- 1. hình học Ở chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu cách dự đoán dạng hình học của các phân tử hợp chất hữu cơ. Điều này rất quan trọng vì nó giúp ích cho phần lớn các nội dung tiếp theo của cuốn sách này. Để các phân tử phản ứng với nhau, các trung tâm phản ứng của các phân tử phải gần nhau trong không gian. Nếu cấu trúc hình học của các phân tử ngăn chúng lại gần nhau thì không thể xảy ra phản ứng. Khái niệm này được gọi là chướng ngại lập thể hay chướng ngại không gian. Các phần tiếp theo của sách, bạn sẽ phải cố gắng xác định xem phản ứng sẽ diễn ra theo chiều hướng nào. Vì đôi lúc một số hướng phản ứng gặp phải khó khăn do dạng hình học không gian của các phân tử không cho phép các trung tâm phản ứng gần nhau. Cụ thể hơn, bạn sẽ học cách đưa ra quyết định như thế này ngay sau khi tìm hiểu cơ chế phản ứng SN2 và SN1. Để xác định dạng hình học của toàn bộ phân tử, chúng ta cần xác định dạng hình học của mỗi nguyên tử trước. Điều này được thực hiện bằng cách phân tích cách nó liên kết với các nguyên tử xung quanh như thế nào. Đặc biệt, chúng ta cần biết vị trí của
- 2. và góc của mọi liên kết một cách chính xác. Điều này nghe có vẻ khó khăn nhưng thực sự rất đơn giản. Đặc biệt, với một chút thực hành, bạn có thể dự đoán dạng hình học của phân tử khi nhìn vào nó ngay lập tức. 4.1. Các obitan và trạng thái lai hoá Để xác định dạng hình học của phân tử, chúng ta cần biết cách các nguyên tử liên kết với nhau trong không gian ba chiều như thế nào, vì vật hãy bắt đầu với obitan. Liên kết được hình thành khi một điện tử của nguyên tử này xen phủ với một điện tử của nguyên tử khác. Hai điện tử được chia sẻ giữa cả hai nguyên tử và chúng ta gọi đó là liên kết. Vì các điện tử tồn tại trong các vùng không gian được gọi là các obitan, nên điều chúng ta thực sự quan tâm là vị trí và góc của các obitan nguyên tử xung quanh của mỗi nguyên tử. Nó không quá phức tạp vì số lượng các obitan nguyên tử có thể có rất ít. Có hai obitan nguyên tử đơn giản là obitan s và p (chúng ta không cần quan tâm nhiều đến obitan d và f trong hóa học hữu cơ). Obitan s hình cầu còn obitan p có hai thùy (một thùy trước và một thùy sau): Các nguyên tử ở hàng thứ hai (như C, N, O và F) có một obitan s và ba obitan p ở lớp vỏ hóa trị. Các obitan này thường được lai hoá với nhau để tạo ra các obitan lai hoá mới tương ứng (sp3 , sp2 và sp). Điều này khiến các thuỳ trong không gian được sắp xếp lại. Vì vậy, để thực sự hiểu được dạng hình học của liên kết, chúng ta cần phải
- 3. học của ba trạng thái lai hóa khác nhau này. Mỗi obitan lai hóa có thể được sử dụng để tạo liên kết với nguyên tử khác hoặc giữ một cặp điện tử đơn lẻ. Và lưu ý rằng việc xác định trạng thái lai hoá không hề khó khăn. Chỉ cần đếm có bao nhiêu nguyên tử khác được liên kết với nguyên tử cần xác định trạng thái lai hoá và đếm xem có bao nhiêu cặp điện tử không tham gia liên kết. Tổng số này là tất cả những gì bạn cần để xác định trạng thái lai hóa của nguyên tử. Hãy xem một ví dụ để làm rõ điều đó. Xem xét phân tử dưới đây: Hãy thử xác định trạng thái lai hóa của nguyên tử cacbon ở trung tâm. Chúng ta bắt đầu bằng cách đếm số nguyên tử kết nối với nguyên tử cacbon này. Có 3 nguyên tử (O, H và H). Tiếp theo, chúng ta đếm số lượng các cặp đơn lẻ trên nguyên tử cacbon. Không có cặp điện tử không tham gia liên kết. Bây giờ chúng ta lấy tổng của các nguyên tử liên kết và số lượng các cặp đơn lẻ, trong trường hợp này là 3. Do đó, ba obitan lai hóa đang được sử dụng ở đây. Điều đó có nghĩa là chúng ta đã lai hoá hai obitan p và một obitan s (tổng cộng ba obitan) để có ba obitan lai hoá sp2 tương đương. Vậy trạng thái lai hoá của nguyên tử C trung tâm ở đây là sp2 .
- 4. hoá của của nguyên tử C Quy tắc chung để xác định trạng thái lai hoá: Bước 1. Tính tổng số các nguyên tử liên kết với nguyên tử cần xác định trạng thái lai hoá và số cặp điện tử chưa tham gia liên kết. Bước 2. Nếu tổng là 4 chúng ta có 4 obitan lai hoá sp3 , nếu tổng là 3 chúng ta có 3 obitan lai hoá sp2 , nếu tổng là 2 chúng ta có 2 obitan lai hoá sp. Dưới đây là một số ví dụ: sp3 sp2 sp
- 5. xác định trạng thái lai hoá của một nguyên tử, chúng ta có thể dễ dàng xác định dạng hình học của nguyên tử đó. 4.2. Dạng hình học Sau khi biết cách xác định trạng thái lai hóa, chúng ta cần biết dạng hình học của từng trạng thái lai hóa. Lý thuyết đẩy cặp electron lớp vỏ hóa trị (VSEPR) sẽ giải thích dạng hình học của các trạng thái lai hoá một cách đơn giản nhất. Thuyết này cho rằng tất cả các obitan chứa electron ở lớp vỏ ngoài cùng (lớp vỏ hóa trị) đều muốn càng xa nhau càng tốt. Đầu tiên, hãy áp dụng lý thuyết cho ba loại obitan lai hóa thường gặp nhất trong các phân tử hợp chất hữu cơ. 1. Bốn obitan lai hóa sp3 tương đương đạt được khoảng cách lớn nhất với nhau khi chúng sắp xếp theo cấu trúc tứ diện: Theo cách sắp xếp này, mỗi obitan trong số bốn obitan nằm cách mỗi obitan trong số ba obitan còn lại chính xác là 109,5°. Bất kỳ sự xen phủ nào giữa các obitan nguyên tử và obitan lai hoá có thể tạo thành liên kết. Ví dụ, bốn obitan sp3 của cacbon có thể kết hợp với bốn obitan 3p của clo tạo ra tetraclometan (CCl4). Liên kết cacbon-cacbon cũng có thể được tạo ra do sự xen phủ của các obitan lai hóa. Trong etan, CH3–CH3 (Hình 4.2), liên kết này bao gồm hai lai hóa sp3 , một từ hai đơn vị CH3. Bất kỳ nguyên tử hidro nào trong metan và etan đều có thể được thay thế bằng CH3 hoặc các nhóm khác để tạo ra hợp chất mới. Trong tất cả các phân tử này và vô số phân tử khác, cacbon có dạng gần như tứ diện. Chính vì thế, cacbon có khả năng tạo thành các mạch nguyên tử mang
- 6. bổ sung hơn, điều này làm cho số lượng hợp chất hóa học hữu cơ rất đa dạng. Hình 4.2. Lai hoá của etan 2. Ba obitan lai hóa sp2 tương đương đạt được khoảng cách lớn nhất với nhau khi chúng sắp xếp trong một cấu trúc tam giác phẳng: Tất cả ba obitan nằm trong cùng một mặt phẳng và mỗi obitan nằm cách 120° so với các obitan khác. Obitan p còn lại trực giao (vuông góc) với ba obitan lai hoá. 3. Hai obitan lai hóa sp tương đương đạt được khoảng cách lớn nhất với nhau khi chúng sắp xếp theo cấu trúc tuyến tính: Việc xác định trạng thái lai hoá của nguyên tử có vẻ đơn giản. Nhưng vì sao chúng ta vẫn thường nhầm lẫn? Điều gì xảy ra khi một obitan lai hóa chứa một cặp đơn lẻ? Điều đó ảnh hưởng thế nào đến dạng hình học? Câu trả lời là dạng hình học của các obitan không thay đổi, nhưng dạng hình học của phân tử bị ảnh hưởng. Tại sao lại như vậy?
- 7. ví dụ về amoniac (NH3). Trong NH3, nguyên tử nitơ lai hoá sp3 , vì vậy cả bốn obitan sắp xếp theo cấu trúc tứ diện, giống như chúng ta đã làm. Nhưng chỉ có ba trong số các obitan lai hoá này liên kết với H. Vì vậy, nếu chúng ta chỉ nhìn vào các nguyên tử được liên kết với nhau thì sẽ không thấy cấu trúc một tứ diện. Thay vào đó, chúng ta thấy một hình chóp tam giác: Hình 4.3. Lai hoá của nguyên tử N trong NH3 Tương tự trong phân tử H2O, nguyên tử oxy lai hóa sp3 . Vì vậy, tất cả bốn obitan lai hoá đều sắp xếp theo hình tứ diện, giống như chúng ta đã biết đối với một nguyên tử lai hóa sp3 . Nhưng chỉ có hai trong số các obitan lai hoá được sử dụng để xen phủ với nguyên tử H tạo liên kết O–H. Vì vậy, nếu chúng ta chỉ nhìn vào các nguyên tử được liên kết với nhau, chúng ta không thấy một tứ diện. Thay vào đó, chúng ta thấy hình góc: Hình 4.4. Lai hoá của nguyên tử O trong H2O Một khi bạn có thể xác định dạng hình học xung quanh một nguyên tử, bạn sẽ không gặp vấn đề gì khi xác định dạng hình học hay hình dạng của một phân tử. Chỉ cần lặp
- 8. của bạn cho tất cả các nguyên tử trong phân tử. Thoạt đầu, đây có vẻ là một nhiệm vụ lớn, nhưng một khi bạn thực sự hiểu nó, bạn sẽ có thể xác định hình học của một nguyên tử ngay lập tức. 4.3. Các cặp điện tử không tham gia liên kết Nhìn chung, các cặp điện tử không tham gia liên kết chiếm các obitan lai hóa. Ví dụ, hãy xem xét các cặp điện tử không tham gia liên kết trên nguyên tử nitơ trong hợp chất sau: Nguyên tử nitơ này có ba liên kết và một cặp điện tử đơn lẻ, vì vậy nó lai hóa sp3 , giống như chúng ta đã đề cập trong phần nội dung trước. Cặp điện tử đơn lẻ chiếm một obitan lai hóa sp3 , và nguyên tử nitơ có dạng hình chóp tam giác. Nhưng bây giờ hãy xem xét nguyên tử nitơ trong hợp chất sau: Cặp điện tử duy nhất trên nguyên tử nitơ này không chiếm một obitan lai hóa bởi vì cặp điện tử này không tham gia liên kết mà tham gia cộng hưởng:
- 9. trúc cộng hưởng thứ hai cho thấy nguyên tử nitơ này lai hoá sp2 , không phải sp3 . Đây là quy tắc chung cần lưu ý: một cặp điện tử đơn độc tham gia cộng hưởng phải chiếm một quỹ đạo p, vì vậy nguyên tử nitơ trong hợp chất trên được lai hóa sp2 và có dạng hình phẳng tam giác chứ không phải hình chóp tam giác. BÀI TẬP 1. Một số hợp chất, chẳng hạn như hợp chất trong hình dưới đây cho thấy hoạt tính sinh học chống lại các loại tế bào ung thư tuyến tiền liệt. Trong cấu trúc sau, hãy chỉ ra các nguyên tử hoặc các liên kết phù hợp với các mô tả a-g. Giải thích ngắn gọn. a. Liên kết đơn cộng hoá trị phân cực cao. b. Liên kết đôi cộng hoá trị phân cực cao. c. Liên kết cộng hoá trị gần như không phân cực. d. Nguyên tử cacbon lai hoá sp. e. Nguyên tử cacbon lai hoá sp2 . f. Nguyên tử cacbon lai hoá sp3 . g. Liên kết giữa các nguyên tử có trạng thái lai hoá khác nhau.
