Sử dụng phần mềm Gaussview để đơn giản hóa việc gọi tên, lập công thức chiếu của các hợp chất hữu cơ bất đối

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:9

Thêm vào BST

Báo xấu

19
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong chuyên ngành Hóa học Hữu cơ, công thức chiếu Fischer là một phép chiếu để chuyển phân tử hữu cơ dạng lập thể sang công thức dạng phẳng. Trong nghiên cứu "Sử dụng phần mềm Gaussview để đơn giản hóa việc gọi tên, lập công thức chiếu của các hợp chất hữu cơ bất đối", phần mềm Gaussview được sử dụng để gọi tên và biểu diễn các loại công thức chiếu nêu trên đối với các chất hữu cơ bất đối một cách hiệu quả và đơn giản. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Sử dụng phần mềm Gaussview để đơn giản hóa việc gọi tên, lập công thức chiếu của các hợp chất hữu cơ bất đối

Kỷ yếu Hội thảo “Sinh viên Trường Đại học An Giang với hoạt động nghiên cứu khoa học” USING GAUSSVIEW TO SIMPLIFY NAMING, MAKING PROJECTION FORMULAS OF THE ASYMMETRIC ORGANIC COMPOUNDS Abstract: In organic chemistry, the Fischer projection is a two-dimensional representation of a three-dimensional organic molecule by projection. Fischer projections were originally proposed for the depiction of carbohydrates and used by chemists, particularly in organic chemistry and biochemistry. Besides, it is necessary to use the organic stereoscopic formulas have optical isomers to name the R-S configuration in a simple way. In this study, Gaussview software is used to name and represent these mentioned projections for asymmetric organics in an efficient and simple way. Keyword: Fischer projection, chiral carbon, Gausview software. SỬ DỤNG PHẦN MỀM GAUSSVIEW ĐỂ ĐƠN GIẢN HÓA VIỆC GỌI TÊN, LẬP CÔNG THỨC CHIẾU CỦA CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ BẤT ĐỐI Lê Minh Tuấn Khoa 1 Tóm Tắt: Trong chuyên ngành Hóa học Hữu cơ, công thức chiếu Fischer là một phép chiếu để chuyển phân tử hữu cơ dạng lập thể sang công thức dạng phẳng. Công thức chiếu Fischer ban đầu được đề xuất để mô tả các carbohydrate và được sử dụng rộng rãi, đặc biệt trong hóa học hữu cơ và hóa sinh. Ngoài ra, việc sử dụng công thức lập thể chất hữu cơ có đồng phân quang học để gọi tên theo danh pháp R – S một cách đơn giản cũng rất cần thiết. Trong nghiên cứu này, phần mềm Gaussview được sử dụng để gọi tên và biểu diễn các loại công thức chiếu nêu trên đối với các chất hữu cơ bất đối một cách hiệu quả và đơn giản. Từ khóa: Công thức chiếu Fischer, carbon bất đối, phần mềm Gausview. 1. Đặt vấn đề Hóa học lập thể (Stereochemistry) là ngành khoa học chuyên nghiên cứu về cấu trúc không gian của các phân tử, ảnh hưởng không gian của phân tử đến tính chất của chúng cũng như nghiên cứu về hướng của các phản ứng hóa học. Các nghiên cứu về hóa học lập thể ban đầu chỉ giới hạn trong hóa học lập thể cấu hình nhưng sau đó các vấn đề 1 Sinh viên ngành Sư phạm Hóa học (lớp DH22HH), Khoa Sư phạm, Trường Đại học An Giang, ĐHQG-HCM; Email: khoa_dhh211055@student.agu.edu.vn. TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG, THÁNG 6 NĂM 2022 34
