Giáo trình môn Hóa học lập thể

149 trang ngocly 1150

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình môn Hóa học lập thể", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_mon_hoa_hoc_lap_the.pdf

Nội dung text: Giáo trình môn Hóa học lập thể

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH ( KHOA HÓA ) HÓA HỌC LẬP THỂ VÕ THỊ THU HẰNG TP. HỒ CHÍ MINH-2002
MỤC LỤC Phần A: Lý thuyết Chương 1: Khái niệm cơ bản 5 Chương 2: Đồng phân quang học 17 Chương 3: Đồng phân hình học 38 Chương 4: Đồng phân cấu trạng của hợp chât không vòng 50 Chương 5: Cấu trạng của hợp chất vòng no 62 Chương 6: Hóa lập thể của dị tố và Polymer 92 Chương 7: Hóa lập thể động 113 Phần B Bài tập Đồng phân quang học 128 Đồng phân hình học 132 Đồng phân cấu trạng 135 Phản ứng thế SN 138 Phản ứng tách 141 Phản ứng cộng 144 Tài liệu tham khảo 148
LỜI NÓI ĐẦU Hoá học lập thể (Stereochemistry) là một khoa học nghiên cứu về cấu trúc không gian của vật chất và ảnh hưởng của cấu trúc này đến tính chất của chúng. Hoá học lập thể cổ điển chỉ chú trọng đến các đồng phân lập thể ở trạng thái tĩnh như đồng phân hình học, đồng phân quang học. Nhưng gần đây do sự phát triển của học thuyết về cấu trạng (conformation) và phân giải cấu trạng (confornational analysis); về sự tổng hợp định hướng lập thể trong các phản ứng hoá học; về quy tắc bảo toàn tính đối xứng của các orbital Cùng với sự xuất hiện các phương pháp vật lý như quang phổ tử ngoại, quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân, nhiễu xạ tia X, nhiễu xạ electron Các nghiên cứu về hóa học lập thể đã cho ta nhiều hiểu biết mới về sự phụ thuộc của các tính chất và những đặc tính tinh vi về sự phân bố không gian của các nguyên tử trong phân tử, trong việc giải thích cơ chế phản ứng và đặc biệt hóa lập thể còn giải thích được hoạt tính sinh lý khác nhau của các đồng phân lập thể. Hóa học lập thể động nghiên cứu những chuyển hóa chất khác nhau của các đồng phân lập thể gây nên bởi các đặc điểm cấu trúc không gian của chúng như hiện tượng racemic hóa trong phản ứng thế SN1, SR, SE, sự nghịch chuyển cấu hình trong phản ứng thế SN2, sự lưu trữ cấu hình trong phản thế SNi, epimer hóa trong phản ứng cộng AN vào hợp chất carbonyl Nhiều công trình nghiên cứu về hóa học lập thể được đánh giá cao, một số được trao giải Nobel về hóa học, phản ảnh vai trò tầm cỡ của môn học này. Với tính chất quan trọng của hóa học lập thể, một lĩnh vực không thể thiếu được đối với hóa học hiện đại, nên sự ra đời quyển sách này hy vọng giúp các sinh viên chuyên hóa
bổ sung kiến thức và hỗ trợ cho quá trình học tập và nghiên cứu của mình. Do khả năng còn nhiều hạn chế nên chắc chắn không thể tránh những thiếu sót. Rất mong nhận được các ý kiến đóng góp chân thành của quý đồng nghiệp và bạn đọc để sách được hoàn chỉnh hơn trong những lần tái bản sau. Tác giả
PHẦN A LÝ THUYẾT Chương 1:KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HÓA HỌC LẬP THỂ 1. 1 1.1. Phạm vi nghiên cứu của hóa học lập thể 1.2. Lược sử 1.2.1. Đặc tính của hợp chất triền quang 1.2.2. Thuyết carbon tứ diện 1.2.3. Đồng phân hình học 1.2.4. Đồng phân quang học 1.2.5. Đồng phân cấu trạng (đồng phân quay) 1.3. Cách biểu diễn nguyên tử carbon tứ diện. 1.3.1. Công thức chiếu hợp chất có một nguyên tử C 1.3.2. Công thức chiếu hợp chất có hai nguyên tử C 1.3.2.1. Công thức tam thứ nguyên 1.3.2.2. Công thức phối cảnh 1.3.2.3. Công thức Newman 1.3.2.4. Công thức Fischer 1.4. Cấu hình tương đối và cấu hình tuyệt đối 1.5. Danh pháp cấu hình 1.5.1. Danh pháp D,L 1.5.2. Danh pháp R,S 1.5.3. Danh pháp E,Z
1.1. PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA HÓA HỌC LẬP THỂ Công thức phẳng không thể mô tả đầy đủ các dạng của phân tử. Sự khảo sát về các khía cạnh kiến trúc của phân tử trong không gian tam thứ nguyên rất cần thiết. Đó là phạm vi nghiên cứu của Hóa lập thể. Muốn hiểu rõ hoạt tính của một hợp chất hữu cơ, trước hết người ta phải biết cách cấu tạo của nó và kế đó là xác định cấu hình của phân tử. Cấu tạo của phân tử là trật tự sắp xếp các nối các nguyên tử trong phân tử. Cấu hình của phân tử là cách sắp xếp trong không gian của những nguyên tử (hay nhóm nguyên tử) quanh tâm carbon đối xứng. Cấu trạng ưu đãi của hợp chất xác định bởi ảnh hưởng các nguyên tử hoặc các nhóm nguyên tử gần nhau (tương tác không nối). Kết quả của nối cộng hóa trị định hướng là sự tạo thành đồng phân lập thể gồm có đồng phân hình học và đồng phân quang học. Hóa học lập thể cổ điển chỉ chú trọng đến các phân tử ở trạng thái tĩnh liên hệ đến các đồng phân lập thể. Hiện nay, hóa học lập thể đã trở thành một trong những đề tài quan trọng nhất trong hóa học hữu cơ lý thuyết. Hóa học lập thể động khảo sát sự tương quan không gian giữa các nguyên tử và các nhóm nguyên tử chịu phản ứng, cùng ảnh hưởng của sự sắp xếp đó trên cân bằng hóa học và vận tốc phản ứng. 1.2. LƯỢC SỬ 1.2.1. Đặc tính của hợp chất triền quang Năm 1811, Arago đã phát hiện đầu tiên khả năng quay mặt phẳng ánh sáng phân cực gọi là tính quang hoạt. Năm 1813, Biot tìm thấy khả năng quay mặt phẳng ánh sáng phân cực ở tinh thể thạch anh. Năm 1815, Biot tìm thấy sự quay tương tự xảy ra với một số chất lỏng thiên nhiên: tinh dầu thông và dung dịch của một số chất rắn (như camphor). Sự khác biệt quan trọng giữa hai dữ kiện thực nghiệm vừa kể đã được Biot giải thích như sau:
- Khả năng quay mặt phẳng của ánh sáng phân cực của thạch anh liên quan với cơ cấu đặc biệt của tinh thể (vì nó mất hẳn khi tinh thể được nấu chảy). - Còn tính quang hoạt của hợp chất hữu cơ phải được liên kết với tính chất của nhiều phân tử riêng biệt (vì hiện tượng này đã được quan sát ở trạng thái lỏng và trạng thái khí cũng như trạng thái dung dịch). Năm 1821, Herschel chứng minh rằng một dạng của tinh thể thạch anh làm quay mặt phẳng của ánh sáng phân cực theo chiều quay kim đồng hồ, còn dạng đối quang (ứng với ảnh của dạng đầu trong gương phẳng) quay mặt phẳng phân cực theo chiều ngược lại. Như vậy năng suất quang hoạt liên quan mật thiết với tính bất đối xứng của tinh thể. Sau nhiều năm (1848 – 1853) khảo sát tính quang hoạt của hai acid trích từ cặn rượu nho, Pasteur xác nhận sự hiện hữu của hai acid tartric: một acid hữu triền: quay mặt phẳng của ánh sáng phân cực về bên phải (acid (+) tartric) và một acid không quang hoạt (tiêu triền): không quay mặt phẳng của ánh sáng phân cực (acid (±) tartric). Ngoài ra, Pasteur đã thành công trong việc tách hai acid tiêu triền thành acid (+): hữu triền và acid (-): tả triền (quay mặt phẳng của ánh sáng phân cực về bên trái). Hai acid này gọi là hai đồng phân đối quang (hai đồng phân đối hình). Theo Pasteur, tính quang hoạt không phải do tính bất đối xứng của tinh thể mà thật ra liên quan với tính bất đối xứng của chính các phân tử acid tartric quang hoạt. Sau đó, Pasteur còn tìm thấy một acid tiêu triền khác gọi là acid meso-tartric. Đây là một acid đối xứng nên không quay mặt phẳng của ánh sáng phân cực. Công thức Fischer của các acid tartric: COOH COOH COOH H OH H OH HO H HO H H OH H OH COOH COOH COOH (+) (-) Acid (±) tartricAcid gồ (+m -)m ộtartrict số bằng Acidnhau meso-tartricphân tử đối quang (có cấu hình ngược nhau) không có tính quang hoạt vì lý do bù trừ
ngoại phân tử, nhưng tách hai được thành acid (+) tartric và acid (-) tartric. Acid Meso-tartric không quang hoạt vì khả năng quay phải của một nguyên tử carbon bất đối bù hoàn toàn cho nguyên tử carbon quay trái nên acid meso-tartric còn được coi như một dạng không quang hoạt bù trừ nội phân tử. 1.2.2. Thuyết carbon tứ diện Năm 1858, Kekule chứng minh rằng trong các hợp chất hữu cơ, nguyên tử carbon có hóa trị 4, nghĩa là có khuynh hướng tạo nối với bốn nguyên tử hoặc bốn nhóm. Khái niệm này rất quan trọng và đã giúp các nhà hóa học lúc bấy giờ giải thích sự tương quan giữa tính quang hoạt và tính bất đối xứng phân tử. Năm 1874, Le Bel và Van’t Hoff nhận thấy đồng thời và độc lập với nhau rằng tính bất đối xứng phân tử được tạo ra khi bốn nhóm khác nhau nối với một carbon không phẳng. Chính Van’t Hoff đã đề nghị sự sắp xếp tứ diện của bốn hóa trị của nguyên tử carbon, nghĩa là bốn hóa trị này hướng về bốn đỉnh của một tứ diện với nguyên tử carbon ở tâm của nó. Nguyên tử C tứ diện liên kết với bốn nguyên tử (hay nhóm nguyên tử) khác nhau gọi là nguyên tử bất đối xứng. Hậu quả là hai sự sắp xếp khác nhau có thể tồn tại như vật và ảnh trong gương phẳng, không chồng lên nhau được. Thí dụ: Acid lactic có hai đồng phân quang học: COOH COOH H OH HO H CH CH3 3 Acid (+) lactic Acid (–) lactic Nếu một nguyên tử carbon nối với hai (hay nhiều hơn) nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử thì vật và ảnh sẽ chồng lên nhau được và tính quang hoạt mất hẳn.
Năm 1913, Bragg đã chứng minh được sự phân bố tứ diện của nguyên tử Carbon bởi nhiễu xạ tia X của kim cương. Những phương pháp vật lý khác như nhiễu xạ điện tử và phổ nghiệm cũng xác nhận đề nghị của Van’t Hoff. 1.2.3. Đồng phân hình học Từ năm 1875, Van’t Hoff đã đề nghị biễu diễn nối đôi trong etylen thế abC=Cab bằng mô hình hai tứ diện chung nhau một cạnh như sau: a a b a a b b b Xét về mặt hình hcisọc thì bốn nhómtrans thế nằm trên một mặt phẳng. Do đó, sự quay quanh nối đôi là không còn nữa và sự phân bố của nhóm thế giống nhau có thể ở cùng phía hoặc khác phía của mặt phẳng chứa nối đôi. a a a b b b b a cis trans (a ≠ b) Năm 1838, Liebig xác định được sự tồn tại của hai acid: maleic và fumaric là đồng phân của nhau. H H H COOH HOOC COOH HOOC H Mãiacid đế maleicn năm 1887, Wislicenusacid m furamicới chứng minh rằng đồng phân thực sự do sự hiện diện của một nối đôi trong phân tử. Đồng phân hình học không có ảnh hưởng trên ánh sáng phân cực phẳng, vì các phân tử có nối đôi không bất đối xứng, ngoại trừ trường hợp một nhóm gắn trên nối đôi có một nguyên tử Carbon bất đối xứng.
Đồng phân hình học thường liên quan với các hợp chất có nối đôi Carbon - Carbon, hoặc Carbon - Nitơ, hoặc Nitơ-Nitơ. Ngoài ra, các hợp chất cicloankan (vòng no) cũng có thể có đồng phân hình học. Đồng phân hình học dạng này thường liên quan với đồng phân quang học. Thí dụ: 1,2 – dimetylciclopropan có các đồng phân: CH 3 CH 3 CH3 H H CH 3 * * * H H H CH3 CH3 H Cis Trans (Meso) CAËP ÑOÁI QUANG 1.2.4. Đồng phân quang học (xem chương 2) 1.2.5. Đồng phân cấu trạng (cấu dạng, quay) Năm 1885, Baeyer đề xuất thuyết căng cho các hợp chất vòng no. Theo Baeyer, các cicloankan có cấu tạo là những đa diện đều và phẳng, sức căng góc trong vòng giảm dần từ ciclopropan đến ciclopentan, rồi gia tăng với các vòng lớn hơn. Thuyết Baeyer giải thích sự tồn tại các vòng năm, sáu cạnh với sự khiếm diện của các vòng nhỏ và lớn hơn lúc bấy giờ. Năm 1890, Sasche các vòng có thể ghềnh để đáp ứng điều kiện góc tứ diện và tồn tại dưới cấu trạng không phẳng và không căng. Sasche dự đoán ciclohexan tồn tại dưới hai dạng ghế và tàu, tuy nhiên những cố gắng đầu tiên để cô lập hai dạng này đều thất bại. Đến năm 1911, Mohr giải thích hai dạng ghế và tàu của ciclohexan biến đổi lẫn nhau dễ dàng. Mohr cũng tiên đoán sự tồn tại của decalin dưới hai dạng cis và trans không căng, hai dạng này được Huckel cô lập vào năm 1925.
1.3. CÁCH BIỂU DIỄN NGUYÊN TỬ CARBON TỨ DIỆN 1.3.1. Biểu diễn phân tử chứa một nguyên tử C Để biểu diễn công thức tam thứ nguyên của phân tử trên mặt phẳng giấy, người ta dùng một vòng tròn để tượng trưng cho nguyên tử Carbon nằm trong mặt phẳng, các nối ở trên mặt phẳng xuất phát từ một điểm trong vòng (đậm nét) và các nối ở dưới mặt phẳng xuất phát từ một điểm trên vòng tròn (chấm nét). Để đơn giản có thể không vẽ vòng tròn. CAÙCH BIEÅU DIEÃN PHAÂN TÖÛ METAN H H H H H H H H H H H Công thức chiếu FischerH của Metan H H H H H H H H 1.3.2. Biểu diễn phân tử chứa hai nguyên tử C - Công thức tam thứ nguyên của Etan H H H H H - Công thức phối Hcảnh: nhìn theo trục C – C H H H H H H
- Công thức chiếu Newman: trục C – C để vuông góc với mặt phẳng chiếu, nguyên tử C gần nhất được biểu diễn bằng vòng tròn, các liên kết với C này xuất phát từ tâm vòng tròn. H H H H H - Công thức chiếu Fischer:H mạch chính của phân tử hướng theo chiều thẳng đứng, các liên kết hai bên là những liên kết hướng về phía trên mặt phẳng, các liên kết đầu trên và đầu dưới là những liên kết hướng về phía dưới mặt phẳng. H H H H H H H H H H H H 1.4. CẤU HÌNH TUYỆT ĐỐI VÀ CẤU HÌNH TƯƠNG ĐỐI - Cấu hình tuyệt đối: là cấu hình thực sự của phân tử trong không gian. Danh từ hữu triền (quay phải) và tả triền (quay trái) cho biết chiều quay của mặt phẳng ánh sáng phân cực bị tác động bởi chất hữu cơ. Đây là kết quả có từ thực nghiệm, người ta không thể tiên đoán dạng nào trong hai dạng đối quang ứng với dạng tả triền hay hữu triền. - Cấu hình tương đối: Trước năm 1951, người ta không có phương pháp nào để xác định cấu hình dạng hữu triền hay tả triền của hai dạng đối quang. Tuy nhiên, người ta có thể xác định cấu hình của các chất quang hoạt đối với nhau và đối với hợp chất mẫu có cấu hình đã biết. Cấu hình này gọi là cấu hình tương đối. 1.5. DANH PHÁP CẤU HÌNH 1.1.1. Danh pháp D,L Hợp chất được chọn làm mẫu là gliceraldehid: - Cấu hình của dạng hữu triền được Fischer qui định là D (+) gliceraldehid.
