnh hay công thức chiếu Fischer như sau: 42 CHƯƠNG 1 h 3c h h c h 3 Br"’ y C-^OH H o J c - ^ Br H CH3 HjC H H H CH, OH Br CH3 HO Br c h 3 H H CH3 (2S,3R)-3-bromo- (2R,3S)-3-bromo 2-butanol 2-butanol H3C H CH3 (2S,3R)-3-bromo 2-butanol CH3 (2R,3S)-3-bromo 2-butanol c h 3 0H n o - r Br CHj H3C Br H Br OH H CH3 HO H H Br CH3 (2S,3S)-3-bromo- (2R,3R)-3-bromo 2-butanol 2-butanol (2S,3S)-3-bromo 2-butanol (2R,3R)-3-bromo 2-butanol Bốn đồng phân quang học của các phân tử chứa hai nguyên tử carbon bất đối xứng không tương đương với nhau sẽ lần lượt có cấu hình tuyệt đối là R-R, R-S, S-R và S-S. Trong đó, có lần lượt hai cặp là hai đôi đối quang (enantiomer) là R-R, S-S và R-S, S-R. Mối tương quan giữa các cặp đồng phân còn lại (bốn cặp) được gọi là các đôi đồng phân quang học không đối quang (diastereomer). Trong trường hợp hai nguyên tử carbon bất đối xứng tương đương với nhau, hai đồng phân R-S và S-R thường trùng nhau, nghĩa là thực chất đây chỉ là một chất duy nhất (đồng phân meso). Vấn đề này sẽ được trình bày chi tiết phần tiếp theo. R.R R.s Hai đôi đồng phân đối quang (liền gạch) Bốn đôi đéng phân không dổi quang (đứt nét) ,s,.s ---- *. .VA’ Ví dụ dẫn xuất methylester của 2 ,3 -dihydroxysuccinic acid sau đây có hai nguyên tử carbon bất đối xứng không tương đương và do đó có bốn đồng phân quang học, trong đó có hai đôi đối quang là các đôi đồng phân lần lượt là 2S-3R và 2R-3S, 2R-SR và 2S-3S. Trong bốn đồng phân quang học này, sẽ có bốn đôi đồng phân quang học không đối quang là 2S-3R và 2S-3S, 2S-3R và 2R-3R, 2R-3S và 2R-3R, 2R-3S và 2S-3S: ĐỒNG PHÂN LẬP THỂ 43 enantiomer renantiomer 1 r * HO2C ỉ > o h | h o £ ^ c o . h C1 HOoC cI i l l “ I .COiH s c PỊ ! ỊJ »u c ^ c "> O Me02c ^OH ĩ HO* C02Me C4 Me02c^ ^OH 25. 3R 2R, ĨS 2R. 3R ♦* íío C02Me 25.35 + ♦ ! í 1 diastereoisomer 11 1t t ! í đĩãstẽrẽõisomẽr 11 1 ! diastereoisorner I1 Tương tự như vậy, trường hợp 2,3-dihydroxybutanoic acid cũng có hai nguyên tử carbon bất đối xứng không tương đương và từ đó sẽ có bốn đồng phân quang học. Trong đó có hai đôi đối quang là các đôi đồng phân lần lượt là 2S-SR và 2R-SS, 2R-SR và 2S-3S. Các cặp đồng phân còn lại đều là đồng phân quang học không đối quang của nhau. H OH CO >H .. £Tíík V Enantinmcr % 4 Diasteroomci CH., J Ị HO H (2S,3S) % VHO CH./,C O ,H Enanlkimer CH\ * H / HO H (2R ,3S) (2S,3R ) Trong trường hợp phân tử chứa đồng thời một nguyên tử carbon bất đối xứng và một liên kết đôi c=c có khả năng hình thành đồng phân hình học xung quanh liên kết đôi này (nghĩa là có hai trung tâm 44 CHƯƠNG 1 lập thể trong phân tử), tổng số đồng phân lập thể tối đa có được cũng là 2n. Như vậy quy tắc tổng số đồng phân lập thể tối đa áp dụng cho tấ t cả các đồng phân lập thể chứ không chỉ riêng cho đồng phân quang học, trong đó n là số lượng trung tâm lập thể, tính cả các nguyên tử carbon bất đối xứng và các trung tâm gây ra đồng phân hình học. Ví dụ xét phân tử 3-penten-2-ol chứa một nguyên tử carbon bất đối xứng tại C2 và một liên kết đôi c = c . Bản thân nguyên tử C2 có cấu hình tuyệt đối hoặc là R hoặc là s , trong khi đó liên kết đôi c=c có đồng phân hình học hoặc là E hoặc là z. Tổ hợp của hai thành phần này sẽ hình thành bốn đồng phân lập thể có cấu hình là 2R-3E, 2S 3E, 2R-3Z, và 2S-3Z. HjC H \ / c= c / \ h 3c h \ / c= c / \ H c — / \ HO H CH3 H c — CH3 / \ H ÒH (2R,3E)-3-Penten-2-ol H H c= c / \ h 3c X - c h 3 HO H (2R,3Z)-3- Penten-2-oỉ 1.5.5 Các dồng phân m eso (2S,3E)-3-Penten-2ol H H / c ~ c \ h 3c ^ c — c h 3 H OH (2S,3Z)-3-Penten-2ol CH^CHCHCH, Br Br 2,3-dỉbromobutane H^c\CH, H ,c CH, H ,c CH., -/ X I -<ỷ„H c H""y B r " CV '"H Br Br Br H 1 2 c h 3 c h 3 H Br CH, H H--Br -Br CH3 1 H Br--Br -H CH3 2 Bi H HBí c h ., 3 ĐỔNG PHÂN LẬP THỂ 45 Trong các ví dụ về đồng phân quang học của các hợp chất chứa hai nguyên tử carbon bất đối xứng đã trình bày, tổng số đồng phân quang học là bốn. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, mặc dù phân tử có hai nguyên tử carbon bất đối xứng nhưng chỉ có tổng cộng ba đồng phân quang học. Ví dụ xét trường hợp các đồng phân của phân tử 2,3- dibromobutane chứa hai nguyên tử carbon bất đối xứíig. Kết quả nghiên cứli cho thấy 2,3-dibromobutane chỉ có ba đồng phân lập thể, trong đó có một đồng phân không có tính chất quang hoạt (optically inactive) mặc dù có chứa nguyên tử carbon bất đối xứng (đồng phân 1). Đồng phân này có ảnh trong gương trùng với nó, có tên gọi là đồng phân meso (M esos có nghĩa là ở giữa trong tiếng Hy Lạp). Có thể dễ nhận ra điều này khi vẽ công thức phối cảnh dạng che khuất (hai nguyên tử Br che khuất nhau) hay sử dụng công thức chiếu Fischer (hai nguyên tử Br ở cùng phía). H3C c h 3 \ _ / Br Bi H3C CHiị \ __/ H""yC ^""H Br Bi CH3 H H--Br -Bí c h ., Br Br CH3 H H CH, Ành trong gương trùng với vật Ảnh trong gương trùng vói vật Thông thường, nếu trong phân tử phải có m ặt phẳng đối xứng, đồng phân sẽ không có tính chất quang hoạt cho dù trong phân tử có chứa các nguyên tử carbon bất đối xứng. Mặt phẳng đối xứng tưởng tượng này cắt đôi phân tử thành hai phần đối xứng với nhau, tương tự như vật và ảnh trong gương. Đây là dấu hiệu nhận biết sự có m ặt của đồng phân meso. Cũng có thể giả sử rằng nửa trên của phân tử có chứa một nguyên tử carbon bất đối xứng, riêng phần này có khả năng làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực một góc nào đó. Phần còn lại của phân tử rõ ràng sẽ làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực một góc như vậy nhưng có chiều ngược lại. Kết quả, toàn bộ phân tử không làm gược lại. Kết quả, toàn bộ phân tử không quay mặt phẳng ánh sáng phân cực và do đó không có tính quang hoạt. phân cực và do đó không có tính quang h Mặt phẳng đối xứng H——Br y / H——Br CH, CH2CH3 H3C f ị CH, H -j-O H rfTl H' f ~ CV -"H / Ọ** / V / \H B r^ B r . CH2CH3 ÓH Các đồng phãn meso 46 CHƯƠNG 1 Ví dụ tartaric acid có hai nguyên tử carbon bất đối xứng trong phân tử nhưng chỉ có ba đồng phân quang học, trong đó gồm một đôi đối quang có cấu hình 2R-SR và 2S-3S, và một đồng phân meso có cấu hình là 2R-3S. HOOC ỌH HOOC\H H COOH \ :C — ệ —H \COOH H"’ / HC- -C—OH H O - C - C H HO COOH