Hc1 (5) by Đan Trường

BUỔI 5 (CHƯƠNG 5) HOÁ LẬP THỂ-1 • Đo năng lực triền quang. • Carbon tứ diện. Tính quang hoạt. Hai đối phân. • Hệ thống ký hiệu R-S Cahn-Ingold-Prelog. Qui tắc xác định cấu hình carbon thủ tính. Cấu hình alkene E/Z. • Xuyên lập thể phân. Hợp chất có hai hoặc có hơn hai carbon thủ tính. • Tính chất của hai đối phân, của hai xuyên lập phân.

ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Môn học: Hoá hữu cơ 1 GS. TS. Nguyễn Kim Phi Phụng Tháng 2 năm 2017

TOÙM TAÉT CAÙC LOAÏI ÑOÀNG PHAÂN Ñoàng phaân Coù cuøng coâng thöùc phaân töû

CxHyOzNt.. Ñoàng phaân laäp theå

Ñoàng phaân phaúng Ñoàng phaân vò trí

Ñoàng phaân caáu taïo

Xuyeân laäp theå phaân

- Cuøng nhoùm chöùc hoaù hoïKhaù c c nhoùm - Vò trí khaùc nhau cuûa caùcchöùc hoaù hoïc Ñoàng phaân nhoùm chöùc hoaù hoïc caáu hình treân söôøn carbon Khaùc nhau veà caùch saép xeáp caùc nhoùm theá treân carbon thuû tính OH OH

Ñoàng phaân hình hoïc cis - trans Khaùc nhau veà caùch saép xeáp caùc nhoùm theá treân noái C=C hoaëc voøng

O HOOC

H 3C

Menthol

C10H20O

Ñoái phaân

C10H20O

COOCH3 CH2-OH

HOOC H 3C

CH2-OH COOCH3

Ánh sáng phân cực phẳng (Plan-polarized light)

First polarizer

Normal light

Plane polarized light

Second polarizer

The axe of the second polarizer is perpendicular to the first

Observer sees m aximum light

Observer sees no light

Triền quang kế (Polarimeter)- Công thức tính

Ánh sáng vàng D của đèn sodium (Na), có bước sóng 589.6 nm

Tính chất của năng lực triền quang ([]D, Specific rotation, Độ quay riêng) 04 Năng lực triền quang, []D, của một hợp chất nào đó là góc quay quan sát được khi đo mẫu với với nồng độ c là 1 g/mL bằng ánh sáng có bước sóng 589.6 nanomét (nm; 1 nm = 10–9 m). Ánh sáng có bước sóng 589.6 nm còn được gọi là ánh sáng vàng D của đèn sodium (Na). 0

(c )

+ 90 - 90 180

Mẫu được hòa tan vào dung môi phù hợp, với nồng độ xác định

Giá trị góc quay  thay đổi tuỳ vào  bước sóng của nguồn sáng sử dụng  nhiệt độ của phòng lúc đo (t)  nồng độ dung dịch mẫu đo (c)  chiều dài ống đo (l)

 Nếu tăng gấp đôi nồng độ mẫu, góc quay đo được có giá trị gấp đôi.  Nếu giữ nguyên nồng độ mẫu nhưng sử dụng ống đo dài gấp đôi, góc quay sẽ tăng gấp đôi. CH3

Thí dụ kết quả đo ở hai nhiệt độ khác nhau

H HO

[] = + 195.0 CH=CH2

3-Hydroxybuta-1-ene

[] = + 93.7 D

05 0

(c)

+ 90 - 90 180

Hợp chất hữu triền (A dextrorotary compound)

(Ký hiệu là +)

Hợp chất tả triền ( A levorotary compound)

(Ký hiệu là )

Cách đo và công bố kết quả đo năng lực triền quang []D Độ quay 06 riêng) 0

(c)

+ 90 - 90 180

Có một lượng mẫu cocain (1.2 g), hoà tan vào 7.5 mL dung môi chloroform và rót dung dịch vào ống đo của triền quang kế, có chiều dài ống 5 cm, đọc được góc quay trên triền quang kế là – 1.3. Nhiệt độ phòng lúc đo là 18 C. Tính năng lực triền quang của dung dịch này ? ñoåi caùc giaù trò ño theo ñôn vò qui ñònh

CH3 O N

5 cm = 0.5 dm 1.2 g c= = 0.16 g/mL 7.5 mL

OCH3

O C

Cocaine



 = D

Qui ước trình bày kết quả:



x c

18 D

1.3

= 0.5 x

1.2 g 7.5 mL

1.3

= 0.5 x 0.16

= 16.25 (c = 0.16, CHCl3)