Kỷ yếu Hội thảo “Sinh viên Trường Đại học An Giang với hoạt động nghiên cứu khoa học” của hóa học lập thể ngày càng phức tạp, đặc biệt do sự phát triển của các học thuyết về cấu trạng (conformation) và phân giải cấu trạng (confornational analysis), về hóa học lập thể của phản ứng, về sự tổng hợp định hướng lập thể và chọn lựa lập thể. Trong thực tế việc học tập và nghiên cứu hóa học lập thể vẫn còn gặp nhiều khó khăn do đặc trưng của tư duy hóa học lập thể là người học cần có kiến thức tốt cả về hình học, đặc biệt khả năng “tưởng tượng” tốt cấu trúc hình học không gian. Vấn đề này gây khó khăn vì vẫn còn nhiều hạn chế về tư duy hình học không gian. Việc kết hợp sử dụng phần mềm GaussView sẽ giúp cho việc học tập và nghiên cứu về hóa học lập thể, cụ thể gọi tên theo danh pháp R – S, lập công thức chiếu Fischer của các chất hữu cơ chứa carbon bất đối xứng trở nên thuận lợi hơn. Từ đó, đề tài “Sử dụng phần mềm GaussView để đơn giản hóa việc gọi tên, lập công thức chiếu của các hợp chất hữu cơ bất đối” được nghiên cứu. 2. Phương pháp nghiên cứu Phần mềm GAUSSVIEW 06 được sử dụng để xây dựng cấu trúc ban đầu các chất và đưa công thức mô phỏng này về góc nhìn tối ưu nhất để gọi tên theo danh pháp R – S, thiết lập các dạng công thức chiếu Fisher. 3. Nội dung nghiên cứu 3.1. Các khái niệm 3.1.1. Thuyết carbon tứ diện Khởi đầu từ việc xác định nguyên tử carbon có hóa trị 4 của nhà khoa học Kekule (1858) đến việc khẳng định cấu trúc tứ diện của carbon liên kết với 4 nhóm thế của các nhà khoa học Le Bel và Van’t Hoff (1874) và các nghiên cứu xác nhận tính đúng đắn của sự tồn tại carbon tứ diện. 3.1.2. Đồng phân Đồng phân (Isomers) là hiện tượng các chất có cùng công thức phân tử, nhưng khác nhau về cấu tạo, cấu hình hoặc cấu dạng nên có những tính chất (vật lý, hóa học) khác nhau. Đồng phân thường được chia thành 2 loại chính: đồng phân cấu tạo (constitutional isomers) và đồng phân lập thể: đồng phân cấu hình (hình học, quang học) và đồng phân cấu dạng [2]. Đồng phân cấu tạo (phẳng) là các chất có cùng công thức phân tử nhưng khác nhau về cấu tạo hóa học, được chia thành: đồng phân mạch cacbon, đồng phân nhóm chức, đồng phân vị trí nhóm chức. Đồng phân lập thể (Stereoisomers) có trật tự liên kết và cách thức liên kết giống nhau khi xét về yếu tố mặt phẳng nhưng khác nhau về sự phân bố các nhóm thế trong không gian [3]. 3.1.3. Các công thức biểu diễn cấu trúc lập thể TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG, THÁNG 6 NĂM 2022 35
Kỷ yếu Hội thảo “Sinh viên Trường Đại học An Giang với hoạt động nghiên cứu khoa học” Công thức phối cảnh (perspective formula): Mô tả cấu trúc không gian của phân tử (Hình 1A). Công thức dạng yên ngựa (sawhorse projection): Công thức được dùng trong trường hợp phân tử có liên kết carbon – carbon trung tâm. Trong đó, liên kết C – C được biểu diễn bằng một đường chéo từ trái sang phải và xa dần góc quan sát. Tất cả các liên kết được vẽ bằng nét gạch liền nét, giao điểm các liên kết là các nguyên tử carbon (Hình 1B). Công thức chiếu Fischer (Fischer projection): Nguyên tử carbon được chọn như một dấu thập lớn (được biểu diễn bằng nét liền). Hai nối nằm ngang được quy ước là hai nối hướng ra trước mặt phẳng. Hai nối thẳng đứng được biểu diễn cho hai nối hướng ra sau mặt phẳng. Thông thường mạch carbon chính thức được bố trí theo đường thẳng đứng, trong đó các nhóm thế có chứa nguyên tử carbon có số oxi hóa cao hơn sẽ được đặt phía trên trong công thức (thứ tự giảm dần số