TIỂU LUẬN cấu dạng hợp chất hữu cơ

1
LỚP LL&PPDH HÓA HỌC_K23
LỚP LL&PPDH HÓA HỌC_K23
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH
2
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Võ Thị Thu Hằng (2003), Hóa học lập thể, Đại học sư
phạm TPHCM
2. Đặng Như Tại (1998), Cơ sở hóa học lập thể, NXB Giáo
dục
3. Lê Ngọc Thạch (2001), Hóa học lập thể, NXB Đại học
quốc gia TP.HCM
4. Lê Văn Thới (1974), Hóa học lập thể hữu cơ, Bộ Văn
hóa, Giáo dục và Thanh niên Sài Gòn
5. Lê Văn Thới, Hóa học hữu cơ cơ cấu
3
Cấu dạng dùng để chỉ bất cứ một sự sắp xếp
nào trong không gian của các nguyên tử của
một phân tử tạo bởi sự quay quanh các nối đơn.
Trong đa số trường hợp sự quay quanh các nối
đơn không hoàn toàn tự do, và vài cấu dạng
bền hơn các cấu dạng khác. Các sức căng lập
thể như sức căng Bayer, sức căng của các liên
kết… tạo ra các hiệu ứng cấu dạng ảnh hưởng
tới độ bền và tính chất của phân tử.
4
Cấu dạng của Etan
Xen kẽ
Che khuất
H

H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
HH
H
H
H
H
Cấu dạng của n-Butan
C H
3
H
H
C H
3

H
H
C H
3
H
H
H
H
C H
3
C H
3
H
H
C H
3
H
H
C H
3
H
H
H
H
3
C
H
C H
3
H

H
C H
3
HH
C H
3
H
H
H
C H
3
H
C H
3
C H
3
H
H
H
H
C H
3
H
H
C H
3
H
H
Che khuất
toàn phần

Che khuất
một phần
Bán lệchĐối lệch
C H
3
H
H
H
C H
3
H
C H
3
H
H
C H
3
HH
C H
3
H
H
C H
3
H
H
C H
3
C H
3

H
H
H
H
(1)
(2)
(3)
(4)
(3)
(2)
(1)
(4)
9
10
11
I.1 Lược sử
Năm 1885, Bayer đề xuất thuyết căng cho các hợp chất vòng no. Theo Bayer, các
cicloankan có cấu tạo là những đa diện đều và phẳng, sức căng góc trong vòng giảm dần từ
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.
I. CÁC LÝ THUYẾT VỀ SỨC CĂNG
TRONG CÁC HỢP CHẤT VÒNG NO
12
I.1 Lược sử
Năm 1890 Sasche cho rằng 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 2
dạng ghế và tàu, tuy nhiên những cố gắng đầu tiên để cô lập 2 dạng này đều thất bại.
Đến năm 1911, Mohr giải thích 2 dạng ghế và tàu của ciclohexan biến đổi lẫn nhau
dễ dàng. Mohr cũng tiên đoán sự tồn tại của decalin dưới 2 dạng cis và trans không căng, 2
dạng này được Huckel cô lập vào năm 1925

I. CÁC LÝ THUYẾT VỀ SỨC CĂNG
TRONG CÁC HỢP CHẤT VÒNG NO
13
I.2 Thuyết căng Bayer
Bayer giả sử cicloankan là những đa giác đều và phẳng, từ đó tính độ lệch của góc nối trong
các cicloankan đối với tứ diện bình thường.
Độ lệch β của mỗi góc nối trong vòng gọi là sức căng của góc hay sức căng Bayer
)5,109(
2
1
β
α
−=
o
α
α : góc trong của vòng
Hệ số ½ : giải thích sự phân
phối sức căng đồng đều
giữa hai nối liên hệ
n : số cạnh của vòng
I. CÁC LÝ THUYẾT VỀ SỨC CĂNG
TRONG CÁC HỢP CHẤT VÒNG NO
14
I.2 Thuyết căng Bayer
N
α β
3
4
5
6

7
8
9
10
60
o
90
o
108
o
120
o
128,6
o
135
o
140
o
144
o
+24,7
+9,7
+0,7
-5,3
-9,6
-12,8
-15,3
-17,3
N
α β

11
12
13
14
15
16
17
147,3
150
152
154,3
156
157,5
159
-18,8
-20,3
-21,5
-22,4
-23,3
-24
-24,7
I. CÁC LÝ THUYẾT VỀ SỨC CĂNG
TRONG CÁC HỢP CHẤT VÒNG NO
15
I.2 Thuyết căng Bayer
Bayer cho rằng
- Các vòng nhỏ hơn hoặc lớn hơn ciclopentan và ciclohexan đều không bền cho phản ứng mở vòng dễ
dàng. - Ciclopentan có độ lệch bé nhất nên có thể xem là không căng nghĩa là theo Bayer ciclopentan
là hợp chất bền nhất.
- Từ ciclohexan trở đi, độ lệch tăng dần và ciclopropan có độ lệch giống như cicloankan có 17 C.

