Hóa hữu cơ Đồng phân

CHƢƠNG 1. ĐỒNG PHÂN
Chuẩn đầu ra:
G1.1 : Biểu diễn được cấu trúc các hợp chất hữu cơ trong không gian.
G1.2 :
- Gọi tên các đồng phân hình học theo hệ danh pháp cis –trans, Z-E.
- Xác định được cấu hình tuyệt đối của hợp chất hữu cơ theo hệ danh pháp R-S.
- Gọi tên các hợp chất monosaccharide và các hợp chất amino acid theo hệ danh pháp
D-L.

Nội dung:
1. Đồng phân cấu tạo
2. Đồng phân lập thể
2.1. Các công thức biểu diễn cấu trúc
2.2. Quy tắc Cahn – Ingold – Prelog
2.3. Đồng phân hình học
2.3.1. Đồng phân cis – trans
2.3.2. Đồng phân Z – E
2.4. Đồng phân quang học
2.4.1. Khái niệm về hợp chất quang hoạt
2.4.2. Điều kiện để có đồng phân quang học
2.4.3. Gọi tên các đồng phân quang học
a. Hệ danh pháp D – L
b. Hệ danh pháp R – S
2.5. Đồng phân cấu dạng
2.5.1. Cấu dạng của hợp chất mạch hở
2.5.2. Cấu dạng của cyclohexane
Tham khảo:
1. Phan Thanh Sơn Nam, Trần Thị Việt Hoa, Giáo trình Hoá hữu cơ, trang 11-64.
2. David Klein, Organic Chemistry, trang 188-232, 155-187.
3. David Klein, Student study guide & solutions manual Organic Chemistry, trang 78-91,
58-76.

-1-


Đồng phân (isomers) là những hợp chất hữu cơ có cùng công thức phân tử như có cấu
trúc hóa học khác nhau.
Tùy theo trật tự liên kết, cách thức liên kết của các nguyên tử trong phân tử trong mặt
phẳng hoặc trong không gian mà phân loại các loại đồng phân như sau:
ĐỒNG PHÂN

Đồng phân lập thể

Đồng phân cấu tạo
ĐP mạch carbon

Đồng phân cấu hình
ĐP vị trí liên kết đa và
nhóm định chức

Đồng phân
hình học

Đồng phân nhóm định chức

Cấu dạng

Đồng phân
quang học

1. ĐỒNG PHÂN CẤU TẠO (constitutional isomerism)

Đồng phân cấu tạo hay đồng phân trong mặt phẳng (đã học trong chương trình phổ
thông).
Ví dụ: Hãy vẽ các đồng phân cấu tạo có thể có của C4H10O.

2. ĐỒNG PHÂN LẬP THỂ (stereoisomerism)
Đồng phân lập thể (stereoisomers) là những đồng phân có trật tự liên kết và cách thức
liên kết giống nhau khi xét trong phạm vi mặt phẳng nhưng khác nhau về sự phân bố các
nhóm thế trong không gian.

2.1. Các công thức biểu diễn cấu trúc
Công thức phối cảnh (perspective formula) mô tả cấu trúc không gian của phân tử trong
tờ giấy.
Quy ước: những liên kết nằm trong mặt phẳng tờ giấy được vẽ bằng nét gạch liền nét,
những liên kết ở gần người quan sát hay nằm trước mặt phẳng tờ giấy được vẽ bằng nét gạch
đậm, những liên kết ở xa người quan sát hay nằm sau mặt phẳng tờ giấy được vẽ bằng nét
gạch gián đoạn.
Ngoài ra còn có một cách biểu diễn công thức phối cảnh một cách đơn giản hơn là công
thức chiếu hình giá cưa (sawhorse projection), dùng trong trường hợp phân tử có liên kết
carbon – carbon trung tâm. Trong đó, liên kết C–C được biểu diễn bằng một đường chéo từ
trái sang phải và xa dần người quan sát. Tất cả các liên kết được vẽ bằng nét gạch liền nét,
giao điểm các liên kết là các nguyên tử carbon.
Công thức chiếu Newman (Newman projection): phân tử được nhìn dọc theo trục một
liên kết carbon – carbon trung tâm và chiếu tất cả các nguyên tử hay nhóm nguyên tử trong
phân tử lên mặt phẳng tờ giấy. Nguyên tử carbon ở đầu liên kết carbon – carbon gần người
quan sát (C1) được biểu diễn bằng một vòng tròn, che khuất nguyên tử carbon ở đầu liên kết
xa mắt người quan sát (C2). Các liên kết tương ứng với nguyên tử carbon thứ nhất (C1) được
-2-


nhìn thấy toàn bộ trong công thức chiếu Newman. Các liên kết tương ứng với nguyên tử

carbon thứ hai (C2) bị che một phần, do đó chỉ thấy được phần không bị hình tròn biểu diễn
nguyên tử carbon C1 che khuất. Tùy thuộc vào cách chọn liên kết carbon – carbon trung tâm
mà một phân tử sẽ có thể có nhiều công chiếu Newman khác nhau.
CH3
H3C
H3C