- Cấu hình của dạng tả triền được gọi là L (-) gliceraldehid. CHO CHO H OH HO H CH OH CH OH 2 2 D-(+)-gliceraldehid L-(-)-gliceraldehid Kí hiệu: D, L là cấu hình tuyệt đối Dấu (+) hay (-) liên hệ đến chiều quay Qui tắc Fischer được chấp nhận một cách rộng rãi và các hợp chất có cấu hình liên quan đến D (+) gliceraldehid đối với chiều hướng của –H và –OH gọi là đồng phân D, dù chúng là hữu triền hay tả triền. Thí dụ: CHO COOH PBr HgO 3 H * OH H * OH CH2OH CH2OH Acid D-(+)-gliceric Acid D-(-)-gliceric COOH COOH Zn/HCl H * OH H * OH CH CH2Br 3 Acid D-(-)-3-bromo-2-hidroxipropanoic Acid D-(-)-lactic Trong sự tương quan giữa andehid D (+) gliceric với acid D (- ) gliceric không có phản ứng nào làm thay đổi cách sắp xếp bốn liên kết với nguyên tử Carbon bất đối xứng. Vì thế các hợp chất đều có cấu hình D. Nếu phân tử có nhiều nguyên tử Carbon bất đối xứng, cấu hình của một tâm thường được liên kết trực tiếp hoặc gián tiếp với gliceraldehid, còn cấu hình của các tâm khác được xác định đối với tâm thứ nhất. Thí dụ: glucoz trong thiên nhiên có công thức: CHO H OH H O H H OH H OH CH2 OH D (+) glucoz
Theo qui ước dùng cho hợp chất đường, cấu hình chung của một phân tử được xác định bởi cấu hình của nguyên tử Carbon bất đối xứng mang chỉ số cao nhất với gliceraldehid (Carbon số 5 trong glucoz). Đối với ( - Aminoacid hợp chất mẫu là L (-) Serin COOH H2N H CH OH Cấu hình của các ( - Aminoacid2 có nhiều nguyên tử Carbon bất đối xứng được xác định bởi Carbon bất đối xứng có chỉ số thấp nhất (nguyên tử Carbon ( đối với nhóm –COOH). COOH CHO HO H H2N H H OH H OH CH OH CH3 2 L (-) Treonin D (-) Treonin So sánh trật tự: liên kết của Treonin và Treoz có sự giống nhau, Treoz có cấu hình D theo qui ước hợp chất đường, cấu hình L theo qui ước hợp chất aminoacid. Sự kiện này đưa đến một sự nhầm lẫn quan trọng trong việc xác định cấu hình các hợp chất khác đường và ( - aminoacid. Để giải quyết vấn đề này, người ta dùng chữ g (gliceraldehid) để biểu thị qui ước đường, và chữ s (Serin) để biểu thị qui ước aminoacid. COOH Acid Ds (+) tartric H OH Acid Lg (+) tartric H O H COOH 1.5.2. Danh pháp R,S D (+) gliceraldehid và D (-) gliceraldehid có cấu hình giống hệt nhau nhưng quay mặt phẳng ánh sáng phân cực theo hai chiều ngược nhau. Như vậy, không có một hệ thức nào rõ rệt giữa cấu hình của một hợp chất và dấu chiều quay của nó. Mặt khác, dấu chiều quay của một vài hợp chất thay đổi theo nhiệt độ, nồng độ, dung môi, tính acid của dung dịch hay muối trung hòa.
Một danh pháp có hệ thống để biểu thị cấu hình là cần thiết. Hệ thống Cahn – Ingold Prelog (1956) dùng chữ: R (rictus: phải) và S (sinister: trái) để xác định cấu hình của các nguyên tử bất đối xứng C*abcd. - Xét thứ tự ưu tiên của các nhóm (theo qui tắc thứ tự ưu tiên) a > b > c > d. - Nhìn cách sắp xếp tứ diện các nhóm a,b, c từ phía xa nhất đối với nhóm ưu tiên thấp nhất d: o Nếu thứ tự a, b, c theo chiều kim đồng hồ thì cấu hình của C* là R. o Nếu thứ tự a, b, c ngược chiều kim đồng hồ thì cấu hình của C* là S a a d c d c b Cấu hình R Cấu hình bS 1.5.3. Danh pháp E,Z Đối với các anken mang các nhóm thế khác nhau a c b d Xét theo qui tắc thứ tự ưu tiên: a>b; c>d - E khi a, c ở vị trí trans đối với nhau - Z khi a, c ở vị trí cis đối với nhau Qui tắc thứ tự ưu tiên 1. Các nhóm ưu tiên được sắp xếp theo thứ tự giảm dần số điện tích hạt nhân nguyên tử của nguyên tử liên kết trực tiếp với C* Thí dụ -I > -Br > -Cl > -F -SO3H > -OH > -NH2 > -CH3 2. Nếu hai nguyên tử gắn trên C* giống nhau thì xét nguyên tử liên kết trực tiếp với nguyên tử đó. Nếu vẫn không chọn được ưu tiên thì xét tiếp nguyên tử thứ ba Thí dụ: -CR3 > -CHR2 > -CH2R > -CH3
-NR2 > -NHR > -NH2 3. Một nguyên tử liên kết đôi hay ba tương đương với hai nối đơn hoặc ba nối đơn với nguyên tử đó (chỉ có một liên kết thật, liên kết còn lại giả định có ưu tiên thấp hơn). Thí dụ: -CH=CH- tương đương với CH C -CHO tương đương với O C O -C(N tương đương với H N C N 4. Đồng vị có khối lượng lớn hơn được sắp xếp trN ước: T > D > H 5. Cấu hình cis ưu tiên hơn trans; R ưu tiên hơn S Thí dụ: COOH CH OH 2 H OH H C OH 3 CH3 CH2Br (R) (S) H CH 2-CH 3 F CH 2B r H 3C CH 3 H 3C CH 2O H ( E ) ( Z ) Trong công thức Fischer, để xác định cấu hình (R,S) ta có thể: - Đổi vị trí của hai nhóm gắn trên một nguyên tử C* dẫn đến dạng đối quang. - Và sự trao đổi lần thứ hai hoàn lại dạng đầu. Sau khi đổi liên tiếp hai lần các nhóm thế tại một nguyên tử C* sao cho nhóm có ưu tiên thấp nhất xuống dưới, rồi xét chiều quay của ba nhóm còn lại. CO OH COOH H 3NH H 2N CH 3 2 ( R ) C H H CO O H H H OH HO COOH ( R ) ( S ) H OH HO COOH CO O H H
Chương 2: ĐỒNG PHÂN QUANG HỌC 2. 1 2.1. Ánh sáng phân cực và tính chất của nó 2.2. Những chất quang hoạt 2.3. Phân cực kế 2.4. Hợp chất quang hoạt có hai hay nhiều Carbon bất đối khác nhau 2.5. Hợp chất quang hoạt có hai hay nhiều Carbon bất đối giống nhau 2.6. Hợp chất quang hoạt không có Carbon bất đối 2.6.1. Tính bất đối xứng của phân tử Trung tâm không trùng vật – ảnh Tính quang hoạt do có trục không trùng vật – ảnh Tính quang hoạt do có mặt phẳng không trùng vật – ảnh 2.6.2. Tính đặc thù lập thể của các quá trình hóa sinh 2.7. Biến thể RACEMIC (dạng tiêu triền) 2.7.1. Bản chất của biến thể Racemic 2.7.2. Sự tạo thành biến thể Racemic 2.7.2.1. Phương pháp trộn lẫn 2.7.2.2. Phương pháp tổng hợp 2.7.2.3. Phương pháp Racemic hóa 2.7.3. Tính chất của biến thể Racemic 2.7.3.1. Hỗn hợp Racemic 2.7.3.2. Hợp chất Racemic 2.7.3.3. Dung dịch Racemic rắn 2.7.4. Sự tách riêng biến thể Racemic thành các đối quang 2.7.4.1. Phương pháp nhặt riêng và “kết tinh tự phát” 2.7.4.2. Phương pháp hóa học 2.7.4.3. Phương pháp tạo phức phân tử 2.7.4.4. Phương pháp sắc ký
2.1. ÁNH SÁNG PHÂN CỰC VÀ TÍNH CHẤT Theo thuyết điện từ của ánh sáng thì ánh sáng tự nhiên (ánh sáng thường) gồm nhiều sóng điện từ, có vectơ điện hướng theo tất cả các hướng trong không gian và vuông góc với phương truyền sóng. (4 (2) ( 3 ) ( 1 ) Hình 1 – Sơ đồ dao động của ánh sáng thường và ánh sáng phân cực (1) Ánh sáng đơn sắc (2) Lăng kính Nicol (3) Ánh sáng phân cực (4) Mặt phẳng phân cực Nếu cho tia ánh sáng tự nhiên qua kính lọc màu để tạo ánh sáng đơn sắc (có độ dài sóng giống nhau, cũng dao động trong những mặt phẳng thẳng góc với phương truyền sóng). Cho chùm tia đơn sắc đi qua lăng kính Nicol và do sự bố trí nhất định của kính này thì chỉ có tia sáng phân cực phẳng đi qua, tia sáng này chỉ dao động trong một mặt phẳng thẳng góc với phương truyền gọi là ánh sáng phân cực phẳng. 2.2. CHẤT QUANG HOẠT Năm 1813, nhà vật lý học người Pháp Biot khi nghiên cứu sự tương tác của ánh sáng phân cực với chất đã phát hiện trong thiên nhiên tồn tại hai dạng tinh thể thạch anh: một dạng làm quay mặt phẳng của ánh sáng phân cực phẳng sang phải và dạng kia làm quay sang trái. Tương tự, một số hợp chất khác: HgS, NaCl, ZnSO4 cũng có đặc tính trên. Đến năm 1815, Biot lại phát hiện được rằng một số chất hữu cơ: đường, dầu thông, campho, acid tartric cũng làm quay mặt phẳng dao động của ánh sáng phân cực phẳng và khi ở trong dung dịch hay ở trạng thái lỏng chúng vẫn giữ đặc tính này. Do đó, tính quang hoạt không phải do cấu trúc tinh thể mà do cấu trúc của những phân tử riêng biệt. Như vậy, tính chất làm
quay mặt phẳng của ánh sáng phân cực được gọi là tính quang hoạt và chất tương ứng được gọi là chất quang hoạt. 2.3. PHÂN CỰC KẾ Phân cực kế là dụng cụ dùng để đo độ quay cực của các chất quang hoạt. Phân cực kế gồm các bộ phận chính sau: - Lăng kính Nicol cố định dùng làm kính phân cực để chuyển ánh sáng đơn sắc chiếu vào nó thành ánh sáng phân cực. - Lăng kính Nicol thứ hai dùng làm kính phân tích, lăng kính này quay được, góc quay có thể tính theo thang chia độ. (2) (3) (8) (5) (4) (7) (6) (1) (1) Nguồn sáng (5) Mặt phẳng bị quay (2) Lăng kính Nicol (6) Thang chia độ (3) Ánh sáng phân cực (7) Lăng kính Nicol phân tích (4) Ống đựng chất khảo sát (8) Thị kính Lăng kính Nicol phân tích phải được bố trí sao cho khi nó ở vị trí số không thì các trục của những tinh thể của hai lăng kính song song nhau. Khi đó, ánh sáng phân cực được sinh ra bởi lăng kính thứ nhất dễ dàng đi qua lăng kính thứ hai. Như vậy kính phân tích dùng để xác định xem mặt phẳng phân cực bị quay đi một góc bao nhiêu độ dưới ảnh hưởng của chất khảo sát. Đặt ống đựng chất lỏng tinh khiết hoặc dung dịch chất khảo sát giữa kính phân tích và kính phân cực. Độ quay cực riêng của chất quang hoạt: t 100α [α] = λ l.c
( : góc quay đo được trên máy (tính bằng độ) t : nhiệt độ khi đo (0C) ( : độ dài sóng của ánh sáng sử dụng của Hg ( = 546 nm của Na ( = 589 nm l : chiều dài của ống đựng chất khảo sát (dm) c : số gam chất có trong 100 ml dung dịch Đối với chất lỏng tinh khiết: t α [α] = λ l.d Thực tế, người ta hòa tan a gam chất vào 1 bình nhỏ dung tích V ml: t α . V [α] = λ l.a Góc quay của chất quang hoạt phụ thuộc vào: - Độ dài sóng của ánh sáng phân cực (() - Nhiệt độ khi đo (t0C) - Chiều dài của dụng cụ đựng chất (l) - Dung môi và nồng độ của dung dịch (đối với dung dịch) Thí dụ: đối với dung dịch 20% trong nước của acid (+) tartric, đo ở 200C, độ dài sóng D thì độ quay cực riêng: 20 o [α] = +11,98 D Độ quay cực riêng của một chất là một hằng số, đặc trưng cho hợp chất quang hoạt, tương tự như nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy được dùng đặc trưng cho hợp chất hữu cơ. Độ quay cực phân tử gam t t [α]λ . M [M] = λ 100 M : phân tử gam của chất quang hoạt
2.4. HỢP CHẤT QUANG HOẠT CÓ HAI HAY NHIỀU CARBON BẤT ĐỐI KHÁC NHAU Rất nhiều hợp chất tự nhiên như: glucid, protid, steroid, ancaloid trong phân tử có nhiều nguyên tử C*, cho nên việc nghiên cứu về mặt hóa học lập thể những hợp chất loại này là rất quan trọng. Hợp chất có n nguyên tử C* bất đối khác nhau thì có: N = 2n đồng phân quang học Thí dụ 1: n = 1 OH Acid lactic H C CH COOH có hai đồng phân quang học lập thành m3 ột cặp đối quang : COOH COOH H OH HO H CH CH 3 3 Thí dụ 2: n = 2 cóAcid bố n(R) đồ Lacticng phân quangAcid học (S) Lactic Glucid tetroz * * CH2OH CHOH CHOH CHO CHO CHO CHO CHO H OH HO H H OH HO H HO H H OH H OH HO H CH OH CH OH CH OH CH OH 2 2 2 2 (A1) (A2) (A3) (A4) (2R,3R) (2S,3S) (2R,3S) (2S,3R) (A1) và (A2); (A3) và (A4) : cặp đối quang (A1) và (A3); (A1) và (A4) cặp bán đối quang (A2) và (A3); (A2) và (A4) (đồng phân lập thể dia)
Đồng phân eritro – treo CHO CHO CHO CHO HO H HO H H OH H OH HO H H OH HO H H OH CH OH CH OH CH2OH 2 CH2OH 2 (A1) (A2) (A3) (A4) (A1) ; (A2) : đồng phân Eritro (A3) ; (A4) : đồng phân Treo Đồng phân eritro: khi quay quanh trục liên kết C2*-C3* sao cho các cặp nhóm (hay nguyên tử) giống nhau đến vị trí che khuất từng đôi một. Đồng phân treo: cũng quay tương tự trên nhưng không thể đem các cặp nhóm giống nhau đến vị trí che khuất với nhau cùng một lúc được. Đồng phân lập thể bán đối quang còn gọi là đồng phân lập thể không đối quang hay đồng phân lập thể dia. Hiện nay, khái niệm đồng phân lập thể dia được mở rộng hơn và bao gồm hai hiện tượng hóa học lập thể riêng rẽ nhau: - Đồng phân lập thể (-dia: là đồng phân lập thể không đối quang do có mặt từ hai nguyên tử C* bất đối trở lên; cũng như các đồng phân cis – trans ở các dẫn xuất hai lần thế của vòng no. - Đồng phân lập thể (-dia: thuộc loại đồng phân cis–trans của hợp chất có liên kết đôi trong phân tử. Trong môi trường đối xứng, tính chất của các đồng phân đối quang là giống nhau, còn của các đồng phân lập thể không đối quang (bán đối quang) thì lại khác nhau rất nhiều về tính chất vật lý và hóa học. Trong phân tử các chất đối quang, khoảng cách giữa các nguyên tử (hay nhóm nguyên tử) là giống nhau, do đó khả năng phản ứng của chúng đối với một tác nhân đối xứng là hoàn toàn giống nhau. Nhưng khi tác dụng với tác nhân bất đối xứng, các đối quang lại có khả năng phản ứng khác nhau (thí dụ trong phản ứng hóa sinh thường chỉ có một trong hai đối quang tham gia phản ứng với enzim). Điều này để giải thích sự khác nhau về mùi, vị và hoạt tính dược lý của các đối quang. Còn các
đồng phân bất đối quang, khoảng cách giữa các nguyên tử (hay nhóm nguyên tử) khác nhau nên có sự khác nhau về nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy, tính tan và các đặc trưng về phổ Năng lượng tự do của các đồng phân bán đối quang không giống nhau nên chúng có khả năng phản ứng khác nhau. 2.5. HỢP CHẤT QUANG HOẠT CÓ HAI HAY NHIỀU CARBON BẤT ĐỐI GIỐNG NHAU * Hợp chất có n C* giống nhau Soá ñoàng phaân Dạng quang hoạt Dạng meso Soá nguyeân töû C* n = số chẵn 2n-1 2(n-2)/2 n = số lẻ 2n-1 – 2(n-1)/2 2(n-1)/2 Thí dụ: Acid tartric * HOOC CH* CH COOH OH OH n = 2 có hai dạng quang hoạt và một dạng Meso COOH COOH COOH H OH H OH HO H H OH HO H H OH COOH COOH COOH Acid Meso-tartric Acid (±) tatric * Hỗn hợp đồng phân tử acid (+) tartric và acid (-) tartric là một dạng không quang hoạt (biến thể racemic; hỗn hợp tiêu triền) là do bù trừ của hai phân tử đối quang. * Đồng phân acid meso-tartric không quang hoạt do sự bù trừ nội phân tử, không thể dùng phương pháp tách riêng để tách nó thành hai đối quang được.