oxi hóa của nguyên tử carbon trong các nhóm thế) (Hình 1C) [4]. CH3 H H CHO H C H OH H HOOC H OH H H CH2OH A B C Hình 1. Các công thức biểu diễn cấu trúc lập thể. 3.1.4. Đồng phân quang học Đồng phân quang học (Optical Isomers) là đồng phân lập thể có cùng dạng hình học phân tử nhưng khác nhau về khả năng làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực (tính quang hoạt). Điều kiện xuất hiện đồng phân quang học là chất có tính không trùng ảnh vật, thường có carbon bất đối, không có tâm đối xứng hoặc mặt phẳng đối xứng. COOH COOH HO OH H 3C H H CH3 Hình 2. Hai đồng phân quang học của lactic acid. 3.1.5. Danh pháp đồng phân quang học Danh pháp R - S TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG, THÁNG 6 NĂM 2022 36
Kỷ yếu Hội thảo “Sinh viên Trường Đại học An Giang với hoạt động nghiên cứu khoa học” Danh pháp R-S (cấu hình R-S: R-S configuration) được đề nghị bởi các nhà khoa học Cahn, Ingold, Prelog dùng để gọi tên cấu hình thực sự trong không gian của các chất hữu cơ chứa carbon bất đối, vì thế cấu hình R – S còn có tên là cấu hình tuyệt đối. Hệ thống Cahn – Ingold – Prelog dùng chữ: R (rictus: phải) và S (sinister: trái) để xác định cấu hình của các carbon bất đối xứng. Việc xác định danh pháp của hợp chất được thực hiện như sau: 1- sắp xếp các nhóm thế theo thứ tự ưu tiên về độ hơn cấp; 2- đặt góc nhìn từ phía xa nhất đối với nhóm có độ hơn cấp nhỏ nhất; 3- xếp thứ tự các nhóm thế còn lại (3 nhóm) có độ hơn cấp giảm dần, nếu chúng quay cùng chiều kim đồng hồ thì C* đó có cấu hình R và ngược lại sẽ có cấu hình S. Độ hơn cấp của các nhóm thế được xác định bởi Quy tắc Cahn-Ingold-Prelog Độ ưu tiên (Độ hơn cấp) của các nhóm thế được xác định: 1- điện tích hạt nhân nguyên tử lớn hơn (số hiệu nguyên tử lớn hơn) thì sẽ hơn cấp hơn; 2- trường hợp các đồng vị có số khối lớn hơn thì sẽ hơn cấp hơn; 3- nếu hai nhóm thể có nguyên tử thứ nhất như nhau thì tiếp tục xét đến các nguyên tử thứ hai, nguyên tử thứ ba …; 4- các nguyên tử có liên kết bội được tính gấp bội lần (nối đôi tính gấp đôi, nối ba tính gấp ba); 5- đồng phân cis có độ ưu tiên cao hơn trans. Khi nghiên cứu hợp chất hữu cơ, người học thường gặp một số khó khăn như: 1- cách gọi tên theo danh pháp R – S các hợp chất chứa C bất đối; 2- việc chuyển đổi từ công thức lập thể sang công thức chiếu Fisher do muốn thực hiện các điều này người học cần có kiến thức nhất định về hình học không gian, cũng như khả năng tưởng tượng không gian các công thức lập thể. Sự ra đời của phần mềm GaussView đã tháo gỡ được những khó khăn trên. 3.1.6. Phần mềm GaussView Phần mềm Gaussview 06 được cập nhật vào năm 2016, dùng để hỗ trợ cho phần mềm Gaussian 09. Chức năng chủ yếu của GaussView là xây dựng cấu trúc phân tử ban đầu để tạo thành dữ liệu đầu vào cho Gaussian tính toán. Đồng thời, GaussView có thể hiển thị kết quả tính của Gaussian dưới dạng đồ họa như: dao động, phân tử, điện tích, phổ phân tử,… Trong bài nghiên cứu này, GaussView được sử dụng để xây dựng cấu trúc ban đầu các chất và đưa công thức mô phỏng này về góc nhìn tối ưu nhất để gọi tên theo danh pháp R – S, thiết lập các dạng công thức chiếu. 3.2. Gọi tên các chất hữu cơ theo danh pháp R - S 3.2.1. Gọi tên từ công thức phối cảnh Xác định cấu hình R – S Xét độ ưu tiên các nhóm thế theo quy tắc Cahn-Ingold-Prelog, ta có thứ tự ưu tiên các nhóm thế: OH > CHO > CH2OH > H. Ta quan sát cách sắp xếp các nhóm thế từ TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG, THÁNG 6 NĂM 2022 37
