Bài giảng Đồng phân

Chia sẻ: Dinh Tuan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:156

Thêm vào BST

Báo xấu

161
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đồng phân là hiện tượng cùng một công thức có nhiều chất khác nhau. Để tìm hiểu sâu hơn về vấn đề này mời các bạn tham khảo "Bài giảng Đồng phân". Hy vọng tài liệu là nguồn thông tin hữu ích cho quá trình học tập và nghiên cứu của các bạn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Đồng phân

CHƯƠNG IA: ĐỒNG PHÂN  Định nghĩa: là hiện tượng cùng một nghĩa: công thức có nhiều chất khác nhau  Phân loại:: loại  Đồng phân cấu tạo (phẳng phẳng)): cùng công thức phân tử nhưng khác công thức cấu tạo tạo..  Đồng phân lập thể (không gian gian) ): cùng công thức cấu tạo nhưng khác nhau về cách thức sắp xếp các nguyên tử trong không gian gian.. Phân loại đồng phân phẳng Đồng phân phẳng Đồng phân Đồng phân Đồng phân mạch cacbon vị trí nhóm chức CH3 CH CH2 CH2 CH3 CH3 CH CH3 CH3 CH2 OH CH3 OH CH3 CH2 CH CH2 CH3 CH3 CH2 CH2 CH3 O CH3 CH3 OH  Đồng phân vị trítrí:: tính chất vật lý khác nhau (không nhiều), nhiều ), tính chất hóa học tương đồng đồng..  Đồng phân nhóm chức chức:: tính chất vật lý hóa học hoàn toàn khác nhau nhau.. 1
Phân biệt giữa hỗ biến và đồng phân C C C C C N C N O H OH O H OH Ceton Enol Amid Imid CH C N C C NH CH N O C N OH Imin Enamin Nitroso Oxim  Trong một số trường hợp chất hữu cơ có thể tồn tại cùng một lúc ở hai dạng cân bằng khác nhau nhau..  Sự hỗ biến có được là do sự dịch chuyển của nguyên tử H từ nguyên tử này sang nguyên tử khác  Hai dạng hỗ biến không thể tách được do chúng chúng chuyển hóa (biến đổi đổi)) liên tục qua lại → như vậy hỗ biến không phải hiện tượng đồng phân phân.. Đồng phân lập thể (không gian)  Đồng phân lập thể (không gian gian) ): cùng công thức cấu tạo nhưng khác nhau về cách thức sắp xếp các nguyên tử trong không gian gian..  Còn có tên là đồng phân cấu hình do cấu hình được định nghĩa là cách thức sắp xếp trong không gian của các nguyên tử trong một phân tử tử.. Ví dụ dụ:: phân tử metan có cấu hình tứ diện đều đều.. H H o C 109 28' H H H H H H 2
MÔ HÌNH PHÂN TỬ  Để biểu diễn (trình bày bày)) cấu hình của một phân tử hợp chất hữu cơ trên mặt phẳng người ta có thể dùng công thức chiếu chiếu:: 1. Công thức phối cảnh 2. Công thức chiếu Newman 3. Công thức chiếu Fisher 3
Công thức phối cảnh  Hai nối trong mặt phẳng được biểu diễn bằng nét liền  Nối nằm phía trước mặt phẳng được biểu diễn bằng nét đậm  Nối nằm sau mặt phẳng được biểu diễn bằng nét đứt = Sai * Biểu diễn công thức phối cảnh cho nhiều cacbon cacbon:: - Nối sang phải hướng ra bên ngoài mặt phẳng - Nối sang trái hướng ra phía sau mặt phẳng - Các nối có vẻ vuông góc nhưng thật ra góc nối là 109o28 28’’ - Nối C-C ở giữa vẽ dài ra các nhóm thế của 2 tâm C sp3 không chập lên nhau = = 4