- 10. nào dưới đây có góc liên kết gần với 120o nhất? Giải thích ngắn gọn. a. O=C=S b. CHI3 c. H2C=O d. e. CH4 3. Một số chất có chứa nguyên tử cacbon phân cực dương đã được dán nhãn là “tác nhân nghi ngờ ung thư” (tức là chất gây ung thư bị nghi ngờ hoặc hợp chất gây ung thư). Người ta cho rằng sự hiện diện của các nguyên tử cacbon như vậy là nguyên nhân cho tính gây ung thư của các phân tử này. Giả sử rằng mức độ phân cực dương tỷ lệ thuận với khả năng gây ung thư, bạn sẽ xếp hạng các hợp chất sau đây như thế nào về khả năng gây ung thư? a. CH3Cl b. (CH3)4Si c. ClCH2OCH2Cl d. CH3OCH2Cl e. (CH3)3C+ 4. Hình dạng và trạng thái lai hóa của từng nguyên tử cacbon trong các phân tử này là gì?
- 11. luôn là tay trái và nó chỉ mang vừa găng tay trái. Điều tương tự như vậy xảy ra với tay phải. Cho dù bạn có di chuyển tay của bạn đến đâu, điều này cũng không thay đổi. Và các phân tử cũng có tính chất như vậy. Là khả thi nếu như phân tử có vùng mà tại đó có hai khả năng kết nối giữa các nguyên tử trong không gian 3D, tương tự như tay phải và tay trái. Thay vì là tay phải và tay trái, chúng ta gọi hai khả năng là R, S. Khi chúng ta nói về cấu hình của một hợp chất, tức là chúng ta đang nói về đó là R hay S. Nếu cấu trúc phân tử là S thì nó sẽ luôn là S cho dù phân tử xoắn hay vặn như thế nào. Nói cách khác, phân tử có thể chuyển động thành cấu dạng nào mà chúng muốn, nhưng cấu hình thì không bao giờ đổi. Cách duy nhất để có thể thay đổi cấu hình đó là bản thân hợp chất đó phải trải qua phản ứng hoá học. Điều này giải thích vì sao ở chương 5, chúng ta thấy rằng cho dù bạn vẽ cấu hình dạng ghế nào thì hướng lên vẫn luôn là hướng lên. Bởi vì hướng lên và hướng xuống là vấn đề của cấu hình và sẽ không thay đổi cho dù phân tử xoắn vặn thành những cấu dạng khác nhau. Trong các phân tử, các vùng có thể là R hay S được gọi là các trung tâm lập thể. 6.1. Trung tâm lập thể
- 12. có một cacbon trung tâm với bốn nhóm thế khác nhau: etyl, metyl, brom và clo. Cacbon này được gọi là cacbon bất đối hay trung tâm lập thể. Lúc này chúng ta có hai cách sắp xếp khác nhau ứng với các cấu hình khác nhau. Hai hợp chất trên khác nhau cho dù các nhóm gắn vào là như nhau. Sự khác biệt giữa chúng đến từ vị trí của chúng trong không gian 3D. Vì vậy chúng được gọi là đồng phân lập thể (stereoisomerism: stereo có nghĩa là không gian). Đối với trường hợp sau: Bốn nhóm gắn vào khác nhau và ta có trung tâm bất đối. BÀI TẬP 1. Hãy tìm trong mỗi hợp chất dưới đây một trung tâm lập thể.
- 13. 6.5 6.6 2. Xác định các trung tâm lập thể của các hợp chất sau. 6.7 6.8 6.9 6.10 6.11 6.12 6.13 6.2. Xác định cấu hình của trung tâm lập thể Xem xét ví dụ sau:
- 14. tử gắn vào cacbon bất đối, đó là: H, O, C và C. Hãy sắp xếp chúng theo thứ tự từ 1 đến 4 dựa vào số hiệu nguyên tử. Oxy có số hiệu nguyên tử lớn nhất được đánh số 1, H có số hiệu nguyên tử bé nhất được đánh số 4. Vậy đối với 2 cacbon còn lại việc đánh số sẽ thực hiện như thế nào? Đối với mỗi cacbon, liệt kê các nguyên tử liên kết với chúng (trừ cacbon bất đối đang xét cấu hình). Chúng ta có hai danh sách ứng với cacbon bên trái và bên phải. Chúng ta thấy điểm khác nhau ngay lập tức: cacbon có số hiệu nguyên tử lớn hơn hydro. Vì vậy cacbon bên trái được ưu tiên hơn. Và ta có việc đánh số thứ tự ưu tiên hoàn chỉnh như sau: BÀI TẬP Đánh số thứ tự ưu tiên cho các hợp chất có trung tâp lập thể sau. 6.14 6.15 6.16
- 15. 6.21 6.22 6.23 6.24 Lưu ý đối với nối đôi hay nối ba, chúng ta xem như nguyên tử đó được liên kết với hai hay ba cacbon tương tứng. Ví dụ: Nhóm bên trái là số 2 vì chúng được đếm như sau: Nếu như nhóm 4 đi xa chúng ta (đường nét đứt), và nhóm 1, 2 và 3 quay theo chiều kim đồng hồ, ta có cấu hình R và ngược lại nhóm 1, 2 và 3 quay ngược chiều kim đồng hồ, ta có cấu hình S.
- 16. nhóm 4 là đường nét đứt thì sẽ rất đơn giản: Nhưng nếu nhóm 4 không phải là đường đứt nét, chúng ta phải quay phân tử: Để đơn giản, hãy vẽ lại với chỉ các số thứ tự ưu tiên: Bây giờ quay phân tử, tưởng tượng trục phân tử là cây bút chì và ta quay nó 90o :
- 17. 4 đi ra xa ta, nhìn vào chiều của nhóm 1, 2 và 3 ngược chiều kim đồng hồ, ứng với cấu hình S. Một ví dụ khác: Làm các bước tương tự như trên, nhưng thay vào đó là quay một góc 180o . BÀI TẬP 1. Xác định cấu hình R hay S trong các trường hợp sau. 6.25 6.26 6.27
- 18. Đáp án _____ Đáp án ______ 6.28 6.29 6.30 Đáp án ______ Đáp án ______ Đáp án ______ 6.31 6.32 6.33 Đáp án ______ Đáp án ______ Đáp án ______ 2. Mỗi hợp chất sau có một trung tâm bất đối. Tìm và xác định đó là cấu hình R hay S. 6.34 6.35 6.36 6.37 6.38 6.39 6.40 6.3. Danh pháp Nếu đơn giản chỉ có một trung tâm lập thể, chỉ cẩn thêm (R) hay (S) vào trước tên. Ví dụ butan-2-ol có một trung tâm lập thể, có thể viết (R)-butan-2-ol hay (S)-butan-2-ol.