HOOC OH (2R,3S)-tartaric acid meso-tartaric acid (2R,3R)-tartaric acid, (2S,3S)-tartaric acid Đôi đôi quang H H COOH -OH -OH COOH H HO COOH -OH —H COOH HO H COOH -H —OH COOH (2R,3S)-tartarỉc acid (2R,3R)-tartaric acid (2s ,3S)-tartaric acid meso-tartaric acid Đôi đối quang 1.5.6 Đ ồng phân ỉập th ể của các hỢp chất vòng Đồng phân lập thể của các hợp chất có vòng có thể có cả đồng phân hình học và đồng phân quang học, tùy từng trường hợp cụ thể. Trong những trường hợp này, nếu biết công thức phối cảnh hay hình dung được sự bố trí các nhóm th ế của phân tử th ật sự trong không gian, sẽ dễ dàng xác định được các đồng phân lập thể này. Ví dụ xét trường hợp phân tử l-bromo-2-methylcyclopentane, trong phân tử có hai nguyên tử carbon bất đối xứng và có bốn đồng phân lập thể. Các nhóm th ế trong vòng có thể có cấu hình cis và cấu hình trans. Trong đó, đồng phân có cấu hình cis tồn tại dưới dạng một đôi đối quang, và đồng phân có cấu hình trans cũng tồn tại dưới dạng một đôi đối quang. uc h 3 P ỉ f - ? Br CH3 CHjBr cis-l-bromo-2-methylcyclopentane Br H H Br trans-l-bromo-2-methylcyclopentane Khác với trường hợp l-bromo-2-methylcyclopentane, phân tử 1- bromo-3-methylcyciobutane lại không chứa nguyên tử carbon bất đối xứng nào cả. Nguyên tử carbon C l chứa hai nhóm th ế khác nhau là ĐỒNG PHẪN LẬP THỂ 47 -B r và -H , tuy nhiên hai nhóm th ế còn lại là -C H 2CH(CH3)CH2- giống nhau hoàn toàn. Tương tự như vậy, nguyên tử carbon C3 chứa hai nhóm th ế khác nhau là -H và -C H 3, tuy nhiên hai nhóm th ế còn lại cũng giống nhau hoàn toàn là -C H 2CHBrCH2- . Trong trường hợp này, phân tử không có đồng phân quang học, mà chỉ có hai đồng phân hình học là cis và trans. Hai đồng phân này rõ ràng không có đồng phân đối quang của chúng, vì ảnh trong gương của chúng lần lượt trùng với vật. H CH, Ho CH3 V-------a' H Br Br cis-l-bromo-3-methylcyclobutane trans-l-bromo-3-methylcỵclobutane Đối với trường hợp l-bromo-3-methylcyclohexane, trong phân tử có hai nguyên tử carbon bất đối xứng là hai nguyên tử carbon lần lượt liên kết với các nhóm th ế -Br và -CH3. Phân tử này có bốn đồng phân quang học, trong đó có một đôi đối quang có cấu hình cis và một đôi đối quang có cấu hình trans. Tuy nhiên, đối với trường hợp l-bromo-4- methylcyclohexane, trong phân tử không có chứa nguyên tử carbon bất đối xứng nên không có đồng phân quang học. Phân tử này chỉ có hai đồng phân hình học cấu hình cis và cấu hình trans. Carbon bất đối xứng Hai nhóm thế khác nhau Carbon bẳt đối xứng CH3 Hì H /------V J ----- iH Hi------- -------- £ Br Br Br— 'È 0 0 t y 5 < 3 Br CH3 CH3 H H cis-l-bromo-3-methylcyclohexane trans-l-bromo-3-methylcyclohexane HI /-----i rH B r ------4 3 n cis-l-bromo-4-metk yhyc/okexane ircns- ĩ-bromo-4-methylcyclohexơr e 48 CHƯƠNG 1 Đôi với các đồng phân mạch vòng, vẫn có sự xuất hiện của đồng phân meso nếu có hai nguyên tử carbon bất đối xứng trong phân tử và toàn bộ phân tử có một m ặt phẳng đối xứng. Ví dụ trường hợp 1,3- dimethylcyclopentane, phân tử này có ba đồng phân lập thể, bao gồm một đồng phân meso có cấu hình cis, và hai đồng phân quang học là một đôi đối quang có cấu hình trans. Tương tự như vậy, trường hợp 1 ,2-dibromocyclohexane cũng có sự xuất hiện của một đồng phân meso có cấu hình cis, và hai dồng phân quang học là một đôi đối quang có cấu hình trans. Các hợp chất mạch vòng tương tự có m ặt phẳng đối xứng trong phân tử như vậy đều có đồng phân meso tương ứng, làm giảm số lượng đồng phân lập thể xuống, tương tự như trường hợp các đồng phân mạch hở. CH3 CH, c i c h 3 cis-l,3-dimethylcyclopentane meso f t Br Br cis- 1,2-dibrơmocyclohexane meso $ c h 3 c h h 3 trans-l,3-dimethylcyclopentane Br H H Br trans-l,2-dibromocyclohexane v ẫ n có thể xác định cấu hình tuyệt đối của các nguyên tử carbon bất đối xứng trong phân tử .như những trường hợp khác. Dựa trên công thức phối cảnh để hình dung sự bố trí th ậ t sự của các nhóm thế trong không gian. Xác định thứ tự ưu tiên của các nhóm th ế theo quy tắc Cahn-Ingold-Prelog, và từ đó gọi tên cấu hình theo hệ danh pháp R-S. Ví dụ phân tử đường p-D-glucopyranose, có chứa năm nguyên tử carbon bất đối xứng trong phân tử từ C1 đến C5, do xung quanh mỗi nguyên tử carbon này đều có bốn nhóm thê hoàn toàn khác nhau. Dĩ nhiên cũng có thể xác định được cấu hình tuyệt đối tại cả năm nguyên tử này tương tự như những trường hợp các đồng phân mạch hở (H.1.14). Cấu hình tuyệt đối tại các nguyên tử carbon bất đối xứng trong các hợp chất đường khác cũng có thể được xác định tương tự. ĐỐNG PHÂN LẬP THỂ 49 OH Nhóm thế nhỏ nhẳt xa mắt quan sát HO 1—OH HO' P-D-glucopyranose Carbon Cấu hình Xác định thứ tự ưu tiên HO HO—Ị Hyp °vOH 4 \OH H/I1 HO\3___/ H H OH 1 Rif*) •> R 3 s 4 s 5 R H ìn h 1.14 Xác định cấu hình tuyệt đối các nguyên tử carbon bất đối xứng trong phân tử đường P-D-glucopyranose Một ví dụ khác, phân tử l-bromo-2-chlorocyclopropane có hai nguyên tử carbon bất đối xứng, tương ứng với bốn đồng phân quang học là hai đôi đối quang và dĩ nhiên vẫn có thể gọi tên được cấu hình tuyệt đối tại các nguyên tử carbon bất đối xứng trong phân tử như trường hợp các dồng phân quang học mạch hở. H C1 R ỵ ^ R Br H Cl H s ỳ ^ ( s H Br (lR,2R)-l-bromo-2-chlorocyclopropane (lS,2S)-l-bromo-2-chlorocyclopropane H H H H Br Cl C1 Br (lR,2S)-l-bromo-2-chlorocyclopropane (lR,2S)-l-bromo-2-chlorocyclopropane 50 CHƯƠNG 1 1.5.7 Tính chất hóa lý và sinh học của các đồng phân quang học Các thông số hóa lý co' bản của hai đồng phân quang học là một đôi đối quang như nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy, độ tan... thường giống nhau hoàn toàn. Hai đồng phân của đôi đối quang chỉ khác nhau về khả năng làm quay m ặt phẳng ánh sáng phân cực và khác nhau về khả năng thể hiện hoạt tính sinh học. Thông thường, khi thực hiện một phản ứng tổng hợp các đồng phân quang học, rất dễ xảy ra tình trạng sản phẩm thu được là một tập hợp đẳng phân tử (equimolar - số moỉ bằng nhau) của hai đồng phân đối quang. Tập hợp này được gọi tên là biến thể racemic. Thường gặp nhất là hỗn hợp các tinh thể của cả hai đồng phân đối quang, gọi là các hỗn hợp racemic (racemic mixture) và thường được ký hiệu là (±). B ảng 1.4 Một số thông số hóa lý của các đồng phân của tartaric acid Đồng phân Góc quay cực (25 °C) Nhiệt dộ nóng chảy (°C) Độ tan (g/100 H20, 15 °C) pK„ pKa2 (2S,3S)-(-)-tartaric acid -11,98 170 139 2,93 4,23 (2fì,3fí)-(+)-tartaric acid +11,98 170 139 2,93 4,23 meso-tartaric acid 0 140 125 3,11 4,80 (±)-tartaric acid 0 206 20,6 2,96 3,11 Hỗn hợp racemic rõ ràng không có khả năng làm quay m ặt phẳng ánh sáng phân cực. Tuy nhiên, cần lưu ý khái niệm hỗn hợp racemic và khái niệm đồng phân meso là hoàn toàn khác nhau. Ví dụ dối với trường hợp tartaric acid, có hai đồng phân quang học là một đôi đốì quang, và một đồng phân meso. Đồng phân (2iỉ,3i?)