Thuyết quay giới hạn của nối đơn s  Nối s có được là do sự xen phủ giữa hai vân đạo theo hướng trục liên nhân nhân..  Như vậy nối s có tính đối xứng trục nghĩa là khi xoay 2 vân đạo xen phủ phủ,, độ xen phủ hay độ bền (năng lượng)) liên kết không đổi lượng đổi.. Do đó đó,, 2 nguyên tử của nối s có thể xoay quanh liên kết s. sp3 sp3 sp3 s C-H C-C  Dẫn đến hiện tượng phân tử hữu cơ có thể tồn tại dưới nhiều cấu trạng (cấu dạng khác nhau) nhau)..  Cấu trạng trạng:: là các dạng khác nhau của cấu hình có được do sự quay quanh nối đơn s. Ví dụ dụ:: xét phân tử n-butan Cấu trạng đối lệch Cấu trạng che khuất bán phần Cấu trạng bán lệch Cấu trạng che khuất toàn phần H H H H H H CH3 H H H H CH3 H H CH3 CH3 CH3 H H H CH3 CH3 H CH3 5
 Cấu trạng lệch bền hơn cấu trạng che khuất rất nhiều, trong đó bền nhất là cấu trạng đối lệch, cấu trạng che khuất toàn phần kém bền nhất nhất..  Nói là giới hạn vì không phải nối s quay tự do hoàn toàn mà phải quay sao cấu trạng bền chiếm lượng nhiều hơn hơn..  Sự quay trong phân tử hợp chất hữu cơ là liên tục do đó ta có thể có vô số cấu trạng khác nhau nhau..  Cần phân biệt rõ giữa hiện tượng cấu trạng và đồng phân.. phân Cấu trạng bền nhất ? 6
Công thức chiếu Newman - Trục C-C được đặt thẳng góc với mặt phẳng chiếu (tờ giấy hoặc tấm bảng bảng)). - C ở xa được biểu diễn bằng đường tròn tròn,, C ở gần được biểu diễn bằng dấu chấm ở tâm đường tròn đóđó.. - Các nối của C ở gần xuất phát từ tâm đường tròn tròn,, Các nối của C ở xa xuất phát từ trên đường tròn tròn.. Các nối tạo với nhau góc 120o. H H H H H H H H CH3 H H CH3 CH3 H CH3 CH3 H CH3 H H H H CH3 H H H H H H H CH3 HCH3 CH3 CH3 Công thức chiếu Fisher - Nối dọc (Bắc Bắc--nam nam)) hướng ra phía sau mặt phẳng phẳng.. - Nối ngang (Đông Đông--tây tây)) hướng ra phía trước mặt phẳng phẳng.. - Mạch cacbon được đặt trên trục dọc dọc,, các nối viết bình thường thường.. - Giao điểm giữa đường ngang và đường dọc chính là tâm cacbon cacbon.. C A C C C B A B A B = A B D D D D F E D C A A D C D C G A = F D F E F E G A E C G G 7
 Trong trường hợp nhiều C (từ 2C trở lên lên), ), nếu dùng cấu trạng lệch để chiếu thì dù đứng từ phía nào để chiếu thì đều không thỏa mãn công thức chiếu Fisher (không phải tất cả các nối ngang hướng ra phía trước mặt phẳng phẳng)) do vậy thu được hình chiếu sai sai.. C1 A2 A1 C2 A B1 B2 D1 D2 D1 C1 B1 A2 A D2 C2 B2 A1  Như vậy để chiếu công thức chiếu Fisher đúng ngoài việc chọn góc nhìn (hay mặt phẳng chiếu đúng) trong một số trường hợp nếu phân tử ở cấu trạng lệch thì phải xoay về cấu trạng che khất rồi mới chiếu chiếu.. G D C F E D C E F A G A A D C F D G A F E E C G 8