Thí dụ 2: Acid 2,3,4 - Trihidroxiglutaric (n = 3C*) có hai dạng quang hoạt và hai dạng meso C OO H COO H COOH C OO H H OH H OH H OH HO H Mpđx H OH HO H H OH HO H H OH H OH HO H H OH COOH COOH COOH C OO H (I) (II) (III) (IV) 2 daïng meso 2 daïng quang hoaït Sự khác nhau về tính chất vật lý giữa hai dạng meso, dạng meso ( I ) dễ dàng tạo thành dạng lacton (có nhiệt độ nóng chảy không rõ) còn dạng meso (II) lại bị nóng chảy (Tnc = 1520C) mà không có sự thay đổi về mặt hóa học. Hai dạng đối quang (III), (IV) đều có nhiệt độ nóng chảy bằng 1280C. Chú ý: C3* chỉ là bất đối trong hợp chất meso (I), (II) nên gọi là C3* bất đối xứng giả định. C3 không bất đối trong hợp chất (III), (IV) vì cấu hình của C2, C4 hoàn toàn giống nhau. 2.6. HỢP CHẤT QUANG HOẠT KHÔNG CÓ CARBON BẤT ĐỐI 2.6.1. Tính bất đối xứng của phân tử Khái niệm tính quang hoạt từ lâu gắn liền với sự bất đối xứng của phân tử. Vậy thuật ngữ “sự không trùng vật-ảnh” (chirality) có nghĩa là gì? Thí dụ: xét hai chất quang hoạt là acid lactic (1) và acid tartric (2) COOH COOH H OH H OH HO H CH 3 COOH (1) (2) (1) là một phân tử bất đối xứng (2) có trục đối xứng bậc hai đi qua tâm của phân tử (trục này vuông góc với mặt phẳng vẽ) và do đó phân tử acid
tartric không thể xem là bất đối xứng, mà là “không trùng vật- ảnh” Do đó, điều kiện đủ để xuất hiện đồng phân quang học là sự bất đối xứng; song không phải là điều kiện cần, điều kiện cần và đủ là “sự không trùng vật-ảnh”. 2.6.1.1. Trung tâm không trùng vật – ảnh Trung tâm không trùng vật ảnh có thể là C*, Si*, P*, S* (xem cặp electron tự do là nhóm thế thứ tư). Thí dụ: COOH Ph * H Si CH 3 H * OH CH Acid lactic3 Metyl α-naphtyl phenylsilan ( 1 ) ( 2 ) O CH H C 3 3 S Ph P . OCH3 CH 3 Metyl para–tolylsulfoxit Orto-Anisylmetylphenylphosphin ( 3 ) ( 4 ) Trong hợp chất (3), (4) các nhóm thế xung quanh trung tâm vật không trùng vật-ảnh được phân bố theo hình tháp, tuy nhiên những cấu trúc này có thể dẫn đến tứ diện, nếu xem cặp electron tự do là nhóm thế thứ tư. 2.6.1.2. Tính quang hoạt do có trục không trùng vật – ảnh a ( b và c ( d (a có thể giống c và b có thể giống d) Nếu trong phân tử bốn nhóm thế a, b, c và d từng đôi một phân bố trên một trục và không nằm trong cùng một mặt phẳng, như được biểu diễn dưới dạng “một tứ diện bị kéo căng” thì xuất hiện tính quang hoạt. Trục của phân tử như vậy gọi là “trục không trùng vật-ảnh”. * Trục không trùng vật-ảnh tồn tại ở các hệ:
a) Cumulen: (số chẵn nối đôi như alen) c a a c C C C C C C b Q) d b d P) (a ( b) và (c ( d) (P) ( (Q) ALEN b) Biphenyl: mang nhóm thế Đồng phân không gian do sự cản quay tự do xung quanh liên kết đơn COOH HOOC NO O2N 2 HOOC COOH NO O N 2 2 Acid 6,6’- dinitro-biphenyl- 2,2’-dicarboxilic Trong phân tử biphenyl, hai nhân benzen có thể quay tự do quanh trục Carbon - Carbon trung tâm; nhưng khi phân tử có mang nhóm thế có kích thước lớn tại các vị trí (2, 6, 2’, 6’) thì sự quay bị cản trở, hai nhân benzen không còn ở vị trí cùng phẳng do trở ngại lập thể phát sinh từ những nhóm thế có kích thước lớn ở các vị trí orto, vì thế hệ phân tử trở nên cứng chắc. Thực tế, người ta đã tách hai được hai dạng đối quang của acid trên. * Điều kiện chủ yếu để biphenyl thế có tính quang hoạt là các nhóm thế phải có kích thước khá lớn để cản trở sự quay tự do và mỗi nhân benzen phải được thế không đối xứng. Ngoài ra, hai nhóm thế orto không cần phải gắn trên hai nhân khác nhau. Thí dụ: 3,3’- diamino - 2, 6 – dibromo - 4, 4’ - dimetyl biphenyl cũng đã được tách hai. Br NH2 H3 C CH3 H2 N Br
c) Ankiliden ciclan: Nếu thay thế một nối đôi trong alen bằng một vòng, về mặt hình học của phân tử không thay đổi. Các ankiliden mang những nhóm thế thích hợp có thể có đồng phân quang học. Thí dụ: với Acid 4 - metylciclohixiliden acetic đã được tách hai thành hai dạng đối quang : H COOH HOOC H CH H3C H H 3 Một số hợp chất có liên kết đôi C=N như oxim, semi carbazon, phenyl hidrazon cũng đã được tách hai, nhưng các đồng phân quang học này không bền và bị racemic hóa nhanh chóng. ơ R N . HOOC . Dẫn xuất của 4 - carboxiciclohexilidenimin với R: OH NH CNH 2 O N C Ph Ph O d) Spiran: sự thay thế hai liên kết đôi trong Alen bằng hai vòng dẫn đến một hệ vòng có chung một cạnh (hai vòng đối đỉnh): Spiran. Nếu hai vòng mang những nhóm thế trên hai nguyên tử carbon tại hai đầu của hệ nằm trong hai mặt phẳng thẳng góc với nhau thì chúng có đồng phân quang học. Thí dụ: Acid spiro [3,3] heptan - 2, 6 - dicarboxilic và 2, 6 - diamino spiro [3,3] heptan H H H H R R R R
R = _ COOH hay _ NH2 2.6.1.3. Tính quang hoạt do có mặt phẳng không trùng vật – ảnh Mặt phẳng không trùng vật-ảnh có ở các hợp chất ansa. Thí dụ: (A) * (R) - 14 – Bromo - 1,12 - dioxa [12] paraciclofan (B) * (E) ciclo octen đều có mặt phẳng không trùng vật-ảnh nằm trong mặt phẳng giấy O Br H H (CH ) 2 8 H H O (R) (S) (A) (B) 2.6.2. Tính đặc thù lập thể của các quá trình hóa sinh Các đối quang không khác nhau về lý tính và hóa tính thông thường nhưng nhiều khi lại khác nhau rõ rệt về tác dụng sinh lý. Thí dụ: (-) Nicotin có trong thuốc lá độc hại hơn (+) Nicotin vài lần hoặc các đối quang của aminoacid có vị khác nhau như L- asparagin và L-tritophan không có mùi vị, còn L-leuxin và L- Tyroxin có vị đắng trong khi các đồng phân D - tổng hợp có vị ngọt. Acid L-glutamic thiên nhiên có vị ngọt, muối Natri của acid L-glutamic là bột ngọt (mì chính) dùng làm gia vị thực phẩm; còn acid D-glutamic không có đặc tính ấy. Do có tác dụng sinh lý khác nhau, các đối quang của nhiều hợp chất được dùng làm thuốc chữa bệnh. Thí dụ: R (-) epinephrin thiên nhiên, một hormon chính của tuyến thượng thận. Do đó khi cho người bệnh uống epinephrin tổng hợp, thì chỉ R (-) epinephrin có hiệu ứng kích thích giống
như hormon thiên nhiên, còn S (+) epinephrin không có hiệu ứng kích thích mà lại gây độc nhẹ. Tính đặc thù lập thể cũng biểu hiện rõ ở các hợp chất bảo vệ thực vật. Thí dụ trong tám đồng phân của C6H6Cl6 (6,6,6) chỉ có đồng phân ( có hoạt tính trừ sâu mạnh. Cl * CH Cl Cl Cl CCl3 Cl X (C) (D) X Cl Đồng phân ( _ của 6,6,6 (D.D.T)
Hoặc khi nghiên cứu một loạt các hóa chất trừ sâu và khả năng quay tự do trong phân tử kiểu D.D.T, người ta nhận thấy nếu các hợp chất kiểu (D), các nhóm thế X ở vị trí orto làm giảm tính trừ sâu. * Acid cis-cinamic kích thích mạnh sự tăng trưởng của cây, trong khi acid trans-cinamic lại không có hoạt tính ấy. Nguyên nhân của những khác nhau về hoạt tính sinh lý là sự khác nhau về cấu trúc không gian (khác nhau về cấu hình) và có thể giải thích như sau: i) Các đối quang có thể được phân bố khác nhau trong mô tế bào của cơ thể sống. 2i) Các đối quang có thể có ái lực khác nhau đối với cơ quan thụ cảm (Receptor). Sự khác nhau này là do với những đối quang nào chúng có khả năng tương tác được chứ không do tính chất bất đối xứng. 3i) Các enzim trong cơ thể sống đều bất đối xứng nên chúng có khả năng phân biệt các đối quang, thông thường chỉ một trong hai đối quang là phù hợp với tâm enzim. 2.7. BIẾN THỂ RACEMIC (dạng tiêu triền) 2.7.1. Bản chất của biến thể racemic Biến thể racemic (dạng tiêu triền) là một hỗn hợp đồng phân tử (equimolar) của hai đồng phân đối quang của một chất có phân tử bất đối xứng. Do đó trị số quay cực của tập hợp này bằng không. Thường được ký hiệu là (±) hay D,L. 2.7.2. Sự tạo thành biến thể Racemic 2.7.2.1. Phương pháp trộn lẫn Phương pháp đơn giản nhất để điều chế các biến thể racemic là trộn kĩ số lượng đồng phân tử của hai dạng đồng phân hữu triền (quay phải) và tả triền (quay trái): quá trình này gắn liền với sự thay đổi Entropi bởi vì biến thể racemic ở trạng thái hỗn loạn hơn các đối quang riêng biệt. Entropi của sự trộn lẫn: (S = - Rx1Lnx1 = Rx2Lnx2 (biến thể racemic: x1 = x2 = 1/2) ( (S = 5,8 ( J/độmol. Sự thay đổi năng
lượng tự do khi tạo thành biến thể racemic từ các đối quang sẽ là (F = - T(S = -1,755 KJ/mol ở nhiệt độ phòng. 2.7.2.2. Phương pháp tổng hợp Bằng phương pháp tổng hợp các phân tử bất đối xứng, người ta nhận được biến thể racemic nếu đi từ các phân tử đối xứng này từ biến thể racemic mà không dùng tác nhân quang hoạt, xúc tác hay một tương tác vật lý bất đối xứng nào. COOH COOH COOH P 2H C H + 2 Br Br C H + H C Br + 2 HBr 2 CH CH CH 3 3 (+) 3 (-) Acid propionic Acid (±) α-Brompropionic O OH OH NC H H H H CN H + HCN H + H H H H H H * Phản ứng cộng HCN và acetaldehid (CH3-CHO) cho hỗn hợp hai đối quang với số lượng bằng nhau. 2.7.2.3. Phương pháp racemic hóa Phép biến đổi một dạng đối quang tinh khiết của một chất quang hoạt tạo thành hỗn hợp racemic tương ứng gọi là sự racemic hóa. Sự racemic hóa có thể xảy ra dưới ảnh hưởng của nhiệt, ánh sáng hay hóa chất. 2.7.3. Tính chất của các biến thể racemic Thông thường ở trạng thái khí, lỏng hay dung dịch, biến thể racemic là hỗn hợp (gần như lý tưởng) của những lượng bằng nhau của các phân tử đối quang có tính chất vật lý (nhiệt độ sôi, khối lượng riêng, chiết suất, phổ hồng ngoại) giống tính chất vật lý của các dạng đối quang tinh khiết. Đối với trạng thái rắn, tính chất của các (dạng tiêu triền) biến thể racemic và các đối quang khác xa nhau do lực giữa các tinh thể rất đặc thù và rất nhạy kể cả khi thay đổi một chút về mặt hình
học. Kết quả là ở trạng thái rắn người ta thường gặp sự khác biệt về tính chất lý tưởng và có khả năng trong ba trường hợp sau: 2.7.3.1. Hỗn hợp racemic (racemic mixture) Có trường hợp là trong tinh thể, một đối quang có ái lực đối với những phân tử cùng loại đối quang đó lớn hơn là đối với những phân tử của đối quang kia. Trong trường hợp này, nếu sự tạo thành tinh thể bắt đầu từ phân tử của dạng (+) thì chỉ có những phân tử (+) sẽ tham gia vào sự lớn lên về sau của tinh thể. Do đó tinh thể vĩ mô sẽ tương ứng với dạng (+) [cũng tương tự như thế đối với dạng (-)]. Như vậy biến thể racemic là hỗn hợp các tinh thể của cả hai dạng này. Tonóng chảy Độ tan 0% 50%(+) 100%(+) 0% 50%(+) 100%(+) 100%(-) 50%(-) 0% 100%(-) 50%(-) 0%(-) ( Giản đồ nhiệt nóng chảy và tính tan của hỗn hợp racemic.) Hỗn hợp racemic là một hỗn hợp các tinh thể dạng (+) và dạng (-), tính chất của nó giống tính chất của các đối quang tinh khiết. Điều đó thể hiện rõ ở ảnh chụp tia X của dạng bột và phổ hồng ngoại ở trạng thái rắn. Tuy nhiên, nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp racemic thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của các đối quang tinh khiết. Còn độ tan của hỗn hợp racemic thì lại cao hơn độ tan của các đối quang. 2.7.3.2. Hợp chất racemic (racemic compound) Những phân tử của một đối quang này thường có ái lực đối với phân tử của đối quang kia lớn hơn là đối với những phân tử cùng loại. Trong trường hợp này các phân tử đối quang ngược dấu được kết hợp đôi thành tế bào cơ bản của tinh thể. Như vậy tế bào sẽ chứa một lượng bằng nhau của các phân tử (+) và (-). Hợp chất loại này gọi là “hợp chất racemic” (thường tồn tại ở trạng thái rắn). Các hợp chất racemic là những hợp chất thực chúng khác biệt với các đối quang về tính chất vật lý như khác nhau về phổ hồng ngoại ở
trạng thái rắn, khác nhau về ảnh chụp tia X ở dạng bột, khác về nhiệt độ nóng chảy và độ tan. Tonóng chảy Độ tan 0% 50%(+) 100%(+) 0% 50%(+) 100%(+) 100%(-) 50%(-) 0% 100%(-) 50%(-) 0%(-) (Giản đồ Tonóng chảy và Độ tan của hợp chất racemic) 2.7.3.3. Dung dịch racemic rắn (racemic solid solution) Các biến thể racemic (đôi khi ở trạng thái rắn) có được tính chất gần như lý tưởng, đó là trường hợp chỉ có sự khác nhau rất nhỏ về ái lực giữa các phân tử có cùng và khác nhau về cấu hình. Trong trường hợp này, sự phân bố của các phân tử ở trạng thái rắn sắp xếp một cách ngẫu nhiên tạo thành dung dịch racemic rắn. Các tính chất vật lý của dung dịch racemic rắn (nhiệt độ nóng chảy, độ hòa tan ) giống tính chất của các dạng đối quang. Tonóng chảy 0% 50%(+) 100%(+) 100%(-) 50%(-) 0% ( Giản đồ Tonóng chảy của dung dịch racemic rắn) Có thể phân biệt: hợp chất racemic, hỗn hợp racemic hay dung dịch racemic rắn bằng cách so sánh phổ hồng ngoại của nó ở trạng thái rắn với phổ hồng ngoại của các đối quang. Chỉ có quang phổ của hợp chất racemic là khác với quang phổ của đối quang. Cũng có thể phân biệt ba dạng racemic bằng cách dùng giản đồ nhiệt độ nóng chảy, độ tan hay dùng phương pháp xác định tế bào cơ bản nhờ nhiễu xạ tia X (tế bào tinh thể cơ bản của hợp chất racemic có chứa những lượng bằng nhau của các phân tử của hai
