chuyên đề đại CƯƠNG hóa hữu cơ

Chuyên đề . I CNG HểA HU C
Ngi trỡnh by: Lờ Vn Kiờn
GV trng PT Vựng cao Vit Bc

Chơng I

Cấu trúc không gian của phân tử
Đ1- Thuyết cacbon tứ diện, cách biểu diễn cấu trúc không gian của
phân tử, các phơng pháp chiếu Fisơ, phối cảnh và Niumen.

I- Thuyết cacbon tứ diện.
Vanhop và Leben đề ra lần đầu tiên năm 1874. Thuyết này cho rằng
nguyên tử cacbon trong hợp chất hữu cơ đều có hoá trị bốn, bốn hoá trị ấy hớng
về bốn đỉnh của một hình tứ diện. Tứ diện đó cân xứng nếu bốn nguyên tử hay
nhóm nguyên tử đó đồng nhất.
Ví dụ: CH4, CCl4... các góc của tứ diện 109028'.
H
109028

C

H

H
H

Nếu 4 nhóm nguyên tử của tứ diện không còn đồng nhất, thì các góc hoá trị
của tứ diện bị biến dạng (tứ diện lệch).
H
109028 |
C

H
H

H

H
C

H

CH3112
CH3
0

F
108030 |
C
H 0

110 12

H

F
108018 |
C
D

H

II- Mô hình biểu diễn cấu trúc không gian.
1- Mô hình dạng khối cầu và thanh nối (mô hình rỗng):

1

H

0
H111 34


Các nguyên tử đợc đặc trng bằng những khối cầu có tỷ lệ bán kính tơng đơng tỷ lệ bán kính nguyên tử, có màu đợc quy ớc nhất định: nh C màu đen, H màu
trắng, N xanh, O đỏ...
Các liên kết cộng hoá trị đợc biểu diễn bằng những thanh nối với tỷ lệ độ
dài sao cho tơng ứng với tỷ lệ độ dài liên kết sau khi lắp ráp.
Các thanh nối tạo với nhau những góc tơng đơng với góc hoá trị tơng ứng.

Ví dụ: Mô hình rỗng của CH4 và CH2 = CH2

CH4

CH2 = CH2

2- Mô hình dạng khối Stiua - Bligiep (Mô hình đặc).
Cách biểu diễn này mỗi nguyên tử đợc đặc trng bằng một khối cầu cắt vát ở
một hay nhiều phía tuỳ theo số lợng liên kết (ứng với mỗi liên kết đơn cũng nh
liên kết kép là một phía cắt vát). Khối cầu có màu quy ớc nh trên, có bán kính tơng ứng với bán kính Van-De-Van của nguyên tử.
Sau khi lắp ráp các khối cầu với nhau tại những mặt cắt vát, khoảng cách tơng đối giữa tâm các khối với nhau tơng ứng với độ dài liên kết và các góc tạo nên
tơng đơng với góc hoá trị của phân tử.

Ví dụ:
H
H

C

H

H
C

H
H

H

C
H

Mô hình đặc của phân tử CH4 và CH2 = CH2
2


III- Cách biểu diễn công thức phân tử trong không gian.
Biểu diễn nguyên tử cacbon tứ diện trong phân tử kiểu Cabcd ta có thể dùng
các công thức khác nhau:
c

c
a

a

b

c

c

c
a

b

b

b

b a

a

d

d

d

d

(1)

(2)

(3)

(4)

d

(5)

(1) công thức tứ diện, (2) và (3) Fisơ, (4) phối cảnh, (5) là công thức phối cảnh kết
hợp với Fisơ.
Trong công thức các đờng chấm nhỏ chỉ các liên kết (đờng nối) ở phía sau
mặt phẳng giấy (phía xa). Các đờng gạch ngắn dần chỉ liên kết (đờng nối) hớng
về phía sau mặt phẳng giấy. Các đờng đậm hình tam giác chỉ các liên kết hớng về
phía trớc mặt phẳng giấy (phía ngời quan sat).
1- Cách biểu diễn công thức Fisơ (Fischer) từ công thức tứ diện.
- Đặt tứ diện sao cho cạnh ngang ab ở gần phía ngời quan sát, cạnh đứng cd
ở xa phía ngời quan sát, chiếu các nhóm abcd của tứ diện lên mặt phẳng giấy ta
đợc công thức Fisơ.
Trong công thức Fisơ phải đảm bảo cạnh thẳng đứng nguyên tử cacbon có
số oxi hoá cao hơn ở phía trên.
c

c

a

d

a

c

c

b

b

b a

a

d

d

d

Công thức tứ diện

b

Công thức Fise

- Trong công thức Fisơ chỉ đợc phép xoay 1800 trong mặt phẳng giấy cấu
hình phân tử không bị thay đổi. Nếu xoay 900 trong mặt phẳng giấy hoặc xoay
1800 ra ngoài mặt phẳng giấy sẽ làm thay đổi cấu hình phân tử.