16.25

Năng lực triền quang của một vài hợp chất hữu cơ nồng độ c là 1 g/mL07 Hợp chất Penicillin V Đường ăn Camphor Chloroform

Camphor

Năng lực triền quang + 233.00 + 66.47 + 44.26 0

Hợp chất Cholesterol Morphin Cocaine Acetic acid

Năng lực triền quang  31.5  132.0  16.0 0

Cocaine

Đường ăn (Sucrose)

O N CH3 HO

Penicillin V

Cholesterol

Morphin

Tính chất của năng lực triền quang

 Năng lực triền quang []D của một phân tử là tính chất vật lý của phân tử đó (Các tính chất vật lý của một hợp chất: nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, tính khúc xạ, độ hoà tan vào một dung môi…)  Không có mối liên quan nào giữa cấu hình (R) / (S) với tính hữu triền (dextrorotary, ký hiệu +) hoặc tả triền (levorotary, ký hiệu ) của một phân tử (R) hoặc (S) được xác định dựa vào qui tắc Cahn-Ingold-Prelog (+) hoặc (-) được xác định nhờ vào triền quang kế H CH3 OH (R)-(+)-2-Methyl-1-butanol 25

D

= + 5.756

(A)

H CH3 HO

(S)-(-)-2-Methyl-1-butanol



5.756

(B)

H CH3

H CH3 (R)-(-)-1-Chloro-2-methylbutane



25 D

= 1.64 (C)

Cl (S)-(+)-1-Chloro-2-methylbutane



25 D

= + 1.64 (D)

 Ngày xưa, có sử dụng các ký hiệu d hoặc l để gán cho tính hữu triền hoặc tả triền của phân tử XƯA: 2-butanol hữu triền được viết là d-2-butanol. NAY (+)-2-butanol 2-butanol tả triền được viết là l-2-butanol. NAY (-)-2-butanol Hỗn hợp hai hợp chất này được viết là dl-2-butanol. NAY ()-2-butanol

09 First polarizer

Plane polarized ligh t

Second polarizer

The axe of the second polarizer is perpendicular to the first

Observer sees maximum light

plan-polarized light

Observer sees no light

(c)

Tại sao  Có hợp chất cho vào trong triền quang kế thì KHÔNG làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực, được gọi là KHÔNG QUANG HOẠT (not optically active)  Hợp chất nào cho vào triền quang kế và làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực, được gọi là QUANG HOẠT (optically active và hoặc hữu triền hoặc tả triền)

Một hợp chất làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực thì điều kiện cần là  KHÔNG được có mặt phẳng đối xứng  KHÔNG được có tâm đối xứng  PHẢI CÓ chứa một tâm thủ tính hoặc một trục thủ tính (chiral center). H H (A)

OH H H

H H H

(B)

HO H

H H H OH

H trans-1,3-Cyclobutandiol

phân tử không thủ tính

Phân tử (B) và (C) có mặt phẳng đối xứng, nên không có tính thủ tính (tính quang hoạt, hoạt tính quang học)

CH3 H3C-H2C H 2N

H Cl

COOH

H CH3

Methylcyclohexane (achiral)

(B)

(C)

OH O

H H

2-Methylcyclohexanone (chiral)

H3C

(A)

H CH3 O

H 3C

CH3CH2CH2CH2CH2CH2CCH2CH2CH2CH2CH3

Carbon thủ tính được ký hiệu bằng dấu hoa thị 

6-Chlorododecane (chiral)

CH3

Ascorbic acid (Vitamine C) (chiral) O

HO OH

HO H

Me Me H

Menthol (chiral)

H H Cholesterol (chiral)

Tâm thủ tính là một nguyên tử lai hoá sp3 và mang 4 nhóm thế khác nhau

R1 R4

Tâm thủ tính là một nguyên tử lai hoá sp3 và mang 4 nhóm thế khác nhau Trong hoá hữu cơ, gặp thường nhất là carbon

Ge R2

CH2COOH

H 3C

C2H5

H 3C

CH2CH2CH3

(R)-Methylpropylphenylphosphine (Stable)