- 19. xét trường hợp sau: Chúng ta có một dạng đồng phân lập thể khác. Thường có hai cách để sắp xếp các nhóm gắn vào nối đôi trong không gian 3D. Chúng ta dùng thuật ngữ cis và trans để mô tả hai khả năng này. Hãy xem xét trường hợp sau: Có thể nhận thấy chúng ta không thể sử dụng hệ thống cis/trans để phân loại trong trường hợp này. Nhìn vào hai phía của nối đôi, mỗi phía có 2 nhóm: Lúc này sử dụng cách đánh số ưu tiên bên trên để xác định nhóm thế ưu tiên hơn ứng với mỗi phía của nối đối. Kết quả thu được như sau:
- 20. ưu tiên ở cùng một phía ta gọi là Z (tiếng Đức zusamnen có nghĩa là cùng nhau), và ngược nhau là E (entgegen có nghĩa là đối lập, ngược). BÀI TẬP Gọi tên các hợp chất sau. 6.41 Tên_____________________________________ 6.42 Tên_____________________________________ 6.43 Tên_____________________________________ 6.44 Tên_____________________________________ 6.45 Tên_____________________________________ 6.46 Tên_____________________________________
- 21. phân đối hình Đồng phân đối hình (enantiomer) luôn đi thành một cặp do cái này là ảnh của cái kia, hay nói cách khác, cái này là đồng phân đối hình của cái kia. Cách đơn giản nhất để vẽ một đồng phân đối hình đó là vẽ lại khung cacbon nhưng chuyển đổi toàn bộ các trung tâm lập thể. Tức là, đổi đường đứt nét thành đậm nét và ngược lại. Ví dụ: 6.5. Đồng phân không đối hình Trong tất cả các ví dụ trên, chúng ta đã so sánh hai hợp chất là hình ảnh phản chiếu của nhau trong gương, còn gọi là đồng phân đối hình. Để chúng trở thành đồng phân đối hình, chúng cần có cấu hình khác nhau cho mỗi trung tâm lập thể. Hãy nhớ rằng cách để vẽ đồng phân đối hình là chuyển tất cả các nét đậm thành nét đứt và ngược lại, tức là mọi cấu hình của trung tâm lập thể phải được đảo ngược. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta có nhiều trung tâm lập thể và chúng ta chỉ đảo ngược một số trong số chúng? Hãy bắt đầu với một trường hợp đơn giản khi chúng ta chỉ có hai trung tâm lập thể. Xem xét hai hợp chất dưới đây:
- 22. rằng chúng không phải là cùng một hợp chất. Và chúng đồng thời cũng không phải là hình ảnh phản chiếu của nhau. Trung tâm lập thể trên có cấu hình giống nhau trong cả hai hợp chất. Nếu chúng không phải là hình ảnh phản chiếu của nhau, thì chúng không phải là chất đối hình. Vậy mối quan hệ giữa chúng là gì? Chúng được gọi là đồng phân không đối hình (diastereomer). Đồng phân không đối hình là tất cả các đồng phân lập thể nhưng không phải là ảnh phản chiếu của nhau trong gương. Đồng phân E/Z hoặc đồng phân cis/trans cũng thuộc loại này. Chúng cũng được gọi là đồng phân không đối hình, vì chúng là đồng phân lập thể nhưng không phải là hình ảnh phản chiếu của nhau. BÀI TẬP Vẽ đồng phân đối hình của các hợp chất sau. 6.48 6.49 6.50 6.51 6.52 6.53
- 23. meso Khi bạn có nhiều trung tâm lập thể trong một hợp chất thì sẽ có nhiều đồng phân lập thể. Tuy nhiên, chúng sẽ được phân thành các cặp đồng phân đối hình và rất nhiều đồng phân không đối hình. Hợp chất trên có 5 trung tâm lập thể, vì vậy nó sẽ có nhiều chất đồng phân không đối hình. Nhưng hợp chất này sẽ chỉ có một đồng phân sinh đôi - chỉ một đồng phân đối hình (chỉ có một hình ảnh phản chiếu trong gương của hợp chất ở trên). Một hợp chất có thể là hình ảnh phản chiếu của chính nó trong gương. Một hợp chất như vậy đó được gọi là hợp chất meso. Nếu bạn cố gắng vẽ đồng phân đối hình, bạn sẽ thấy rằng cấu trúc bạn vẽ sẽ giống như hợp chất ban đầu. Vì vậy, làm thế nào để bạn biết nếu bạn có một hợp chất meso? Hợp chất meso có các trung tâm lập thể, nhưng đồng thời cũng có tính đối xứng cho phép nó trở thành hình ảnh phản chiếu của chính nó. Hãy lấy phân tử cis-1,2-dimetylcyclohexan làm ví dụ. Phân tử này có một mặt phẳng đối xứng cắt phân tử làm đôi. Mọi thứ ở phía bên trái của mặt phẳng được phản chiếu bởi mọi thứ ở phía bên phải:
- 24. tử có mặt phẳng đối xứng bên trong, thì nó là một hợp chất meso: Vì vậy, để trở thành hợp chất meso thì hợp chất cần phải giống như hình ảnh phản chiếu của chính nó. Điều này có thể xảy ra khi một phân tử có một mặt phẳng đối xứng bên trong. Ngoài ra cũng có thể xảy ra khi hợp chất có tâm nghịch đảo. Ví dụ như hợp chất sau: Hợp chất này không có mặt phẳng đối xứng nhưng có tâm nghịch đảo. Nếu chúng ta đảo ngược mọi thứ xung quanh tâm nghịch đảo này, chúng ta thu được hợp chất ban đầu. Do đó, hợp chất này sẽ được chồng lên hình ảnh phản chiếu của chính nó, và hợp chất này là meso. Bạn sẽ hiếm khi thấy những trường hợp kiểu này, nhưng sẽ không đúng nếu nói rằng mặt phẳng đối xứng là điều kiện đối xứng duy nhất tạo nên một hợp chất meso.
- 25. Fischer Có nhiều cách khác nhau để vẽ các trung tâm lập thể. Công thức Fischer rất hữu ích để vẽ các phân tử có nhiều trung tâm lập thể nối tiếp nhau. Sử dụng công thức Fischer giúp tiết kiệm thời gian vì chúng ta không phải vẽ tất cả các nét đậm và nét đứt cho mỗi trung tâm lập thể. Thay vào đó, chúng ta chỉ cần vẽ các đường thẳng với lưu ý tất cả các đường ngang ứng với các đường đang hướng về phía chúng ta và tất cả các đường thẳng ứng với các đường sẽ rời xa ta. Hãy xem xét phân tử sau được vẽ dưới dạng zigzag. Hãy nhớ rằng tất cả các liên kết đơn đều quay tự do, do đó có một số lượng lớn các cấu dạng tồn tại. Cấu hình không thay đổi khi phân tử xoắn và uốn cong. Hãy xem điều gì xảy ra khi chúng ta quay một trong các liên kết đơn:
- 26. cấu hình của trung tâm lập thể, bạn sẽ thấy cấu hình không hề thay đổi. Bây giờ chúng ta hãy thử vẽ một trong số các cấu trúc có thể có cho phân tử này. Nếu chúng ta quay thêm một vài liên kết đơn nữa cho đến khi bộ khung cacbon trông như chiếc vòng tay, chúng ta sẽ nhận được cấu trúc sau: Phân tử luôn xoắn và uốn mọi lúc. Phân tử có thể ít tồn tại ở cấu dạng này do năng lượng tương đối cao, nhưng đây là cấu dạng mà chúng ta sẽ sử dụng để vẽ công thức Fischer. Bây giờ hãy tưởng tượng đâm một cây bút chì qua R1 và R2 (biểu thị bằng đường gạch đứt). Nếu bạn nắm lấy đầu của bút chì và quay, bạn sẽ thấy rằng R1 và R2 nằm trên giấy, nhưng phần còn lại của phân tử sẽ đi ra mặt phẳng giấy. Bây giờ hãy tưởng tượng chúng ta làm phẳng khung cacbon thành một đường thẳng và vẽ lại phân tử bằng cách chỉ sử dụng các đường thẳng biểu thị cho các nhóm:
- 27. cấu hình có thể được nhìn thấy trên công thức Fischer này bởi vì chúng ta về cơ bản có thể tưởng tượng ra hình dạng 3D sẽ như thế nào. Chỉ cần áp dụng quy tắc là tất cả các đường ngang hướng về phía chúng ta và tất cả các đường dọc sẽ rời khỏi chúng ta: Bạn có thể tự hỏi làm thế nào để có thể xác định cấu hình của một trung tâm lập thể khi bạn có được công thức Fischer của chúng. Câu trả lời khá đơn giản, chỉ cần nhớ lại quy tắc vẽ công thức Fischer bên trên và làm ngược lại. Công thức Fischer sẽ trở nên cực kì hiệu quả khi nghiên cứu về cacbohydrat. 6.8. Tính chất quang học
- 28. xem xét phân tử 2-bromobutan bất đối xứng có hai đồng phân đối hình. Nếu chúng ta cô lập mỗi đồng phân đối hình ở dạng tinh khiết thì không thể phân biệt chúng trên cơ sở tính chất vật lý như điểm sôi, điểm nóng chảy và khối lượng riêng. Chúng ta không nên ngạc nhiên với kết quả này vì các liên kết của đồng phân này giống hệt nhau và năng lượng liên kết của chúng cũng vậy. Tuy nhiên, khi một loại ánh sáng đặc biệt, được gọi là ánh sáng phân cực phẳng được truyền qua một mẫu của một trong những đồng phân đối hình này, mặt phẳng phân cực của ánh sáng đến được quay theo một hướng (theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ). Khi thí nghiệm tương tự được tiến hành với đồng phân đối hình còn lại, mặt phẳng của ánh sáng phân cực được quay chính xác cùng một giá trị nhưng theo hướng ngược lại. Những chất có khả năng quay mặt phẳng ánh sáng phân cực phẳng như trên gọi là chất quang hoạt. Nếu quay theo chiều kim đồng hồ khi quan sát đối diện với nguồn sáng thì gọi là dextrorotatory (dexter có nghĩa là phải trong tiếng Latin), và hợp chất này là đồng phân đối hình (+). Đối với đồng phân đối hình khác sẽ tạo ra hiệu ứng quay ngược chiều kim đồng hồ thì gọi là levorotatory (laevus có nghĩa là trái trong tiếng Latin) và hợp chất này là đồng phân đối hình (–).