- tartaric acid làm quay m ặt phẳng sáng phân cực qua phải m ột góc +11,98°, thường đươc viết dưới dạng (2i?,3i?)-(+)-tartaric acid. Đồng phân đối quang của nó sẽ là (2S,3S)-(-)-tartaric acid. Tuy nhiên, hướng của góc quay là (+) hay (-) không liên quan đến cách gọi tên cấu hình tuyệt đối của đồng phân tương ứng. Các thông sô" như n h iệt độ nóng chảy, độ tan, hằng sô' phân ly.... của hai đồng phân đối quang (2i?,3i?)-(+)-tartaric acid và (2S,3S)-(-)-tartaric acid đều giống nhau. ĐỒNG PHÂN LẬP THỂ 51 Như đã giới thiệu, mặc dù hầu hết các tính chất hóa lý của hid đồng phân đối quang hoàn toàn giống nhau, hoạt tính sinh học của chúng lại hoàn toàn khác nhau. Nguyên nhân của điều này là do enzyme hoặc các đơn vị trong cơ thể sống rấ t đặc thù về m ặt lập thể. Ví dụ đồng phân S-limonene có hương chanh, trong khi đó đồng phân i?-limonene lại có hương cam. Một ví dụ khác, đối với hợp chất asparagine, đồng phân s có vị đắng trong khi đồng phân R lại có vị ngọt. Hoặc đối với 3,4-dihydroxyphenylalanine (dopa), đồng phân s là hoạt chất trong thuốc trị bệnh parkinson, trong khi đồng phân R lại có độc tính cao. Nghiêm trọng hơn, thalidomide trước năm 1963 đã được sử dụng làm thuốc làm giảm triệu chứng khó chịu của phụ nữ mang thai. Tuy nhiên, sau đó người ta phát hiện ra rằng việc sử dụng thalidomide đã gây ra nhiều dị tật cho thai nhi. Thật ra, chĩ có đồng phân s của thalidomide mới có độc tính này, tuy nhiên hai đồng phân R và s của thalidomide lại có thể chuyển hóa qua lại trong điều kiện cơ thể. CH3 Limonene R r" H CH3'"T'H 2 HiC' H •ch3 Hương chanh Hương cam c h 3 c h 3 Carvone R R Vị đắng VỊ ngọt 52 CHƯƠNG 1 C02H h o 2c. HO NH, Dopa H 2 y 'OH R OH Kháng parkinson HO (3,4-dihydroxyphenyialanine) OJJ Độc 'CH, E- , K • C H 3 3 Epinephrine 3 R OH Thalidomide Gây d ị tật thai nhi R Không gây dị tật thai nhi Trước đây, hầu hết các dược phẩm chỉ được điều chế dưới dạng hỗn hợp racemic do các phản ứng hóa học trong điều kiện thông thường sẽ hình thành hỗn hợp racemic. Do sự khác biệt về hoạt tính sinh học của hai đồng phân đối quang, ngày nay các đồng phân có ứng dụng trong dược phẩm cần phải có độ tinh khiết quang học cao. Không thể dùng các phương pháp phân riêng thông thường như chưng cất, trích ly, kết tinh lại để tách riêng hai đồng phân đối quang do hầu hết các tính chất hóa lý của chúng giống nhau. Với sự tiến bộ của kỹ thuật sắc ký sử dụng cột phân tách có chất mang quang hoạt 0chiral chromatography), ngày nay, có thể phân riêng hầu hết các đồng phân quang học từ hỗn hợp racemic. Kỹ thuật tổng hợp hữu cơ hiện đại cũng đã và đang phát triển các hệ xúc tác bất đối xứng hoặc xúc tác enzyme có độ chọn lọc cao, để có thể hình thành từng đồng phân đối quang riêng biệt. ĐỒNG PHÂN LẬP THẾ 53 COOH I HO ’'“'H Vc h 3 R-add COOH CH3 5-add S-base cocr 5-baseH+ HO/ C ...... CH3 R.S diastereomer A ' cocr 5-baseH+ OH CH3 s,s enantiomer c o c r 5-baseH+ I _ / cv...H HO VCH, R.S Hd COOH I phân riêng coo- 5-baseH+ » ' i : » s,s i H0 ỌOOH I 5-baseH4HO ' Cv""H CH3 CH3 + 5-baseH+ R-add 5-acid Một phương pháp cổ điển phân riêng hai đồng phân đối quang từ hỗn hợp racemic nhưng ngày nay vẫn còn có ý nghĩa là phương pháp phân riêng dựa trên sự hình thành hai đồng phân quang học không đối quang. Hai đồng phân không đối quang sẽ có các tính chất hóa lý hoàn toàn khác nhau, và có thể được phân riêng bằng các phương pháp thông thường như chưng cất, trích ly, kết tinh lại. Ví dụ để phân riêng hai đối quang từ hỗn hợp racemic của hai acid, một base quang hoạt được sử dụng để hình thành hai muối tương ứng. Trong tự nhiên có một số base quang hoạt sẵn có như morphine, strychnine, brucine và sẽ được sử dụng cho mục đích này. Hai muối hình thành là hai đồng phân quang học không đối quang, sẽ được phân riêng dễ dàng. Thủy phân hai muối riêng biệt này bằng các dung dịch acid thích hợp sẽ được hai đồng phân đối quang tinh khiết. 54 CHƯƠNG 1 1.6 CẤU DẠNG CỦA MỘT số Hộp CHẤT THƯỜNG GẶP 1.6.1 K hái niệm cấu dạng - cấu dạng của eth an e và butane Khái niệm ‘cấu dạng’ (conformation) dùng để nói về các dạng hình học khác nhau của cùng một cấu hình, có được do sự quay của các nguyên tử hay nhóm nguyên tử xung quanh liên kết đơn carbon carbon. Các tài liệu tham khảo trước đây thường dùng thuật ngữ ‘đồng phân cấu dạng’ hay ‘đồng phân quay’ để gọi các dạng hình học này. Tuy nhiên, các tài liệu tham khảo xuất bản trong những năm gần đây chỉ gọi chung là ‘cấu dạng’ mà không dùng thêm thuật ngữ ‘đồng phân’. Trong điều kiện thông thường, không th ể phân lập các dạng hình học khác nhau này từng cấu hình riêng biệt. Mỗi cấu dạng của m ột phân tử không phải là một chất riêng biệt, trong khi mỗi cấu hình là một chất riêng biệt và có các tính chất khác nhau. Đó là sự khác biệt quan trọng về bản chất của hai khái niệm ‘cấu dạng’ và ‘cấu hình’. H H H H Y _ C > H ^ ‘ H *y \ T H"'y ^’"H H H H H í . 