dạng đối quang; còn của hỗn hợp racemic hay dung dịch racemic rắn chỉ gồm các phân tử của một đối quang mà thôi) 2.7.4. Sự tách riêng biến thể racemic thành các đối quang 2.7.4.1. Phương pháp nhặt riêng các tinh thể bất đối xứng và “kết tinh tự phát” Đối với hỗn hợp racemic thường tồn tại các kiểu tinh thể riêng biệt của dạng (+) và dạng (-) đối xứng nhau, nếu kích thước của những tinh thể này đủ lớn và nhận biết được bằng mắt thường thì ta có thể dùng kẹp nhặt riêng các phân tử có cấu hình khác nhau. Năm 1948, Pasteur là người đầu tiên đã tách riêng được tinh thể D - và L - Natri amoni tartrat; chúng kết tinh riêng biệt nhau từ một dung dịch của hỗn hợp racemic của hai chất đối quang (t ( 270C). Đa số các biến thể racemic đều kết tinh thành hợp chất racemic nên chỉ có một số ít hợp chất quang hoạt được tách riêng bằng phương pháp “kết tinh tự phát”. Gần đây , người ta cho “tạp chất có ích” vào dung dịch kết tinh để ngăn cản sự lớn lên của một trong các thành phần hỗn hợp racemic. Bằng phương pháp này, người ta nhận được các aminoacid có độ tinh khiết quang hoạt đến 90%, và đơn tinh thể hidrobenzoin nặng 3 gam có độ tinh khiết quang hoạt gần 100%. 2.7.4.2. Phương pháp hóa học dựa trên sự tạo thành các đồng phân lập thể không đối quang (bán đối quang). Dựa trên sơ đồ sau: D1D2 D1L1 + D2 L1D2 Khi tác dụng lên biến thể racemic D1L1 bằng một tác nhân bất đối xứng D2 thu được hai chất mới D1D2 và L1D2 là hai đồng phân bán đối quang. Các đồng phân bán đối quang khác nhau về: độ tan, áp suất hơi, hệ số hấp thụ nên được tách riêng nhau ra. Sự tách riêng biến thể racemic qua sự tạo thành các đồng phân lập thể bán đối quang gồm ba giai đoạn: • Tạo thành hai đồng phân bán đối quang
• Tách riêng hai đồng phân dựa vào tính chất khác nhau. • Phá vỡ phân tử đồng phân lập thể bán đối quang tinh khiết để tái tạo lại dạng đối quang ban đầu và tác nhân bất đối xứng. a) Tách riêng acid Theo sơ đồ R1 R1 R-COOH (+) R1 - + - + + RCOO NH R2 + RCOO NH R2 R-COOH (-) N(-)R2 R3 R3 R3 (hôïp chaát Racemic) (+) (-) (-) (-) + HCl + R1 muoái (+) (-) R-COOH (+) R2 N HCl keát tinh R3 (-) phaân ñoaïn + HCl + R1 muoái (-) (-) R-COOH (-) R2 NH Cl R3 (-) Để tách riêng các acid racemic thành đối quang, ta dùng các ancaloit sẵn có trong thiên nhiên như: Bruxin, strichnin, ephedrin, quinin, cinchonin, morphin hoặc các baz tổng hợp như ( - phenyl etylamin; metylamin. b) Tách riêng amin Để tách riêng các amin racemic ta dùng tác nhân bất đối xứng có tính acid: acid tartric, acid malic, acid glutamic (acid malic: * HOOC - CH2 - C HOH - COOH) Thí dụ: để tách rời hợp chất racemic ( - phenyletylamin ta dùng acid (+) tartric làm tác nhân bất đối theo sơ đồ: Ph Ph Tartrat (+)(+A) CH OH Acid (+) tartric 3 H NH2 + H2N H + * * Tartrat (+) (-A) CH (HOOC-CHOH-CHOH-COOH) 3 CH3 (+)A (-)A Muối tartrat (+)(-A) tan trong CH3OH kém hơn muối tartrat (+)(+A) do đó đồng phân (+)(-A) kết tinh ngay dưới dạng tinh khiết, nhất là khi đưa vào dung dịch vài tinh thể muối (+)(-A) có sẵn để làm mầm kết tinh. Để được muối hoàn toàn tinh khiết thường phải kết tinh lại một lần trong H2O rồi phá vỡ muối này bằng dung dịch kiềm và tách riêng (-) (-phenyletylamin ra khỏi dung dịch Natri tartrat. Bởi vì acid (+) tartric là một tác nhân rẻ
tiền nên việc tái sinh tác nhân bất đối xứng trong trường hợp này là không cần thiết. c) Tách riêng ancol: Các ancol racemic thường được tách riêng thành đối quang bằng hai phương pháp sau: - Este hóa ancol racemic bằng acid quang hoạt rồi tách riêng các este bằng phương pháp kết tinh phân đoạn. - Este hóa ancol bằng diacid để chuyển thành bán este có khả năng tạo muối với các baz quang hoạt. Thí dụ: để tách riêng hai đồng phân (+), (-) của rượu Sec- butylic ta tiến hành theo sơ đồ sau: O OH COOH Piridin C H H C C* C H + O 2 5 3 H 2 5 * C O C H Rượu (+)(-) O O CH3 _ + Bruxin (*) COO C H Taùch 2 chaát 2 5 H.Brunxin C O *CH (+) vaø (-) CH (+) O 3 ñaõ tinh cheá COOH +HCl C H 2 5 + Bruxin.HCl C O CH CH3 O CH CH CH OH 3 3 COONa hay 2 * + + HO * H H O H LiAlH +NaOH + 4 COONa dd CH2OH C2H5 C2H5
Công thức của Bruxin N CH3O CH O N 3 O 2.7.4.3. Phương pháp tạo phức phân tửO Khi chế hóa biến thể racemic bằng tác nhân bất đối mà tạo thành được phức tinh thể thì có thể thu được hai phức đồng phân bán đối quang khác nhau về độ hòa tan và sẽ có một đồng phân kết tủa trước. Sau đó phá vỡ phức này bằng cách đun nóng, hòa tan, bằng sắc ký hay chế hóa hóa học ta thu được một trong hai đối quang ban đầu. 2.7.4.4. Phương pháp sắc ký Để tách riêng biến thể racemic (±) X thành hai chất đối quang, ta cho (±) X qua cột nhồi chất hấp thụ bất đối xứng (viết tắt là (-) Chp), các đối quang tạo phức yếu với chất nhồi bất đối xứng (nhờ liên kết hidro) và ta có các phức bán đối quang (-) Chp (-) X và () Chp (+) X. Những phức này có tính chất vật lý khác nhau, khác nhau về năng lượng liên kết, về hằng số cân bằng tạo phức, do đó chúng có độ bền khác nhau, nghĩa là một chất đối quang (ít bền vững) đi qua cột nhồi chất hấp thụ bất đối xứng nhanh hơn đối quang kia và như vậy hai đối quang đã được tách riêng. Hiện nay, phương pháp sắc ký có vai trò quan trọng trong việc điều chế hợp chất quang hoạt và bao gồm cả ba loại: sắc ký lỏng, sắc ký lớp mỏng và sắc ký lỏng cao áp.
Chương 3: ĐỒNG PHÂN HÌNH HỌC 3.1. Bản chất của đồng phân hình học 3.2. Hợp chất có nối đôi Carbon - Carbon 3.2.1. Danh pháp 3.2.2. Hợp chất có một nối đôi và nhiều nối đôi 3.2.3. Tính chất vật lý của đồng phân hình học 3.2.3.1. Momen lưỡng cực 3.2.3.2. Nhiệt độ: nóng chảy, sôi, tỷ khối và chiết suất 3.2.3.3. Độ phân ly của acid 3.2.3.4. Phổ: tử ngoại, hồng ngoại, cộâng hưởng từ hạt nhân 3.2.4. Độ bền tương đối và sự chuyển hóa tương hổ giữa các đồng phân hình học 3.3. Hợp chất có nối đôi C=N và N=N 3.4. Hợp chất vòng no C
3.1. BẢN CHẤT CỦA ĐỒNG PHÂN HÌNH HỌC Điều kiện a ( b a a Điều kiện a ( b C C (Q) chứa liên kết ( b b (P) ⊥ (Q) P) Q) Theo cách giải thích hiện nay thì nguyên tử Carbon mang nối đôi ở trạng thái lai hóa sp2 nghĩa là chỉ có hai trong số ba electron p được lai hóa với electron s để tạo thành ba orbital lai hóa sp2. Ba orbital này nằm trên cùng một mặt phẳng, có trục đối xứng hợp nhau những góc 1200. Hai nguyên tử Carbon dùng hai orbital sp2 xen phủ lẫn nhau để tạo liên kết ( (C-C) và dùng các orbital sp2 còn lại để xen phủ với các orbital khác tạo các liên kết ( (C-a; C-b) năm liên kết ( nằm trong cùng mặt phẳng. Mỗi nguyên tử Carbon còn lại một electron ở orbital 2p, chúng xen phủ bên với nhau để tạo liên kết ( vuông góc với mặt phẳng chứa các liên kết (. Do sự hình thành liên kết ( đã triệt tiêu sự quay tự do và dẫn đến xuất hiện đồng phân cis - trans. Cấu hình cis - trans (a ( b) a a a b b cis b b trans a (X) (Y) Khoảng cách giữa các nguyên tử trong phân tử (X), (Y) khác nhau rất lớn, do đó về phương diện hình học thì (X), (Y) có hình dạng, kích thước phân tử khác nhau nên đại lượng Entalpi tự do tạo thành cũng khác nhau, các hằng số vật lý, các đặc trưng về phổ và cuối cùng là tính chất hóa học cũng khác nhau rõ rệt.
3.2. HỢP CHẤT CÓ NỐI ĐÔI 3.2.1. Danh pháp - Nếu hợp chất mang một nối đôi C=C, mang hai nhóm hay ba nhóm thế khác nhau, ta dùng cấu hình: CIS: để chỉ hai nhóm giống nhau (ở hai nguyên tử C) nằm cùng một phía đối với mặt phẳng chứa liên kết ( TRANS: để chỉ hai nhóm giống nhau nằm hai phía đối với mặt phẳng chứa liên kết (. H 3 C C H 3 H 3C H H C H H H 3 cis but-2-en. trans but-2-en. H 3C H H 3 C C 2H 5 C H H C 2H 5 2 5 C 2H 5 - Vtrans-3-metylhex-3-en.ới anken phức tạp, cấu hìnhcis-3-metylhex-3-en. được chọn là cấu hình của mạch Carbon liên tục dài nhất xuyên qua liên kết đôi. (mặc dù có hai nhóm etyl nằm C H 3C H 2 CH2CH3 cùng một phía đối với mặt phẳng) CH CH CH H 3 C 2 2 3 Trans-4-etyl-3-metylhept-3-en - Nếu anken mang bốn nhóm thế khác nhau mà không chọn được mạch chính thì dùng danh pháp E-Z. Thí dụ: H C H C 3 Br 3 Cl C C C C H C H Br Z -1-Bromo-1-cloropropenl E-1-Bromo-1-cloropropen 3.2.2. Hợp chất có một và nhiều nối đôi Tổng số đồng phân hình học của một hợp chất có n nối đôi trong phân tử là: * Hợp chất bất đối xứng N=2n * Hợp chất đối xứng n = số chẵn N = 2n-1 + 2(n-2)/2
n = số lẻ N = 2n-1 + 2(n-1)/2 Thí dụ 1: hepta-2,4-dien CH3-CH=CH-CH=CH-C2H5 có bốn đồng phân hình học CH H H H 3 H C 2H 5 H CH3 H H H C2H5 cis - 2 - cis - 4 trans - 2 - trans - 4 H H H3C H C H H 2 5 H H3C H H H C2H5 cis - 2 - trans - 4 trans - 2 - cis - 4 Thí dụ 2: CH3-CH=CH-CH=CH-CH3 chỉ có ba đồng phân hình học H H H 3C H C H3 H H 3C H H H H CH 3 cis - 2 - cis- 4. trans - 2 – trans - 4 . H C H 3 CH H H 3H trans - 2 – cis-4 ( hoaëc cis - 2 – trans-4 ) Hợp chất có nối đôi lũy tích Cumulen với số chẵn nối đôi có đồng phân quang học. Cumulen với số lẻ nối đôi có đồng phân hình học. a a C C C C b b
Thí dụ: Năm 1959, Kuhn đã cô lập được hai đồng phân 1,4- di-m-nitrophenyl-1,4-diphenylbuta.trien NO 2 C C C C NO 2 NO 2 O 2N Trans Cis 3.2.3. Tính chất vật lý của đồng phân hình học 3.2.3.1. Momen lưỡng cực Hợp chất kiểu abC = Cab nếu liên kết C-a có momen lưỡng cực lớn, liên kết C-b không có momen lưỡng cực thì ở đồng phân cis phải có momen lưỡng cực rất lớn, mặt khác đồng phân trans có trung tâm đối xứng nên momen lưỡng cực tổng bằng không. Thí dụ: 1,2 – dicloroeten Cl Cl H Cl H H Cl H µcis = 1,89 D µtrans = 0 Nếu nhóm a- đẩy electron, còn nhóm b- rút electron thì momen lưỡng cực của phân tử bằng tổng số momen lưỡng cực của chúng. Do đó đồng phân trans có giá trị momen lưỡng cực lớn hơn của đồng phân cis. H Cl H C Cl 3 H 3C H H H µtrans = 1,97 D µcis = 1,71 D Khi tính Momen lưỡng cực của những anken mang nhóm thế phức tạp sẽ gặp nhiều khó khăn. H H H COOC2H5 C H OOC H C2H5OOC COOC2H5 2 5 µcis = 2,54 D µtrans = 2,38 D 3.2.3.2. Tính chất vật lý
Nhiệt độ nóng chảy: Nhiệt độ nóng chảy của đồng phân trans thường lớn hơn của đồng phân cis (trừ một số trường hợp ngoại lệ), do đồng phân trans có tính đối xứng cao hơn đồng phân cis nên mạng tinh thể sắp xếp chặt hơn. Nhiệt độ sôi, tỷ khối, chiết suất là những hàm nghịch của thể tích phân tử cho nên ở đồng phân nào mà một trong ba đặc tính vừa rồi có trị số lớn thì thông thường hai đặc tính kia cũng có trị số lớn. Tosôi (oC) d20 (g/ml) n20 Hợp chất Cis Trans Cis Trans Cis Trans CHCl = CHCl 0,03 48,4 1,2835 1,2565 1,4486 1,4454 CH3 – CH = CH - Cl 32,8 37,4 0,9350 0,9350 1,4055 1,4054 108 122 0,8244 0,8239 1,4182 1,4216 CH3 – CH = CH - CN 223 218 1,0520 1,0670 1,4411 4,4415 C2H5OOC-CH=CH-COO C2H5 Tính chất vật lý của một số đồng phân hình học Độ hòa tan, thiêu nhiệt, nhiệt hidrogen hóa và hằng số ion hóa của các đồng phân trans thường thấp hơn của đồng phân cis. Tonóng chảy pK Thiêu nhiệt Hợp chất (oC) a Cis Trans Cis Trans Cis Trans HOOC – CH = CH - COOH 130 287 1,9 3 327 320 CH – CH = CH - COOH 15,5 72 4,44 4,70 486 478 3 lỏng 125 _ _ 1769 1739 CH CH 68 133 3,96 4,44 1047 1040 CH CH COOH Các hằng số vật lý của một số đồng phân hình học 3.2 3.3. Độ phân ly của acid Độ phân ly của acid etylendicarboxilic phụ thuộc nhiều vào cấu hình. -2 -7 Acid maleic (cis) K1 = 1,3.10 K2 = 3,2.10 -3 -5 Acid fumaric (trans) K1= 10 K2 = 3,2.10 Acid cis - crotonic pKa = 4,44 Acid trans - crotonic pKa = 4,70 3.2.3.4. Các loại phổ Phổ tử ngoại (UV) (Ultraviolet Spectrum)
Tia X Viễn UV UV Khả kiến Cận IR IR Vi sóng λ 0,1nm 100nm 200 400nm 800nm 8µ 25µ nm 0,4µ 0,8µ Các đồng phân cis - trans của những anken đơn giản (but-2-en) hấp thụ ở những độ dài sóng khác nhau dưới 200 nm trong vùng tử ngoại, những khác nhau này khá phức tạp và nằm trong vùng mà thực nghiệm không dễ gì đo được. Nhưng những khác nhau giữa các đồng phân cis, trans trong các olefin kiểu abC = Cbd thì dễ dàng quan sát vì ở đây các nhóm thế a, d có thể tham gia liên hợp với hệ olefin (a, d có thể giống nhau). Trong nhiều trường hợp, các đồng phân cis có cực đại hấp thụ ở độ dài sóng ngắn hơn (() đồng thời hệ số hấp thụ (() ở đồng phân cis trong mọi trường hợp đều nhỏ hơn nhiều so với đồng phân trans. Điều đó có thể giải thích rằng trong đồng phân cis do ảnh hưởng không gian nên sự liên hợp trong phân tử bị vi phạm, còn ở các đồng phân trans sự liên hợp vẫn bình thường. TRANS CIS Hợp chất Công thức λmax ε λmax ε Stilben Ph-CH=CH-Ph 295,5 29000 280 10500 α-metylstilben Ph-C(CH3)=CH-Ph 270 20000 260 11900 1-phenylbutadien Ph-CH=CH-CH=CH2 280 28300 265 14000 Acid cinamic Ph-CH=CH-COOH 295 27000 280 13500 Phổ tử ngoại của một số đồng phân tử ngoại Phổ hồng ngoại (IR) Infrared Spectrum Các đồng phân hình học có phổ hồng ngoại khác nhau ở vùng 1650 cm-1 (dao động hóa trị C=C) và các vùng 970,69cm-1 (dao động biến dạng phẳng =C-H). Muốn cho dao động phân tử có thể gây nên sự hấp thụ trong vùng hồng ngoại thì momen lưỡng cực của phân tử phải thay đổi. Hiển nhiên là sự thay đổi như vậy không xảy ra khi có dao động hóa trị C=C. Trong trans-1,2-dicloroetylen, vì momen lưỡng cực của phân tử bằng không và vẫn giữ nguyên giá trị đó trong suốt thời gian dao động. Kết quả là trong phổ hồng ngoại ta không thấy những tần số dao động hóa trị thuộc về nối đôi của trans-1,2- dicloroeten, mặt khác cis-1,2-dicloroeten lại hấp thụ mạnh ở 1590 cm-1 trong phổ hồng ngoại.