Kỷ yếu Hội thảo “Sinh viên Trường Đại học An Giang với hoạt động nghiên cứu khoa học” phía xa nhất đối với nhóm ưu tiên thấp nhất là H để xác định chiều quay của các nhóm thế. OH OH HOCH2 H HOCH2 CHO CHO Hình 4. Cách xác định cấu hình R - S của glyceraldehyde. Các nhóm thế quay ngược chiều kim đồng hồ nên phân tử có cấu hình R. Đối với bromochlorofluoromethane Xét thứ tự quay các nhóm thế theo độ ưu tiên từ nhỏ đến lớn: Br → Cl → F, ta thấy các nhóm quay theo chiều kim đồng hồ nên là cấu hình R. Br Cl H F Cl Br F Hình 5. Cách xác định cấu hình R - S của bromochlorofluoromethane. Các trường hợp trên, công thức phối cảnh được thể hiện hoàn toàn thuận lợi cho việc dặt góc nhìn (H ở vị trí xa góc nhìn nhất). Tuy nhiên, trong thực tế công thức phối cảnh có thể được thể hiện dưới góc nhìn khác nhau, đặc biệt đối với công thức có nhiều tâm bất đối thì việc gọi tên theo danh pháp R-S sẽ gặp nhiều khó khăn cho người học (Hình 6). Vì thế, trong trường hợp này, việc sử dụng phầm mềm Gaussview để thiết lập và xoay các công thức lập thể trên sẽ giải quyết các khó khăn trên một cách đơn giản. a. b. OH H CH2OH HOOC F Cl (1) HOCH2 HO (2) H HOCH2 CHO HO CHO OHC Br CHO H OH Hình 6. Công thức phối cảnh của R-glyceraldehyde (a) dưới góc nhìn khác nhau và của 3-bromo-3-chloro-3-fluoro-2-formyl-2-hydroxypropanoic acid. 3.2.2. Chuyển công thức phối cảnh sang mô hình bằng GaussView TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG, THÁNG 6 NĂM 2022 38
Kỷ yếu Hội thảo “Sinh viên Trường Đại học An Giang với hoạt động nghiên cứu khoa học” Gaussview được sử dụng nhằm khắc phục những hạn chế khi gọi tên theo danh pháp R – S các chất có công thức phối cảnh với góc nhìn không thuận lợi (Hình 6a,b). Cụ thể, dùng Gaussview vẽ công thức lập thể giống như công thức trong hình 6a, sau đó xoay công thức về vị trí có góc nhìn thuận lợi (phù hợp với quy tắc Cahn-Ingold-Prelog), từ đó gọi tên hợp chất dễ dàng (Hình 7). Mô hình phân tử theo Ct phối cảnh Mô hình xoay CT phối cảnh OH HOCH2 H CHO H HOCH2 CHO OH CH2OH HO CHO H Hình 7. Dùng Gaussview để xác định R-glyceraldehyde. TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG, THÁNG 6 NĂM 2022 39
Kỷ yếu Hội thảo “Sinh viên Trường Đại học An Giang với hoạt động nghiên cứu khoa học” CT phối cảnh Mô hình phân tử theo CT phối cảnh HOOC F Cl 2 HO 3 OHC Br Mô hình phân tử xoay C2 (2R) theo Mô hình phân tử xoay C3 (3S) theo quy tắc OH > CFClBr > COOH quy tắc Br > Cl >F Hình 8. Dùng Gaussview để xác định (2R,3S)-3-bromo-3-chloro-3-fluoro-2-formyl- 2-hydroxypropanoic acid. 3.3. Chuyển công thức phối cảnh thành công thức chiếu Fischer Để chuyển đổi công thức phối cảnh sang công thức chiếu Fischer, đầu tiên ta cần chọn một góc nhìn có hai liên kết hướng vào trong mặt phẳng và hai liên kết hướng ra ngoài mặt phẳng. Thông thường, hai liên kết hướng vào trong mặt phẳng sẽ là mạch carbon hoặc là có chứa nhóm thế ưu tiên thứ nhất và thứ hai và nhóm thế ưu tiên thứ nhất sẽ nằm phía trên, chiếu công thức này lên mặt phẳng sẽ được công thức chiếu Fisher. Glyceraldehyde Chọn góc nhìn sao cho hai nhóm CH2OH và CHO nằm trên trục dọc của công thức chiếu Fischer. Nhóm CHO ở phía trên và nhóm CH2OH phía dưới. Theo góc nhìn các nhóm thế còn lại sẽ được điền vào để hoàn thành công thức chiếu Fischer. CHO CHO CHO HO H HO H H OH HOH2C CH2OH CH2OH Hình 9. Lập công thức Fisher của Glyceraldehyde từ công thức phối cảnh. TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG, THÁNG 6 NĂM 2022 40