H3C CH3

R1 R4

C3H7 C2H5

H3C

CH3

CH3 5

H3C-H2C-H2C COOH 1

COOH

H3C-H2C-H2C H

Làm sao gọi tên?????: 2-methylpentanoic acid

CH2-CH=CH2 C2H5

Hệ thống ký hiệu R,S (E/Z) theo Cahn-Ingold-Prelog Qui tắc 1: Với nguyên tử thủ tính, quan sát các nguyên tử gắn trực tiếp vào nguyên tử này và sắp xếp chúng theo số nguyên tử giảm dần. I  Br  Cl  S  P  O  N  12C  3H  2H  1H   (đôi điện tử) Số nguyên tử 53 35 17 16 15 8 7 6 3 (2) (1)

Qui tắc 2: Nếu hai nguyên tử cùng nối vào carbon thủ tính giống nhau, áp dụng qui tắc 1 cho nguyên tử kế tiếp để xếp hạng nhóm đó H C Br Br

H C H Cl

H C H Br

CH2-CH2-CH2-Cl

CH3 C CH 3 CH3

H C CH 3

H C CH 3 CH3

CH2F

CH2-CH2-CH2-NH2

CH2-CH2-CH2-OH

H C

H CH3

CH2-CH2-CH2-CH=O

C Cl

C O-R

C OH

C NH-R

C NH2

C R

C H

O N

R N

C R

R N

H N

Qui tắc 3: Các nối đa được xem như là những nối đơn tương ứng H H R C C H

R C

C H

H R C C

H C H C

C R C C

C C H C

H R C

H N

OH R C O

H R C

OH R C O O

Qui ước áp đặt cis ưu tiên hơn trans

Có cùng số nối đa Csp ưu tiên hơn Csp2 và ưu tiên hơn Csp3 CH3 C

CH CH2

CH CH3

H3 C

CH3 CH3

cis

trans

E S

R R,R R,R R,R or S,S

S,S R,S or S,R

Đọc cấu hình R/S một carbon thủ tính

CH3 H4 2 CH2CH2Br

C H4 Br 1

2 O=HC 1

O 3 CH2OH 4

CH3 3

(R )-1,3-Dibromobutane

3 H

C 1 C

3 CH3

4 H CH2

H 3C (S)-2,3-Dihydroxypropanal

(S)-Carvone

(R )-(+)-4-Methylcyclohexene

Đọc cấu hình của nối đôi C=C Lúc trước phân biệt cis /trans dựa vào vị trí hai nhóm lớn và hai nhóm nhỏ ở cùng một bên hoặc ở hai bên so với nối đôi C=C H3C H3C

CH3

H C

H3C

CH3

H3C C

C H

trans-But-2-ene

cis-But-2-ene

H3C CH3

HC C

H3C-H2C H2C

CH CH2-CH3

H3C C

C C

H3C

H3C C

CH3

CH3 C

H3C

phân biệt cis /trans (E/Z)

H 3C

CH CH2-CH3

H3C

Cx H3C-H2C H2C

H 3C

C CH 3

Cx C

CH3 CH3

H3C-H2C H2C

Cy CH

H 3C

Nối đôi C=C có cấu hình E

Nối đôi C=C có cấu hình Z

Bài tập: đọc cấu hình carbon thủ tính cis

trans

E S

R R,R R,R R,R or S,S

S,S R,S or S,R

H3C

CH3

H3C-H2C C

(H3C)2HC

NH2 COOH

CH3 COOH

H3C-H2C C (H3C)2HC

C CH3

HO HOOC

NH2

 Hợp chất chỉ có 1 yếu tố thủ tính (n=1) chỉ có thể có 2 đối phân (21 = 2)

 hợp chất có  2 yếu tố thủ tính (n=2) mới có xuyên lập thể phân (22 = 4) HO H

HO H

Hợp chất có hai

tâm thủ tính có mấy đồng phân lập thể 19

Một phân tử đơn vòng hoặc mạch hở, với n tâm thủ tính, có 2n tổng số đồng phân lập thể. 4

CH3 CH

CH COOH

OH OH 2,3-Dihydroxybutanoic acid

H OH

HO H

COOH

Enatiomer

H3C

H OH (2R,3R)-2,3-Dihydroxybutanoic acid  D 9.5

H3 C

HO H (2S,3S)-2,3-Dihydroxybutanoic acid  + 9.5 D

HO H

H OH COOH H3 C

Enatiomer

H OH (2R,3S)-2,3-Dihydroxybutanoic acid

 + 17.8 D

COOH

H3C HO H

(2S,3R)-2,3-Dihydroxybutanoic acid  D 17.8

Hợp chất có 4 carbon thủ tính, sẽ có 24 = 16 tổng số đồng phân lập thể.

(Trong hình không trình bày các đối phân).