Phân loại đồng phân lập thể Đồng phân lập thể Đồng phân Đồng phân hình học quang học Đồng phân hình học  Định nghĩa nghĩa:: là những hợp chất có cùng CTCT nhưng cách sắp xếp của những nguyên tử hay nhóm nguyên tử khác nhau đối với một mặt phẳng quy chiếu chiếu..  Tùy vào mặt phẳng qui chiếu đó là mặt phẳng p (mặt phẳng chứa nối s và p) hay mặt phẳng vòng (xicloankan xicloankan)) mà ta đồng phân hình học tương ứng ứng:: Đồng phân hình học Đồng phân Đồng phân của nối đôi xiclan 9
Đồng phân hình học của nối đôi  Hiện tượng đồng phân có được là do cơ cấu cứng nhắc của nối đôi khác với nối đơn không thể xoay được (nếu không sẽ mất đi sự xen phủ bên của 2 vân đạo p).  Như vậy nếu trên 2 cacbon nối đôi có 2 nhóm thế khác nhau thì ta sẽ có 2 cách sắp xếp các nhóm thế trong không gian (đối với mặt phẳng p - mặt phẳng chứa nối s và p → 2 đồng phân hình học học.. H H H COOH HOOC COOH HOOC H Axit cis-2-butenoic Axit trans-2-butenoic Axit maleic Axit fumaric  Ban đầu người ta sử dụng tên gọi cis cis--trans trans,, nhưng tên gọi này có nhược điểm là trong trường hợp trên 2 cacbon nối đôi có không có 2 nhóm thế giống nhau được nên không đọc được tên 2 đồng phân quang học có thể có có.. Cl F Cl I Br I Br F  Do đó các nhà hóa học phải đề ra một cách gọi tên khác tốt hơn hơn.. Đó là tên gọi E-Z. 10
Cách gọi tên E-Z  Bước 1: So sánh độ ưu tiên của 2 nhóm thế trên mỗi cacbon nối đôi theo quy tắc Cahn Cahn--Ingold Ingold--Prelog Prelog..  Bước 2: Gọi tên - 2 nhóm thế ưu tiên ở cùng phía → (Z) - 2 nhóm thế ưu tiên ở khác phía → (E) - (E), (Z) được đặt trong dấu ngoặc đơn và đặt trước tên chất bởi dấu gạch ngang (–) - Trong trường hợp có nhiều nối đôi thì ta phải viết kèm theo số thứ tự nối đôiđôi.. Ví dụ dụ:: (2E, E,4 4Z) (theo số thứ tự từ nhỏ đếm lớn lớn)). Quy tắc Cahn- Cahn-Ingold Ingold--Prelog - Nguyên tử có bậc số nguyên tử lớn hơn thì ưu tiên hơn hơn:: H
 Ví dụ dụ:: CH3 CH3 Cl F Cl I H H Br I Br F H CH3 (Z) (E) (2E, E,4 4E )  Lưu ý là tên gọi cis cis--trans và tên gọi E-Z trong một số trường hợp sẽ không trùng nhau nhau.. Ví dụ dụ:: CH3 Cl CH3 CH3 H CH3 H Cl trans cis (Z) (E) Đồng phân xiclan - Các hợp chất vòng no có thể có 3, 4, 5, 6, 7, 8, … cacbon - Nhưng vòng 3,4 rất kém bền (quá căng căng),), trên thực tế các chất vòng chủ yếu là vòng 5,6 (bền nhất nhất)). Vòng 7 trở lên rất ít gặp gặp.. Moâ hình phaân töû Caáu traïng öu ñaõi thöïc teá Daïng ñôn giaûn Coâng thöùc khai trieån phaúng 12