3


- Phân tử có hai hay nhiều nguyên tử các bon tứ diện kế tiếp nhau cũng có
thể chuyển từ công thức tứ diện sang Fisơ.
Ví dụ: Công thức tứ diện và Fisơ của phân tử Cabc - Cabc
c

c

a

c

a

b

b

a


c

a

b

c

b



b

a

b


b

a

b

a

a

c

c

c

2- Cách biểu diễn công thức phối cảnh.
Phân tử đợc mô tả trong không gian ba chiều, liên kết giữa hai nguyên tử
cacbon hớng theo đờng chéo từ trái sang phải và xa dần ngời quan sát, các nhóm

thế ở hai nguyên tử các bon có thể ở dạng che khuất hay dạng xen kẽ.
Ví dụ:

a

b

c
a

b

a

c

a

a
b

c

c

c

b

a

b

b

c

Dạng che khuất

Dạng xen kẽ

Muốn chuyển công thức phối cảnh về công thức Fise ta chiếu công thức
phối cảnh của dạng che khuất lên mặt phẳng giấy.
a

b
a

a

b

c

c

b

a

b

a

b



c
a

b

c

c

c

4


3- Cách biểu diễn công thức Niumen.
Muốn chuyển từ công thức phối cảnh sang công thức Niumen ta nhìn phân
tử dọc theo trục liên kết C - C. Khi đó hai nguyên tử C hoàn toàn che khuất nhau,
ta biểu diễn nguyên tử C bằng một vòng tròn, các liên kết ở hai nguyên tử C đó đợc chiếu lên mặt phẳng vuông góc với trục liên kết C - C.
a

a

c
b

c

b

b

c

b

c
a

a

Dạng xen kẽ

Công thức Niumen dạng xen kẽ
c
b

c
b

b

b

c
c

a
aa

a

Dạng che khuất

Công thức Niu men dạng che khuất

Ta có thể chuyển trực tiếp cách biểu diễn từ công thức Niumen về công
thức phối cảnh, song muốn chuyển thành công thức Fisơ thuận tịên nhất nên xuất
phát từ dạng che khuất.
Đ2- Đồng phân quang học.
I- ánh sáng phân cực và chất quang hoạt.

Nicon

ánh sáng thờng các dao động thẳng góc với phơng truyền và hớng ra xung
quanh theo mọi hớng trong không gian.
5


ánh sáng phân cực là ánh sáng mà mọi dao động ở trên một mặt phẳng
nhất định (mặt phẳng phân cực).
Một số chất vô cơ và chất hữu cơ có khả năng làm quay mặt phẳng ánh
sáng phân cực khi cho ánh sáng phân cực đi qua. Khả năng đó gọi là tính quang

hoạt, những chất đó gọi là chất quang hoạt.
Đa số các chất đều hoạt động quang học (tính quang hoạt) ở dạng dung
dịch, dạng hơi nhng cũng có 1 số chất thể hiện tính quang hoạt ở trạng thái tinh
thể ví dụ nh sunfat kẽm, natri clorat...
Để xác định khả năng quang hoạt ngời ta dùng đại lợng góc quay cực riêng
[] đợc tính theo công thức
0

[ ] t =

.v
1. a

là góc quay đợc đo trên máy phân cực kế, v là số ml dung dịch.
a là số gam chất quang hoạt trong v ml dung dịch, t0 là nhiệt độ khi đo
bớc sóng ánh sáng (độ dài sóng).
0

Ví dụ: [ ] 25D = - 180 (C = 15 nớc)
Nghĩa là độ quay cực riêng của chất quay về bên trái 18 0, ở nồng độ 15g
trong 100ml dung dịch nớc, nhiệt độ khi đo là 25 0, bề dày dung dịch 1dm, ánh
sáng đợc dùng là ánh sáng D của Natri với bớc sóng 589 nm.
II- Các loại chất quang hoạt, chất đối quang, biến thể raxemíc, cấu
hình tơng đối, cấu hình tuyệt đối.
1- Hợp chất có 1 C bất đối.
Trong một phân tử nguyên tử C đợc liên kết với 4 nhóm thế hoàn toàn
giống nhau thì phân tử sẽ có 1 tâm đối xứng, 4 trục đối xứng và 6 mặt phẳng đối
xứng (phân tử là một tứ diện đều). Ví dụ CH4.
H
C

H
H

6

H


Nếu thay dần các H của CH4 bằng nguyên tử hay nhóm nguyên tử khác,
yếu tố đối xứng bị vi phạm, tứ diện không còn là tứ diện đều mà trở thành tứ diện
lệch.
- Nếu khi tứ diện trên có 3 nhóm thế giống nhau thì còn 1 trục đối xứng và
3 mặt đối xứng. Nếu còn 2 nhóm thế giống nhau chỉ còn 1 mặt đối xứng.
- Nếu cả 4 nhóm thế khác nhau phân tử trở thành bất đối xứng, tạo ra tứ
diện lệch hoàn toàn, và phân tử trở thành phân tử chất hoạt động quang học.
Ví dụ: phân tử CH3 CH CHO có 1 cacbon bất đối sẽ có 2 đồng phân
OH
quang học, chúng đối xứng nhau qua mặt phẳng gơng soi.
CHO
H