H 3C C C H

H3C C C

CH3

HO H (2R,3E)-3-Penten-2-ol

H H

C C

CH3

(2S,3E)-3-Penten-2-ol

H 3C HO

H CH3

H (2R,3Z)-3-Penten-2-ol

C C C

H3C H

CH3

(2S,3Z)-3-Penten-2-ol

Hợp chất vừa có carbon thủ tính, vừa có nối đôi C=C sẽ có nhiều đồng phân lập thể hơn so với số 2n, với n là số carbon thủ tính. Đồng phân (2R,3E) là đối phân của (2S,3E) và là xuyên lập thể phân của (2R,3Z) và (2S,3Z).

Hợp chất có hơn hai carbon thủ tính Theo nguyên tắc của Pasteur: phân tử của các hợp chất chi phương hoặc đơn vòng có chứa

n số tâm thủ tính (carbon thủ tính, trục thủ tính), sẽ có

2n tổng số đồng phân lập thể, đối phân từng cặp một.  Nếu trong phân tử có một mặt phẳng đối xứng, tổng số các đồng phân ít hơn 2n

TOÙM TAÉT CAÙC LOAÏI ÑOÀNG PHAÂN

HAI ĐỐI PHÂN

Ñoàng phaân Coù cuøng coâng thöùc phaân töû

CxHyOzNt.. Ñoàng phaân laäp theå

Ñoàng phaân phaúng Ñoàng phaân vò trí

Ñoàng phaân caáu taïo

Xuyeân laäp theå phaân

Ñoái phaân

- Cuøng nhoùm chöùc hoaù hoïKhaù c c nhoùm chöù - Vò trí khaùc nhau cuûa caùc c hoaù hoïc Ñoàng phaân hình hoïc Ñoàng phaân caáu hình nhoùm chöùc hoaù hoïc cis - trans treân söôøn carbon Khaùc nhau veà caùch saép xeápKhaùc nhau veà caùch saép xeáp caùc nhoùm theá treân noái C=C caùc nhoùm theá treân carbon thuû tính hoaëc voøng

Hai đối phân - Có

cùng công thức hoá học. - Có cùng loại nhóm định chức -Vị trí nhóm chức gắn trên cùng carbon chỉ khác nhau về lập thể trong không gian

HAI ĐỐI PHÂN 0

(c)

+ 90

C - 90 180

CH2OH

H3C-(H2C)15

HOH2C (A)

NH-CH33

H H3C-HN

(B) (CH2)15-CH3

Sao (A) làm ánh sáng phân cực phẳng quay PHẢI, còn (B) làm quay TRÁI ??? Sao (A) giống như là hình ảnh ngang qua một gương phẳng của (B) vậy ???

Hai đối phân có cùng công thức phân tử (CxHyOzNt...),  Mang những nhóm chức hoá học giống nhau,  Vị trí các nhóm chức này ở trên carbon giống nhau,  Định nghĩa về hai đối phân “hợp chất này là hình

ảnh của hợp chất kia qua gương phẳng và ngược lại”

và chúng không thể đặt trùng khít lên nhau

Hai đối phân

 Có cùng công thức phân tử (CxHyOzNt...),  Mang những nhóm chức hoá học giống nhau,  Vị trí các nhóm chức này ở trên carbon giống nhau,  Giữa chúng có mối liên quan là “hợp chất này là hình ảnh của hợp chất kia ngang qua một gương phẳng và ngược lại”

Định nghĩa này khó HOOC giúp xác định 2 hợp chất có là đối phân hay không Các hợp chất này có là hai đối phân của nhau?

CH3 OH NH2

COOH

H2N H2N HO H3C

COOH

N Cl C

Các hợp chất có là hình ảnh của nhau qua một gương phẳng ?

C N

CH3 OH

Làm sao nhìn ra được là hai đối phân

 Hợp chất này là hình ảnh của hợp chất kia qua gương phẳng và ngược lại  Các carbon thủ tính có cấu hình ngược nhau từng cặp một OH CH3

H2N

H 3C

CH3

HOOC

NH2 R

H 3C

HO H3C

CH3

H H

CH3

CH3 H CH3

NH2

HOOC

H 3C

H3C

HOOC

COOH

H 2N R

H (C)

(D) H3C

H 3C

COOH

(A)

H3C

H H

(E)

A và B (B chính là D) là hai đối phân, OH

vậy A và C là liên quan gì với nhau

(B)