- Ví dụ dụ:: Hợp chất 1-Hidroxi Hidroxi--4-brom brom--ciclohexan có 2 đồng phân hình học được trình bày ở dạng đơn giản và cấu trạng ghế ghế.. OH Br OH H H H H Br cis-1-Hidroxi-4-bromociclohexan trans-1-Hidroxi-4-bromociclohexan Br H H Br OH OH H H Đồng phân quang học  Năm 1815 1815,, Jean Jean--Baptiste Biot phát hiện một số chất hữu cơ lỏng hoặc dung dịch các hợp chất thiên nhiên như:: đường như đường,, axit tartic (dd dd), ), tinh dầu thông (l) có khả năng làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực cực.. (trước đây người ta cũng tìm thấy hiện tượng này ở một số tinh thể vô cơ bất đối xứng xứng)). 13
- Những hợp chất này được gọi là những chất có tính triền quang hay có tính quang hoạt hoạt.. - Tính quang hoạt của một số hợp chất hữu cơ được giải thích là do tính bất đối xứng trong phân tử hợp chất đó đó.. - Có một số nguyên nhân dẫn đến tính bất đối xứng nhưng phổ biến nhất là trong phân tử hữu cơ có chứa ít nhất một C phi đối xứng hay còn gọi là C thủ tính (kí hiệu C*) C*).. C PĐX BĐX HTQH Tính bất đối xứng  Có nhiều cách để biết (hay định nghĩa nghĩa)) vật nào đối xứng hay bất đối xứng xứng..  Vật bất đối xứng là vật không có bất kỳ yếu tố đối xứng nào (như tâm đối xứng xứng,, trục đối xứng xứng,, mặt phẳng đối xứng xứng,, …).  Một cách định nghĩa khác khác,, vật đối xứng là là vật trùng với ảnh của nó qua gương gương.. Ngược lạilại,, vật bất đối xứng là vật không trùng với ảnh của nó qua gương gương.. 14
- C phi đối xứng : là C sp3 có chứa bốn nhóm thế khác nhau nhau.. Không C* Có C* 15
 - Ví dụ dụ:: Xét phân tử axit lactic CH3 CH COOH OH - Ứng với một C*, có thể có hai cách sắp xếp 4 nhóm thế trên C đó đó,, hai cách sắp xếp này nếu trình bày trong không gian là hai hình đối xứng với nhau qua gương phẳng và không trùng khít lên nhau nhau.. Như vậy vậy,, chúng không phải là cùng một chất mà là hai chất khác nhau tức hai đồng phân phân.. Trong hóa học người ta gọi chúng là hai đối phân phân.. 16
GỌI TÊN ĐỒNG PHÂN QUANG HỌC – R-S  Bước 1: Dựa trên quy tắc Cahn Cahn--Ingold Ingold--Prelog sắp xếp thứ tự ưu tiên 4 nhóm thế trên C phi đối xứng và đánh số 1>2>3>4.  Bước 2: Chọn hướng quan sát ngược với nhóm có độ ưu tiên thấp nhất (4) (tức nhìn từ C phi đối xứng đến (4). Xem xét nhóm 1 → 2 → 3 theo chiều kim đồng hồ hay ngược lại lại.. Nếu cùng chiều kim → cấu hình R, ngược chiều kim đồng hồ → cấu hình S. Thứ tự ưu tiên tiên:: a>b>c>d 17
 Trường hợp có 2 cacbon phi đối xứng xứng,, ví dụ xét hợp chất 2-Brom Brom--3- clobutan .Ứng với 1 C phi đối xứng ta có 2 cách sắp xếp là R, S. Như vậy ứng với 2 C phi đối xứng ta có thể có 4 cách sắp xếp trong không gian tức có 4 đồng phân quang học học.. CH3 CH3 H Br Br H Đối phân Cl H H Cl CH3 CH3 (2S,3S)-2-Bromo-3-clorobutan ? (2R,3R)-2-Bromo-3-clorobutan CH3 CH3 H Br H Br Đối phân H Cl Cl H CH3 CH3 (2S,3R)-2-Bromo-3-clorobutan (2R,3S)-2-Bromo-3-clorobutan  Khi trình bày 4 đồng phân quang học ở trên dưới dạng công thức chiếu Fisher ta thấy công thức chiếu của hai đối phân cũng đối xứng với nhau qua gương phẳng phẳng..  Hai đồng phân quang học mà không phải là đối phân của nhau được gọi là hai xuyên lập thể phân phân..  (1), (2): cấu hình treo treo;; (3), (4): cấu hình eritro 1CH3 CH 3 2 Br H H Br 3 Cl H H Cl (1) 4CH3 Xuyên lập thể phân CH 3 (2) CH3 C H3 H Br Br H H Cl Cl H (3) CH3 C H3 (4) 18