4 ẩ H V i H Ấ J - H c Cấu dạng che khuất Đơn giản nhất, xét các cấu dạng khác nhau của phân tử ethane. Hai nhóm methyl của phân tử butane có thể quay xung quang liên kết đơn C-C m à không ảnh hưởng đến cấu tạo của phân tử. Trước đây người ta cho rằng cac nhóm th ế có thể quay tự do xung quanh liên kết ĐỔNG PHÂN LẬP THỂ 55 đơn C-C. Tuy nhiên, các phương pháp phân tích hiện đại cho thấy sự quay này không phải tự do hoàn toàn. Trong đó có một vài vị trí chiếm ưu th ế hơn, một vài vị trí lại kém bền hơn và ít hình thành hơn. Mặc dù vậy, hàng rào năng lượng trong ethane khá thấp, chỉ khoảng 2,9 kcal/mol hay 12 kJ/mol nên các cấu dạng có thể chuyển hóa qua lại hàng triệu lần trong một giây nhiệt độ phòng. Vì vậy không thể phân lập từng cấu dạng thành các chất riêng biệt được. Trong vô số các cấu dạng của ethane, cấu dạng bền nhất là cấu dạng xen kẽ (staggered conformer), có các nguyên tử hydrogen xa nhau nhất, ứng với mức năng lượng thấp nhất. Cấu dạng kém bền nhất là cấu dạng che khuất (eclipsed conformer), có các nguyên tử hydrogen gần nhau nhất, ứng với mức năng lượng cao nhất (H.1.15). Góc quay Hình 1.15 Sự biến đổi thế Ìiăng của các cấu dạng ethane theo góc quay Đối với trường hợp butane, có thể vẽ được các cấu dạng khác nhau khi cho các nhóm th ế quay xung quanh liên kết đơn C1-C2 hoặc C2-C3. Thông thường, các cấu dạng của butane hình thành do sự quay quanh liên kết C2-C3 được nghiên cứu nhiều hơn. Trong vô số các cấu dạng của butane, có bốn dạng thường được quan tâm nhất là cấu dạng che khuất toàn phần, cấu dạng che khuất một phần, cấu dạng xen kẽ gauche và cấu dạng xen kẽ anti. Trong đó, cấu dạng xen kẽ anti bền nhất do có hai nhóm methyl phân bố xa nhau nhất, ứng với mức năng lượng thấp nhất. Cấu dạng xen kẽ gauche kém bền hơn, do hai nhóm methyl gần nhau hơn. Kém bền hơn là các cấu dạng che khuất một 56 CHƯƠNG 1 phần, trong đó nhóm methyl và nguyên tử hydrogen che khuất nhau. Kém bền nhất là cấu dạng che khuất toàn phần, do hai nhóm methyl trong trường hợp này phân bố gần nhau nhất trong không gian (H.1.16). c h3 Ị c h , t@L H H H H A B C Che khuất toàn phần Xen kẽ gauche Che khuất một phần CHi HrH CHì H,Cch h T h " H CH3 H D _ E F A Xen kẽ anti Che khuất một phần Xen kẽ gauche Góc quay Hình 1.16 Sự biến đổi thế năng của các cấu dạng butane theo góc quay 1.6.2 Cấu dạng củ a cyclohexane Cấu dạng của cyclohexane và dẫn xuất nói chung tương đối phức tạp do vòng cyclohexane thực tế không có cấu tạo phẳng. Nguyên nhân của điều này là do góc liên kết tự nhiên của các nguyên tử ĐỒNG PHÂN LẬP THỂ 57 carbon bão hòa trạng thái lai hóa sp3 phải là 109°28\ Giả sử vòng cyclohexane có cấu tạo phẳng, góc liên kết C-C-C trong vòng sẽ trở thành 120°. Lúc đó, các nhóm nguyên tử trong vòng phải xoay quanh các liên kết đơn C-C để sao cho góc liên kết C-C-C trong vòng có giá trị gần với 109°28’. Trong khi các nhóm nguyên tử của vòng cyclohexane xoay quanh liên kết đơn C-C, sẽ hình thành nhiều cấu dạng không phẳng khác nhau. Trong đó cấu dạng bền nhất và thường gặp nhất trong tự nhiên là cấu dạng ghế (chair conformation), với tất cả các góc liên kết C-C-C trong vòng là 111°. c ầ n lưu ý tấ t cả các nguyên tử carbon trong cấu dạng ghế của vòng cyclohexane đều tương đương nhau, việc vẽ cấu hình có ‘chân ghế' và ‘lưng ghế" chỉ là do vị trí đặt m ắt quan sát. H H H H H Khi vẽ cấu dạng ghế của cyclohexane với công thức phối cảnh, phải có các cặp liên kết lần lượt song song với nhau từng đôi một. Bao gồm các cặp liên kết song song: C1-C2 và C4-C5, C2-C3 và C5-C6, C3- C4 và C1-C6. Tại mỗi nguyên tử carbon trong vòng cyclohexane, có hai liên kết. Liên kết thẳng đứng, hướng lên trên {nếu mủi tên tạo bởi hai liên kết C-C-C đang hướng lèn) hay hướng xuống dưới {nếu mũi tên tạo bởi hai liên kết C-C-C đang hướng xuống), gọi là liên kết trục hay liên k ế t axial. L iên k ế t còn lại có tê n gọi là liên k ế t xích đạo hay liên kết equatorial, c ần lưu ý khi vẽ cấu dạng ghế, liên kết xích đạo tại nguyên tử carbon C l phải song song với cặp liên kết C2-C3 và C5- C6, liên kết xích đạo tại nguyên tử carbon C2 phải song song với cặp 58 CHƯƠNG 1 liên kết C3-C4 và C1-C6, các liên kết xích đạo tại các nguyên tử carbon còn lại cũng được vẽ theo quy tắc song song với các liên kết tương ứng như vậy. Axial Cụng có thể vẽ cấíi dạng ghế với công thức chiếu Newman khi nhìn phân tử dọc theo các trục liên kết C-C tương ứng. Ví dụ với hình chiếu Newman của cấu dạng ghế nhìn dọc theo trục liên kết C1-C2 và C5-C4, sẽ thấy mỗi phần của phân tử cyclohexane tương tự như cấu dạng xen kẽ gauche của trường hợp butane. Đây là trường hợp các nguyên tử hydrogen hay các nhóm -C H 2- trong vòng cyclohexane đang xa nhau nhất so với những cấu dạng khác. Chính vì vậy, đây là cấu dạng bền nhất của cyclohexane. Trong điều kiện thông thường, các nhóm nguyên tử trong vòng cyclohexane ở cấu dạng ghế vẫn có thể xoay quanh các liên kết đơn C-C để chuyển thành cấu dạng ghế thứ hai. Nếu vòng cyclohexane không có nhóm thế, sẽ có cân bằng giữa hai cấu dạng ghế này. Lưu ý khi chuyển từ cấu dạng ghế này sang cấu dạng ghế khác, liên kết trục sẽ biến thành liên kết xích đạo và ngược lại. Một cấu dạng khác của cyclohexane, mặc dù kém bền, nhưng cũng đã được quan tâm nghiên cứu là cấu dạng thuyền (boat conformation). Trong cấu dạng thuyền, các góc liên kết cũng gần với 109°28’ tương tự như trường hợp cấu dạng ghế. Tuy nhiên, các nhóm nguyên tử trong cấu dạng thuyền đều dạng che khuất hoàn toàn với nhau. Hai nguyên tử hydrogen hai đầu ‘mũi thuyền’ trong cấu dạng này {flagpole hydrogen) ở gần nhau nhất so với khoảng cách giữa các nguyên tử hydrogen trong những cấu hình khác. Để dễ hình dung, có thể sử dụng công thức chiếu Newman nhìn dọc theo hai trục liên kết C-C song song bất kỳ trong phân tử. Mỗi phần của phân tử cyclohexane tương tự như cấu dạng che khuất hoàn toàn của trường hợp butane. ĐỔNG PHÁN LẬP THỂ 59 Cấu dạng thuyển HH Ghẻ Nửa ghế Thuyền Thuyền Thuyền Nửa ghế Ghế xoăn xoan H ìn h 1.17 S ự biến đổi thế năng của các cấu dạng của cyclohexane Do đó cấu dạng thuyền của cyclohexane kém bền nhất so với những cấu dạng khác. Khi các nhóm th ế xoay xung quanh các liên kết đơn C-C, sẽ có thêm vô số cấu dạng khác nhau, trong đó có thêm một số cấu dạng đặc trưng là cấu dạng nửa ghế (half-chair), cấu dạng thuyền xoắn (twist-boat). Sự biến dổi th ế năng của các cấu dạng này 60 CHƯƠNG 1 được biểu diễn hình 1.17. Trong đó, th ế năng của các cấu dạng này tăng dần theo trậ t tự: Cấu dạng ghế < thuyền xoắn < thuyền < nửa ghế. Tương ứng với độ bền tương đối giữa các cấu dạng của cyclohexane được giảm dần theo trậ t tự: Cấu dạng ghế > thuyền xoắn > thuyền > nửa ghế. Các kết