CHO
OH

HO

CH3

H

CH3

2- Chất đối quang, biến thể raxemic:
Những phân tử không còn một yếu tố đối xứng nào đợc gọi là phân tử bất
đối xứng, khi ấy chúng tạo ra các dạng đối xứng nhau nh vật và ảnh qua gơng.
Ví dụ: Andehit glyxeric CH2OH CHOH CHO
CHO
H

CHO
OH

HO

CH2OH

H
CH2OH

Andehit (+) glyxeric

Andehit (-) glyxeric

Hai đồng phân đối xứng với nhau nh vật và ảnh qua gơng đợc gọi là một
cặp đối quang, đôi đối quang hay antipốt. Nh vậy mỗi chất trong một cặp đối
quang là một đối quang.

7

Hai chất đối quang có tính chất vật lý và hoá học giống nhau, chỉ khác nhau
ở dấu của góc quang cực riêng . Nếu góc quang cực của chất này là thì đối
quang của nó có góc quay cực là - .
Một hỗn hợp gồm 50% đối quang quay phải và 50% đối quang quay trái sẽ
tạo ra một biến thế raxemic. Ký hiệu biến thể raxemic là () hay D.L-hay R.S
Biến thể raxemic không có tính quang hoạt vì nó có sự bù trừ lẫn nhau giữa chất
quay phải và chất quay trái.
Ví dụ: Hỗn hợp gồm 50% (+) andehyt glyxeric và 50% (-) andehyt glyxeric
thì không làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực.
Biến thể raxemic có thể đợc chia 3 loại:
- Hỗn hợp raxemic: (conglomerat) là hỗn hợp các tinh thể của dạng (+) và
dạng (-) nên tính chất của nó giống tính chất của hai nghịch quang tinh khiết.
- Hợp chất raxemic: (raxemat)
Dùng để chỉ các phân tử đối quang kết hợp từng đôi một với nhau thành tế
bào cơ bản của tinh thể, trong đó số phân tử dạng (+) và (-) bằng nhau trong mỗi
tế bào. Các raxemat là những hợp chất thực có tính chất khác các phân tử đối
quang tạo nên nó.
- Dung dịch raxemic rắn: Có một số trờng hợp ở trạng thái rắn, có ái lực
giữa các phân tử rất nhỏ khi đó ta có dung dịch raxemic rắn. Tính chất của dung
dịch raxemic rắn nh nhiệt độ nóng chảy, độ tan giống các đối quang.
3- Cấu hình tơng đối, cấu hình tuyệt đối, cách xác định cấu hình:
- Cấu hình tơng đối là cấu hình so sánh giữa hai chất đối quang với nhau,
hoặc so sánh với một chất đợc chọn làm chuẩn.
- Cấu hình tuyệt đối là cấu hình thực của phân tử.
Trớc năm 1951 ngời ta cha biết cấu hình của một chất nào, nên ngời ta đã
gán cho andehit glyxeric với cấu hình nh sau:
CHO
H

CHO

OH

HO

H

CH2OH

CH2OH

andehit D(+) glyxeric

andehit L(-) glyxeric

8


Trong đó D-, L- là cấu hình phân tử, (+) và (-) là chiều quay của mặt phẳng
ánh sáng phân cực. Tất cả các hợp chất có cấu hình C bất đối giống andehit D (+)
glyxeric thì thuộc dãy D và có cấu hình tơng đối D. Tất cả các hợp chất có cấu
hình C bất đối giống andehit L (-) glyxeric thì thuộc dãy L và có cấu hình tơng
đối L.
Hệ thống cấu hình D, L có những hạn chế nhất định nên hiện nay ngời ta
hay dùng hệ thống cấu hình R, S.
Theo hệ thống R - S ngời ta quy định độ hơn cấp của các nhóm thế ở C bất
đối theo thứ tự a > b > c > d trong phân tử C *abcd theo Can-Igon Preloc:
Br > Cl > SH > NH 2 > CH3 > H
OH > COOH > CHO > CH2OH > CH3 > H
Nếu nguyên tử nối với C* giống nhau thì xét thêm nguyên tử tiếp theo, nhng
chú ý nhân đôi hoặc ba đối với nguyên tử mang nối đôi hoặc nối ba.

- Cách xác định cấu hình R - S:
Ta nhìn theo trục liên kết C* d (nhỏ nhất) nếu thứ tự a, b, c theo chiều
kim đồng hồ thì có cấu hình R, trái chiều kim đồng hồ có cấu hình S. Ký hiệu R S dùng để chỉ cấu hình tuyệt đối.
Ví dụ:
CHO

CHO

HO |||| C H

HOCH2 |||| C H

CH2OH

OH

Cấu hình R

Cấu hình S

4- Đồng phân quang học trong trờng hợp phân tử có nhiều C*.
Có nhiều trờng hợp chất quang hoạt có rất nhiều C* nh tinh bột, xenlulosơ...
Nếu trong phân tử mạch hở có nC * mà không có yếu tố đối xứng nội phân
tử thì số đồng phân quang học sẽ là 2 n.
Ví dụ:

Glyxeralđehit có 1C* sẽ có 2 đồng phân quang học.
Glucozơ có 4C* sẽ có 24 = 16 đồng phân quang học.