- 29. đồng phân đối hình của 2-bromobutan Vậy ánh sáng phân cực phẳng là gì? Ánh sáng thông thường có thể được coi là các sóng điện từ dao động theo tất cả các hướng khác nhau trong không gian và vuông góc với phương truyền của chùm sáng. Khi ánh sáng như vậy được truyền qua một vật liệu gọi là phân cực, tất cả ngoại trừ một trong những sóng ánh sáng này được lọc đi và kết quả chùm tia dao động chỉ trong cùng một mặt phẳng. Ánh sáng đó là ánh sáng phân cực phẳng. Khi ánh sáng đi qua một phân tử, các electron xung quanh hạt nhân và trong các liên kết tương tác với điện trường của chùm ánh sáng. Nếu một chùm ánh sáng phân cực phẳng được truyền qua một chất bất đối xứng, điện trường tương tác khác nhau với nửa trái và nửa phải của phân tử. Sự tương tác này dẫn đến sự quay của mặt phẳng phân cực, được gọi là góc quay cực. Góc quay cực được đo bằng phân cực kế và đơn vị đo là độ. Giá trị của nó phụ thuộc vào nồng độ và cấu trúc của chất quang hoạt, chiều dài cuvet, bước sóng của ánh sáng, dung môi và nhiệt độ. Để tránh sự mơ hồ, các nhà hóa học đã thống nhất về một giá trị tiêu chuẩn của góc quay cực riêng cho mỗi hợp chất. Giá trị này (phụ thuộc vào dung môi) được tính theo công thức:
- 30. góc quay cực riêng. t°: nhiệt độ (°C). l: bước sóng của ánh sáng trực tiếp (thường sử dụng đèn hơi natri); quang phổ vạch phát xạ từ dòng D màu vàng (thường ghi đơn giản là D) có bước sóng 589 nm. l: chiều dài cuvet (dm); giá trị của nó thường là 1 (tức là 10 cm). c: nồng độ (g/mL). Góc quay cực riêng của một chất quang hoạt là một trong những tính chất vật lý của chất đó, giống như điểm nóng chảy, điểm sôi và khối lượng riêng. Quay quang học cho biết thành phần chất đối hình. Như đã đề cập, các đồng phân quang học quay mặt phẳng phân cực ánh sáng bằng giá trị giống nhau nhưng theo hướng ngược nhau. (–)2-bromobutan quay mặt phẳng ngược chiều kim đồng hồ 23,1°, còn đồng phân đối hình của nó (+)2-bromobutan quay mặt phẳng theo chiều kim đồng hồ 23,1°. Đối với hỗn hợp raxemic (+/–), đây là một hỗn hợp với tỉ lệ 1:1 của hai đồng phân đối hình (+) và (–) , các góc quay triệt tiêu lẫn nhau và do đó cho kết quả không quay mặt phẳng ánh sáng phân cực hay hỗn hợp raxemic không thể hiện tính quang học. Người học luôn nhầm lẫn R/S với (+/–). Các chất quang hoạt nếu chúng có trung tâm lập thể và không đồng thời là hợp chất meso. Hợp chất hoạt động quang học sẽ có đồng phân đối hình. Đừng nhầm lẫn sự quay theo chiều kim đồng hồ của ánh sáng phân cực phẳng với chiều kim đồng hồ của số hiệu nguyên tử khi xác định cấu hình. Khi xác định cấu hình, chúng ta áp đặt một tập hợp các quy tắc do chúng ta tạo ra để giúp phân biệt giữa hai cấu hình. Tuy nhiên (+/-) thì hoàn toàn khác. Sự quay của ánh sáng phân cực phẳng không phải là do chúng ta tạo ra. Đó là một hiệu ứng vật lý và
- 31. đo đạc trong phòng thí nghiệm. Không thể dự đoán liệu một hợp chất sẽ là (+) hay (–) nếu không thực nghiệm. Nếu trung tâm lập thể là R, điều này không có nghĩa là hợp chất sẽ là (+). Trên thực tế, một hợp chất là (+) hay (–) sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ. Vì vậy, một hợp chất có thể là (+) ở một nhiệt độ và (–) ở nhiệt độ khác. Nhưng rõ ràng, nhiệt độ không liên quan gì đến R và S. Bạn sẽ không bao giờ dự đoán được một hợp chất sẽ quay theo hướng nào của ánh sáng phân cực phẳng khi nhìn vào chúng (trừ khi bạn biết hợp chất đồng phân đối hình của nó quay ánh sáng phân cực phẳng theo chiều nào, vì các chất đối hình có tính quang ngược nhau). Tóm lại, hai chất đối hình có thể được phân biệt bởi hoạt động quang học, rõ hơn là sự tương tác của chúng với mặt phẳng phân cực ánh sáng và được đo bằng phân cực kế. Một đồng phân đối hình luôn luôn quay ánh sáng như vậy theo chiều kim đồng hồ (dextrorotatory) và ngược chiều kim đồng hồ (levorotatory) bằng cùng một giá trị góc. Góc quay cực riêng là một hằng số vật lý chỉ có thể cho các phân tử bất đối xứng. Sự chuyển đổi lẫn nhau của các đồng phân đối hình dẫn đến sự triệt quang hoá và biến mất tính chất hoạt động quang học. ĐỌC THÊM Thuốc chứa dược chất đối hình (chiral drugs) Nhiều bạn sẽ bất ngờ khi biết rằng naproxen (thuốc giảm đau, chống viêm không steroid thường gặp) là một đồng phân đối hình đơn lẻ. Hai đồng phân đối hình của naproxen có các tính chất giống hệt nhau, nhưng khi vào bên trong cơ thể sống, chúng hay bất kỳ phân tử bất đối khác lại trở nên rất khác nhau khi tương tác với các phân tử đối hình tinh khiết mà chúng gặp ở đó. Một ví dụ thường dùng để mô tả trường hợp này là đôi găng tay - hai chiếc găng tay có trọng lượng như nhau, được làm từ cùng một chất liệu và có cùng màu sắc. Nhưng khi tương tác chúng với một môi trường bất đối xứng khác, chẳng hạn như một bàn tay thì chúng trở nên khác biệt
- 32. một cái phù hợp. Cách thức mà thuốc tương tác với các thụ thể phản ánh khá chặt chẽ sự tương tự giữa bàn tay và găng tay này. Các thụ thể hầu như luôn luôn là các phân tử protein, về mặt đồng phân đối hình chúng luôn rất tinh khiết vì chúng chỉ được tạo thành từ các L-amino axit. Đồng phân đối hình của một loại thuốc có khả năng tương tác tốt hơn nhiều so với đồng phân còn lại hoặc có thể tương tác theo một cách hoàn toàn khác, vì vậy hai hợp chất đối hình thường có tác dụng dược lý khá khác nhau. Trong trường hợp naproxen, đồng phân (S) có hiệu quả gấp 28 lần so với đồng phân (R). Một loại thuốc khác là ibuprofen vẫn được lưu hành trên thị trường ở dạng raxemic vì hai đồng phân đối hình ít nhiều có tác dụng giảm đau giống nhau. Ngược lại, các hợp chất đối hình của một loại thuốc có thể có đặc tính điều trị hoàn toàn khác nhau. Một ví dụ là dextropropoxyphen (Darvon) được dùng làm thuốc giảm đau, trong khi đồng phân đối hình của nó là levopropoxyphen (Novrad) lại có tác dụng chống ho. Khoảng hơn một nửa số thuốc đang được sử dụng hiện nay là hợp chất đối hình và gần 90% loại thuốc được bán trên thị trường dưới dạng raxemic. Mặc dù chúng có cấu trúc hóa học giống nhau nhưng hầu hết các đồng phân đối hình thể hiện sự khác biệt rõ rệt về hoạt tính sinh học như dược lý học, độc tính học, dược động học, chuyển hóa. Do đó, điều quan trọng là phải nghiên cứu loại các đồng phân đối hình không mong muốn trong raxemic ra khỏi quá trình bào chế để tăng hiệu quả điều trị của thuốc, ngoài ra tránh các tác dụng không mong muốn do đồng phân đối hình gây
- 33. việc tách đồng phân đối hình vô cùng khó khăn và tốn kém. Nếu đồng phân còn lại chứng minh tính hiệu quả điều trị, hoặc ít nhất là không gây hại cho cơ thể trên thử nghiệm lâm sàng thì có thể giữ nguyên dạng raxemic. Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) năm 1992 đã đưa ra tài liệu hướng dẫn Phát triển thuốc đồng phân lập thể mới (Development of New Stereoisomeric Drugs) bao gồm các quy định về liên quan đến cấu trúc hóa học, dược lý học, độc lực học, các thông số kỹ thuật liên quan chế phẩm và các hoạt động thử nghiệm lâm sàng của các chất đồng phân lập thể. Đặc biệt FDA yêu cầu các nhà sản xuất xác định và mô tả đặc điểm của từng đồng phân riêng lẻ của một hỗn hợp raxemic. Gần đây, FDA cũng đã khuyến nghị đánh giá hoạt động của từng đồng phân đối hình đối với các loại thuốc raxemic trong cơ thể và thúc đẩy sự phát triển của các loại thuốc chứa dược chất đối hình mới dưới dạng đồng phân đơn lẻ. Tài liệu tham khảo 1. Nguyen LA, He H, Pham-Huy C. Chiral drugs: an overview. Int J Biomed Sci. 2006;2(2):85-100. 2. Center for Drug Evaluation and Research. Development of New Stereoisomeric Drugs [Internet]. MD: Food and Drug Administration. 1992 May 1 [updated 2018 Mar 21; cited 2020 Dec 12]. Available from: https://www.fda.gov/regulatory-information/search-fda-guidance-docum ents/development-new-stereoisomeric-drugs.
- 34. hữu cơ Tất cả các hợp chất hữu cơ đều có tên riêng và dĩ nhiên chúng ta phải xác định được tên của chúng. Xem xét hợp chất dưới đây: Sẽ quá dài dòng và không cụ thể khi gọi hợp chất này đại loại kiểu “hợp chất trên có năm nguyên tử cacbon, một nhóm OH đi ra bên ngoài và một nguyên tử clo gắn trên một liên kết đôi”. Trước hết, có quá nhiều hợp chất khác phù hợp với cách mô tả chung chung này. Ngay cả khi chúng ta có thể đưa ra một mô tả đầy đủ thì sẽ mất rất nhiều thời gian và từ ngữ để mô tả. Bằng cách tuân theo các quy tắc gọi tên theo danh pháp hóa học, chúng ta có thể mô tả rõ ràng phân tử này một cách đơn giản và ngắn gọn bằng một vài chữ cái và con số. Cụ thể hợp chất trên là Z-2-cloropent-2-en-1-ol. Có vô vàn công thức hoá học và chúng ta không thể nào nhớ được tên gọi của từng công thức cụ thể. Thay vào đó, chúng ta có một hệ thống các quy tắc để gọi tên các công thức hoá học này được gọi là danh pháp IUPAC. Đây là một nhiệm vụ dễ thực hiện hơn nhiều so với việc ghi nhớ tên, nhưng ngay cả việc sử dụng thành thạo những
- 35. cũng là một thách thức không hề nhỏ. Các phân tử càng lớn và phức tạp thì càng cần nhiều quy tắc hơn cho tất cả trường hợp có thể xảy ra. Trên thực tế, danh sách các quy tắc này thường xuyên được cập nhật và điều chỉnh. Chúng tôi tin rằng đến thời điểm này các bạn đã đủ thông tin để có thể đọc được tên của các phân tử hợp chất hữu cơ không quá phức tạp theo danh pháp IUPAC. Nhìn chung, đối với tên gọi của một hợp chất hữu cơ có thể được chia thành năm phần chính: 1. Đồng phân lập thể: thể hiện liên kết đôi có phải là cis/trans, E/Z hay không và chỉ ra các trung tâm lập thể là cấu hình R/S. 2. Nhóm thế: các nhóm gắn với mạch chính. 3. Mạch chính. 4. Độ bất bão hoà: cho ta biết có bao nhiêu nối đôi, nối ba. 5. Nhóm chức: phần quyết định hậu tố của tên một hợp chất hữu cơ theo danh pháp IUPAC. Sử dụng hợp chất trên làm ví dụ: Đồng phân lập thể Nhóm thế Mạch chính Độ bất bão hoà Nhóm chức Z 2-cloro pent 2-en 1-ol Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu những quy tắc cụ thể tương ứng với mỗi phần. 7.1. Nhóm chức Thuật ngữ nhóm chức dùng để chỉ sự sắp xếp theo một trật tự nhất định của các nguyên tử làm nên những nhóm đặc trưng liên quan đến tính chất hóa học và khả năng phản ứng. Ví dụ khi một nhóm –OH được liên kết với một hợp chất, chúng ta gọi phân tử là một ancol. Các ancol sẽ có những phản ứng tương tự nhau bởi vì tất cả các ancol đều có cùng một nhóm chức. Hầu hết các giáo trình sẽ trình bày chương theo danh pháp của nhóm chức (chương về ancol, amin,..). Ở đây chúng ta sẽ quan
- 36. nhóm chức phổ biến nhất và sẽ được đề cập xuyên suốt giáo trình. Khi một hợp chất có một trong sáu nhóm chức này, hãy thể hiện nó trong tên của hợp chất bằng cách thêm một hậu tố vào danh pháp của chúng (Bảng 7.1). Bảng 7.1. Hậu tố của một số nhóm chức hữu cơ Nhóm chức Loại hợp chất Hậu tố –COOH Axit cacboxylic -oic –COO– Este -oat –CHO Andehit -al –CO Xeton -on –OH Ancol -ol –NH2 Amin -amin Các halogen (F, Cl, Br, I) thường không có tên ở hậu tố của hợp chất, chúng được xem là các nhóm thế mà chúng ta sẽ thấy ở phần sau.