Kỷ yếu Hội thảo “Sinh viên Trường Đại học An Giang với hoạt động nghiên cứu khoa học” Tuy nhiên, đối với các chất phức tạp hoặc có công thức phối cảnh không thuận lợi về góc nhìn (Hình 10) thì việc chuyển sang công thức Fisher gặp khó khăn. Nhưng với phần mềm Gaussview thì việc xác lập công thức fisher của chất này khá dễ dàng. Cụ thể, trước tiên dùng Gaussview lập công thức có vị trí các nhóm thế như công thức phối cảnh đã cho (Hình 11a); sau đó dùng chức năng thay đổi góc nhị diện để đưa công thức này về dạng phù hợp với qui ước (Hình 11b); tiếp theo xoay vị trí công thức về đúng vị trí qui ước (Hình 11c) và cuối cùng xác lập công thức Fisher (Hình 11d). OH OH H H CH2OH OH HO H H HOCH2 H HO CHO CH2OH CHO H OH CHO Hình 10. Công thức phối cảnh của 2,3,4-trihydroxybutanal [5]. Góc nhìn từ phía CT đã cho Xoay vị trí CT Fisher dưới CHO CHO OH H CHO CH2OH OH HO H HO H HO H HO H H HO CHO CH2OH H OH H CH2OH CH2OH CHO HO H HO H CH2OH (a) (b) (c) (d) Hình 11. Xây dựng công thức Fisher của 2,3,4-trihydroxybutanal dạng L-erythrose từ công thức phối cảnh với Gaussview. Các hạn chế trong việc quan sát cũng như là xác định danh pháp của các phân tử theo phương pháp cổ điển đã được giải quyết bằng phần mềm Gaussview. Sự tối ưu về mặt không gian của Gaussview giúp người học thuận lợi hơn trong việc xây dựng và quan sát cấu trúc của phân tử từ nhiều hướng khác nhau, góp phần đơn giản hóa các TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG, THÁNG 6 NĂM 2022 41
Kỷ yếu Hội thảo “Sinh viên Trường Đại học An Giang với hoạt động nghiên cứu khoa học” bước trong quá trình chuyển đổi công thức lập thể cũng như là định danh pháp theo phương pháp trước đây. 4. Kết luận Sự phát triển của công nghệ phần mềm đã ảnh hưởng rất lớn đến việc nghiên cứu khoa học cả trong thực nghiệm và tính toán. Nghiên cứu đã dựa trên thế mạnh của GaussView để xây dựng hiệu quả các công thức lập thể của chất hữu cơ chứa carbon bất đối, định danh các hợp chất đồng phân theo danh pháp R - S và chuyển công thức phối cảnh sang công thức chiếu Fischer. Từ những nghiên cứu bước đầu này, việc sử dụng phần mềm Gaussview để xây dựng công thức lập thể, gọi tên và lập công thức chiếu của các chất cấu trúc phức tạp hơn, đa dạng hơn, từ đó góp phần nghiên cứu sâu hơn ngành hóa học nói chung và ngành hóa học lập thể nói riêng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Võ Thị Thu Hằng (2002), Hóa học Lập thể, Trường Đại học Sư phạm Thành Phố Hồ Chí Minh. [2] Nguyễn Hữu Đĩnh, Đỗ Đình Rãng (2003), Hóa học hữu cơ 1, Nhà xuất bản Giáo Dục. [3] Phan Thanh Sơn Nam, Trần Thị Việt Hoa (2011), Giáo trình Hóa Hữu Cơ, Đại học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh. [4] David Klein (2010), Organic Chemistry, Wiley. [5] Francis A. Carey, Robert M. Giuliano (2011), Organic Chemistry, The McGraw- Hill. TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG, THÁNG 6 NĂM 2022 42