- Các hợp chất vòng lớn gặp khó khăn trong điều chế.
I. CÁC LÝ THUYẾT VỀ SỨC CĂNG
TRONG CÁC HỢP CHẤT VÒNG NO
16
I.3 Sức căng Pitzer
Năng lượng có thể gia tăng bởi sự tạo thành 1 cấu dạng có dung tích năng lượng bất lợi. Sự gia
tăng năng lượng khi có 1 cấu dạng lệch thuận lợi biến đổi thành 1 cấu dạng che khuất bất lợi, gọi là
sức căng Pitzer trong phân tử.
Sức căng Pitzer do sự xô đẩy giữa các nguyên tử kế cận không nối gọi là sức căng đối nối hay
sức căng xoắn.
Sức căng Pitzer đáng kể trong các vòng nhỏ trong đó các nhóm thế bắt buộc phải che khuất nhau
I. CÁC LÝ THUYẾT VỀ SỨC CĂNG
TRONG CÁC HỢP CHẤT VÒNG NO
17
II.1.1 Ciclopropan
- Có cơ cấu phẳng, góc trong = 60o và các nối C-H ở cùng 1 bên
mặt phẳng che khuất nhau → phân tử kém bền
II.1. CẤU TRẠNG CÁC VÒNG NHỎ
- Theo thuyết cơ học lượng tử: trục của
2 orbital lai hóa từ một nguyên tử C
tạo một góc ít nhất là 90
o
→ liên kết
C-C trong ciclopropan hơi bị uốn cong
làm cho sự xen phủ kém đi và liên kết
C-C có 1 sức căng
18
II.2.1 Ciclobutan
- Có cấu dạng xếp
- Vòng 4 cạnh ít căng hơn vòng 3 cạnh nên 4 nguyên tử C của ciclobutan ở trạng thái lai

hoá sp3
II.1 CẤU TRẠNG CÁC VÒNG NHỎ
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
19
II.2.1 Ciclopentan
a. Cấu dạng phong bì: 1 nguyên tử C nằm ngoài mặt phẳng của 4 nguyên tử C còn lại
a
a
a
e
e
e
b
b
- Các kiểu nối:
. Nối trục (a) và nối xích đạo
(e)
. Nối song thiết diện (b):

chiếm vị trí giữa nối trục và
nối xích đạo tạo thành góc
54,7
o
với mặt phẳng phân tử
II.2 CẤU TRẠNG CÁC VÒNG THƯỜNG
20
II.2.1 Ciclopentan
a. Cấu trạng phong bì
b. Cấu trạng nửa ghế: 3 nguyên tử C nằm trong 1 mặt phẳng còn 2 nguyên tử kia ở trên và dưới
mặt phẳng đó
- Các kiểu nối:
. Nối trục (a) và nối xích đạo
(e)
. Nối tựa trục (a
’
) và nối tựa
xích đạo (e
’
)
. Nối song thiết diện (b)
a
e
e'
a'
b
b'
a'
e'
e

a
21
II.2.1 Ciclopentan
c. Ciclopentan mang 1 nhóm thế: nhóm thế ở vị trí xích đạo (e)
thuận lợi hơn vị trí trục (a) nhằm tránh tương tác không nối
của nhóm thế với 2 nhóm metylen ở vị trí 2 và 5.
R
1
2
3
4
5
d. Ciclopentan mang 2 nhóm thế: cấu dạng cis ee bền
hơn cấu dạng trans ea (0.59 kcal/mol)
R
R
R
R
Cis (e,e)
Trans (e,a)
22
II.2.2 Ciclohexan
a. Cấu dạng ghế
- không có sức căng Bayer
và Pitzer
- Gồm: 6 nối trục (a) và 6
nối xích đạo (e)
a
e
2,5 A

o
2
,
4
9

A
o
3 A
o
2
,
4
9

A
o
23
II.2.2 Ciclohexan
a. Cấu dạng ghế
b. Cấu dạng tàu: kém bền hơn cấu dạng ghế
(6,9kcal/mol)
- có sức căng Pitzer vì 4 cặp H ở hai bên hông tàu
che khuất nhau, có tương tác Vanderwaals giữa 2 H
ở mũi tàu và lái tàu
2
,
4
9

A
o
2
,
4
9

A
o
2,27 A
o
1,84 A
o
3

A
o
24
II.2.2 Ciclohexan
a. Cấu dạng ghế
b. Cấu dạng tàu
c. Cấu dạng tàu xoắn: Cấu trạng tàu xoắn là một đồng
phân cấu dạng, kém bền hơn cấu dạng ghế. Trong
cấu dạng tàu xoắn, hai nguyên tử H cột cờ đã xê
dịch xa hơn, còn hai nguyên tử H trục C3 và C6 lại
gần nhau hơn, do vậy giảm một phần sức căng
Pitzer tại C2-C3 và C5-C6.
1
5
6

4
3
2
25
a
b
c
d
e
f
g
Sự biến thiên năng lượng của ciclohexan với cấu dạng
Ghế I
Nửa
ghế I
Tàu
xoắn I
Tàu
Tàu
xoắn II
Nửa
ghế II
Nửa
ghế I
Ghế II
11
5.6
1.6