- 37. tưởng axit cacboxylic là sự kết hợp của một nhóm chức xeton và một nhóm chức ancol đặt cạnh nhau. Nhưng hãy cẩn thận vì axit cacboxylic rất khác biệt so với xeton hay ancol. Vì vậy đừng lầm tưởng rằng một axit cacboxylic là một xeton và một ancol. Hợp chất thứ hai ở trên đặt ra một vấn đề quan trọng: làm thế nào để gọi tên nhóm chức khi bạn có hai nhóm chức trong một hợp chất? Câu trả lời sẽ là một nhóm sẽ đóng vai trò là nhóm chức được gọi bằng hậu tố, nhóm còn lại sẽ đóng vai trò là nhóm thế và được gọi bằng tiền tố. Việc quyết định nhóm chức hay nhóm thế sẽ phụ thuộc vào một hệ thống phân cấp được quy định sẵn. Sáu nhóm chức ở bảng trên được liệt kê dựa trên thứ bậc ưu tiên của chúng giảm dần từ trên xuống dưới, vì vậy xeton được ưu tiên hơn ancol. Hợp chất có cả hai nhóm này được đặt hậu tố theo xeton là -on và nhóm OH được xem là nhóm thế được gọi tên bằng tiền tố “hidroxi”. 7.2. Độ bất bão hoà Những hợp chất có liên kết đôi hoặc ba được coi là những hợp chất “chưa bão hòa”. Liên kết đôi và liên kết ba được biểu thị trong tên gọi bằng hậu tố theo “en” cho liên kết đôi và “in” cho liên kết ba. pentan pent-1-en pent-1-in Lưu ý rằng “an” được sử dụng để chỉ sự vắng mặt của liên kết đôi hoặc liên kết ba, chẳng hạn như trong hợp chất pentan ở trên. Nếu có hai liên kết đôi trong một hợp
- 38. tố là -dien, ba liên kết đôi là -trien. Tương tự hai liên kết ba là -diyn và ba liên kết ba là -triyn. Đối với nhiều liên kết đôi và liên kết ba hơn, hãy sử dụng những tiền tố số học sau: di = 2, tri = 3, tetra = 4, penta = 5, hexa = 6. Trong nhiều trường hợp, bạn có thể thấy cả liên kết đôi và liên kết ba trong cùng một hợp chất. Ví dụ, hợp chất sau có 3 liên kết đôi và 2 liên kết ba. Lúc này liên kết đôi luôn được đọc trước, như vậy phần chưa bão hoà sẽ được đọc là triendiyn. 7.3. Mạch chính Khi đọc tên phần mạch chính của hợp chất, điều cần thiết là phải xác định mạch nguyên tử cacbon nào sẽ đóng vai trò là phần mạch chính. Vì vậy chúng ta cần biết cách chọn mạch cacbon làm mạch chính và cách đánh số chính xác. Bước đầu tiên là học cách gọi tên mạch chính dựa vào số lượng nguyên tử cacbon có trong mạch chính thông qua bảng sau: Số lượng nguyên tử cacbon trên mạch chính Tên mạch chính 1 met 2 et 3 prop 4 but 5 pent 6 hex 7 hept 8 oct
- 39. các nguyên tử cacbon tạo thành một vòng, chúng ta thêm cyclo vào trước tên mahcj chính. Ví dụ một vòng có sáu nguyên tử cacbon được gọi là cyclohex-, vòng có năm nguyên tử cacbon là cyclopent-. Thử thách lớn nhất được đặt ra là viêc xác định mạch nào là mạch cacbon chính. Hãy xem xét ví dụ sau, có ba khả năng khác nhau để lựa chọn mạch chính: Mạch 4 cacbon Mạch 5 cacbon Mạch 6 cacbon Có một hệ thống phân cấp ưu tiên cho việc lựa chọn mạch chính. Mạch chính phải dài nhất có thể và đảm bảo bao gồm các nhóm sau, theo thứ tự ưu tiên từ trên xuống: 1. Nhóm chức. 2. Liên kết đôi. 3. Liên kết ba. Đầu tiên chúng ta cần tìm nhóm chức và đảm bảo rằng nhóm chức được liên kết trực tiếp với mạch chính. Nếu có từ hai nhóm chức trở lên, một trong số chúng sẽ được ưu tiên. Ở ví dụ trên, trong số ba khả năng thì quy tắc này loại bỏ khả năng cuối cùng vì nhóm chức OH không được liên kết trực tiếp với mạch chính. Nếu vẫn còn nhiều lựa chọn về mạch chính có thể có thì cần tìm kiếm mạch chính bao gồm liên kết đôi. Trong trường hợp này có một liên kết đôi và quy tắc này giúp xác định được mạch chính trong trường hợp bên trên là mạch 4 cacbon:
- 40. Mạch nhánh Khi chúng ta đã xác định được nhóm chức và mạch chính thì mọi thứ khác được gắn với mạch chính được gọi là nhóm thế. Bắt đầu bằng cách học cách gọi tên các nhóm thế ankyl. Các nhóm này được đặt tên theo cùng danh pháp mà chúng ta đã sử dụng để đặt tên cho mạch chính, nhưng thêm -yl vào cuối để chỉ ra rằng nó là một nhóm thế. Có một loại nhóm thế quan trọng khác mà chúng ta cần xem xét. Khi tìm hiểu về nhóm chức, chúng ta thấy rằng một số hợp chất có thể có hai nhóm chức. Khi điều này xảy ra, chúng ta chọn một trong các nhóm chức để đặt tên làm hậu tố, và nhóm chức khác phải được đọc tên như một nhóm thế. Vậy chúng ta cần biết cách gọi tên các nhóm chức này dưới dạng nhóm thế. Nhóm OH được gọi tên là hidroxi như một nhóm thế. Nhóm NH2 được gọi là amino nếu nó được gọi tên như một nhóm thế. Ceton hay andehit có tiền tố khi được gọi tên theo nhóm thế là oxo tương ứng cho nhóm cacbonyl của chúng. Các halogen được gọi tên như các nhóm thế theo cách sau: fluoro, cloro, bromo và iodo. Về cơ bản, chúng ta thêm chữ o vào cuối tên nguyên tố để cho biết đó là nhóm thế. Nếu có nhiều nhóm thế cùng loại, ví dụ có 5 nguyên tử clo trong hợp chất thì
- 41. dụng cùng các tiền tố số học mà chúng ta đã sử dụng trước đó khi phân loại số lượng liên kết đôi và liên kết ba. 7.5. Đồng phân lập thể Đồng phân lập thể là phần đầu tiên của mỗi tên gọi hợp chất hữu cơ. Nó xác định cấu hình của bất kỳ liên kết đôi, vòng hoặc trung tâm lập thể nào. Nếu không có liên kết đôi hoặc trung tâm lập thể trong phân tử thì bạn không cần phải lo lắng về phần này. Nếu có, bạn phải học cách xác định cấu hình của từng loại. Việc xác định cấu hình của một trung tâm lập thể đã được trình bày trong Chương 6 (Cấu hình). Bạn sẽ cần học trung tâm lập thể là gì, cách xác định vị trí của chúng trong phân tử, cách vẽ chúng và cách gán cấu hình (R hoặc S). Tương tự như vậy đối với nối đôi hoặc vòng thì ta có cis/trans và E/Z. 7.6. Cách đánh số mạch chính Khi chúng ta đã chọn được mạch chính, chỉ có hai cách để đánh số nó là đánh số từ phải sang trái hoặc từ trái sang phải. Nhưng chúng ta lựa chọn như thế nào? Để đánh số mạch chính, chúng ta cũng sử dụng cùng một hệ thống phân cấp ưu tiên mà chúng ta đã sử dụng khi chọn mạch chính ngay từ đầu: 1. Nhóm chức. 2. Liên kết đôi. 3. Liên kết ba. Nếu có một nhóm chức, đánh số mạch chính sao cho nhóm chức năng có chỉ số thấp hơn:
- 42. nhóm chức thì đánh số mạch chính sao cho liên kết đôi nhận chỉ số thấp hơn: Nếu không có nhóm chức, liên kết đôi hoặc liên kết ba thì chúng ta đánh số mạch chính sao cho nhóm thế có chỉ số thấp hơn: Nếu có nhiều hơn một nhóm thế trên mạch chính thì chúng ta đánh số mạch chính sao cho tổng các nhóm thế có chỉ số thấp nhất có thể: Đối với nhóm chức thì chỉ số thường được đặt ngay trước hậu tố, ví dụ: hexan-2-ol. Nếu nhóm chức xuất hiện ở số 1 thì không cần phải đặt trong tên, ví dụ: hexanol. Sự vắng mặt của chỉ số có nghĩa là nhóm chức ở vị trí số 1. Khi đánh số, có thể đặt số ở đầu mạch chính, ví dụ: 2-hexanol giống với hexan-2-ol, cả hai tên gọi đều có thể chấp nhận được. Đối với liên kết đôi và liên kết ba, chỉ số là số thứ tự thấp hơn của một trong hai nguyên tử cacbon:
- 43. trên, liên kết đôi nằm giữa C2 và C3, vì vậy chúng ta sử dụng C2 để đánh số liên kết đôi thay vì C3. Vì gọi tên hợp chất trên là hex-2-en hoặc 2-hexen. Nếu trong phân tử có hai liên kết đôi thì ta phải đọc ra cả hai chỉ số, ví dụ: hexa-2,4-dien hoặc 2,4-hexadien. Mọi liên kết đôi và liên kết ba phải được đánh số. Đối với nhóm thế, chỉ số của nhóm thế đứng ngay trước nhóm thế. Ví dụ: Nếu có nhiều nhóm thế, thì mọi nhóm thế phải được đánh số: Nếu có nhiều nhóm thế khác nhau thì ta phải xếp theo thứ tự alphabet của các nhóm thế. Hãy xem xét ví dụ sau:
- 44. nhóm thế trong hợp chất trên là clo, flo, etyl và metyl. Chúng phải được xếp theo thứ tự bảng chữ cái c, e, f và m (không tính di, tri, tetra,… như một phần của hệ thống chữ cái). Vậy hợp chất trên có tên là 2-clo-3-etyl-2,4-difloro-4-metylnonan. Lưu ý rằng hai số luôn được phân tách bằng dấu phẩy, ví dụ: 2,4 nhưng các chữ cái và số được phân tách bằng dấu gạch ngang, ví dụ: 2-cloro-3-etyl... . Đối với đồng phân lập thể, nếu có bất kỳ liên kết đôi cùng với đồng phân cis/trans, đặt thuật ngữ cis hoặc trans ở đầu tên. Nếu có nhiều hơn một liên kết đôi, thì chỉ cần chỉ ra cis hoặc trans cho mỗi liên kết đôi và chúng ta phải đánh số tương ứng, ví dụ: 2-cis-4-trans... Nếu trong hợp chất có bất kỳ trung tâm lập thể nào thì cần phải đọc vị trí của trung tâm lập thể cùng với loại cấu hình là R/S, ví dụ: (2R, 4S) và đặt trong dấu ngoặc đơn. Một cách rõ ràng là có rất nhiều quy tắc liên quan đến danh pháp, nhưng nếu thực hành thường xuyên bạn sẽ hiểu được nó. Bây giờ chúng ta áp dụng những điều chúng ta đã học và thử gọi tên cho hợp chất sau: Đồng phân lập thể Nhóm thế Mạch chính Độ bất bão hoà Nhóm chức (trans) 4,5-dichloro-6,6-d imethyl hept 4-en 2-one 7.7. Tên thông thường Ngoài quy tắc gọi tên hợp chất, còn có một số quy tắc gọi tên một số hợp chất hữu cơ đơn giản và thông dụng. Dưới đây là một số ví dụ:
- 45. axit metanoic Tên thông thường = axit fomic Tên IUPAC = axit etanoic Tên thông thường = axit axetic Tên IUPAC = metanal Tên thông thường = fomandehit Tên IUPAC = etanal Tên thông thường = axetandehit Hầu hết các tên thông thường này phổ biến đến mức hiếm khi gọi tên các hợp chất này bằng tên IUPAC. Đặc biệt các ete thường được gọi bằng tên thông thường. Nhóm ở hai bên của nguyên tử oxy được đặt tên như một nhóm thế trước thuật ngữ ete. Ví dụ: Gọi tên theo danh pháp IUPAC thì xem nguyên tử oxy giống như nguyên tử cacbon, sau đó chỉ ra vị trí của nguyên tử oxy bằng tiền tố oxa-. Do đó, dietyl ete sẽ là 3-oxapentan, nhưng hầu như không ai gọi như vậy. Mọi người đều gọi nó là dietyl ete, hoặc thậm chí gọi là ete etylic. BÀI TẬP Gọi tên các hợp chất dưới đây theo danh pháp IUPAC.
- 46. 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 ĐỌC THÊM IUPAC IUPAC là tên viết tắt của International Union of Pure and Applied Chemistry (Liên minh Quốc tế về Hóa học cơ bản và Hóa học ứng dụng). Đây là tổ chức phi chính phủ được thành lập vào năm 1919 bởi các nhà hóa học với mục tiêu thúc đẩy sự phát triển của ngành hóa học. Danh pháp IUPAC là hệ thống danh pháp hóa học. Thuật ngữ của IUPAC được phát triển bởi hai ủy ban: Division VIII-Chemical Nomenclature and Structure Representation (Phân ủy VIII-Danh pháp hóa học và Biểu diễn cấu trúc) và Interdivisional Committee on Terminology, Nomenclature, and Symbols (Ủy ban phân loại quốc tế về Thuật ngữ, Danh pháp và Kí hiệu hóa học). Một trong những hoạt động chính của IUPAC và phát triển những đề xuất thành lập một hệ thống thống nhất, rõ ràng về danh pháp và thuật ngữ cho những lĩnh vực khoa học khác nhau, thường được áp dụng dưới nhiều loại hình, tiêu biểu bao gồm:
- 47. phân loại và ghi nhãn hóa chất. • Hệ thống phân loại và danh pháp hợp chất hóa học. • Hệ thống thuật ngữ, kí hiệu và đơn vị cho từng lĩnh vực khoa học cụ thể. • Hệ thống quy chuẩn và quy ước trình bày thông tin cho từng lĩnh vực khoa học cụ thể. Friedrich August Kekulé von Stradonitz (1829-1896) Christopher M. A. Brett Khoa học gia người Đức đồng sáng lập IUPAC Chủ tịch đương thời IUPAC từ ngày 1 tháng 1 năm 2020 Tài liệu tham khảo 1. IUPAC Secretariat. What we do [Internet]. USA: IUPAC [cited 2020 Dec 8]. Available from: https://iupac.org/what-we-do/. 2. IUPAC Secretariat. Who we are [Internet]. USA: IUPAC [cited 2020 Dec 8]. Available from: https://iupac.org/who-we-are/.
- 48. hai hợp chất phản ứng với nhau để tạo thành sản phẩm mới, chúng ta luôn cố gắng tìm hiểu phản ứng xảy ra như thế nào. Mọi phản ứng đều liên quan đến sự chuyển dịch của điện tử - các điện tử di chuyển để phá vỡ liên kết và hình thành liên kết mới. Các cơ chế giúp minh họa cách các electron chuyển động trong một phản ứng. Sự dịch chuyển này được thể hiện bằng các mũi tên cong. Ví dụ: Những mũi tên này cho chúng ta thấy phản ứng đã diễn ra như thế nào. Cơ chế của hầu hết các phản ứng trong cuốn sách này đã được hiểu rõ (mặc dù có một số phản ứng mà cơ chế của chúng vẫn đang còn gây tranh cãi). Khi bạn hiểu cơ chế, bạn sẽ hiểu tại sao phản ứng lại xảy ra như vậy, tại sao các trung tâm lập thể lại xuất hiện,… Nếu bạn không hiểu cơ chế thì bạn sẽ phải ghi nhớ chính xác chi tiết của từng phản ứng.
- 49. chúng ta sẽ không tìm hiểu mọi cơ chế phản ứng. Thay vào đó, chúng ta sẽ tập trung vào các công cụ mà bạn cần để hiểu một cơ chế và tìm hiểu một số nguyên tắc cơ bản đằng sau cơ chế đẩy mũi tên. Chính những điều này sẽ giúp bạn chinh phục các cơ chế phản ứng phức tạp về sau. 8.1. Mũi tên cong Chúng ta đã tìm hiểu các mũi tên cong trong Chương 2 (Cấu trúc cộng hưởng). Tuy nhiên, có một sự khác biệt rất lớn giữa mũi tên cong để vẽ cấu trúc cộng hưởng và mũi tên cong để vẽ cơ chế phản ứng. Với cấu trúc cộng hưởng, chúng ta thấy rằng các electron không thực sự di chuyển. Ngược lại, các mũi tên cong mà chúng ta sử dụng trong các cơ chế đề cập đến chuyển động thực tế của các electron. Các electron chuyển động để phá vỡ và hình thành liên kết. Khi học cách vẽ cấu trúc cộng hưởng, chúng ta đã thấy hai quy tắc không được vi phạm: (1) không bao giờ phá vỡ liên kết đơn và (2) không bao giờ vượt quá 8 electron lớp vỏ ngoài cùng đối với các nguyên tố chu kỳ hai. Khi vẽ các cơ chế phản ứng, chúng ta đang cố gắng tìm hiểu con đường các electron thực sự di chuyển để phá vỡ và hình thành liên kết. Vì vậy việc phá vỡ các liên kết đơn là rất bình thường và trong thực tế, điều này xảy ra trong hầu hết mọi phản ứng. Khi vẽ các cơ chế, chỉ có một quy tắc phải tuân theo: không bao giờ vượt quá 8 electron lớp vỏ ngoài cùng đối với các nguyên tố chu kỳ hai. Mỗi mũi tên cong đều có đầu và đuôi. Điều quan trọng là đầu và đuôi của mỗi mũi tên phải được vẽ chính xác ở vị trí thích hợp. Phần đuôi cho biết các điện tử đang đi đến từ đâu và phần đầu cho biết các điện tử đang đi đến đâu. Hãy nhớ rằng các electron tồn tại trong các obitan ở dạng các cặp đơn lẻ hoặc dạng liên kết. Vì vậy, đuôi của một mũi tên chỉ có thể đến từ một liên kết hoặc từ một cặp đơn lẻ cũng như đầu của một mũi tên chỉ có thể được rút ra để tạo liên kết hoặc để tạo thành một cặp đơn lẻ. Như vậy, chúng ta bốn khả năng:
- 50. chưa tham gia liên kết thành liên kết. 2. Cặp electron liên kết thành cặp electron không tham gia liên kết. 3. Cặp electron liên kết thành cặp electron liên kết. 4. Cặp electron không liên kết thành cặp electron không tham gia liên kết. Khả năng thứ 4 sẽ không xảy ra nên chúng ta chỉ quan tâm thảo luận 3 khả năng đầu. 8.1.1. Cặp electron chưa tham gia liên kết thành liên kết Xét ví dụ trên ta thấy phần đuôi của mũi tên đến từ một cặp electron đơn lẻ trên nguyên tử oxy và phần đầu của mũi tên hình thành liên kết giữa oxy và cacbon. Vì đầu của mũi tên được đặt trên một nguyên tử, có vẻ như các electron đang đi từ một cặp đơn lẻ thành một cặp đơn lẻ, nhưng thực tế không phải vậy. Các điện tử sẽ đi từ cặp điện tử của oxy để tạo liên kết với nguyên tử cacbon. 8.1.2. Cặp electron liên kết thành cặp electron không tham gia liên kết Đuôi của mũi tên là một liên kết và đầu của mũi tên đang tạo thành một cặp electron không tham gia liên kết trên nguyên tử clo. Hai điện tử của liên kết vốn được chia sẻ giữa nguyên tử cacbon và nguyên tử clo nhưng bây giờ chỉ tồn tại trên nguyên tử clo.