9

- Xét phân tử có 2C * ví dụ 3- phenyl-butan-2-ol sẽ có 2 2 = 4 đồng phần
quang học.
CH3

CH3

CH3

H

OH

HO

H

HO

H

C6H5

C6H5

H

H

CH3

CH3

CH3
H

H

OH

C 6H5

C6H5

CH3

H
CH3

[]D25 = -0,690 []D25 = +0,680

[]D25 = -30,20 []D25 = +30,90

Cặp đối quang dạng erythro

Cặp đối quang dạng threo

Mỗi đồng phân của cặp này với đồng phân của cặp kia chỉ là đồng phân
quang học không đối quang của nhau gọi là đồng phân lập thể Đia.

- Trờng hợp có 2C* đối xứng nhau thì số đồng phân quang học sẽ giảm đi.
Ví dụ: Axit tactric.
COOH

COOH

COOH

COOH

H

OH

HO

H

H

OH

HO

H

HO

H

H

OH

H

OH

HO

H

COOH

COOH

axít (+) tactríc

axít (-) tactríc

COOH

COOH

axít mezo tactríc

Thực chất axit tactric mặc dù có 2C * nhng chỉ có 3 đồng phân quang học là
1 cặp đối quang và 1 đồng phân lập thể không quang hoạt gọi là đồng phân mezo.
Nh vậy hợp chất có sự đối xứng trong phân tử thì số đồng phân lập thể ít hơn 2".
- Trờng hợp phân tử có số C* nhiều hơn 2 nhng có đối xứng trong phân tử

thì có thể có nhiều đồng phân mezo.
Ví dụ: Axit trihyđroxy glutaric.

HOOC CH CH CH COOH
OH

OH

Phân tử có 3C* nhng chỉ có 4 đồng phân quang học.

10

OH


COOH

COOH

COOH

COOH

HO

H

H

OH

H

OH

H

OH

HO

H

H

OH

H

OH

HO

H

OH

HO

H

H

OH

H

H

COOH
Đnc = 1270

COOH

COOH

Đnc = 1270

Đnc = 1520

axit (+) và (-) trihiđroxiglutaric

OH
COOH

Đnc = 1700

axit mezô - trihiđroxiglutaric

chỉ có 4 đồng phân quang học, 1 đôi đối quang và 2 hợp chất không quang hoạt

mezô.
Nguyên tử C3 là nguyên tử bất đối xứng giả, C* giả không gây tính quang
hoạt nhng có thể là nguyên nhân gây ra hai dạng không quang hoạt mêzô khác
nhau.
5- Hợp chất quang hoạt không có cacbon bất đối.
a- Nguyên tử bất đối không phải là cacbon.
Bất kỳ 1 hợp chất nào, một nguyên tử đợc liên kết với 4 nhóm thế hoàn toàn
khác nhau sẽ tạo ra tứ diện lệch nó sẽ hoạt động quang học, nguyên tử đó có thể là
Si, Ge, N, Cu...
Ví dụ:

C6H5 CH2

C6H5
N+

C2H5

ClCH3

b- Hợp chất có yếu tố bất đối xứng.
Những phân tử có cấu trúc không gian chặt chẽ sao cho một phần của phân
tử vuông góc hay lệch ra khỏi mặt phẳng của những phần khác sẽ tạo ra đồng
phân quang học. Ví dụ các đồng phân sau:

11


- Đồng phân quang học allen: C6H5 (C10H7) C = C = C (C10H7) (C6H5)

a
b

a

a

b

b

a
b

- Đồng phân quang học spiran:
a

a

a

a

b

b

b

b

- Đồng phân cản quay:
Loại đồng phân xuất hiện khi có sự ngăn cản sự quay xung quanh liên kết
đơn, loại này thờng có ở các hợp chất dãy bi phenyl.
R1

R1

R2

R2

R3

R3

R4

R4

Những loại đồng phân này đều là đồng phân vật không trùng ảnh.

Đ3- Đồng phân hình học.
I - Điều kiện xuất hiện đồng phân hình học.
Đồng phân hình học là loại đồng phân không gian, còn gọi là đồng phân
cis-, trans- (hay E/Z) xuất hiện ở các hợp chất có nối đôi hoặc ở các hợp chất có
vòng no.
Bản chất của đồng phân hình học là do sự bố trí khác nhau của các nhóm
thế ở các phía của nối đôi hoặc vòng no, do các hợp chất này không quay tự do đ 12

ợc. Trong trờng hợp các anken, nếu mạch chính ở cùng phía của nối đôi C=C thì
gọi là đồng phân dạng cis, nếu mạch chính ở khác phía thì xếp vào dạng trans- Trờng hợp tổng quát abC=Ccd:
a

c
C=C

b

trong đó a b và c d.