quả tính toán cho thấy tại một thời điểm bất kỳ, trong 1000 phân tử cyclohexane, có không quá hai cấu dạng thuyền xoắn, còn lại chỉ là cấu dạng ghế. 1.6.3 Cấu dạng của các dẫn xuất cyclohexane chứa m ột và hai nhóm th ế Như đã trình bày, vòng cyclohexane chủ yếu tồn tại ở cấu dạng ghế trong điều kiệr thông thường. Nếu không mang nhóm thế, hai cấu dạng ghế của cyclohexane có thể chuyển hóa qua lại với tốc độ như nhau và một cân bằng được thiết lập. Tuy nhiên, khi có mang nhóm thế, một trong hai cấu dạng ghế sẽ bền hơn và là cấu dạng chủ yếu. Ví dụ trường hợp methylcyclohexane, nhóm methyl nếu ở dạng trục (axial) trong cấu dạng ghế này sẽ trở thành liên kết xích dạo 0equatorial) trong cấu dạng ghế kia. Tuy nhiên, trong hai cấu dạng này, chỉ có cấu dạng ghế với nhóm methyl ò liên kết xích đạo mới bền hơn và chiếm ưu th ế hơn. Nguyên nhân của điều này là do khi nhóm th ế ở liên kết xích đạo, khoảng cách giữa nhóm th ế với các nguyên tử hydrogen trong vòng cyclohexane xa hơn trường hợp liên kết trục ĐỔNG PHÂN LẬP THỂ 61 (tương tác các vị trí C1-C3-C5). Nếu sử dụng công thức chiếu Newman, có thể thấy khi nhóm methyl ở vị trí xích đạo, nhóm methyl và các nhóm CH2 ở vị trí C3 hay C5 đều vị trí xen kẽ anti với nhau. Trong khi đó, nếu nhóm methyl vị trí liên kết trục, mối liên hệ này là xen kẽ gauche kém bền hơn. axial H H H H Người ta dùng hằng số Keq để biểu diễn tỷ lệ giữa cấu dạng ghế có nhóm th ế xích đạo và cấu dạng ghế có nhóm th ế trục: Keq = [số lượng cấu dạng ghế - xích đạo] / [số lượng cấu dạng ghế - trục]. Tỷ lệ này sẽ thay đổi tùy thuộc vào cấu trúc của nhóm th ế trong vòng cyclohexane. Trong đó, các nhóm th ế có cấu trúc không gian lớn hơn sẽ có tỷ lệ cấu dạng ghế với nhóm thế xích đạo cao hơn. Giá trị Keq của cyclohexane chứa một nhóm th ế ở nhiệt độ 25°c được trình bày ở Bảng 1.5. B ảng 1.5 Giá trị Keq của các dẫn xuất cyclohexane chứa một nhóm thế ở n h iệt độ 25°c Nhóm thế Keq Nhóm thế Keq H 1 CN 1,4 c h 3 18 F 1,5 c h 3c h 2 21 Cl 2,4 (CH3)2CH 35 Br 2,2 (CH3)3C 4800 I 2,2 . . . OH 5,4 62 CHƯƠNG 1 trans-l,4-dimethylcyclohexane cis-l,4-dimethylcyclohexane lỉ-.c > II trans-l,4-dimethyỉcycỉohexane II / V h s Đối với các dẫn xuất th ế hai lần của cyclohexane, tùy thuộc vào vị trí của hai nhóm thế trong vòng cyclohexane và cả cấu hình cis hay trans của chúng mà sẽ có các cấu dạng ghế chiếm ưu th ế hơn. Lưu ý cách xác định đồng phân cis và trans của các dẫn xuất từ cyclohexane khi vẽ công thức ỏ' cấu dạng ghế: Nếu hai nhóm th ế đang xét cùng hướng lên hay hướng xuống thì sẽ được đồng phân cis, ngược lại một nhóm th ế hướng lên và một nhóm th ế hướng xuống thì sẽ được đồng phân trans. Để dễ xác định đồng phân hình học hơn, người ta cũng có thể vẽ công thức vòng cyclohexane dạng vòng phẳng, tuy nhiên đây chỉ là cách vẽ cho dễ hình dung chứ không phải là cấu trúc th ật của vòng cyclohexane. Có các trường hợp thường gặp sau đây: • Đồng phân dạng cis-1,4 chẳng hạn như trường hợp cis-1,4- dimethylcyclohexane có một nhóm methyl ỏ' liên kết trục và một nhóm methyl ở liên kết xích đạo, hai cấu dạng ghế trong trường hợp này là hoàn toàn tương đương với nhau. H H H cis-1,4-dimethylcyclohexane ĐỔNG PHẤN LẬP THỂ 63 • Đồng phân dạng trnns-1,4 chẳng hạn như trường hợp trans-1,4- dimethylcyclohexane, sẽ có hai cấu dạng ghế khác nhau. Cấu dạng ghế có cả hai nhóm methyl ở liên kết xích đạo sẽ bền hơn và chiếm đa số. Nguyên nhân của điều này là do nhóm methyl liên kết trục có tương tác với các nguyên tử hydrogen theo kiểu C1-C3-C5 như đã trình bày ở trên. Do cả hai nhóm th ế đều ở vị trí xích đạo. đồng phân trans- 1,4-dimethylcyclohexane sẽ bền hơn đồng phân cis- 1,4-dimethylcyclohexane. H CH3 CH; H trans-l,4-dimethylcyclohexane • Đồng phân dạng trans-1,3 chẳng hạn như trường hợp trans-1,3- dimethylcyciohexane có một nhóm m ethyl ở liên kết trục và một nhóm methyl ở liên kết xích đạo, hai cấu dạng ghế trong trường hợp này là hoàn toàn tương đương với nhau. trans-1,3-dimethylcyclohexane • Đồng phân cis-1,3 chẳng hạn như trường hợp cis-1,3- dimethylcyclohexane có hai cấu dạng ghê khác nhau. Trong đó cấu dạng ghế có hai nhóm methyl liên kết xích đạo sẽ bền hơn và chiếm đa số. Do cả hai nhóm th ế đều ở vị trí xích đạo, đồng phân cỉs-l,3-dimethylcyclohexane sẽ bền hơn đồng phân /rans-l,3-dimethylcyclohexane. H CH3 cis-1,3-dimethylcyclohexane CHƯƠNG 1 • Đối với các trường hợp khác cũng có thể đánh giá cấu dạng chiếm da sô" cũng như đồng phân hình học bền hơn tương tự như các trường hợp nói trên. Nếu vòng cyclohexane chứa các nhóm th ế khác nhau, thường thì cấu dạng với nhóm th ế có kích thước lớn liên kết xích đạo sẽ chiếm đa số, cũng như đồng phân hình học tương ứng sẽ bền hơn. C’H3 Bển hơn trans-l-tert-butyl-3-methylcyclohexane Chương CÁC LOẠI HIỆU ỨNG TRONG PHÂN TỬ ■ • HỢP CHẤT HỮU C 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG Hầu hết các tính chất hóa học và tính chất vật lý của các hợp chất hữu cơ đều phụ thuộc vào sự phân bố m ật độ điện tử (electron) trong phân tử. Điện tử được cho là tiểu phân linh động nhất trong phân tử, có khả năng dịch chuyển dọc theo các liên kết đơn ơ hay trên các hệ orbital p xen phủ liên tục với nhau. Các phân tử chỉ có liên kết cộng hóa trị vốn trung hòa về điện, tuy nhiên ngay trong các phân tử trung hòa này vẫn có những vị trí m ật độ điện tích dương được tăng cường cũng như có những vị trí m ật độ điện tích âm được tăng cường. Nguyên nhân của điều này là do hiện tượng điện tử trong phân tử bị dịch chuyển, hay còn gọi là các hiệu ứng điện tử trong phân tử các hợp chất hữu cơ. Các hiệu ứng điện tử gồm có: (i) Hiệu ứng cảm ứng, (ii) hiệu ứng liên hợp, và (iii) hiệu ứng siêu liên hợp. Bên cạnh các hiệu ứng điện tử, một loại hiệu ứng khác xuất hiện do ảnh hưởng của kích thước cồng kềnh ở các nhóm th ế có m ặt trong phân tử, gọi là hiệu ứng không gian. Các hiệu ứng không gian, cùng với các hiệu ứng điện tử, sẽ giúp giải thích được các số liệu thực nghiệm liên quan đến tính chất hóa học và tính chất vật lý, cũng như khả năng phản ứng và hướng phản ứng của các hợp chất hữu cơ. Thông thường trong một phân tử hợp chất hữu cơ sẽ có khả năng có mặt nhiều hiệu ứng khác nhau, có thể hỗ trợ cho nhau hay có thể ảnh hưởng ngược nhau. Tùy từng trường hợp cụ thể mà xác định dược hiệu ứng có ảnh hưởng m ạnh nhất. Ngoài ra, trong một số trường hợp đặc biệt, không thể sử dụng các lý thuyết về hiệu ứng điện tử và hiệu ứng không gian dể giải thích các 66 CHƯƠNG 2 kết quả thực nghiệm liên quan. Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu trước đây cho thấy các lý thuyết về hiệu ứng điện tử và hiệu ứng không gian th ậ t sự có ý nghĩa lớn trong rấ t nhiều trường hợp nên vẫn được sử dụng cho đến ngày nay. Chương này sẽ lần lượt giới thiệu bản chất và đặc điểm của từng loại hiệu ứng riêng biệt để dễ theo dõi. Tuy nhiên, cần phải kết hợp tấ t cả các loại hiệu ứng có thể có trong phân tử khi giải thích một số liệu thực nghiệm nào đó. 2.2 HIỆU ỨNG CẲM ỨNG 2.2.1 B ản chất của h iệu ứng cảm ứng n-butane 1 -fluorobutane H ìn h 2.1 S ự phân cực của các liên kết ơ trong phân tử 1- fluorobutane so với n-butane Để hiểu rõ hơn về bản chất của hiệu ứng cảm ứng, xét hai phân tử đơn giản là n -butane và l-fluorobutane. Nguyên tử F trong phân tử 1 -fluorobutane có độ âm điện lớn hơn nguyên tử carbon. Do đó đôi điện tử dùng chung của liên kết C1-F bị dịch chuyển về phía nguyên tử F dọc theo trục của liên kết ơ C1-F. Kết quả là so với trường hợp butane, nguyên tử F mang một phần điện tích âm, và nguyên tử carbon C l sẽ CÁC LOẠI HIỆU ỨNG TRONG PHÂN TỬ H0P CHẤT HỮU c ơ 67 mang một phần điện tích dương (H.2.1). Tiếp theo, do nguyên tử carbon C l mang một phần diện tích dương, nên có khả năng hút các điện tử dùng chung của liên kết ơ C1-C2 vốn mang điện tích âm về phía Cl. Kết quả là nguyên tử C2 cũng sẽ mang một phần điện tích dương so với nguyên tử carbon tương ứng trong trường hợp n-butane, mặc dù m ật độ điện tích dương trên nguyên tử carbon C2 thấp hơn trường hợp Cl. Tiếp tục như vậy, các nguyên tử carbon C3 và C4 cũng lần lượt mang một phần điện tích dương, tuy nhiên nhỏ hơn đáng kể so với trường hợp C2 và C l. Kết quả là phân tử l-fluorobutane trở nên phân cực so với trường hợp /1-butane không phân cực. Như vậy, do nguyên tử F có độ âm điện lớn hơn so với nguyên tử carbon mà các đôi điện tử dùng chung của các liên kết ơ trong phân tử l-fluorobutane dịch chuyển về phía nguyên tử F dọc theo các trục liên kết ơ. Nguyên tử F là nguyên nhân chính gây ra sự phân cực trong phân tử l-fluorobutane. Sự dịch chuyển m ật độ điện tử dọc theo trục các liên kết ơ trong phân tử, gây ra do sự khác nhau về độ âm điện của các nguyên tử hay nhóm nguyên tử có m ặt trong phân tử, được gọi là hiệu ứng cảm ứng. Hiệu ứng cảm ứng được viết tắ t bằng chữ I (inductive effect) và thường được ký hiệu bằng các mũi tên dọc theo các liên kết ơ, hướng về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn. 2.2.2 P hân ỉoạỉ và đặc điểm của h iệu ứng cảm ứng ' X có độ âm điện lớn hon c *z có độ âm điện nhỏ hơn c * Điện tủ’ b ị hút vể phía X * Điện từ bị hút vể phía c — — X — c — z / t/ X c ó hiệu ứng z có hiệu ửng cảm ứng âm (-Ọ cảm ứ ng ơtPơng (+ọ Nhóm c ó .Ị Nhóm c ó +1 X = Br. Cl. N C K OH. OR. SH. 7 = R 1 Ó SR, NH2. NHR. NR2 CN. CO?H. ( y CHO, C(0)R, NR3 H ìn h 2.2 Phân loại các nhóm thế có hiệu ứng cảm ứng âm và hiệu ứng cảm ứng dương 68 CHƯƠNG 2 Tùy thuộc vào bản chất, người ta chia các nhóm th ế có khả năng làm dịch chuyển m ật độ điện tử dọc theo trục các liên kết ơ trong phân tử thành hai nhóm khác nhau (H.2.2): • Các nhóm th ế X có độ âm điện lớn hơn so với trường hợp nguyên tử carbon, 'sẽ hút điện tử của liên kết ơ C-X về phía X, được gọi là các nhóm th ế có hiệu ứng cảm ứng âm và ký hiệu bằng —I. Các nhóm th ế cho hiệu ứng cảm ứng âm thường chứa các nguyên tử có độ âm điện lớn hơn so với carbon như các nguyên tử halogen, oxygen, nitrogen; hoặc là các nhóm thế chứa các liên kết đôi, liên kết ba; hoặc là các nhóm th ế mang điện tích dương. • Các nhóm th ế z có độ âm điện nhỏ hơn so với trường hợp nguyên tử carbon, sẽ nhường điện tử của liên kết ơ C-Z về phía c , được gọi là các nhóm th ế có hiệu ứng cảm ứng dương và ký hiệu bằng +1. Các nhóm th ế cho hiệu ứng cảm ứng dương thường là các gốc alkyl (-CnH2n+i), hoặc các nhóm thế mang điện tích âm. Khi nghiên cứu về đặc điểm của các nguyên tử hay nhóm nguyên tử có khả năng hình thành hiệu ứng cảm ứng trong phân tử hợp chất hữu cơ, kết quả thực nghiệm đã cho thấy hiệu ứng cảm ứng thông thường có một sô quy luật và đặc điểm như sau: • Các nhóm th ế mang điện tích dương sẽ cho hiệu ứng cảm ứng âm -I, các nhóm th ế mang điện tích âm sẽ cho hiệu ứng cảm ứng dương +1. Điện tích trên các nhóm th ế càng lớn thì hiệu ứng cảm ứng tương ứng sẽ càng mạnh. Ví dụ nhóm th ế -NCH3+ mang điện tích dương, cho hiệu ứng —I hút diện tử của liên kết ơ C-N (nguyên tử carbon của các nhóm liên kết trực tiếp với nhóm -NCH3+) về phía nguyên tử nitrogen, từ đó tiếp tục có tác động hút diện tử lên các liên kết ơ tiếp theo. • Trong một phân nhóm chính của bảng hệ thống tuần hoàn, nếu các nguyên tử trong các nhóm thê tương ứng cho hiệu ứng cảm ứng hút điện tử -I thì hiệu ứng - / sẽ giảm dần kỊii đi từ trên xuống dưới phân nhóm. Trong một chu kỳ của bảng hệ thông tuần hoàn, nếu các nguyên tử trong các nhóm th ế tương ứng cho hiệu ứng hút điện tử -I thì hiệu ứng - I sẽ tăng dần từ trái qua phải của chu kỳ. Điều này được giải thích dựa trên sự khác CÁC LOẠI HIỆU ỨNG TRONG PHÂN TỬ Hộp CHẤT HỮU cơ 69 biệt về độ âm điện của các nguyên tử tương ứng. Ví dụ sự giảm dần hiệu ứng - I của các nhóm thê sau đây lần lượt là: -F > -C l > -B r > - I - 0 CH3 > -SCH3 > -SeCHg -F > -OCH3> -N(CH3)2 • Thực nghiệm cho thấy các gốc alkyl (-C nH2n+i) luôn luôn cho hiệu ứng cảm ứng đẩy điện tử +1. Mức độ phân nhánh của các gốc alkyl càng lớn thì khả năng đẩy điện tử theo hiệu ứng cảm ứng +1 càng tăng. Ví dụ trậ t tự tăng dần của hiệu ứng +1 của các gốc alkyl sau đây là: -C H 3<-CH2CH3<-CH(CH3)2<-C(CH3)3. Tuy nhiên, cần lưu ý ở đây chí xét khả năng đẩy điện tử chỉ theo hiệu ứng cảm ứng +1. Các gốc alkyl còn có thể có hiệu ứng đẩy điện tử khác (hiệu ứng siêu liên hợp, sẽ được trình bày ở các phần tiếp theo). Lúc đó, khả năng