Nhờ phổ hồng ngoại có thể phân biệt được S-cis và S-trans của các (, ( không no. So với hợp chất S-trans thì hợp chất S-cis có dải mảnh hơn, ứng với dao động hóa trị của liên kết C=C (khoảng 1.625 cm-1), của liên kết C=O (khoảng 1700 cm-1). Như vậy tỷ số cường độ của các dải C=O và C=C đối với các đồng phân S-cis vào khoảng 0,7 _ 2,5, còn đối với đồng phân S-trans vào khoảng 6 _ 9. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) (Nuclear Magnetic Resonance Spectrum) Phổ NMR cũng có thể được dùng để xác định cấu hình của các đồng phân hình học anken dạng aCH=CHb. Proton trans-vinyl ghép với nhau mạnh hơn proton cis-vinyl. Do đó, hằng số ghép JHH của đồng phân trans (11-18 Cps) cao hơn hằng số ghép của dạng cis (6-14 Cps) tương ứng. Ph H Ph COOH H COOH H H JH-H= 15,8 Cps JH-H= 12,3 Cps Acid cinamic 3.2.4. Độ bền tương đối và sự chuyển hóa tương hổ giữa các đồng phân hình học “Độ bền” có thể là về mặt nhiệt hóa học và được đo bởi nhiệt hình thành, hoặc là về mặt nhiệt động học được đo bởi năng lượng hình thành. Do đó sự khác nhau về độ bền giữa các đồng phân cis và trans có thể được biểu diễn ở sự khác nhau về Entalpi hay năng lượng tự do. Có thể đo mức độ khác nhau về độ bền nhiệt hóa học của các đồng phân hình học bằng các đại lượng của thiêu nhiệt. Nhưng độ chính xác của phương pháp này cũng bị hạn chế, bởi vì các thiêu nhiệt rất lớn nhưng sự khác nhau của chúng thì lại nhỏ. Về tính bền nhiệt động tương đối của các đồng phân hình học có thể dự đoán theo năng lượng tự do hình thành nếu biết được năng lượng này. Thí dụ: năng lượng tự do hình thành của trans-but-2-en ở 25oC lớn hơn năng lượng tự do hình thành của đồng phân cis là 2,884 KJ/mol. Cần chú ý rằng đại lượng này nhỏ hơn hiệu số tương ứng của entalpi (3,971 KJ/mol) bởi vì cis-but-2-en có entalpi lớn hơn trans-but- 2-en là 4,347 kJ/mol.độ
Năng lượng tự do hình thành đối với nhiều đôi đồng phân hình học vẫn còn chưa biết hết. Tuy vậy, cả hai đồng phân ở trong cân bằng hóa học và từ trạng thái cân bằng có tính trực tiếp hiệu số năng lượng tự do. Thí dụ: trong hỗn hợp cân bằng của cis-, trans-but-2-en ở 3900C chứa 52,8% đồng phân trans. Phương pháp đơn giản nhất để có sự chuyển hóa tương hổ của các đồng phân hình học là đun nóng chúng. Thí dụ: đối với Stilben hàng rào năng lượng của sự chuyển hóa tương hỗ bằng 167,2(188,1KJ Để thực hiện quá trình đồng phân hóa cis-trans có thể dùng các xúc tác khác nhau như: gốc tự do, nguồn sinh ra gốc tự do như NxOy, các halogen (có mặt ánh sáng), các axit: HX (X: halogen), H2SO4, BF3, kim loại kiềm (natri), tác nhân hidro hóa,dehidro hóa như Pt, Se. Thí dụ: sự đồng hóa cis-trans với xúc tác gốc tự do: R H R Br Br R + Br R H H R H H R H H R + Br R Muốn có Br(H ta dùng Br2 với ánh sáng có độ dài sóng tương đối lớn (cực đại hấp thụ đối với Brom là 415A0) 3.3. HỢP CHẤT CÓ NỐI ĐÔI C=N HAY N=N 3.3.1. Đồng phân hình học của Oxim ∗ Aldoxim, cetoxim có đồng phân hình học được gọi là syn- hay anti- . H C H C . 3 OH 3 C N C N OH H H Syn – Acetaldoxim Anti – Acetaldoxim (So sánh vị trí tương đối giữa nhóm –OH và –H) C N
∗ Cetoxim: có đồng phân hình học khi nguyên tử carbon (sản phẩm) liên kết với hai nhóm khác nhau. H C OH 3 C N Syn – metylphenylcetoxim hay Anti – metylphenylcetoxim Để xác định cấu hình syn- hay anti- ta so sánh vị trí tương đối của nhóm –OH với nhóm thế được đọc trước. Hợp chất khác có nối đôi C N Nitron: sự ankyl hóa oxim thường cho một hỗn hợp dẫn xuất O-ankyl và N-ankyl. Đồng phân hình học của N-ankyl gọi là NITRON đã được chứng minh bởi hợp chất sau O C N CH 3 H3C α – phenyl – α – p – totyl – N – metylnitron bằng sự khảo sát momen lưỡng cực. Phenyl hidrazon và semicarbazon Phenyl hidrazon của acid O-nitrophenyl glioxilic và monosemicarbazon của benzyl cũng có đồng phân hình học. NO2 . . C N C N O HOOC NH C NH-C-NH 2 O Phenylhidrazon Monosemicarbazon của benzyl của Acid O – nitrophenylglioxilic
3.3.3. Đồng phân hình học của hợp chất có nối đôi N=N Diazoat Ar N N N N . O Ar O anti. – arildiazoat syn – arildiazoat syn-diazoat không bền, anti-diazoat bền. Đồng phân syn- hấp thụ ở độ dài sóng ngắn hơn và cường độ hấp thụ thấp hơn đồng phân anti. Diazocianur Ar N N N N . CN Ar CN . syn – anti – Đồng phân syn không bền và chuyển hóa thành đồng phân anti dễ dàng khi để yên hay đun nhẹ, ngược lại đồng phân anti chuyển thành syn dưới ảnh hưởng của sự chiếu xạ. Azobenzen . . N N N N . µ = 0 µ = 3D trans – azobenzen cis – azobenzen Thông thường đồng phân trans bền hơn đồng phân cis, dưới sự chiếu xạ bằng ánh sáng tử ngoại, đồng phân trans biến đổi một phần thành đồng phân cis, có thể cô lập được bằng phương pháp kết tinh hay ngoại hấp trên Al2O3. Cơ cấu của hai dạng này đã được xác định bằng nhiễu xạ tia X. Trans – azobenzen là một phân tử có cơ cấu gần phẳng, còn đồng phân cis – azobenzen có cơ cấu ghềnh, trong đó hai nhân benzen nằm ngoài mặt phẳng chứa hai nguyên tử Nitơ, tạo thành giữa hai nguyên tử Carbon đối diện một khoảng trống chừng 3,34A0.
Azoxibenzen: cũng có hai đồng phân hình học: O N N N N O . cis – azoxibenzen . trans – azoxibenzen Khi đun trên nhiệt độ nóng chảy, đồng phân cis chuyển thành đồng phân trans. 3.4. HỢP CHẤT VÒNG NO Các cicloankan mang những nhóm thế thích hợp cũng có đồng phân hình học. CH H CH3 CH3 3 Cis – H1,2 – dimetylciclopropanH Trans – 1,2CH – dimetylciclopropanH 3 Các vòng có nhiều số nguyên tử Carbon và mang nhiều nhóm thế cũng có tổng số đồng phân hình học nhiều hơn (có cả đồng phân quang học) C H H C H CH C2H5 H 2 5 2 5 3 H C H C H H CH 3 H H 3 H CH3 3 CH H H 3 Cis – cis Cis – trans Trans – trans ( Trans – cis )
Chương 4: ĐỒNG PHÂN CẤU TRẠNG CỦA HỢP CHẤT KHÔNG VÒNG 1. 1.1. Khái niệm về cấu trạng (conformation) 1.2. Phép phân giải cấu trạng 1.3. Cấu trạng của hidrocarbon no 1.3.1. Etan 1.3.2. n–butan 1.3.3. n–pentan 1.3.4. n–hexan 1.4. Cấu trạng của hidrocarbon no mang nhóm thế 1.4.1. Halogenur etyl 1.4.2. 1,2–dicloroetan 1.4.3. Etanol mang nhóm thế ở vị trí số 2 1.4.4. 2,3–dibromobutan 1.5. Cấu trạng của hợp chất không no 1.5.1. Hợp chất có nối đôi C=O, C=C, N=C 1.5.2. Hợp chất có nối đôi liên hợp 1.5.3. Sự quay quanh nối đôi
4.1. KHÁI NIỆM VỀ CẤU TRẠNG Khái niệm về “cấu trạng” dùng để chỉ các dạng hình học của phân tử được tạo thành do sự quay quanh liên kết đơn mà không bẻ gãy liên kết (nên còn gọi là đồng phân quay Rotamer) Về mặït lý thuyết, một phân tử có vô số cấu trạng với mức năng lượng khác nhau, tùy theo bản chất của các nguyên tử liên kết cộng hóa trị và ảnh hưởng giữa các nguyên tử không liên kết trong phân tử, cấu trạng được coi là ổn định nhất ứng với mức năng lượng thấp nhất, khi tương tác giữa các nhóm nguyên tử trong phân tử ít nhất. Tuy nhiên, vì hiệu số năng lượng và thời gian các nguyên tử ở tại những vị trí khác nhau rất nhỏ nên các cấu trạng không thể cô lập được (trừ vài trường hợp đặc biệt). Thí dụ: Acid meso–tartric có hai cấu trạng (cùng một cấu hình = Configuration) H O C O O H H O O H H H H O O C H H O O C H O H C OO H maët phaúng ñoái xöùng taâm ñoái xöùng Hai cấu trạng của acid Meso–tartric 4.2. PHÉP PHÂN GIẢI CẤU TRẠNG Trong đa số trường hợp, sự quay quanh các nối đơn không hoàn toàn tự do và vài cấu trạng bền hơn cấu trạng khác. Phép phân giải cấu trạng giải thích phản ứng và tính chất của hợp chất dựa trên cấu trạng của nó: trạng thái căn bản, trạng thái kích thích và trạng thái chuyển tiếp. Cấu trạng của một phân tử có thể xác định bởi: _ Phương pháp vật lý: nhiễu xạ điện tử, nhiễu xạ tia X, phổ tử ngoại, hồng ngoại, cộng hưởng từ hạt nhân, momen lưỡng cực, tán sắc quang hoạt _ Phương pháp hóa học: • Động học có thể dùng được như khảo sát về vận tốc phản ứng este hóa, dung môi giải carboxilat, các tosilat
• Nhiệt động lực học cũng có thể cho biết cấu trạng ưu đãi, suy ra từ trạng thái cân bằng giữa các hợp chất đồng phân lập thể. Sự phân giải cấu trạng được áp dụng trước hết cho các hệ vòng ciclohexan súc hợp: Stéroid, triterpenoid vì cơ cấu cứng rắn của các hợp chất này thường chỉ đưa đến một cấu trạng duy nhất nên kết quả rất khả quan. 4.3. CẤU TRẠNG CỦA HIDROCARBON NO 4.3.1. Etan Theo hóa học cổ điển, hai nhóm metyl của etan có thể quay quanh nối đơn Carbon–Carbon một cách tự do, nhưng với phương pháp phân giải cận đại người ta đã chứng minh rằng chỉ có sự dao động quanh một vài vị trí đặc ưu, hai cấu trạng cực đoan của etan là cấu trạng lệch và cấu trạng che khuất được biểu diễn bởi công thức chiếu sau đây: _ Công thức phối cảnh caáu trang leäch caáu traïng che khuaát _ Công thức Newman: H H H H H H H H Nhìn theo trục Carbon–Carbon, thấHy các nối C–HH của một H H nguyên tử carbon trong cấu trạng lệch là những đường phân giác của các góc HCâH của nguyên tử carbon kia. Etan có ba cấu trạng lệch giống nhau, tạo thành khi nhóm metyl của cấu trạng lệch quay 1200 quanh nối đơn Carbon–Carbon. Góc quay được xác định chính xác hơn bởi góc xoắn (góc nhị diện), là góc giữa hai mặt phẳng: α 1C C 2 __ Góc xoắn __
một mặt phẳng xác định bởi một nối C–H chỉ định tại nguyên tử Carbon số 1 với nối C1–C2 và mặt phẳng thứ hai xác định bởi một nối C–H chỉ định tại nguyên tử Carbon số 2 với nối C2–C1 Trong cấu trạng lệch, góc xoắn ( = 600 còn trong cấu trạng che khuất góc xoắn ( = 00 Góc xoắn biến thiên từ 00 đến 3600 khi nhóm metyl quay quanh liên kết C–C. Sự biến thiên năng lượng theo góc xoắn là một đường cong gần hình sin với ba cực đại và ba cực tiểu, độ cao của rào năng lượng trong etan là 2,8 Kcal/mol. Cấu trạng lệch bền nhất, vì có mức năng lượng tối thiểu, cấu trạng che khuất ứng với mức năng lượng cao nhất nên không bền. Như vậy, bình thường Etan có cấu trạng lệch còn cấu trạng che khuất là một trạng thái chuyển tiếp tạo ra khi phân tử Etan quay từ cấu trạng lệch này đến cấu trạng lệch khác. Vì rào năng lượng của sự quay khá thấp, các phân tử có dây hở được coi như quay tự do quanh nối đơn, ở nhiệt độ thường. Biểu đồ năng lượng quay của Etan 4.3.2. n–butan CH3–CH2–CH2–CH3 Sự biến thiên năng lượng trong n–butan với góc xoắn là đường cong hình sin (tương tự với etan) ứng với các cấu trạng:
• Che khuất toàn phần (( = 0): do sức đẩy giữa hai nhóm metyl che khuất làm cho mức năng lượng tăng thêm 3 Kcal/mol. • Che khuất một phần (( = 1200, ( = 2400): sức đẩy Van Der Waals giữa hai nhóm metyl giảm xuống khoảng 0,8 Kcal/mol. Ứng với trạng thái này có tương tác giữa nhóm Metyl và Hidro che khuất với mức năng lượng khoảng 1 Kcal/mol. Tuy nhiên, cấu trạng che khuất một phần và cấu trạng che khuất toàn phần không phải là đồng phân cấu trạng và chỉ được xem là những trạng thái chuyển tiếp giữa đồng phân bán lệch và đối lệch. _ Cấu trạng bán lệch: ứng với mức năng lượng khoảng 0,8 Kcal/mol với góc xoắn ( = 600 hay ( = 3000, còn gọi là cấu trạng ghềnh hay syn. _ Cấu trạng đối lệch: ổn định nhất với mức năng lượng thấp nhất, với góc xoắn ( = 1800. Cấu trạng đối lệch còn gọi là cấu trạng trans hay anti. Ở nhiệt độ thường, n–butan là một hỗn hợp đồng phân cấu trạng đối lệch và bán lệch, trong đó cấu trạng đối lệch chiếm thành phần nhiều hơn. Năng lượng quay trong n–butan tương tác Metyl – H tương tác Metyl – Metyl rào năng lượng trong Etan (tương tác H – H)
Năng lượng toàn phần 4.3.3. n–pentan Với hai trục quay trong C2–C3 và C3–C4 thì phân tử n– pentan có thể có tất cả bảy cấu trạng (đối lệch và bán lệch). Phổ Raman cho biết có hai cấu trạng tồn tại trong n–pentan ở thể lỏng, cấu trạng ưu đãi có nhóm –CH3 và –C2H5 đối lệch, kế đó là cấu trạng bán lệch. Hiệu số năng lượng giữa hai cấu trạng ước chừng 0,5 – 0,7 Kcal/mol. Các cấu trạng khác chứa nhiều dạng bán lệch hơn do đó ít bền hơn. CH3 H H CH3 H H CH 3 H H H H C CH C 3 CấHu trạngH đối lệch của n–pentan H H CH3 H H CH3 H H H H H H H C H H C H C 3 H Cấu trạng bán lệch của n–pentanH3C 4.3.4. n–hexan Phân tử n–hexan có ba trục quay trong và có thể có 12 cấu trạng, cấu trạng đối lệch chiếm ( nhiều nhất trong cân bằng, tương tự n–pentan, phân tử n–hexan cũng có hiệu số năng lượng giữa cấu trạng đối lệch và bán lệch ước chừng 0,5 Kcal/mol. H H H H H C H H H H H H CHấu trạngH đối lệHch trong n–hexan Theo phổ Raman, n–ankan có 12 nguyên tử Carbon có cấu trạng hoàn toàn đối lệch ở trạng thái kết tinh. Tuy nhiên, ở trạng thái lỏng có một số cấu trạng bán lệch đáng kể tại bất cứ nối nào
và bất cứ lúc nào. Hiệu số năng lượng giữa cấu trạng đối lệch và bán lệch ước chừng 0,8 Kcal/mol. 4.4. CẤU TRẠNG CỦA HIDROCARBON NO MANG NHÓM THẾ 4.4.1. Halogenur etyl Sự thay thế một nguyên tử Hidro trong etan bằng một nguyên tử Halogen không làm thay đổi rào năng lượng một cách đáng kể. Dùng phương pháp phổå nghiệm, người ta tìm thấy trị số rào năng lượng như sau: CH3–CH2F CH3–CH2Cl CH3–CH2Br 3,33 3,50 3,50 (Kcal/mol) 4.4.2. 1,2–dicloroetan Với các phân tử phức tạp, người ta cần xét đến những tương tác khác hơn tương tác lập thể như: tương tác lưỡng cực, lực nối hidrogen nội phân tử Phân tử 1,2–dicloroetan có cấu trạng bán lệch kém bền hơn cấu trạng đối lệch, do lực xô đẩy lưỡng cực mạnh hơn, mặc dù tương tác lập thể kém bền hơn trong n–butan. Cl Cl H H H Cl H H H H ĐốCli lệch BánH lệch Cấu trạng của 1,2– dicloroetan • Nhiễu xạ tia X chứng minh 1,2–dicloroetan kết tinh hoàn toàn dưới cấu trạng đối lệch. • Phổ hồng ngoại và Raman cho thấy 1,2– dicloroetan ở trạng thái rắn có một tâm đối xứng, như vậy tồn tại dưới cấu trạng đối lệch, khi hóa lỏng một số phân tử biến đổi
thành cấu trạng bán lệch (được chứng minh bằng sự gia tăng số vạch trong phổ hồng ngoại và Raman) • Nhiễu xạ điện tử cho thấy 1,2–dicloroetan ở trạng thái khí chứa 73( cấu trạng đối lệch và 27( cấu trạng bán lệch (ở 220C), hiệu số năng lượng giữa hai cấu trạng này khoảng 1,03 – 1,32 Kcal/mol. • Momen lưỡng cực của cấu trạng ưu đãi có trị số bằng 0 (cấu trạng đối lệch). Thực nghiệm cho biết momen lưỡng cực thật sự của 1,2–dicloroetan thay đổi theo nhiệt độ từ 1,12 D ở 320C đến 1,54 D ở 2700C, sự kiện này phù hợp với một cân bằng giữa các cấu trạng đối lệch và bán lệch. 4.4.3. Etanol mang nhóm thế ở vị trí số 2 R–CH2–CH2–OH R–: –OH, –NH2, –F, –Cl, –Br, –OCH3, –NO2, –NH–CH3 Thông thường cấu trạng đối lệch bền hơn cấu trạng bán lệch. Tuy nhiên, tỷ lệ ổn định có thể đảo ngược với một số hợp chất có cơ cấu đặc biệt. Thí dụ: cấu trạng bán lệch của etylen clorhidrin bền hơn cấu trạng đối lệch ở bất cứ điều kiện nào, ở thể rắn chỉ có cấu trạng bán lệch tồn tại; ở thể lỏng hoặc khí, một cân bằng được thiết lập giữa cấu trạng bán lệch và đối lệch, năng lượng của cấu trạng bán lệch thấp hơn năng lượng của cấu trạng đối lệch 0,95 Kcal/mol do ở cấu trạng bán lệch có liên kết Hidro nội phân tử. .H Cl Cl H H H O ĐốHi lệch H H BánH lệch OH H Cấu trạng của Etylenclohidrin Tổng quát, tất cả các R–CH2–CH2–OH với R– là –OH, – NH2, –F, –Cl, –Br, –OCH3, –NO2, –NHCH3 đều có cấu trạng bán lệch ổn định hơn cấu trạng đối lệch nhờ liên kết hidro nội
phân tử giữa nhóm R– với –OH, mặc dù có sự xô đẩy lập thể và lưỡng cực giữa hai nhóm này. 4.4.4. 2,3–dibromobutan 2,3–dibromobutan có hai đồng phân: Eritro (cũng là Meso) và Treo. Nhiễu xạ điện tử cho biết đồng phân Meso tồn tại dưới cấu trạng đối lệch A; còn đồng phân Treo tồn tại dưới cấu trạng B có hai nguyên tử Brom đối lệch nhau, hai nhóm –CH3 bán lệch Br Br Br H Br H H3C Br CH3 H C H H C H H C H 3 3 3 Br CH H meso (A) (A1)3 (A2) Br Br Br H C Br H Br 3 H CH3 H C H H H C H 3 H3C 3 CH Br H 3 treo (B) (B1) (B2) _ Đồng phân meso cho kết quả bất ngờ là các cấu trạng bán lệch đóng góp đến 30% ở trạng thái lỏng tinh khiết, nhưng trong CS2 tỷ lệ trên bình thường giảm xuống 20%. _ Đồng phân treo chứa khoảng 20% cấu trạng B2, và phần còn lại là cấu trạng B và B1. Trong dung môi không cực; hai nguyên tử Brom bán lệch ít thuận lợi hơn hai nguyên tử Brom đối lệch. Cấu trạng B có hai nguyên tử Brom đối lệch và hai nhóm metyl bán lệch, còn cấu trạng B1 có hai nguyên tử Brom bán lệch và hai nhóm metyl đối lệch. 4.5. CẤU TRẠNG CỦA HỢP CHẤT KHÔNG NO 4.5.1. Phân tử chứa nhóm , CH , C O C CH2 N 2 Trong phân tử aldehid acetic CH3–CH=O và propen CH3– CH=CH2 đều tồn tại dưới cấu trạng với nối đôi C=O hay C=C và
nguyên tử Hidro che khuất nhau được xác nhận bởi phổ nghiệm viba và nhiễu xạ điện tử. H H H3C O CH O 2 H H H H H H H H H CH3–CHO CH3–CH=CH2 CH3–CH2–CHO Trong phân tử propanal, xác định bởi hằng số ghép cộng hưởng từ hạt nhân nhóm CH3– che khuất nối đôi C=O. Kết quả này có thể giải thích bởi sức hút lưỡng cực giữa –C–CH3 với C=O. O O H C OCH H C OCH Với các phân tử 3 ; CH3–O–CH=CH2 ; 3 thì cấu trạng ưu đãi ứng với nối đôi C=O, C=C, C=N đều che khuất nhóm CH3–. Điều này được chứng minh bởi phổ hồng ngoại, phổ viba và nhiễu xạ điện tử. H H C O C O O H2C Metyl formiat CH 3 Metyl vinyl eter CH3 Cấu trạng ưu đãi của formaldoxim có nối đôi C=N và nối O–H đối nhau. H N O H 2 C Điều này có thể được giải thích bởi sự xô đẩy giữa electron p và ( trong metyl formiat, metyl vinyl eter ; và giữa điện tử p trong formaldoxim. 4.5.2. Phân tử có nối đôi liên hợp Phân tử có nối đôi liên hợp có thể có đồng phân cấu trạng, đó là đồng phân S–cis và S–trans (Single: đơn). Tiếp đầu ngữ S đặt trước chữ cis và trans để chỉ cấu trạng liên hệ đến nối đơn trong hệ liên hợp. H C CH H C H 2 2 2 H H H CH2
S_cis S_trans Cấu trạng của buta- 1,3-dien Kết quả thực nghiệm dựa trên tính chất nhiệt động học, nhiễu xạ điện tử, phổ nghiệm hồng ngoại và viba cho biết cấu trạng S– trans của buta-1,3-dien bền hơn cấu trạng S–cis ít nhất 2 Kcal/mol. Ngoài ra, phổ hồng ngoại và Raman đã chứng minh trans- pent-3-en-2-on là một hỗn hợp cân bằng chứa cấu trạng S–cis và S–trans với số lượng bằng nhau. H C CH3 O O H H C H H C 3 3 C CH S_cis S_trans 3 Cấu trạng của Trans-pent-3-en-2-onH . Phân tử buta-1,3-dien cho phản ứng diel–alder dễ dàng, chứng tỏ phân tử đạt đến cấu trạng S–cis khi cần thiết. Thật ra, rào năng lượng trong sự quay quanh nối đơn có trị số khoảng 4,9 Kcal/mol. 4.5.3. Sự quay quanh nối đôi Rào năng lượng của sự quay quanh nối đôi Carbon–Carbon có trị số khá cao (40 Kcal/mol với etylen) so với sự quay quanh nối đơn (2,8 Kcal/mol). Tính bền vững của nối đôi Carbon–Carbon được giải thích bởi sự hình thành orbitan (. Nếu mặt phẳng của một nguyên tử Carbon nối đôi quay 900 quanh nối sigma (c–c; orbitan phân tử bị phá hủy vì trục đối xứng của hai orbitan vuông góc nhau nên không xen phủ lẫn nhau. Rào năng lượng Hợp chất Công thức (Kcal/mol)
Etylen CH2=CH2 40 2–buten CH3–CH=CH–CH3 18 Acid butendioic HOOC-CH=CH-COOH 15,8 Stilben Ph–CH=CH–Ph 42,8 Đồng phân trans-but-2-en bền hơn cis-but-2-en khoảng 1 Kcal/mol. Còn trans–1,2–dicloroeten lại ít bền hơn cis tương ứng 0,5 Kcal/mol. Và 2,2,5,5–tetrametylhex-3-en có cấu hình trans bền hơn cấu hình cis khoảng 9Kcal/mol.
Chương 5: CẤU TRẠNG CỦA HỢP CHẤT VÒNG NO 5. 5.1. Tính bền của hợp chất vòng no 5.1.1. Độ phản ứng của ciclopropan, ciclobutan 5.1.2. Thuyết căng Baeyer 5.1.3. Thiêu nhiệt và tính bền tương đối của các cicloankan 5.1.4. Khái niệm vòng không căng của Sachse và Mohr 5.1.5. Sức căng Pitzer 5.2. Cấu trạng của hợp chất vòng nhỏ 5.2.1. Ciclopropan 5.2.2. Ciclobutan 5.3. Cấu trạng của hợp chất vòng trung bình 5.3.1. Ciclopentan 5.3.2. Ciclohexan 5.3.2.1. Cấu trạng ghế 5.3.2.2. Cấu trạng tàu 5.3.2.3. Cấu trạng tàu xoắn 5.3.3. Ciclohexan mang nhóm thế 5.3.3.1. Ciclohexan mang một nhóm thế 5.3.3.2. Ciclohexan mang hai nhóm thế 5.3.3.3. Ciclohexan mang nhiều nhóm thế 5.4. Cấu trạng của vài hợp chất hai vòng súc hợp 5.4.1. Decalin 5.4.2. Hidrindan 5.4.3. Decalol 5.4.4. Hidrindanol 5.1. TÍNH BỀN CỦA HỢP CHẤT VÒNG NO Các hợp chất vòng no biết trước năm 1880 đều là chuyển hóa chất của ciclohexan. Vài nhà hóa học như Meyer (1876) cho rằng các vòng khác hơn vòng có sáu nguyên tử không thể tạo thành. Tuy nhiên, năm 1881, Markovnikov tổng hợp một chuyển hóa chất của ciclobutan và Freund điều chế ciclopropan. Năm 1883,
Perkin khảo sát các hợp chất có vòng nhỏ và điều chế một số chuyển hóa chất của ciclopropan, ciclobutan và ciclopentan ở trạng thái tinh khiết. 5.1.1. Độ phản ứng của ciclopropan, ciclobutan Thông thường tính chất của các cicloankan giống tính chất của ankan tương ứng. Nhưng các vòng nhỏ ciclopropan và ciclobutan có hóa tính tương tự các anken. Do đó, etylen được xem như hợp chất vòng nhỏ nhất chỉ gồm hai nguyên tử Carbon. • Ciclopropan tham gia phản ứng với: _ Hidro Ni H CH -CH -CH + 2 80o C 3 2 3 _ Với Brom, HBr, HI và H2SO4 Br CH Br-CH -CH Br + 2 2 2 2 + HBr CH3-CH2-CH2Br _ Khác hẳn với propen, ciclopropan không bị oxi hóa bởi dung dịch KMnO4. • Ciclobutan ít có khuynh hướng cho phản ứng cộng hơn ciclopropan, nhưng có thể hidrogen hóa với xúc tác Ni, ở 1800C cho n–butan. H Ni CH -CH -CH -CH + 2 180o 3 2 2 3 C _ Với HI: 0 t CH -CH -CH -CH I + HI 3 2 2 2 _ Với Br2, HBr, KMnO4 cũng không tác dụng với ciclobutan. 5.1.2. Thuyết căng Baeyer Baeyer giả sử cicloankan là những đa giác đều và phẳng và tính độ lệch của góc nối trong các cicloankan đối với tứ diện bình thường. Độ lệch của ( mỗi góc nối trong vòng gọi là sức căng góc hay sức căng Baeyer.