d

Căn cứ vào vị trí nhóm thế có cấp độ lớn hơn ở mỗi nguyên tử cacbon của
nối đôi để xác định. Nếu 2 nhóm thế lớn hơn ở cùng phía gọi là đồng phân Zkhác phía là đồng phân E-. Thứ tự lớn nhỏ của các nhóm thế đợc xếp theo Can
-Igon - Preloc.
- Trờng hợp ở hai đầu nối đôi hoặc vòng no chỉ có 2 nhóm thế giống nhau
thì nếu 2 nhóm thế giống nhau cùng phía là đồng phân cis-, khác phía là đồng
phân trans-.
Ví dụ:
HOOC

COOH

HOOC

C=C
H

H
C=C

H

H

cis

COOH
trans

Trờng hợp hợp chất có nhiều nối đôi liên tiếp, liền nhau: nếu có số lẻ nối
đôi thì xuất hiện đồng phân hình học, tơng tự nh có 1 nối đôi. Nếu có số chẵn nối
đôi liền nhau thì sẽ xuất hiện đồng phân quang học.
Ví dụ:
CH3

CH3

CH3

C=C=C=C
H

C=C=C=C
H

H
CH3

CH3
C

C

C

CH3
H

CH3
C

C
H

H

H

C

C

CH3

H

Cis

Trans
13

C


- Trờng hợp hợp chất có chứa nhiều nối đôi không liền nhau (nối đôi liên
hợp).
Tổng quát: a (CH = CH) nb trong đó a b sẽ có 2n đồng phân hình học. Nếu
a = b thì số đồng phân hình học sẽ giảm đi.
Ví dụ: 1,4 - di phenyl butadien - 1,3 có 3 đồng phân hình học.
C6H5

H

C6H5

C=C
H

C6H5

C=C

C=C
H

H

H

H
C=C

H

H

Trans - Cis (E, Z)

C6H5

Trans - Trans (E, E)
H

C6H5

H
C=C

C=C
H

C6H5
H

Cis - Cis (Z, Z)
II- So sánh sự khác nhau giữa hai dạng cis và trans.
Để xác định các dạng đồng phân cis - trans ngời ta dựa vào kết quả đo

khoảng cách giữa các nhóm thế hoặc dựa vào tính chất vật lý của chúng.
1- Khoảng cách giữa hai nhóm thế trong đồng phân hình học:
Thờng khoảng cách giữa hai nhóm thế giống nhau ở đồng phân cis nhỏ hơn
đồng phân trans.
Ví dụ:
H

H

Cl

C=C
Cl

0

4,7 A

H

C=C
Cl

H

Cl

0

3,7 A

Cis (Z) Đicloeten

Trans (E) Đicloeten

14


2- Mô men lỡng cực: (à )
- Trờng hợp hai nhóm thế cùng bản chất (hút hoặc cùng đẩy) thì
àcis > àtrans
Ví dụ:

H

H

Cl

C=C
Cl

H
C=C

Cl

H

à = 1,89D

Cl
à=0D

- Trờng hợp 2 nhóm thế khác bản chất (1 nhóm hút, 1 nhóm đẩy) thì:
àcis < àtrans
Ví dụ:

CH3

H

CH3

C=C
H

Cl
C=C

Cl

H

à = 1,79D

H
à = 1,71D

3- Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, tỉ khối, chiết suất.
- So sánh t0nc của hai đồng phân hình học ngời ta rút ra quy luật đồng phân

E (Trans) có t0nc cao hơn đồng phân Z (cis) tơng ứng. Nguyên nhân có thể là đồng
phân E có tính đối xứng cao hơn đồng phân Z nên mang tinh thể đợc bố trí chặt
khít hơn, khó phá vỡ hơn ở đồng phân Z (tuy nhiên cũng có ngoại lệ).
Bảng1.1 Nhiệt độ nóng chảy của 1 số hợp chất cha no.
t0nc (0C)

Hợp chất
Cis (Z)
-80,5
-14
15
130

1, 2 - diclo eten
1, 2 - di Iod eten
axít buten - 2 - oíc
axít etylen - 1, 2 - dicaboxylic

Trans (E)
-50,0
72
72
300

Các hằng số vật lý khác nh t0 sôi, tỉ khối, chiết suất của các đồng phân hình
học cũng theo quy luật tơng tự nh t0 nóng chảy
4- Quang phổ electron.
- Các đồng phân hình học của các anken đơn giản hấp thu ở vùng tử ngoại
dới 200nm, ở hệ liên hợp hấp thụ ở vùng trên 200nm.
15

- Đồng phân cis (Z) có max và max (hệ số hấp thu) nhỏ hơn đồng phân
trans- (E) có sự khác nhau đó là ảnh hởng không gian ở đồng phân cis (Z) làm vi
phạm sự liên hợp giữa nhóm thế với nối đôi.
Bảng 1.2 Phổ UV-Vis của một số anken
Hợp chất

Dạng Cis (Z)