 Như vậy càng nhiều C* ta càng có thể có nhiều đồng phân quang học.. học  Quy tắc Van Hoff Hoff:: Nếu có nC*, ta sẽ có 2n đồng phân quang học nC*, học..  Nhưng quy tắc Van Hoff trong một số trường hợp lại không đúngđúng..   Ví dụ dụ:: xét hợp chất 2,3-Dibrombutan CH3 CH CH CH3 Br Br CH3 CH3 CH3 CH3 H Br H Br Br H Br H Hai đối Br H Br H phân treo H Br H Br CH3 CH3 CH3 CH3 (2S,3S)-2,3-Dibromobutan (2R,3R)-2,3-Dibromobutan C H3 CH 3 CH3 CH3 H Br H Br Br H Br H Là một H Br H Br Br H Br H C H3 CH 3 CH3 CH3  Đó là do đồng phân này có một mặt phẳng đối xứng vuông góc với nối C2-C3. Và cũng vì vậy đồng phân này không có tính quang hoạt (không có tính triền quang) quang).. Người ta không dùng tên gọi eritro nữa mà gọi đồng phân này là meso meso.. CH3 CH3 H H Br Br CH3 H H Br Br CH3 Meso  Như vậy quy tắc Van Hoff không đúng mà phải phát biểu lại là nếu một chất có nC* thì có thể có tối đa 2n đồng phân quang học học..  Bất kỳ yếu tố đối xứng nào cũng sẽ làm giảm số đồng phân quang học.. học  Đồng phân quang học nào có chứa ít nhất một yếu tố đối xứng sẽ không có tính quang hoạt (không có tính triền quang) quang).. 19
 Lưu ý khi đọc tên eritro eritro,, treo treo,, meso cho các hợp chất có 2C* C*:: - Mạch cacbon chính phải đặt trên trục dọc của công thức chiếu Fisher.. Đặt C số 1 lên trên cùng Fisher cùng.. - Nếu 2 nhóm thế giống nhau ở cùng bên → eritro eritro,, khác bên → treo.. Nhưng không phải lúc nào ta cũng đọc được tên eritro treo eritro,, treo treo.. 1 CH3 Br 2 Br H H Cl H CH 3 H CH3 CH3 Br H Cl 3 H Cl H H CH3 CH 3 Br 4 CH3 Cl CH3 Sai 1 H Cl H CH3 H Cl Br H 3 2 3 2 4 CH3 Br 4 CH3 1 CH3 1 CH3 H Br CH3 CH3 Br H Cl H 2 3 H Cl 4 CH3 Cách gọi tên D,L cho cacbohidrat và amino axit  Đối với những hợp chất hóa sinh quan trọng như cacbohidrat và amino axit (ngay cả trong trường hợp 2C*), để phân biệt các đồng phân quang học người ta không dùng tên gọi eritroeritro,, treo treo,, meso mà dùng tên gọi D,L .  Tên gọi D,L bắt nguồn từ lúc ban đầu khi nghiên cứu glicerandehit,, Hermann Emil Fischer chọn một cách độc đoán glicerandehit hợp chất hữu triền là D-(+) (+)--glicerandehit và hợp chất tả triền là (L)--(-)-glicerandehit (L) glicerandehit.. CHO CHO H OH OH H CH2OH CH2OH D-(+)-glicerandehit (L)-(-)-glicerandehit  Dựa theo quy ước nàynày,, người ta gọi tên các cacbohidrat khác khác.. Như vậy muốn sử dụng tên gọi D,L bắt buộc phải sử dụng công thức chiếu Fisher Fisher.. 20