- 51. đã mất một điện tử, tạo ra một cacbocation (cacbon mang điện tích dương). 8.1.3. Cặp electron liên kết thành cặp electron liên kết Trong ví dụ trên có hai mũi tên. Mũi tên đầu tiên có đuôi trên liên kết π và phần đầu được sử dụng để tạo liên kết giữa nguyên tử cacbon và hydro. Mũi tên thứ hai đi từ một liên kết để tạo thành một cặp electron đơn lẻ. Vì vậy, có thể thấy rằng có nhiều loại mũi tên cùng nhau trong một bước của cơ chế. Thậm chí có thể có sự xuất hiện của 3 mũi tên trong một bước của cơ chế phản ứng. Ví dụ: Loại phản ứng này được gọi là phản ứng tách, bởi chúng ta đã tách loại H+ và X- và hình thành liên kết đôi C=C mới. Lưu ý rằng tất cả các mũi tên đều đi từ đầu này sang đầu kia của phân tử. Không bao giờ vẽ các mũi tên đi ngược chiều nhau. Hãy xem xét ví dụ sau:
- 52. tiên, chúng ta có hai mũi tên: từ một cặp electron đơn lẻ để tạo thành một liên kết mới và sau đó từ một liên kết tạo thành một cặp electron đơn lẻ. Trong bước thứ hai của cơ chế, chúng ta cũng có hai mũi tên: từ một cặp electron đơn lẻ tạo thành một liên kết và sau đó từ một liên kết để tạo thành một cặp đơn lẻ. Nếu xem xét tổng thể phản ứng, ta có thể nhận thấy rằng –OH đang thay thế –Cl. Nếu nhìn vào cách các electron di chuyển, chúng ta thấy rằng tất cả đều bắt đầu từ điện tích âm của –OH. Điện tích này tạm thời chuyển lên nguyên tử oxy của C=O trong bước 1, sau đó chuyển ngược lại hình thành ion Cl- . Và để ngắn gọn, nhiều người viết cơ chế phản ứng trên như sau: Tuy nhiên, viết như trên sẽ xuất hiện hai mũi tên có hướng đối nghịch nhau: Không bao giờ vẽ các mũi tên theo hướng ngược nhau. Điều đó có nghĩa là các electron đang chuyển động theo các hướng ngược nhau cùng một lúc và điều đó là không thể xảy ra. Trong phản ứng này, đầu tiên các electron đi lên, và sau đó chúng di chuyển ngược trở lại. Vì vậy, chúng ta phải vẽ theo hai bước:
- 53. chuyển của mũi tên Chúng ta sẽ bắt đầu phần này với câu hỏi làm thế nào để hoàn thành cơ chế của phản ứng sau bằng cách vẽ các mũi tên thích hợp trong mỗi bước? Chúng ta cần tìm kiếm tất cả các thay đổi liên quan đến các liên kết hoặc các cặp đơn lẻ. Trong bước đầu tiên, liên kết đôi biến mất, một trong các nguyên tử cacbon của liên kết đôi hình thành liên kết mới với H+ . Liên kết H–Cl bị phá vỡ, tạo ra ion Cl- . Hãy nhớ rằng dòng electron luôn chuyển dịch theo một hướng. Trong ví dụ này, chúng ta có thể thấy chiều dịch chuyển đi theo hướng nào, bởi vì điện tích dương được hình thành trên nguyên tử cacbon và điện tích âm xuất hiện trên nguyên tử clo. Chúng ta có thể sử dụng thông tin này để tìm ra hướng của mũi tên. Mũi tên đầu tiên cho thấy liên kết đôi sẽ tạo thành liên kết với proton (từ liên kết thành liên kết) và sau đó chúng ta cần mũi tên thứ hai để chỉ ra liên kết từ H–Cl sẽ tạo thành điện tích âm trên nguyên tử clo (từ một liên kết thành một cặp đơn lẻ):
- 54. theo, một lần nữa chúng ta cần tìm kiếm tất cả các thay đổi đối với các cặp electron đơn lẻ hoặc các liên kết. Chúng ta thấy rằng Cl đang bỏ ra một cặp electron đơn lẻ để tạo liên kết với cacbon (C–Cl). Vì vậy, chúng ta chỉ cần một mũi tên đi từ một cặp đơn lẻ của Cl để tạo thành một liên kết: Hãy nhớ rằng các mũi tên chỉ ra dòng chuyển dịch của electron. Các mũi tên không cho biết nguyên tử đã đi đâu. Rất nhiều bạn phạm phải lỗi này khi viết cơ chế phản ứng. 8.3. Cách vẽ các hợp chất trung gian Chúng ta đã học cách nhận biết và vẽ các mũi tên cong chỉ chiều chuyển dịch của các electron. Bây giờ chúng ta cần thực hành cách vẽ các hợp chất trung gian. Hợp chất trung gian là cấu trúc tồn tại trong một thời gian rất ngắn trước khi phản ứng tiếp tục diễn ra. Chính vì tồn tại trong thời gian rất ngắn nên hiếm khi bạn có thể tách chúng ra. Tuy nhiên cấu trúc của chúng thường rất quan trọng trong việc tìm hiểu bước tiếp theo của phản ứng. Nếu chúng ta nghiên cứu về chất trung gian và xác định phần cấu trúc nào của chất trung gian là không ổn định, chúng ta cũng biết được giải pháp giúp giảm
- 55. ổn định, từ đó chúng ta có thể dự đoán sản phẩm của phản ứng dựa trên phân tích chất trung gian. Hãy bắt đầu thực hành vẽ cấu trúc trung gian: Hãy hiểu ý nghĩa của các mũi tên cong. Mũi tên đầu tiên đi từ một cặp electron đơn lẻ để tạo thành một liên kết. Mũi tên chỉ ra các electron trong một cặp đơn lẻ trên tác nhân ái nhân (chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn về tác nhân này ở mục tiếp theo) để tạo thành liên kết với nguyên tử cacbon. Mũi tên thứ hai đi từ một liên kết đến một liên kết. Mũi tên thứ ba đi từ một liên kết để tạo thành một cặp đơn lẻ. Đi theo chỉ dẫn của mũi tên, ta dễ dàng vẽ được cấu trúc trung gian tương ứng. 8.4. Tác nhân ái nhân và tác nhân ái điện tử Một tác nhân ái nhân (nucleophin) sẽ luôn tồn tại vùng có mật độ electron cao (có thể là một cặp electron đơn lẻ hoặc một liên kết) để tấn công một tác nhân ái điện tử (electrophin), là vùng có mật độ electron thấp và có thể bị tấn công bởi tác nhân ái nhân. Lấy ví dụ sau để làm rõ hai khái niệm nêu trên. Ion hyrdoxit giàu điện tử và tấn công liên kết C=O, vì vậy ion hyrdoxit là tác nhân ái nhân và hợp chất cacbonyl là tác nhân ái điện tử.
- 56. tác nhân ái nhân và các bazơ Chúng ta thường nhầm lẫn giữ các tác nhân ái nhân và các bazơ. Hầu hết các cơ chế phản ứng đều có sự xuất hiện của các tác nhân ái nhân và các bazơ. Đầu tiên hãy xem xét vai trò của ion hydroxit trong phản ứng sau: Lúc này, ion hydroxit đóng vai trò là một bazơ vì nó lấy proton từ hợp chất khác hình thành phân tử H2O. Vậy với phản ứng tiếp theo thì thế nào? Lần này, ion hydroxit đóng vai trò là một tác nhân ái nhân và tấn công hợp chất khác giúp hình thành liên kết mới với chính nguyên tử của hợp chất đó. Điểm khác biệt cơ bản giữa tính bazơ và tính ái nhân là chức năng. Nói cách khác, ion hydroxit có thể hoạt động theo hai cách: như một bazơ (có nghĩa là lấy một proton và rời đi cùng với proton đó) hoặc như một tác nhân ái nhân (tạo liên kết mới cùng với nguyên tử của hợp chất). Trong một số trường hợp, ion hydroxit có thể đóng vai trò như một bazơ; hay trong các tình huống khác, ion hydroxit có thể hoạt động với vai trò như một tác nhân ái nhân. Để hiểu rõ điều này, hãy xem một ví dụ sau đây:
- 57. tiên, ion hydroxyd đóng vai trò là một bazơ. Nhưng ở bước thứ 2, nó tấn công vào nhóm cacbonyl và lúc này đóng vai trò là một tác nhân ái nhân. Tính ái nhân được đo lường dựa vào tốc độ một tác nhân sẽ tấn công một hợp chất khác. Ví dụ, chúng ta đã thấy ở trên rằng nước có thể hoạt động như một tác nhân ái nhân vì nó có các cặp đơn lẻ có thể tấn công một tác nhân ái điện tử. Nhưng ion hydroxit rõ ràng sẽ có tính ái nhân tốt hơn nước do ion hydroxit mang điện tích âm. Tính bazơ lại được xem xét dựa trên độ mạnh của bazơ (hoặc độ không bền của bazơ). Tính bazơ không phản ánh mức độ nhanh chóng đạt được trạng thái cân bằng của một phản ứng. Trạng thái cân bằng có thể được thiết lập trong một phần giây hoặc có thể mất vài giờ. Điều đó không quan trọng vì chúng ta không quan tâm tốc độ phản ứng mà chúng ta đang quan tâm đến độ bền và chiều của trạng thái cân bằng. Bây giờ chúng ta có thể hiểu được sự khác biệt giữa tính ái nhân và tính bazơ. Tính ái nhân đo lường tốc độ diễn ra phản ứng nhanh hay chậm, còn được gọi là động học (kinetics). Tính ái nhân cho biết sự ổn định và chiều của cân bằng, được gọi là nhiệt động lực học (thermodynamics). Chúng ta sẽ thấy nhiều phản ứng trong đó sản phẩm được xác định nhờ động học và nhiều phản ứng trong đó sản phẩm cũng được xác định nhờ vào nhiệt động lực học. Trên thực tế, thậm chí sẽ có lúc hai yếu tố này cạnh tranh với nhau và chúng sẽ phải lựa chọn yếu tố nào ưu thế hơn. Vì vậy, sự khác biệt giữa tác nhân ái nhân và bazơ là sự khác biệt về chức năng. Và bây giờ chúng ta cũng có thể đánh giá rằng tính ái nhân là thước đo của động học (tốc độ phản ứng), trong khi tính bazơ là thước đo độ ổn định (nhiệt động lực học). 8.6. Tính chọn lọc vị trí Khái niệm chọn lọc vị trí (regioselectivity) đề cập đến nơi phản ứng diễn ra. Nói cách khác, phản ứng xảy ra ở vùng nào trong phân tử. Hãy xem phản ứng cộng HCl của phân tử dưới đây để làm rõ khái niệm trên. • Khả năng 1:
- 58. 2: Một khả năng là Cl tấn công vào cacbon ít nhóm thế hơn (cacbon liên kết với hai nguyên tử cacbon khác) và khả năng khác là Cl tấn công vào cacbon nhiều nhóm thế hơn (cacbon liên kết với ba nguyên tử cacbon khác). Nếu Cl tấn công vào cacbon nhiều nhóm thế hơn, chúng ta gọi đây là phản ứng cộng Markovnikov. Nếu Cl tấn công cacbon ít nhóm thế hơn, chúng ta gọi nó là phản ứng cộng phản Markovnikov. Đối với phản ứng trên, hãy phân tích hai kết quả có thể xảy ra. Trong mỗi trường hợp, bước đầu tiên là các electron của liên kết đôi tấn công proton của HCl để tạo thành một cacbocation (cacbon mang điện tích dương). Sự khác biệt giữa hai khả năng phản ứng xảy ra là vị trí cacbocation được hình thành. • Khả năng 1:
- 59. 2: Nhớ lại rằng các nhóm ankyl đều là nhóm đẩy electron, do đó cacbocation bậc ba (vì nó có ba nhóm ankyl) sẽ bền hơn so với cacbocation bậc hai (vì nó chỉ có hai nhóm ankyl). Do đó, khả năng 2 là một cơ chế tốt hơn vì nó liên quan đến tính tính bền của cacbocation. Nếu chúng ta làm theo các bước của cơ chế ứng với khả năng 2, chúng ta thu được sản phẩm có chứa Cl sẽ gắn vào vị trí của cacbocation có nhiều nhóm thế hơn. Hãy xem xét một ví dụ khác liên quan đến phản ứng tách loại HCl của một dẫn xuất halogen. Hợp chất trên có thể tách loại HCl theo hai khả năng khác nhau.