Dạng Trans (E)

max (nm)

max

max (nm)

max

C6H5 - CH = CH - C6H5

280

13.500

295

27.000

C6H5 - CH = CH - COC6H5

290

8.950

298

23.600

CH3OCO - CH = CH - COOCH3

198

26.000

214

34.000

Đ4- Đồng phân cấu dạng (đồng phân quay)
- Cấu dạng: là những dạng cấu trúc không gian sinh ra do sự quay một
nhóm nguyên tử này đối với nhóm nguyên tử khác xung quanh liên kết đơn giữa
chúng mà không làm đứt liên kết đơn này.
- Đồng phân cấu dạng là những cấu dạng tơng đối bền của phân tử.
I - Cấu dạng của hợp chất mạch hở.
1- Cấu dạng của etan và các hợp chất kiểu CX3 - CX3.
- Xét trờng hợp etan: CH3 - CH3
Nếu ta cố định một nhóm CH 3 và quay dần nhóm kia xung quanh trục liên
kết C - C từ 00 đến 3600 ta sẽ đợc vô vàn dạng hình học khác nhau, trong đó có 2

dạng tới hạn: một dạng có thế năng cao nhất gọi là dạng che khuất (có 3 cấu dạng
che khuất đồng nhất) và một dạng có thế năng thấp nhất gọi là dạng xen kẽ (có 3
cấu dạng xen kẽ đồng nhất). Cấu dạng xen kẽ là cấu dạng bền còn cấu dạng che
khuất không bền.
H
H
H

H


H

H

H

H
H

H

H

H
H

H

H

H

Cấu dạng xen kẽ (bền)

H
H

HH

H

H

H
H

Cấu dạng che khuất (không bền)

Trên giản đồ thế năng của etan có dạng hình syn có 3 cực đại bằng nhau và
3 cực tiểu bằng nhau. Độ chênh lệch về năng lợng là 2,8 Kcal/mol. Cấu dạng và
giản đồ thế năng của hợp chất kiểu CX3 - CX3 tơng tự nh của etan.
16


E Kcal/mol
3
2
1
0

60

120

180

240

300

360 góc quay

Giản đồ thế năng của etan
b- Cấu dạng của butan và các hợp chất kiểu XCH2 - CH2Y.
- Xét trờng hợp butan:

CH3 - CH2 - CH2 - CH3

Khi quay xung quanh liên kết C2 - C3 ta thấy xuất hiện 2 loại cực đại năng
lợng đó là dạng che khuất toàn phần và che khuất một phần, và 2 loại cực tiểu
năng lợng đó là 2 dạng xen kẽ Syn và anti (Syn là dạng lệch, anti là dạng đối).
Dạng anti bền hơn dạng Syn vì có năng lợng thấp hơn, ở nhiệt độ phòng tỉ lệ dạng
anti gấp đôi dạng Syn.
H

CH3

CH3

H

H

H

CH3

H

H

H
H

CH3

Dạng anti (transoit)

Dạng syn (cisoit)

Tơng tác giữa 2 nhóm CH3 làm cho dạng syn kém bền hơn dạng anti đợc
gọi là tơng tác syn.
- Đối với hợp chất 1,2- dicloetan và 1,2-đibrometan... có cấu dạng và giản
đồ thế năng tơng tự nh n-butan.

17


6

E Kcal/mol

5
4
3
2
1
0

60

120

180

240

300

360 góc quay

Giản đồ thế năng của butan
Bằng thực nghiệm cho thấy trong dung dịch CCl 4 ở 250C 1, 2- dicloetan tồn
tại ở dạng anti chiếm 70%, dạng Syn 30%; 1,2- dibrôm etan dạng anti chiếm tới
89%, dạng Syn 11%.
- Hình thể của các hợp chất có nối đôi.
Cấu dạng bền của hợp chất có nối đôi thờng nguyên tử hoặc nhóm nguyên
tử mang nối đôi ở vị trí che khuất đối với nguyên tử hyđrô hay các nhóm thế nh
CH3, Cl...

Cấu dạng bền của 1 số phân tử có nối đôi.
HO

H CH2
H

H
H

H

H

O

prôpylen

H

CO

H

H

axetanđehyt

H

CO

H O

axít fomíc

CO

CH 3 CH2

fomiat etyl

CH3

Metylvinylete

Hợp chất có 2 liên kết đôi liên hợp nh butadien - 1,3, acrôlein... có dạng
bền chỉ khác nhau vị trí của 2 nhóm cha no đối với nối đơn ở giữa.
CH2

CH2

CH2

CC
H

H
CC

H

H

S - cis

CH2
S - trans

18


Dạng S-trans bền hơn dạng S-cis 2,3 Kcal/mol.
Chữ S từ danh từ Singlebond - nối đơn ám chỉ là ở đây dạng cis - trans đối
với nối đơn trung tâm.
II- Hình thể của hợp chất vòng no.
1- Hình dạng của các vòng no.
Đối với các vòng no có 2 yếu tố làm giảm độ bền và làm biến dạng vòng no
đó là sức căng Baye và sức căng Pitzơ.
- Sức căng Baye là sức ép hoặc sức trơng của góc hoá trị CCC so với góc
hoá trị bình thờng 109028'
=

Vòng có n (cạnh)
độ sai lệch

3
24044'

109 0 28'CCC
2

4

5

6

7

8

9044'