đẩy điện tử tổng cộng của gốc alkyl có thế không theo quy luật này. • Các nhóm thế không no chứa các liên kết đôi hay liên kết ba thường cho hiệu ứng cảm ứng hút điện tử -I. Trong đó dộ lớn của hiệu ứng - I tăng dần theo ‘độ âm điện’ của các nguyên tử tương ứng có mặt trong những nhóm thế này. Riêng trường hợp nguyên tử carbon ở trạng thái lai hóa khác nhau, thực nghiệm cho thấy trạng thái lai hóa sp có độ âm điện lớn nhất, tiếp theo là trạng thái lai hóa sp2, nhỏ nhất là trạng thái lai hóa sp3. Ví dụ trậ t tự tăng dần hiệu ứng cảm ứng hút điện tử - I của các nhóm thế sau đây là: -CH=CH2<-C6H5<-O C H <-C =N <-N ()2. • Hiệu ứng cảm ứng có tác dụng giảm nhanh một cách đáng kể khi kéo dài mạch liên kết ơ truyền ảnh hưởng của hiệu ứng. Thông thường, hiệu ứng cảm ứng hầu như mất hết tác dụng khi mạch carbon kéo dài khoảng bốn liên kết. Đây là đặc điểm nổi bật của hiệu ứng cảm ứng, khác hoàn toàn với các hiệu ứng điện tử khác (sẽ được trình bày ỏ' các phần tiếp theo). Ví dụ, acid CH3CH2CHCICOOH có hằng sô phân ly acid tăng 92 lần so với acid CH3CH2CH2COOH do hiệu ứng hút điện tử - I của nguyên tử -C l, tuy nhiên acid CH3CHCICH2COOH có hằng số phân ly acid chỉ tăng sáu lần, và acid CH2CICH2CH2COOH có hằng số phân ly acid chĩ tăng gấp đôi so với acid CH3CH2CH2COOH. 70 CHƯƠNG 2 2.3 HIỆU ỨNG LIÊN Hộp 2.3.1 B ản chất của h iệu ứng liên hỢp Để hiểu rõ bản chất của hiệu ứng liên hợp, trước hết cần hiểu rõ khái niệm về các hệ liên hợp. Ví dụ xét phân tử 1,3-butadiene có hai liên kết đôi c=c phân bố cách nhau một liên kết đơn C-C. Lẽ dĩ nhiên, hai orbital p trên hai nguyên tử carbon của các liên kết đôi c=c sẽ xen phủ với nhau để hình thành các liên kết n tương ứng. Tuy nhiên, các nghiên cứu trước đây cho thấy orbital p của nguyên tử carbon C2 và orbital p của nguyên tử carbon C3, vốn trên hai nguyên tử carbon của liên kết đơn C-C nằm giữa hai liên kết đôi c=c, thực tế vẫn xen phủ với nhau. Trong phân tử 1,3-butadiene, các orbital p cả bốn nguyên tử carbon xen phủ với nhau tạo thành một hệ orbital p chung cho cả phân tử, các điện tử của các liên kết 71 được giải tỏa đều trên toàn bộ phân tử, chứ không phải chỉ riêng cho hai liên kết đôi c=c trong cách viết công thức thông thường là CH2=CH CH=CH2. Tương tự như vậy, ở những phân tử có chứa các liên kết đôi c=c lần lượt xen kẽ với các liên kết đơn C-C như 1,3,5-hexatriene hay benzene, các orbital p trên các nguyên tử carbon đều xen phủ với nhau, và các điện tử của liên kết n cũng được giải tỏa đều trên toàn bộ phân tử (H.2.3). Các hệ vừa xét và các hệ có đặc điểm tương tự được gọi chung là các hệ liên hợp (conjugated system). CH;= C H — C H =C H ; 1,3-butadiene C H ;= C H — C H = C H — C H = C H ; 1,3,5-h exatrien e H ình 2.3 Sự xen phủ của các orbital p trong các hệ liên hợp thường gặp CÁC LOẠI HIỆU ỨNG TRONG PHÂN TỬ Hộp CHẤT HỮU cơ 71 Trong các hệ liên hợp nói trên, các điện tử 71 được giải tỏa đều trên toàn bộ các orbital p của hệ liên hợp. Tuy nhiên, nếu có m ặt một nhóm thê có chứa nguyên tử có độ âm điện lớn hơn so với carbon, ví dụ phân tử 1,3,5-hexatriene có gắn thêm nhóm -CHO chẳng hạn, các điện tử TC không còn được giải tỏa đều trên toàn bộ phân tử như trước nữa. Hai orbital p trên nguyên tử carbon và oxygen của liên kết đôi c=0 cũng xen phủ với nhau và xen phủ luôn với các orbital p của hệ liên hợp trong phân tử 1,3,5-hexatriene, hình thành m ột hệ orbital p chung cho cả phân tử. Do nguyên tử oxygen có độ âm điện lớn hơn carbon, sẽ hút các điện tử 71 của hệ liên hợp về phía nó. Các điện tử n sở dĩ dịch chuyển được về phía oxygen do các orbital p xen phủ liên tục với nhau và tạo thành ‘con đường’ cho điện tử dịch chuyển. Nguyên tử oxygen trong nhóm -CHO sẽ mang một phần điện tích âm do m ật độ điện tử ở đó tăng lên, nguyên tử carbon của nhóm -CHO sẽ mang một phần điện tích dương do m ật độ điện tử đó giảm xuống. Do sự dịch chuyến điện tử về phía nhóm -CHO, sẽ xuất hiện các vị trí .mang một phần điện tích âm và các vị trí mang một phần điện tích dương trong hệ liên hợp (H.2.4). <ÈD © . í t R— C H = C H — C H = C H — O -R -c +c \ o . © ~ R -c +c NU +c -c 74 CHƯƠNG 2 Khi nghiên cứu về đặc điểm của các nguyên tử hay nhóm nguyên tử có khả năng hình thành hiệu ứng liên hợp trong phân tử hợp chất hữu cơ, kết quả thực nghiệm đã cho thấy hiệu ứng liên hợp thông thường có một số quy luật và đặc điểm như sau: • Trong các nhóm th ế cho hiệu ứng +c, nhóm th ế chứa nguyên tử mang điện tích âm sẽ có hiệu ứng đẩy điện tử mạnh hơn trường hợp nguyên tử tương tự mà không tích điện. Ví dụ nhóm th ế -O" cho hiệu ứng +c mạnh hơn trường hợp nhóm -OH. Tương tự như vậy, trong các nhóm th ế cho hiệu ứng -C với các nguy ôn tử tương tự nhau, nhóm nào có điện tích dương sẽ cho hiệu ứng -C mạnh hơn trường hợp không tích điện. Ví dụ nhóm -C H = 0+ cho hiệu ứng -C mạnh hơn nhóm -C H =0. • Đối với các nhóm th ế có hiệu ứng -C , nhóm nào chứa các nguyên tử có độ âm điện lớn hơn thì khả năng hút điện tử của hệ liên hợp theo hiệu ứng -C sẽ mạnh hơn. Ví dụ trậ t tự giảm dần hiệu ứng -C của các nhóm thế sau đây khi liên kết với một hệ liên hợp là: -C H = 0 > -CH=NCH3 > -CH=CH2. • Đối với các nhóm th ế cho hiệu ứng +c, trong một chu kỳ của bảng hệ thống tuần hoàn, do sự biến đổi về độ âm điện của các nguyên tử trong nhóm th ế tương ứng, hiệu ứng +c sẽ giảm dần từ trái qua phải của chu kỳ. Ví dụ trậ t tự giảm dần hiệu ứng +c của các nhóm th ế sau đây là: -N (C IỈ3)H > -OCH3 > -F . Trong một phân nhóm chính của bảng hệ thống tuần hoàn, do sự biến dổi về kích thước orbital chứa đôi điện tử tự do, hiệu ứng +c của các nhóm thế tương ứng sẽ giảm dần khi đi từ trên xuống dưới phân nhóm. Ví dụ trậ t tự giảm dần hiệu ứng +c của các nhóm thê sau đây là: —F > —Cl > -B r > —I, -OCH3 > - SCH3 > -SeC H 3. • Khác với hiệu ứng cảm ứng (có tác dụng giảm m ạnh khi kéo dài mạch liên kết ơ truyền ảnh hưởng của hiệu ứng), hiệu ứng liên hợp hầu như không thay đổi đáng kế’ khi kéo dài mạch liên hợp. Ví dụ xét các hợp chất aldehyde không no sau đây, do hiệu ứng hút điện tử -C của nhóm -CHO, nguyên tử hydrogen cuối mạch sẽ trở nên linh động. Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy độ linh động của các nguyên tử hydrogen đầu mạch trong các trường hợp này hầu như khác nhau không đáng kể, chứng tỏ tác dụng từ hiệu ứng -C của nhóm -CHO không bị giảm đi khi kéo dài mạch liên hợp. CÁC LOẠI HIỆU ỨNG TRONG PHẦN TỬ HỢP CHẤT HỮU cơ 75 H— C H = C H - CH— CH— CH— CH — c'CO7 H c p H— CH— CH— CH=CH — C f t 'H Độ linh động của các H đầu mạch giống nhau H -CH = Ò H — c' H ■c • Hiệu ứng liên hợp chỉ xảy ra khi có sự xen phủ của các orbital p ở các nguyên tử chứa đôi điện tử tự do với các orbital p của các liên kết 7t trong hệ liên hợp. Sự xen phủ này đã giúp hình thành một ‘con đường’ để các điện tử trên các orbital p này dịch chuyển dưới tác dụng của các nhóm th ế gây ra hiệu ứng liên hợp. Trong trường hợp trục của các orbital song song với nhau, sự xen phủ giữa các orbital này sẽ thuận lợi nhất, và hiệu ứng liên hợp của các nhóm th ế có ảnh hưởng lớn nhất. Tuy nhiên, vì một lý do gì đó, chẳng hạn như có m ặt các nhóm th ế có kích thước cồng kềnh, trục của các orbital trong hệ liên hợp không còn song song với nhau. Trong trường hợp này, các orbital trong hệ liên hợp khó xeri phủ với nhau hơn và sẽ làm giảm tác dụng của hiệu ứng liên hợp. v ấn đề này sẽ được trình bày chi tiết hơn các phần tiếp theo liên quan đến hiệu ứng ■ không gian. 2.3.3 H iệu ứng liên hỢp và thuyết cộng hưởng Để giải thích hiện tượng dịch chuyển các điện tử 71 hoặc điện tử tự do trên orbital p của hệ liên hợp, một số tài liệu tham khảo còn sử dụng thuyết cộng hưởng. Trong đó, thuật ngữ ‘hiệu ứng cộng hưởng’, ký hiệu là R (resonance effect) hoặc ‘hiệu ứng mesomer, ký hiệu là M (;mesomeric effect), đã được sử dụng thay cho thuật ngữ ‘hiệu ứng liên hợp’ (conjugation effect), cần lưu ý đây chỉ là các tên gọi khác nhau của cùng một hiện tượng, vì vậy có thế vận dụng các cách biểu diễn 76 CHƯƠNG 2 khác nhau của hiện tượng này cho phù hợp với từng trường hợp cụ thể. Trong một số trường hợp, sử dụng lý thuyết về hiệu ứng liên hợp sẽ thuận lợi hơn trong việc giải thích các dữ kiện thực nghiệm. Trong một sô" trường hợp khác, sử dụng lý thuyết về hiệu ứng cộng hưởng sẽ thuận lợi hơn, mặc dù vẫn có thể sử dụng lý thuyết về hiệu ứng liên hợp cho những trường hợp này. Sự di chuyến điện tử trong hiện tượng cộng hưởng cũng được biểu diễn bằng mũi tên cong như được sử dụng trong khái niệm hiệu ứng liên hợp, chỉ rõ vị trí và chiều dịch chuyển của các điện tử tương ứng trong hệ liên hợp. Sự dịch chuyến điện tử sẽ hình thành các cấu trúc cộng hưởng giới hạn, trong đó đôi điện tử 71 hay đôi điện tử tự do p bị dịch chuyến hẳn về phía một nguyên tử, hình thành các trung tâm có điện tích âm và điện tích dương phân bố ở các vị trí tương ứng. Tuy nhiên, cần lưu ý đây chỉ là cách biểu diễn các công thức cộng hưởng giới hạn, thực tế các đôi điện tử không bị dịch chuyển hẳn về một phía mà vẫn được giải tỏa trên hệ liên hợp. Công thức thực tế là trung gian giữa các công thức cộng hưởng giới hạn. Nghĩa là các công thức cộng hưởng giới hạn này chỉ tồn tại trên trang giấy mà không tồn tại trong thực tế. Các mũi tên hai chiều được đặt giữa các công thức cộng hưởng để biểu diễn các sự phân bố điện tử khác nhau, không phải biểu diễn các hợp chất khác nhau trong một cân bằng hóa học. Khi biểu diễn các công thức cộng hưởng, phải tuân theo những nguyên tắc sau đây: • Trong hiện tượng cộng hưởng, các nguyên tử không di chuyển, chỉ có sự di chuyến của các điện tử 71 và điện tử tự do p về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn. • Tổng số điện tử trong phân tử, kể cả tổng sô điện tử liên kết hoặc không liên kết phải không đổi trong các cách biểu diễn khác nhau. • Tất cả các công thức cộng hưởng đều phải có cấu trúc đúng theo quy định biểu diễn công thức Lewis, nghĩa là không một nguyên tử nào trong công thức có vượt quá số điện tử tối đa cho phép. CÁC LOẠI HIỆU ỨNG TRONG PHÂN TỬ HỢP CHẤT HỮU c ơ 77 + + CH3CH—CH— CHCH3 <-------- > CH3CH—CH=CHCH3 + ( ''N + c h 3c h = c h —c h = c h - c h 2 «-» c h 3c h = c h J l c h —c h = c h 2 <-> CH3CH—CH=CH—CH=CH2 c h 3c h ^ c h —ộ —c h 3 <--------> CH3CH—C H =o—c h 3 CH, CH, CH, CH, 0 0 Khi giải thích hiện tượng dịch chuyển các điện tử 71 hoặc điện tử tự do trên orbital p của hệ liên hợp bằng hiệu ứng cộng hưởng, cần lưu ý nếu nguyên tử chứa orbital p có đôi điện tử tự do hay orbital p trống không liên kết trực tiếp với nguyên tử carbon sp2 mà liên kết trực tiếp với nguyên tử carbon sp3 thì không biểu diễn được các công thức cộng hưởng. Nguyên tử carbon trạng thái lai hóa sp3 không thể nhận thêm điện tử vì không thể hình thành năm liên kết xung quanh một nguyên tử carbon. Nếu sử dụng khái niệm ‘hiệu ứng liên hợp’, đây chính là trường hợp hệ liên hợp đã bị gián đoạn, các orbital p liên quan đã không còn cạnh nhau và do đó không thể xen phủ với nhau được. Dĩ nhiên các điện tử n hay điện tử tự do trên orbital p sẽ không th ể di chuyển như trường hợp một hệ liên hợp không bị gián đoạn. 78 CHƯƠNG 2 c h 3c h = c h — n h c h 3 <— > C H 3 C H — c h = n h c h 3 không nhận điện tủ' N * C H 3C H = C H — C H ^ - ^ N ^ c h 2 = ^ c h ^ - c h c h 3 *— > c h 2 — c h = c h c h 3 không nhận điện từ c h 2= c h — c h 2c h c h 3 r " ộ :II l _ + c h 3c — c h = c h c h 3 «— » c h 3c = c h — C H C H 3 không nhận điện tử CH?C— c h 2— c h = = c h c h 3 Có thể biểu diễn được các công thức cộng hưởng khác nhau, tuy nhiên không phải tấ t cả các cấu trúc cộng hưởng đều có đóng góp như nhau cho cấu trúc th ật sự của phân tử. Trong những dạng công thức cộng hưởng, dạng nào bền hơn sẽ có đóng góp nhiều hơn và giống với cấu trúc th ật sự của phân tử hơn. Thông thường, một cấu trúc cộng hưởng sẽ bền hơn nếu: (i) Có số liên kết cộng hóa trị nhiều nhất, (ii) có các nguyên tử với lớp điện tử ngoài cùng được điền đầy, (iii) không mang điện tích, hoặc có sự phân ly điện tích thành trung tâm tích điện âm và trung tâm tích điện dương là ít nhất. Trong các cấu trúc cộng hưởng có tích điện, nếu hai trung tâm tích điện cùng dấu càng xa nhau thì cấu trúc tương ứng càng bền. Ngược lại, nếu hai trung tâm tích điện khác dấu càng xa nhau thì cấu trúc cộng hưởng sẽ kém bền.