1 β=−α(109,5o ) 2 * ( là góc trong của vòng * Hệ số ½ để giải thích sự β phân phối sức căng đồng đều α giữa hai nối liên hệ β n = số cạnh của vòng Độ lệch góc của cicloankan N α β n α β 3 600 +24,7 11 147,3 –18,8 4 900 +9,7 12 150 –20,3 5 1080 +0,7 13 152 –21,5 6 1200 –5,3 14 154,3 –22,4 7 128,6 –9,6 15 156 –23,3 8 135 –12,8 16 157,5 –24 9 140 –15,3 17 159 –24,7 10 144 –17,3 Từ các trị số trên cho thấy: • Độ lệch của góc nối trong ciclopropan (+24,70) lớn hơn của góc nối trong ciclobutan (+9,70) nên ciclopropan căng hơn ciclobutan, do đó ciclopropan ít bền hơn và cho phản ứng mở vòng dễ dàng hơn ciclobutan. • Ciclopetan có độ lệch bé nhất (+0,70); có thể xem như không căng nghĩa là theo Baeyer ciclopentan là hợp chất vòng bền nhất. • Ciclohexan có độ lệch đáng kể (–5,30), gây ra một sức căng nhỏ trong phân tử (điểm này không đúng). • Từ ciclohexan trở đi, độ lệch tăng dần và đều, ciclopropan có độ lệch giống như cicloankan có 17 nguyên tử Carbon. Tóm lại, Baeyer cho rằng các vòng nhỏ hơn hoặc lớn hơn ciclopentan và ciclohexan đều không bền nên cho phản ứng mở vòng dễ dàng với ciclopropan và ciclobutan; mặt khác các vòng
lớn hơn đã gặp nhiều khó khăn trong điều chế (điều này cũng không đúng). 5.1.3. Thiêu nhiệt và tính bền tương đối của cicloankan Tính bền tương đối của các hợp chất một vòng có thể xác định bởi thiêu nhiệt. Thiêu nhiệt có trị số thực nghiệm cao nhất với ciclopropan, giảm dần đến cực tiểu với ciclohexan rồi gia tăng đến cực đại với ciclononan, sau cùng giảm xuống cực tiểu với ciclotetradecan. (2) H/n (Kcal/mol): thiêu nhiệt tính cho mỗi nhóm –CH2– của hợp chất cicloankan (ở thể khí) (3) (H/n–157) Kcal/mol: hiệu số thiêu nhiệt tính cho mỗi nhóm –CH2– của cicloankan và n–ankan tương ứng (4) Tổng số sức căng của ciclan (1) (2) (3) (4) n H/n H/n–157,4 1/n(H/n–157,4) 3 166,6 9,2 27,6 4 164,0 6,6 26,4 5 158,7 1,3 6,5 6 157,4 0,0* 00 7 158,3 0,9 6,3 8 158,6 1,2 9,6 9 158,8 1,4 12,6 10 158,6 1,2 12,0 11 158,4 1,0 11,0 12 157,7 0,3 3,6 13 157,8 0,4 5,2 14 157,4 0,0* 00 15 157,5 0,1 1,5 16 157,5 0,1 1,6 17 157,2 – 0,2 3,4 n–ankan 157,4 0 00 Thiêu nhiệt của cicloankan tính cho mỗi nhóm metylen (Kcal/mol)
Thiêu nhiệt tính cho mỗi nhóm metylen trong ciclopropan và ciclobutan cao hơn thiêu nhiệt tương ứng của n–ankan bởi 9,2 và 7,6 Kcal/mol theo thứ tự, nghĩa là ciclopropan và ciclobutan chứa nhiều năng lượng tính cho mỗi nhóm metylen hơn do đó chúng kém bền hơn propan và butan. Điều này phù hợp với thuyết Baeyer. Thiêu nhiệt của ciclohexan bé nhất, bằng của n–hexan nên ciclohexan là hợp chất bền nhất chứ không phải là ciclopentan như Baeyer đã nêu. Thiêu nhiệt của các vòng có từ 7 đến 11 nguyên tử Carbon đều giống thiêu nhiệt của n–pentan và thiêu nhiệt của các vòng có từ 12 nguyên tử Carbon trở lên không thể phân biệt với thiêu nhiệt của n–ankan. Như vậy, trái với thuyết Baeyer, tính bền của các vòng này không kém hơn các hợp chất mạch hở một cách đáng kể. Hơn nữa, các vòng lớn từ ciclotetradecan trở lên đều hoàn toàn không căng và không có khuynh hướng cho phản ứng mở vòng như ciclopropan và ciclobutan. Dựa vào thiêu nhiệt, Eliel (1962) đã chia hợp chất vòng thành bốn nhóm: _ Vòng nhỏ với n = 3 và 4. _ Vòng bình thường với n = 5; 6; 7. _ Vòng trung bình với n = 8 ( 9; 10; 11 _ Vòng lớn với n ( 12. 5.1.4. Khái niệm vòng không căng của Sachse và Mohr Năm 1890, Sachse cho rằng ciclohexan và các vòng lớn hơn có thể ghềnh để đáp ứng điều kiện góc tứ diện và tồn tại dưới những cấu trạng không phẳng và không căng, quan điểm này không được chấp nhận lúc đầu vì nó dự đoán ciclohexan phải tồn tại dưới hai dạng: ghế và tàu trong khi chỉ có một dạng được biết lúc bấy giờ. dạng ghế dạng tàu Cấu trạng của ciclohexan
Năm 1918, Mohr giải thích rằng hai dạng ghế và tàu biến đổi lẫn nhau rất nhanh nên không thể cô lập được. 5.1.5. Sức căng Pitzer Năng lượng của các hợp chất vòng gia tăng với sức căng Baeyer do sự biến dạng của góc hóa trị. Năng lượng cũng có thể gia tăng bởi sự tạo thành một cấu trạng có dung tích năng lượng bất lợi. Sự gia tăng năng lượng khi một cấu trạng lệch thuận lợi biến đổi thành một cấu trạng che khuất bất thuận lợi, gọi là sức căng Pitzer trong phân tử. Sức căng Pitzer do sự xô đẩy giữa các nguyên tử kế cận không nối còn gọi là sức căng đối nối hay sức căng xoắn. Sức căng Pitzer trở nên đáng kể đối với các vòng nhỏ trong đó các nhóm trí hoán bắt buộc phải che khuất nhau. Thí dụ sức căng Pitzer làm cho ciclopentan không thể có cơ cấu phẳng đồng thời biến dạng góc tứ diện, nghĩa là đưa đến sức căng Baeyer. Mặc dù sự kiện này gia tăng năng lượng, dạng không phẳng của ciclopentan có thế năng thấp hơn thế năng của dạng phẳng, vì cấu trạng tương ứng thuận lợi hơn về mặt năng lượng. 5.2. CẤU TRẠNG CỦA CÁC VÒNG NHỎ 5.2.1. Ciclopropan H H H H H CiclopropanH Với ba nguyên tử Carbon trong vòng, ciclopropan có cơ cấu phẳng, góc trong của ciclopropan bằng 600 nên phân tử hết sức căng, do đó ciclopropan rất dễ mở vòng. Ngoài ra các nối C–H ở cùng một bên mặt phẳng che khuất nhau, làm cho phân tử càng không bền. Sự xen phủ của các orbitan trong ciclopropan
Có thể trong ciclopropan có sự khác nhau nào đó so với sự phân bố bình thường của các góc hóa trị, ở đây bốn liên kết của nguyên tử Carbon không có đặc tính giống nhau là sp3 nữa; mà liên kết C–C gần giống với p–(() hơn; còn liên kết C–H gần giống đặc tính s–((). Như vậy, liên kết C–H được củng cố thêm, còn góc hóa trị H–C–H và C–C–H lớn hơn, các liên kết C–C bị lỏng ra (do góc tứ diện bị nhỏ lại). Do có sự thay đổi các góc hóa trị nên các góc này phần nào bị lệch khỏi vị trí thông thường và mặt phẳng của vòng không còn là mặt phẳng đối xứng nữa. Theo thuyết cơ học lượng tử; trong điều kiện các góc liên kết 600 thì không thể nào có sự lai hóa được, bởi vì trục của hai orbitan lai hóa sp3 xuất phát từ một nguyên tử Carbon bao giờ cũng lập với nhau một góc ít nhất là bằng 900. Tuy nhiên, nếu trục của các orbitan lai hóa sp3 được hướng như trong hình vẽ thì các orbitan lai hóa không thể tác dụng thẳng trực tiếp với nhau được, do đó chúng hơi bị uốn cong làm cho sự xen phủ kém đi dẫn đến là liên kết C–C trong phân tử có một sức căng. 5.2.2. Ciclobutan Bằng nhiễu xạ điện tử hay các phép đo phổ nghiệm và nhiệt động lực học chứng minh rằng: ciclobutan có cơ cấu ghềnh. Vì nếu có cơ cấu phẳng, các nối C–H ở cùng một bên mặt phẳng (kế cận) sẽ che khuất nhau và tương tác không nối giữa các Hidrogen làm cho ciclobutan phải ghềnh đi, đó là cấu trạng xếp. H H H H H H (e) H H H H (a) H H H Cấu trạng xếp của ciclobutan H Nhiễu xạ điện tử cho biết nguyên tử Carbon ở ngoài mặt phẳng của ba nguyên tử Carbon còn lại tạo với mặt phẳng này một góc khoảng 200. Các nối trong cấu trạng xếp của ciclobutan chiếm vị trí trục a (axial) và xích đạo e (equatorial) (tương tự như trong ciclohexan). Vòng bốn cạnh ít căng hơn vòng ba cạnh nên có thể chấp nhận bốn nguyên tử carbon của ciclobutan ở trạng thái lai hóa (sp3). • Với hai nhóm thế gắn tại vị trí 1,3 như:
CH COOCH 3 3 H C 3 COOCH3 H H H H Cis ee Cis aa H COOCH 3 3 H COOCH 3 H C H CH 3 H Trans ea Trans ae 3–metyl ciclobutan carboxilat metyl Đồng phân cis ee bền hơn trans ea, điều này đã được xác nhận bởi thực nghiệm. Nhưng đồng phân trans–ciclobutan-1,3-dicarboxilat dimetyl bền hơn đồng phân cis– tương ứng do sức đẩy tĩnh điện giữa các trường cực mạnh hơn hiệu ứng lập thể. 5.3. CẤU TRẠNG CỦA HỢP CHẤT VÒNG TRUNG BÌNH 5.3.1. Ciclopentan Ciclopentan phẳng sẽ có năm nhóm metylen hoàn toàn che khuất đưa đến sức căng Pitzer khoảng 14 Kcal/mol. Để giảm sức căng Pitzer vòng ciclopentan phải có cấu trạng (hơi ghềnh) phong bì: một nguyên tử Carbon nằm ngoài mặt phẳng của bốn nguyên tử Carbon còn lại. a e e b a e b Cấu trạng phong bì củaa ciclopentan • Cấu trạng nửa ghế: ba nguyên tử Carbon của vòng nằm trong một mặt phẳng, còn hai nguyên tử kia ở trên và ở dưới mặt phẳng đó. a a 4 e' 3 b a' 5 e 1 5 e b e' a' a' 1 e' 2 b' e 2 b a' e e' 4 3 a a
Cấu trạng nửa ghế của ciclopentan Trong cấu trạng phong bì hay nửa ghế đều có ba kiểu nối: ∗ Nối trục (a) và nối xích đạo (e) giống như trong ciclohexan. ∗ Nối tựa trục (a’) và tựa xích đạo (e’). ∗ Nối song thiết diện (b) (biseetional) chiếm một vị trí giữa nối trục và nối xích đạo tạo thành góc 54,70 với mặt phẳng của phân tử. Cấu trạng nửa ghế cũng linh động như cấu trạng phong bì, năng lượng của hai cấu trạng này không khác nhau nhiều lắm. • Ciclopentan mang một nhóm thế Nguyên tử Carbon mang nhóm thế lệch ra khỏi mặt phẳng của bốn nguyên tử Carbon còn lại. Để tránh sự tương tác giữa nhóm thế R với hai nhóm metylen ở vị trí 2 và 5 thì nhóm R– ở vị trí xích đạo (e) thuận lợi hơn vị trí a (trục). Thí dụ: metyl ciclohexan có cấu trạng phong bì được an định hơn cấu trạng xếp khoảng 0,9 Kcal/mol 1 R 5 4 2 3 • Ciclopentan mang hai nhóm thế: Thí dụ: 1,3–dimetylciclopentan có cấu trạng cis (ee) bền hơn cấu trạng trans (ea) khoảng 0,59 Kcal/mol. H3C H3C CH Cis (ee) 3 Trans (ea) Cấu trạng –1,3–dimetyl ciclopentanCH 3 • Phổ hồng ngoại của ciclopentanol có hai chấn động hóa trị: C–(OH) trong vùng 1065 và 996 cm–1 chỉ định cho nhóm –OH tựa xích đạo và song thiết diện theo thứ tự. Như vậy ciclopentanol tồn tại dưới hai cấu trạng phong bì và nửa ghế.
5.3.2. Ciclohexan 5.3.2.1. Cấu trạng ghế: của ciclohexan không có sức căng Baeyer và Pitzer, vì các cặp nguyên tử Hidro gắn trên hai nguyên tử Carbon kế cận đều hoàn toàn lệch, như vậy thế năng của hợp chất ở mức tối thiểu. Năm 1943, Hassel nhận thấy lần đầu tiên rằng các nối C–H trong cấu trạng ghế có hai nhóm: • 6 nối C–H song song với trục đối xứng bậc 3 của phân tử, gọi là nối trục (a). • 6 nối sắp xếp quanh vòng gần sát mặt phẳng trung bình của vòng, gọi là nối xích đạo (e). Trong cấu trạng ghế, mỗi nguyên tử Carbon có một nối trục và một nối xích đạo. Các nối trục và nối xích đạo luân phiên ở trên và ở dưới mặt phẳng trung bình. Các nguyên tử hay nhóm nguyên tử gắn trên nguyên tử Carbon có cấu hình ( khi chúng hướng xuống; cấu hình ( khi chúng hướng lên so với mặt phẳng trung bình. (β) a . (βe) (α) (α) Trục đối xứng bậc 3 Nối trục (a) Nối xích đạo (e) (a) 3 5 (e) 6 1 1 4 5 2 4 3 (e) 2 6 ( hình chiếu Newman)(a) Cấu trạng ghế của ciclohexan Khoảng cách giữa hai nguyên tử Hidro trong cấu trạng ghế. Kiểu Vị trí Khoảng cách A0 Bán lệch 1He - 2He 2,49 1Ha - 2He 2,49
Trans 1 Ha - 2Ha 3,00 Nhị trục 1Ha - 3Ha 2,50 5.3.2.2. Cấu trạng tàu: của ciclohexan không có sức căng Baeyer nhưng có sức căng Pitzer vì bốn cặp nguyên tử Hidro gắn ở hai bên hông tàu (2,3 và 5,6) che khuất nhau. Mặt khác, sự tương tác giữa những nguyên tử hidrogen ( gắn tại hai Carbon ở mũi tàu và lái tàu (1 và 4) chỉ ở gần nhau khoảng 1,84A0, trong khi bán kính Van Der Waals là 2,4A0. Cấu trạng tàu kém bền hơn cấu trạng ghế và hiệu số năng lượng tính cho hai cấu trạng là 6,9 Kcal/mol. 1.84A0 fp f H H f b p p b s 1 b s s 1 4 5 6 0 2.49A 6 2 4 eb 5 3 3 2 ab 2.27A0 nhìn bên nhìn dọc Khoảng cách giữa các nguyên tử Hidro gắn trên hai nguyên tử C ở gần nhau trong cấu trạng tàu của ciclohexan Kiểu Vị trí Khoảng cách A0 Cột cờ 1fp 4–fp 1,84 Che khuất 2eb 3eb 2,27 2ab 3ab 2,27 Bán lệch 1bs 2eb 2,49 1–bs 2ab 2,49 1–fp 2eb 2,49 Trans 2ab 3eb 3,00 Nhị trục 1fp 2ab 3,00 f p b 1 s e 4 4 1 b eb 5 6 e bs e b 6 3 b 5 2 3 2 a ab b a ab b
Cấu trạng tàu Hình chiếu Newman của cấu trạng tàu 5.3.2.3. Cấu trạng tàu xoắn Cấu trạng ghế là một cấu trạng cứng rắn, không thể vặn méo được. Cấu trạng tàu, còn gọi là cấu trạng mềm dẻo, là một cấu trạng linh động, có thể uốn được dễ dàng thành nhiều cấu trạng khác nhau. Cấu trạng tàu quen thuộc không phải là đồng phân cấu trạng, nó chỉ là trạng thái chuyển tiếp giữa hai cấu trạng. Cấu trạng tàu xoắn là một đồng phân cấu trạng, kém bền hơn cấu trạng ghế. H H 1 5 2 H 4 H H H 5 4 1 2 H 3 6 H 3 6 Cấu trạng tàu xoắn của ciclohexan Trong cấu trạng tàu xoắn hai nguyên tử Hidro cột cờ (tại C1 và C4) đã xê dịch ra xa hơn; còn hai nguyên tử Hidro trục tàu tại C3 và C6 sẽ di chuyển lại gần nhau hơn. Do đó, sự tương tác cột cờ giảm đến mức tối thiểu đồng thời sức căng Pitzer tại các nối C2–C3 và C5–C6 cũng giảm đi một phần. Mặt khác bốn nguyên tử H trục tàu trở nên lệch một cách quan trọng, mặc dù chưa hoàn toàn lệch hẳn.