0044'

-5016'

-9033'

-12046'

Căn cứ vào độ sai lệch thì bền nhất là vòng 5 cạnh xyclo pentan và kém
bền nhất là vòng xyclo propan và các vòng lớn nhiều cạnh.
Bằng thực nghiệm ngời ta đã chỉ ra đợc thuyết sức căng Baye chỉ áp dụng
gần đúng cho những vòng có từ 3 đến 5 cạnh, còn các vòng khác thì thuyết này tỏ
ra không chính xác.
Thực ra chỉ có vòng 3 cạnh là vòng phẳng còn lại các vòng khác đều
không phẳng.
- Sức căng Pitzơ: là lực đẩy tơng hỗ giữa 2 nguyên tử H ở vị trí che khuất.
Nhờ 2 yếu tố trên làm cho hầu hết các vòng no đều không phẳng và tồn tại
ở dạng không phẳng bền hơn dạng phẳng tơng ứng.

Vòng 3 cạnh kém bền nhất vì các liên kết C - H đều ở vị trí che khuất, các
liên kết C - C bị biến dạng thành liên kết xen phủ 1 bên.
Vòng 4 cạnh xyclo butan có 1 nguyên tử cacbon bị lệch ra khỏi mặt phẳng
của 3 nguyên tử C còn lại.
Vòng 5 cạnh xyclopentan hầu nh không có sức căng góc nhng sức căng
đẩy lại lớn, do đó dạng bền 1C bị lệch ra khỏi mặt phẳng của vòng 0,5A0.
19


Xyclo propan

Xyclo butan

Xyclo pentan

Vòng 6 cạnh xyclo hexan: có cấu trúc không phẳng, để đảm bảo cho góc
hoá trị bình thờng, nó có 3 dạng là thuyền, ghế, xoắn.

Dạng thuyền

Dạng ghế

Dạng xoắn

Dạng ghế là dạng bền nhất vì không chịu sức căng Bayer và không có sức
căng Pitsơ, vì vậy ở nhiệt độ phòng xyclo hexan tồn tại ở dạng ghế tới 99,9%.
Xyclo heptan: tồn tại 2 dạng trong đó dạng ghế là dạng bền.

Dạng thuyền

Dạng ghế

2- Cấu dạng của xyclo hexan.
Hai cấu dạng đáng chú ý của xyclo hexan là dạng ghế và dạng thuyền. Cả 2
dạng này đều không có sức căng Baye vì chúng đều có góc hoá trị của cacbon
bình thờng 109028'. Tuy nhiên cấu dạng ghế bền hơn dạng cấu thuyền.
ở dạng ghế: 6 C nằm trên 2 mặt phẳng song song với nhau và cách nhau
0,5A . Mặt phẳng thứ nhất chứa C1, C3, C5 và mặt phẳng thứ 2 chứa C2, C4, C6. Có
12 liên kết C - H chia 2 nhóm, 6 nhóm liên kết song song với trục đối bậc ba gọi
là liên kết trục hay liên kết axian (a) và 6 liên kết hớng ra ngoài phân tử và tạo với
trục đối xứng bậc ba những góc 1090 gọi là liên kết biên hay equatorian (e) (còn
gọi là liên kết vành).
0

20


a
a
2
e
a
0

0,5A

e
1 e

a

4

6

e

e

3

a
3

e

e

4

e

e
e

5
a

a

a

a

6

2

e

a

Trục đối xứng bậc 3

ở dạng ghế 6C đều ở dạng xen kẽ tơng tự nh dạng syn- butan. Khoảng cách
giữa 2H kề nhau là 2,49 A0.
5

1
6
0

0

2,49 A

3

24,5 A

2

- Dạng thuyền:
Chỉ có 4 hệ thống liên kết ở dạng xen kẽ: C 1 - C2; C3 - C4; C4 - C5; C6 - C1
và 2 hệ thống liên kết ở dạng che khuất: C2 - C3; C5 - C6.

4

0

1

1,84 A
0

5

2,49 A

3

0

2,37 A

Nguyên tử H ở C1 và C4 chỉ cách nhau 1,84A nên chúng đẩy nhau làm cho
dạng thuyền kém bền.
Cấu dạng ghế của xyclo hexan tồn tại ở trạng thái cân bằng giữa 2 dạng
khác nhau (chuyển hoá lẫn nhau), khi ấy liên kết a chuyển thành liên kết e, tốc độ
chuyển hoá 106 lần / giây.

3- Dẫn xuất thế của xyclo hexan.
21


- Dẫn xuất một lần thế: có 2 dạng a và e tồn tại ở trạng thái cân bằng không
thể tách riêng. Dạng e bền hơn dạng a, ví dụ metyl - xyclo hexan dạng e chiếm tới
95% còn dạng a chỉ có 5%.