Tính chất của hai đối phân H

H HO H3C

COOH

(+)-Lactic acid

HOOC

CH3 OH CH3

(-)-Lactic acid

H HO

CH3 H OH (R)-2-Butanol

CH2-CH3 H3C-H2C

(S)-2-Butanol

 Hai đối phân có khác biệt khi cho tác dụng lên ánh sáng phân cực phẳng. Mỗi đối phân làm ánh sáng phân cực phẳng quay một góc  bằng nhau nhưng chiều quay ngược nhau.  Hai đối phân cho cùng loại phổ hồng ngoại (IR), phổ tử ngoại (UV), phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)….  Hai đối phân có cùng: nhiệt độ nóng chảy (hoặc nhiệt độ sôi), chỉ số khúc xạ, độ hoà tan vào các dung môi thông thường trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, hỗn hợp của hai đối phân sẽ có tính chất vật lý khác với một đơn chất đối phân

Đồng phân

Nhiệt độ nóng chảy (C)

Năng lực triền quang []D

Tỉ trọng (g/mL)

Độ hoà tan (g/100 mL H2O)

(+)-Tartric acid

168–170

+ 12

1.7598

139.0

(-)-Tartric acid

168–170

– 12

1.7598

139.0

meso-Tartric acid

168–170

1.6660

125.0

()-Tartric acid

210–212

1.7880

20.6

Tính chất của hai đối phân (trong phản ứng hoá học)

 Hai đối phân cho cùng vận tốc phản ứng với tác chất không có tính thủ tính.

Hai carboxylic acid một có cấu hình R và một có cấu hình S, tác dụng với methanol thì cả hai sẽ ester hoá cùng vận tốc.  Hai đối phân sẽ có vận tốc phản ứng khác nhau khi tác dụng vào tác chất có tính thủ tính. Thí du giống như sự kết hợp giữa chiếc găng trái và bàn tay trái sẽ khác với sự kết hợp giữa chiếc găng trái và bàn tay phải.

Hai đối phân là hai hợp chất khác nhau, vậy chúng khác nhau ở điểm nào 28  Khác nhau đối với ánh sáng phân cực phẳng: một hợp chất làm ánh sáng quay phải (hữu triền) và hợp chất kia thì…  Khác nhau khi chúng tác dụng hoá học với một hợp chất khác mà có tính thủ tính

Thụ thể thủ tính trong lỗ mũi (chiral receptors in the nose)

(+)-Limonene trong vỏ qua cam

(-)-Limonene trong vỏ quả chanh

Separate enantiomers are said to be optically active compounds, beecause of their effect on plane-polarized light.

Phân biệt hai đối phân hoặc hai xuyên lập thể phân 29 Hai đối phân là hai phân tử riêng biệt, nhưng hợp chất này là hình ảnh của hợp chất kia ngang qua một gương phẳng. Hai đối phân là hai đồng phân quang học trong đó các

carbon thủ tính có cấu hình ngược nhau từng cặp một

HO H

H OH

COOH

(A)

H 3C

H OH (2R,3R)-2,3-Dihydroxybutanoic acid

HO H COOH

COOH H 3C H OH

H3C

(E)

H3C

(C)

HO H

H OH

CH3

H COOH

(D)

(2S,3R)-2,3-Dihydroxybutanoic acid

(F) HOOC

Hai xuyên lập thể phân là hai đồng phân quang học trong đó một số carbon có cấu hình giống nhau, một số carbon có cấu hình ngược nhau.

(B)

(2S,3S)-2,3-Dihydroxybutanoic acid

H OH

(2R,3S)-2,3-Dihydroxybutanoic acid

Hai xuyên lập thể phân là hai đồng phân quang học nhưng không phải là đối phân

COOH H 3C HO H

E và F là đồng phân gì?

Tính chất của hai xuyên lập phân Hai xuyên lập phân là hai hợp chất khác nhau, nên tính chất vật lý của chúng sẽ khác nhau (nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, chỉ số khúc xạ, độ hoà tan vào các dung môi thông thường, phổ NMR...)

Cám ơn các em đã chú ý theo dõi

Bài tập

Mối liên quan giữa (A) và (B), giữa (A) và (C), giữa (A) và (D)??? Không liên quan gì nhau, là hai đối phân, là hai xuyên lập thể phân CH3

H C C

C H3C

C C

CH3

N H3C

C C

H3 C

C H

CH3 H3C

NH2

C H3C

NH2

C C H3C

N C

H3C

C C

CH3

O C

C C

(C)

CH3

CH3 C

(B)

H3C C

C C

CH3

CH3 H2N

C C

(A)

CH3

C H

CH3 H3C

C C

(D)

CH3

O C

C NH2