Sự biến thiên năng lượng của ciclohexan với cấu trạng
Vì cấu trạng ghế bền nhất, năng lượng của nó ở mức tối thiểu (điểm a). Khi vặn chân ghế lên hay bẻ lưng ghế xuống, cấu trạng ghế biến thành cấu trạng tàu xoắn I (điểm c) ít bền hơn cấu trạng ghế khoảng 5,6 Kcal/mol, nhưng phải vượt qua một rào năng lượng khoảng 11 Kcal/mol, ứng với cấu trạng nửa ghế I (điểm b). Cấu trạng tàu xoắn I có thể biến đổi thành cấu trạng tàu xoắn II (điểm e) ngang qua trung gian tàu (điểm d) ít bền hơn cấu trạng tàu xoắn khoảng 1,6 Kcal/mol. Cuối cùng cấu trạng tàu xoắn II (điểm e) biến thành cấu trạng ghế II (điểm g) đối hình với cấu trạng ghế I và trung gian trong giai đoạn này là cấu trạng nửa ghế II (điểm f). Kết luận: _ Phân tử ciclohexan có hai cấu trạng ghế đối hình biến đổi lẫn nhau rất nhanh ở nhiệt độ thường. _ Các nguyên tử Hidro (trục) trong cấu trạng thứ I trở thành xích đạo trong cấu trạng thứ II và ngược lại. _ Hiệu số năng lượng giữa cấu trạng ghế và cấu trạng tàu xoắn của phân tử ciclohexan đưa đến một hỗn hợp chứa khoảng 10.000 cấu trạng ghế và một cấu trạng tàu xoắn (ở 250C). 5.3.3. Ciclohexan mang nhóm thế 5.3.3.1. Ciclohexan mang một nhóm thế 2,55A0 H X H 0 X 2,55A H H 2,8A0 H a) Ankylciclohexan _ Metylciclohexan • Khi nhóm CH3– ở vị trí xích đạo, khoảng cách giữa các nguyên tử Hidro của CH3– và các nguyên tử Hidro gần nhất của vòng là 2,5A0, nghĩa là lớn hơn tổng số bán kính Van Der Waals của hai nguyên tử H (2,4A0). • Khi nhóm CH3– ở vị trí trục, một nguyên tử H của nhóm này (hướng về vòng) ở gần các nguyên tử H trục của vòng ước chừng 1,8A0 nên nhóm CH3– (a) phải chịu sức đẩy Van Der
Waals; sức đẩy này tương ứng với sự tương tác n–butan bán lệch. Do đó, muốn biết metylciclohexan có cấu trạng nào bền nhất, người ta so sánh tổng số đơn vị butan đối lệch và butan bán lệch trong hai cấu trạng. • Metylciclohexan trục có hai tương tác butan bán lệch, còn metylciclohexan xích đạo có hai tương tác butan đối lệch nên đồng phân xích đạo bền hơn đồng phân trục khoảng 1,6 ( 1,8 Kcal/mol. Kết quả này được xác định bởi phổ cộng hưởng từ hạt nhân, ở nhiệt độ thường hỗn hợp cân bằng chứa 95% CH3– (e) và 5% CH3– (a). - Khi nhóm thế là –C2H5, –isoC3H7 thì cấu trạng xích đạo vẫn bền hơn cấu trạng trục. - Nhóm thế tert–butyl khác hẳn nhóm ankyl khác, nếu But(a) thì một trong ba nhóm CH3– bắt buộc phải hướng về vòng và gây ra sự tương tác với hai nhóm –CH2– ở vị trí 3 và 5 có trị số lớn hơn 5 Kcal/mol. Năng lượng này quá cao nên tert–butyl không thể ở vị trí trục trong cấu trạng ghế nên nó chỉ tồn tại ở vị trí xích đạo. H C CH3 H 3 CH H 3 CH3 CH3 Nhóm tert–butyl trục Nhóm tert–butylCH3 xích đạo Cấu trạng của tert–butyl ciclohexan b) Ciclohexanol Ciclohexanol tồn tại dưới cấu trạng với nhóm –OH xích đạo (62–90%) OH Cấu trạng của ciclohexanol OH c) Halogenociclohexan
Theo nhiễu xạ điện tử và nhiễu xạ tia X hay phép đo momen lưỡng cực, cấu trạng ưu đãi của clorociclohexan ở trạng thái khí có nguyên tử Clor ở vị trí xích đạo (55%–60%). Hiệu số năng lượng giữa hai cấu trạng là 0,3 – 0,4 Kcal/mol, chứng minh có khoảng 40% cấu trạng trục trong hỗn hợp cân bằng. Ở trạng thái lỏng, cả hai cấu trạng trục và xích đạo đều có mặt đối với clorociclohexan và bromociclohexan, phổ hồng ngoại cho biết thêm có 40% cấu trạng trục tồn tại trong hỗn hợp cân bằng, hiệu số năng lượng giữa cấu trạng xích đạo và cấu trạng trục được ước lượng là 0,3 – 0,5 Kcal/mol bởi phổ cộng hưởng từ hạt nhân. Nhóm –∆Go Nhóm –∆Go –CLVT 0,40 –NH2 1,2–1,8 –Br 0,50 –COOH 1,2 –I 0,4 –COOCH3 1,1 –OH 0,6–0,9 –CN 0,2 –OCH3 0,7 –CH3 1,7 –OCOCH3 0,7 –C2H5 1,8 –OTs 0,7 –Pri 2,1 –SH 0,9 –Bu 2,1 –SPh 0,8 –But 5,6 –Ph 3,1 Hiệu số năng lượng tự do cấu trạng trong ciclohexan mang nhóm thế (–(Go : Kcal/mol) Đối với nhóm –OH, –NH2: trị số nhỏ ứng với dung môi không chứa H+; trị số lớn ứng với dung môi có proton. 5.3.3.2. Ciclohexan mang hai nhóm thế 5.3.3.2.1. Diankylciclohexan a) Dimetylciclohexan 1,1–dimetylciclohexan (chỉ có một cấu trạng) CH3 CH3 1,2–dimetylciclohexan có ba đồng phân cấu trạng
CH CH3 3 CH 3 Trans ee Trans aa CH 3 _ Trans ee có một tương tác butan bán lệch ứng với 0,85 Kcal/mol. _ Trans aa có bốn tương tác butan bán lệch ứng với 3,4 Kcal/mol CH3 H C CH 3 CH cis ea 3 cis ae 3 Cấu trạng cis ea có ba tương tác butan bán lệch ứng với 2,55 Kcal/mol. Ở nhiệt độ thường, 1,2–dimetylciclohexan tồn tại gần như hoàn toàn (99%) dưới cấu trạng ee. 1,3–dimetylciclohexan có ba đồng phân cấu trạng. H 3C CH 3 CH Cis ee Cis aa 3 CH 3 CH 3 H3C CH 3 Trans ea Trans ae CH - Cấu trạng cis ee không có tương tác butan bán3 lệch. - Cấu trạng cis aa có một tương tác nhị trục (3,7 Kcal/mol) và hai tương tác butan bán lệch (1,7 Kcal/mol) –∆Gaa = 3,7 + 1,7 = 5,4 Kcal/mol - Cấu trạng trans ea có hai tương tác butan bán lệch ứng với 1,7 Kcal/mol. 1,4–dimetylciclohexan có ba đồng phân cấu trạng CH3 CH H C 3 3 CH3
Trans ee Trans aa CH 3 H C 3 CH CH 3 Cis ea Cis ae 3 - Cấu trạng trans ee bền nhất vì không có tương tác butan bán lệch. - Cấu trạng cis ea có hai tương tác butan bán lệch. - Cấu trạng trans aa có bốn tương tác butan bán lệch. Nên ở nhiệt độ thường, 1,4–dimetylciclohexan tồn tại hoàn toàn dưới cấu trạng ee. Khi hai nhóm thế khác nhau: A ( B thì cấu trạng ổn định nhất ứng với nhóm thế to ở vị trí e. b) Ciclohexan mang nhóm ankyl lớn Nếu hai nhóm thế đều có kích thước lớn như t–butyl phần đóng góp của cấu trạng mềm dẻo trở nên đáng kể. Thí dụ: 1,3–ditert butylciclohexan * Cis ee H C 3 CH H C 3 3 CH H C 3 3 CH 3 * Trans ae không thể tồn tại ở cấu trạng ghế vì có nhóm tert– butyl ở vị trí trục gây tương tác nhị trục rất lớn, nên cấu trạng ghế chuyển sang tàu xoắn để cả hai nhóm t–butyl đều ở vị trí e. H C 3 H3C H C CH3 3 CH3 Cấu trạng tàu xoắn CH3 5.3.3.2.2. Dihalociclohexan 1,2–dibromociclohexan Br Br Br Br
µ = 0 µ = 3,1 D (60%) Trans ee Trans aa (40%) Bình thường đồng phân trans ee bền hơn trans aa nhưng momen lưỡng cực cho thấy cả hai cấu trạng ee và aa đều hiện diện trong dung dịch. _ Momen lưỡng cực của trans aa = 0 (tính _ Momen lưỡng cực của trans ee = 3,1 D toán) Momen thực nghiệm tùy thuộc vào dung môi sử dụng + Trong benzen µee = 2,1 D + Trong CCl4 µee = 1,7 D Cấu trạng cis ee thuận lợi về mặt lập thể nhưng có sự xô đẩy lưỡng cực giữa 2 nguyên tử Brom; nhiễu xạ điện tử cho biết hỗn hợp cân bằng của hợp chất trans–1,2–dibromociclohexan ở thể khí chứa khoảng 60% cấu trạng ee và 40% cấu trạng aa. Br Br (µ = 3,1 D) CisBr ea Cis ae (µ = 3,1 D) Br Momen lưỡng cực tính cho cis–1,2–dibromociclohexan có giá trị bằng 3,1 D ((trans) và không tùy thuộc vào dung môi. (Trị số thực nghiệm = trị số lý thuyết) 1,2–diclorociclohexan Momen lưỡng cực tìm thấy ở dạng trans ee là 2,6 D trong benzen; 2,2 D trong CCl4 (momen tính vẫn là 3,1 D). Đồng phân cis ae có giá trị thực nghiệm và lý thuyết đều bằng 3,1 D. Như vậy momen lưỡng cực của hợp chất trans–1,2– diclorociclohexan lớn hơn của trans–1,2–dibromociclohexan, nghĩa là cân bằng cấu trạng với hợp chất dicloro ciclohexan chứa ít cấu trạng aa hơn hợp chất dibromo ciclohexan. Các kết quả về momen lưỡng cực của 1,2–dihalociclohexan được xác nhận bởi phổ Raman và phổ hồng ngoại.
- Ở trạng thái lỏng, trans–1,2–diclorociclohexan có khoảng 50% cấu trạng ee; còn 1,2–dibromociclohexan có khoảng 40% cấu trạng trans ee. - Phổ cộng hưởng từ hạt nhân cho biết trans–1,2– dibromociclohexan có khoảng 30% cấu trạng ee trong dung môi không cực. - Phổ Raman và hồng ngoại chứng minh rằng ở trạng thái rắn, trans–1,2–diclorociclohexan có cấu trạng ee; còn trans–1,2– dibromociclohexan có cấu trạng aa. 1,3–dihalociclohexan: có cấu trạng ee ưu đãi hơn aa 1,4–dihalociclohexen Ở trạng thái khí, 1,4–diclorociclohexan và 1,4– dibromociclohexan đều chứa cấu trạng ee và cấu trạng aa với số lượng gần bằng nhau. Ở trạng thái rắn, chỉ có cấu trạng ee tồn tại. Ở trạng thái lỏng cả hai cấu trạng đều hiện diện 5.3.3.3. Ciclohexan mang nhiều nhóm thế Ciclohexan thế ở vị trí: 1,2,3 ; 1,2,4 hay 1,3,5 có thể có bốn đồng phân cấu hình: cis–cis; cis–trans; trans–trans; trans–cis. Ngoài ra mỗi đồng phân cấu hình có thể có hai cấu trạng nên mỗi đồng phân ciclohexan mang ba nhóm thế khác nhau có thể có tám đồng phân cấu trạng. Cấu hình Cấu trạng Trans–cis eA; eB; eC ⇔ aA; aB; aC Cis–cis eA; aB; eC ⇔ aA; eB; aC Trans–trans eA; eB; aC ⇔ aA; aB; eC Cis–trans eA; aB; aC ⇔ aA; eB; eC 1A; 2B; 3C – ciclohexan a. Mentol: có bốn cấu trạng ưu đãi với nhóm isopropyl ở vị trí xích đạo. OH CH CH3 3 HO
Mentol Neomentol eee (Trans – trans) eae (Cis – trans) CH CH3 3 OH IsomentolHO Neoisomentol eea (Trans – cis) eaa (Cis – cis) _ Mentol có cấu trạng bền eee. _ Neoisomentol (eaa) có thể có một cấu trạng thứ nhì aee và hai cấu trạng cùng tồn tại trong cân bằng vì hiệu số năng lượng giữa vị trí a và e của nhóm (CH3)2CH– (2,3 Kcal/mol) tương đương với sự tương tác Me/–OH nhị trục (2,4 Kcal/mol). Cấu trạng các mentol đồng phân đã được xác định bởi phương pháp hóa học dựa trên vận tốc tương đối của phản ứng este hóa nhóm –OH bởi n–nitro benzoyl clorur trong piridin. b. Carvomentol. CH3 CH3 OH Carvomentol (eee) Neocarvomentol (eae)OH CH CH3 3 OH Isocarvomentol (aee) NeoisocarvomentolOH (aae) Carvomentol có các đồng phân cấu trạng ưu đãi với nhóm isopropyl xích đạo. _ Tương tự các mentylamin cũng có các đồng phân cấu trạng tương tự mentol (–OH được thay bằng –NH2).
_ Các carvomentylamin cũng có các đồng phân cấu trạng như carvomentol. Tuy nhiên vị trí cân bằng cấu trạng chưa được khảo sát đầy đủ. Ciclohexan mang sáu nhóm thế Hexacloro- ciclohexan (C6H6Cl6) tồn tại dưới các đồng phân cấu trạng sau: Số thứ tự Cấu trạng Thứ tự tìm thấy 1 eeeeee ⇔ aaaaaa β 2 aeeeee ⇔ eaaaaa δ 3 aaeeee ⇔ eeaaaa α 4 aeeaee ⇔ eaaeaa ε 5 aeaeee ⇔ eaeaaa η 6 aaeaee ⇔ eeaeaa ξ 7 aeaeae* ⇔ eaeaea* τ (b) 8 aaaeee ⇔eeeaaa γ Về mặt lý thuyết hexaclorociclohexan có 16 đồng phân cấu trạng, số này giảm xuống còn 13 vì hai cấu trạng của (7)* và của (8) giống hệt nhau, cấu trạng (6) có hai dạng (+) (–) biến đổi lẫn nhau được và vì các vòng có thể biến đổi lẫn nhau nên chỉ có tám đồng phân tách rời được. Số nguyên tử Clor trục càng nhiều cấu trạng tương ứng càng kém bền, hai nguyên tử Clor 1,3 – nhị trục có thể hiện diện mà phân tử không bắt buộc phải xoắn, nếu có ba nguyên tử Clor trục như trong (–hexaclorociclohexan sự xoắn góc tứ diện sẽ xảy ra trong phân tử. Dựa trên nhiễu xạ điện tử ở trạng thái hơi, cấu trạng các đồng phân (, (, (, ( và ( đã được xác định dễ dàng, vì cân bằng cấu trạng hướng hoàn toàn về phía cấu trạng bền nhất (các cấu trạng này cũng được xác định bởi phép đo momen lưỡng cực). 5.4. CẤU TRẠNG CỦA VÀI HỢP CHẤT HAI VÒNG SÚC HỢP 5.4.1. Decalin (Biciclo [4.4.0] decan) Decalin tồn tại trong rất nhiều hợp chất thiên nhiên thuộc nhóm sesquiterpen, diterpen. Decalin là một hệ không căng, tồn tại dưới hai dạng trans và cis, tùy theo hai nguyên tử Hidro gắn tại
C9 và C10 ở hai bên hoặc ở cùng một bên mặt phẳng trung bình của phân tử. Theo Mohr (1918) cis–decalin được cấu tạo bởi sự dung hợp hai dạng tàu của ciclohexan, còn trans–decalin do sự dung hợp hai dạng ghế. Theo Hassel (1946) đã xác định bởi nhiễu xạ điện tử cấu trạng ưu đãi của cis–decalin phải do hai dạng ghế súc hợp. • TRANS–DECALIN: . H 1 7 9 8 1 2 6 5 4 10 3 H 5 H 4 7 9 2 6 10 3 8 H 1 Trans–decalin có hai vòng ciclohexan dung hợp với nhau hai nối xích đạo, là một phân tử cứng rắn, với một tâm đối xứng (ở ngay giữa hai nguyên tử C9–C10) và một trục đối xứng bậc II (xuyên qua giữa C2–C3, C9–C10, C6–C7) Trans–decalin không thể nghịch chuyển thành dạng đối hình vì sự dung hợp hai vòng ciclohexan ghế chỉ xảy ra với hai nối ee và không thể thực hiện với hai nối aa. Nên trans–decalin là một phân tử không có tính triền quang. • CIS–DECALIN: H H 9 1 2 9 H 7 8 H 8 1 4 5 10 10 3 6 2 7 6 5 4 3 4 9 2 10 3 8 1 7 5 6
Cis–decalin dung hợp với nhau bởi một nối xích đạo và một nối trục, cis–decalin có trục đối xứng bậc II (xuyên qua giữa C9– C10 và thẳng góc với nối này, trong mặt phẳng phân giác góc nhị diện giữa hai nguyên tử Hidro 9 và 10). Cis–decalin là một phân tử mềm dẻo, bất đối xứng, có thể biến đổi dễ dàng thành dạng đối hình (như cis–dimetylciclohexan). Cis–decalin là một cặp (() không thể tách hai được. Cấu trạng cis–decalin có ba tương tác butan bán lệch, còn trans–decalin không có tương tác butan bán lệch. Như vậy, cis– decalin kém bền hơn trans–decalin, hiệu số năng lượng giữa hai đồng phân là 3 ( 0,85 = 2,55 Kcal/mol. Cân bằng giữa cis– và trans– lệ thuộc nhiệt độ, sự khảo sát cân bằng này ở nhiệt độ cao, xúc tác Pt đưa đến hiệu số năng lượng ở trạng thái lỏng là 2,72 Kcal/mol, phù hợp với trị số tính. DECALOL Decalin mang nhóm thế ở vị trí 1; 2 tồn tại dưới bốn dạng đồng phân lập thể: cis–cis; cis–trans; trans–cis; trans–trans. Cấu hình của bốn dạng Racemic của 1–decalol và của bốn dạng Racemic của 2–decalol đã được xác định dứt khoát bởi phương pháp: điều chế, hóa tính và lý tính. Nhưng sự phân giải cấu trạng dựa trên các dữ kiện động học (xà phòng hóa ester carboxilat); dung môi giải ester sufonic và phổ hồng ngoại có phần phức tạp. * TRANS–DECALOL: cấu trạng cứng rắn của trans– 1 và 2–decalol. H H OH H H H HO H H (A) H (B) Trans–cis–1–decalol Trans–trans–1– decalol
∗ Đồng phân trans–cis–1–decalol có ba tương tác nhị trục 1,3– giữa nhóm –OH với các H(a) tại C3, C8, C10. ∗ Đồng phân trans–trans–1–decalol có một tương tác peri với nguyên tử H(e) tại C8, tương đương với một tương tác nhị trục –1,3. H H H OH H OH (C) (D) H H Trans–cis–2–decalol Trans–trans–2–decalol Cấu trạng cứng rắn của trans–2–decalol Cấu trạng của decalol được xác định bởi động học các phản ứng hóa học, như sự saron hóa hidrogen–sucinat decalil và sự dung môi giải tosilat decalil. Vận tốc tương đối của sự xà phòng hóa hidrogen sucinat trans–1– và 2–decalil bởi NaOH trong dung dịch H2O, ở 400C, giảm dần theo thứ tự: Trans–cis–2 〉 trans–trans–1 〉 trans–trans–2 〉 trans–cis–1 Sự xà phòng hóa hidrogensucinat trans–cis–2–decalil xảy ra khoảng 8 lần nhanh hơn sự xà phòng hóa hidrogensucinat trans– trans–2–decalil. Điều này phù hợp với cấu trạng xích đạo của – OH trong trans–cis–2–decalol và trục trong trans–trans–2–decalol. Tương tự với trans–1–decalol: sự xà phòng hóa trans–trans–1– decalol nhanh gấp 18 lần đồng phân trans–cis–1–decalol. Vận tốc xà phòng hóa hidrogensucinat trans–trans–1–decalil xích đạo thấp hơn (khoảng 5,5 lần) vận tốc xà phòng hóa hidrogensucinat trans–cis–2–decalil xích đạo; nhưng vẫn cao hơn (gấp 1,5 lần) vận tốc xà phòng hóa hidrogensucinat trans–trans–2– decalil trục, do C8 có hiệu ứng peri đáng kể. Sau cùng, vận tốc xà phòng hóa hidrogensucinat trans–cis–1–decalil trục thấp nhất (13 lần chậm hơn vận tốc xà phòng hóa hidrogen-sucinat trans–trans– 2–decalil trục) do cấu trạng A có hiệu ứng giảm thiểu bất thường (tương tác nhị trục 1,3). * CIS–DECALOL: trái với trans–decalol, nhóm –OH trong cis–decalol không có cấu hình cố định.