CH3
CH3

a- metyl xyclo hexan

e - metyl xyclo hexan

6

6
5

5

1
3

1

CH3

3

CH3

Dạng a

Dạng e

Dạng a kém bền vì nhóm CH3 chiếm vị trí a gần với nguyên tử H a của C3 và
C5 gây tơng tác đẩy, mặt khác CH3 (a) sẽ chiếm vị trí syn đối với C 3 và C5 gây tơng tác syn góp phần làm giảm độ bền của phân tử nên ở dạng a kém bền.
Dạng e hoàn toàn ngợc lại nhóm CH3 ở vị trí anti đối với C3 và C5. và
chúng ở xa các nguyên tử hiđro liên kết tại cacbon C 3 , C5.
Dẫn xuất 1,2 lần thế của xyclo hexan có thể tồn tại 2 đồng phân Cis và
Trans.

22


R

6
R

4

R

5

5

2

3

Cis - 1,2

6
R
1

3

4

2

e, a

R
1
R

a, e
R

R

4

R

6

5

5
2

3

Trans

R

R
1

6
2

3

4

1

R

e, e

a,a

- DÉn xuÊt 1,3 lÇn thÕ cña xyclo hexan cã 2 ®ång ph©n cis, trans.
R
R
1

R

R
5

2
3

Cis

R
1

e, e

a, a
R
1

R
1
3

R

3
3

2

Trans

2

R
1

R

e, a

2

a,e

- DÉn xuÊt 1,4 lÇn thÕ cña xyclo hexan.
R
1

R
R

R

4
2
3

Cis

R
1

R

4

3

e, a

2

a, e
R

R
R

1

R 4

2
3

Trans

R
1

e, e

3

2

R

a, a
23


Trong C6H6Cl6 có tất cả 8 cấu dạng, chỉ có cấu dạng (aaaeee) có hoạt tính
trừ sâu mạnh.
Cl
Cl
Cl

Cl

Cl

Cấu dạng của hexopiranozơ.

CH2OH

Cl

Ví dụ của - D - glucôpiranozơ.

OH

OH

OH

OH

CH2OH

HO

CH2OH

OH

OH

OH

OH

OH
OH

Dạng C1

OH

Dạng 1C

Phân tích hiệu ứng không gian ngời ta thấy cấu dạng C1 bền hơn cấu dạng
1C. Ký hiệu C từ đầu tiếng Anh Chair là ghế.
1C là dạng có C số 1 ở bên trên
C1 là dạng có C số 1 ở phía dới.

24


Bài tập
I. 1- Trình bày các bớc tiến hành để chuyển một công thức tứ diện sang công thức
chiếu Fisơ,. Minh hoạ bằng hai thí dụ đối với phân tử có 1 C * và 2C*.
I.2- Trong công thức chiếu Fisơ của các hợp chất dới đây, những chất nào, những
nhóm nào đợc ghi ở phía trên, những nhóm nào đợc ghi ở phía dới của đờng
thẳng:
CH3CHOHCOOH ;

CH3CHBrCHBrCOOH

H2NCH(CH3)CH(CH3)NH2 ;

O=CHCHOHCHOHCH2OH

1.3- Viết công thức chiếu Fisơ một dạng của HOCH2CHOHCHO rồi thực hiện
phép quay công thức đó trên mặt phẳng những góc 900, 1800, 2700. Những
công thức mới thu đợc có phản ảnh đúng hợp chất ban đầu không.
I.4- Định nghĩa và cho ví dụ minh hoạ để làm rõ các khái niệm sau:
a/ Cấu tạo, cấu hình, cấu dạng.
b/ Chất đối quang, hợp chất raxêmic, hỗn hợp raxemic, đồng phân mêzô,
đồng phân quang học không đối quang.
I.5- Trình bày công thức chiếu Fisơ, đối với tất cả các đồng phân quang học
(đpqh) cuả những chất sau đây:
a/ Propađiol-1,2.

b/ Axit tactric và tactratmonokali.

c/ 2,3-điclobutan và 2-clo-3-brombutan.
Kí hiệu mỗi đồng phân đó theo danh pháp R- S .
Mỗi hợp chất có thể có bao nhiêu đồng phân quang học, bao nhiêu cặp đối
quang và bao nhiêu đồng phân quang học không đối quang.
1.6- a) Phản ứng este hoá axit (+)-lactic bằng metanol cho ta (-)-lactat metyl, hỏi
phản ứng đó có làm thay đổi cấu hình hay không.
b) Oxy hoá D-(+)-glyxeralđehit ngời ta thu đợc axit (-)-glyxeric. Cần dùng kí
hiệu D hay L để chỉ axit đó?
1.7- Sắp xếp các nhóm sau đây theo thứ tự giảm độ hơn cấp :
-C6H5; -CH=CH2 ; -CN; -CH2I; -CH=O; -COOH; -CH2NH2; -CONH2
I.8- Viết công thức chiếu Fisơ và phối cảnh của các hợp chất sau.
(R)-CH3CHOHCOOH
;
(R,S)-CH3CHBrCHBrCH3
(2R,4R,5R,3S)-anđohexosơ. (chỉ viết công thức chiếu Fisơ)

;

Mỗi hợp chất có thể có bao nhiêu đpqh ? Trong đó có bao nhiêu cặp đối
quang? cặp đpqh không đối quang?

25