- 60. 1: • Khả năng 2: Vậy nối đôi sẽ được hình thành ở vị trí nào? Nếu nhìn lại phản ứng ở trên, chúng ta thấy rằng hai sản phẩm có thể là liên kết đôi một nhóm thế hoặc liên kết đôi hai nhóm thế. Bất cứ khi nào chúng ta có một phản ứng tách loại trong đó có thể có nhiều hơn một liên kết đôi được tạo thành thì chúng ta có tên các sản phẩm khác nhau dựa trên việc sản phẩm nào có nhiều nhóm thế hay ít nhóm thế hơn. Sản phẩm có nhiều nhóm thế hơn được gọi là sản phẩm Zaitsev, và sản phẩm có ít nhóm thế hơn được gọi là sản phẩm Hoffmann. Thông thường, sản phẩm chính thu được là sản phẩm Zaitsev, nhưng trong những trường hợp đặc biệt, chúng ta vẫn thu nhận được sản phẩm Hoffman. Sự khác biệt giữa sản phẩm Zaitsev và Hoffman liên quan đến nơi hình thành liên kết đôi và đây là chính là tính chọn lọc vị trí. 8.7. Tính chọn lọc lập thể Hóa học lập thể (stereoselectivity) là tất cả những gì liên quan đến cấu hình của trung tâm lập thể (R so với S) và liên kết đôi (E so với Z). Bất cứ khi nào chúng ta có một phản ứng có hình thành trung tâm lập thể hay cacbon bất đối, chúng ta luôn đặt
- 61. hỏi liệu chúng ta có nhận được hỗn hợp raxemic (lượng sản phẩm R và S bằng nhau) hay chỉ có một cấu hình. Ngoài ra, bất cứ khi nào phản ứng hình thành một liên kết đôi, chúng ta luôn hỏi rằng liệu đó là đồng phân E và Z, sản phẩm chỉ chứa một trong số chúng hay cả hai. Bất cứ khi nào đề xuất một cơ chế để giải thích một phản ứng thì phương pháp phải giải thích kết quả lập thể quan sát được của phản ứng. Vì thế, nếu bạn hiểu về cơ chế thì bạn sẽ không phải ghi nhớ các yếu tố lập thể liên quan. Hãy xem một ví dụ liên quan đến phản ứng cộng brom vào một liên kết đôi dưới đây: Có thể thấy rằng chúng ta không cần phải lo lắng về tính chọn lọc vị trí của phản ứng này bởi vì chúng ta đang thêm 2 nguyên tử giống nhau vào cùng một nối đôi. Nhưng nếu xem xét về hóa học lập thể thì thế nào? Chúng ta đang tạo ra hai trung tâm lập thể mới. Mỗi trung tâm lập thể có hai khả năng (R hoặc S). Vì có hai trung tâm lập thể, chúng ta sẽ có tổng cộng bốn trung tâm: SR, RS, RR và SS. Bốn hợp chất này đại diện cho hai nhóm chất đối hình:
- 62. được bao nhiêu trong số chúng? Phản ứng tạo ra cả hai nhóm chất đối hình (nghĩa là cả bốn sản phẩm) hay chỉ một nhóm (nghĩa là hai trong số bốn sản phẩm có thể có)? Điều này phụ thuộc vào cách phản ứng diễn ra. Nếu một phản ứng cộng chỉ có thể xảy ra thông qua cơ chế cộng syn thì hai nhóm phải được thêm vào trên cùng một phía của liên kết đôi. Vì vậy, chúng tôi sẽ chỉ nhận được một tập hợp các chất đối hình: Nếu phản ứng chỉ có thể xảy ra theo cơ chế cộng anti thì hai nhóm phải được thêm vào ở các phía đối diện của liên kết đôi. Vì vậy, chúng ta sẽ chỉ nhận được tập hợp các chất đối hình trong đó các nhóm ở các phía đối diện nhau: Đôi khi phản ứng không có tính chọn lọc lập thể. Nói cách khác, chúng ta thu được cả sản phẩm cộng syn và anti, tức là tổng cộng có bốn sản phẩm (cả hai tập hợp các chất đối hình). Một số phản ứng chỉ xảy ra theo cơ chế cộng syn, một số sẽ chỉ xảy ra theo cơ chế cộng anti và một số khác sẽ không có tính chọn lọc lập thể. Đối với mọi phản ứng
- 63. cần biết hóa học lập thể của sản phẩm tạo thành và thông tin đó được đề cập trong cơ chế phản ứng. Vì vậy, hãy quay trở lại ví dụ ở trên với việc cộng Br và Br vào liên kết đôi. Phản ứng này tạo ra tập hợp các đồng phân đối hình có hai nhóm Br ở các phía đối nhau của vòng: Hãy xem xét cơ chế của phản ứng trên để hiểu rõ hơn. Trong bước đầu tiên là tạo hợp chất trung gian bắc cầu, được gọi là ion bromoni: Trong bước này, liên kết đôi hoạt động như một tác nhân ái nhân tấn công Br2 (đóng vai trò là tác nhân ái điện tử). Các mũi tên không đi ngược chiều nhau, chúng thực sự đang di chuyển trong một vòng ba cạnh nhỏ để hình thành một vòng mới. Sau đó, bromua (được tạo thành ở bước đầu tiên) quay trở lại và tấn công ion bromonium mở ra cầu nối. Bromua có thể tấn công cacbon.
- 64. công, nó phải tấn công vào phía bên kia của vòng (không phải phía của cầu bromonium mà là ở phía đối diện của vòng) để phá vỡ cầu. Vì vậy phản ứng cộng này phải là phản ứng cộng anti. Đối với mỗi phản ứng, tính chọn lọc lập thể luôn được giải thích bởi cơ chế phản ứng. Mỗi loại phản ứng (cộng, tách loại, thay thế,…) đều có thuật ngữ riêng về hóa học lập thể. Khi chúng ta nghiên cứu từng phản ứng này, hãy để ý thuật ngữ nào được sử dụng để mô tả hoá học lập thể. Sau đó, xem xét cơ chế của từng phản ứng và hiểu cơ chế giải thích hóa học lập thể đó. Để dễ tổng hợp, hãy lập cho mình một bảng biểu với các thông tin cơ bản sau ứng với mỗi loại phản ứng: Loại phản ứng Tính chọn lọc lập thể Tính chọn lọc vị trí Phản ứng thế SN2 Đảo ngược cấu hình Không áp dụng (tác nhân ái nhân tấn công cacbon bên cạnh LG) … … … BÀI TẬP
- 65. bước dưới đây, xác định xem ion hydroxit đóng vai trò như một tác nhân ái nhân hay như bazơ? 2. Xem xét phản ứng dưới đây. Nếu thực hiện phản ứng cộng HBr vào liên kết đôi thì sản phẩm thu được sẽ là gì? Giả sử đây là phản ứng cộng Markovnikov. 3. Xem xét phản ứng tách loại sử dụng một bazơ mạnh bên dưới. Sản phẩm tạo thành có chứa một liên kết đôi. Phản ứng này tạo ra hai sản phẩm Zaitsev (cis và trans). Vẽ cấu trúc các sản phẩm này và xác định cấu trúc nào là cis và cấu trúc nào là trans.
- 66. Br và Br vào liên kết đôi trong một phản ứng cộng anti dưới đây chỉ nhận được một sản phẩm. Hãy xác định cấu trúc sản phẩm đó. 5. Trong phản ứng dưới đây, chúng ta sẽ thực hiện phản ứng cộng H và OH vào một liên kết đôi. Tính chọn lọc vị trí là phản ứng cộng phản Markovnikov và tính chọn lọc lập thể là phản ứng cộng syn. Vẽ các sản phẩm bạn dự đoán được tạo thành từ các thông tin được cung cấp bên trên.
|