CH3
C

H

H

H

H

H

H

H

C
H

H

H

H

H

CH3
CH3

Công thức phối cảnh

Công thức chiếu giá cưa

Công thức chiếu Newman

Công thức chiếu Fischer (Fischer projection): được vẽ theo quy ước sau: nguyên tử
carbon được chọn như một dấu thập lớn (được biểu diễn bằng nét liền). Hai nối nằm ngang
được quy ước là hai nối hướng ra trước mặt phẳng. Hai nối thẳng đứng biểu diễn cho hai nối
hướng ra sau mặt phẳng.
Thông thường mạch carbon chính được bố trí theo đường thẳng đứng, trong đó các
nhóm thế có chứa nguyên tử carbon có số oxy hóa cao hơn sẽ được đặt phía trên trong công
thức (thứ tự giảm dần số oxy hóa của nguyên tử carbon trong các nhóm thế: -COOH > -CHO
> -CH2OH > -CH3).
COOH
H
HO

COOH

C

H

OH

C

CH3

COOH
H

OH
CH3

CH3

Công thức phối cảnh

Công thức chiếu Fischer

2.2. Quy tắc Cahn – Ingold – Prelog:
Quy tắc Cahn – Ingold – Prelog được sử dụng để so sánh thứ tự ưu tiên. Quy ước:
 “Nguyên tử thứ nhất” của nhóm thế nào có số thứ tự trong bảng HTTH lớn hơn thì nhóm
thế đó sẽ được ưu tiên hơn.
(1)

(6)

-H

-CH 3

(7)

-N H2

(8)

(16)

- OH

- SH

(17)

- Cl

(35)

(53)

- Br

-I

 Nếu hai nhóm thế có “nguyên Increasing
tử thứ nhất” priority
như nhau thì sẽ tiếp tục xét “nguyên tử thứ
hai” tương ứng.

 Nguyên tử trong nhóm thế tham gia vào nối đơn, đôi hoặc ba được xem như đã liên kết
với một, hai hoặc ba nguyên tử kia.
C

-CH=CH2

is treated as

O
-CH

is treated as

C

-CH-CH2
O C
C

O

H
C CH

-3-

is treated as

C C
C C H

C C


Ví dụ: Xác định nhóm ưu tiên hơn trong mỗi cặp sau đây:
–CH3
và
–CH2CH3
–I
và
–Br
–CH2Br
và
–CH2CH2-Br
Ví dụ: Sắp xếp các nhóm theo thứ tự ưu tiên trong mỗi dãy:
a) –COOH,
–H,
–NH2,
–OH
b) –CH=CH2,
–CH3,
–CCH,
–H

2.3. Đồng phân hình học (Đồng phân cis-trans/cis-trans configuration)
Xuất hiện do sự phân bố khác nhau của các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử ở hai bên
một “bộ phận cứng nhắc” trong phân tử. “Bộ phận cứng nhắc” có thể là nối đôi C=C, C=N,
N=N hoặc một vòng no.
Khi hai nguyên tử carbon của nối đôi liên kết với một nhóm nguyên tử giống nhau thì
có thể sử dụng hệ danh pháp cis – trans. Nếu không có nhóm nguyên tử giống nhau, dùng hệ
danh pháp Z-E.

Hệ danh pháp Z-E được sử dụng với sự so sánh hai nhóm thế ưu tiên theo quy tắc
Calh-Ingold-Prelog. So sánh thứ tự ưu tiên của hai cặp nhóm thế trên từng nguyên tử carbon
của liên kết đôi. Nếu hai nhóm thế ưu tiên hơn được phân bố cùng phía so với liên kết đôi thì
được gọi là đồng phân Z, hay còn gọi là có cấu hình Z. Và ngược lại, cấu hình E.

Đôi khi đồng phân cis không nhất thiết là đồng phân Z, và ngược lại.
Ví dụ:

-4-


2.4. Đồng phân quang học
2.4.1 Khái niệm về các hợp chất quang hoạt
Ánh sáng là hiện tượng sóng điện từ. Ánh sáng tự nhiên gồm nhiều sóng điện từ có
vectơ điện trường hướng theo tất cả mọi hướng trong không gian và thẳng góc với phương
truyền sóng. Khi cho ánh sáng tự nhiên đi xuyên qua một lăng kính Nicol hoặc một chất phân
cực nào đó (như HgS, KClO3,…) thì các vectơ điện trường sẽ hướng theo một phương dao
động xác định và vẫn thẳng góc với phương truyền sóng. Lúc đó ta có ánh sáng phân cực
phẳng.
Một số chất hữu cơ, khi được đặt trên đường truyền của ánh sáng phân cực phẳng
(plane-polarized light), thì có khả năng làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực về phía phải
hoặc phía trái một góc có giá trị là + hoặc - Những hợp chất như vậy được gọi là hợp chất
quang hoạt.



Nguồn sáng

Lăng kính

Nicol

Ống chứa mẫu chất
hữu cơ cần khảo sát

Chất hữu triền là chất làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực về bên phải, kí hiệu là
dấu (+) hay d (dextrorotatory).
Chất tả triền thì làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực theo chiều ngược lại tức là
quay về bên trái, kí hiệu là dấu (-) hay l (laevorotatory).
Hỗn hợp racemic là hỗn hợp đồng lượng hai hợp chất hữu triền và tả triền không làm
quay mặt phẳng ánh sáng phân cực, hỗn hợp không còn khả năng quang hoạt nữa, còn được
gọi là hỗn hợp tiêu triền () hay dl.

2.4.2 Điều kiện để có đồng phân quang học
Tính không trùng vật – ảnh qua gương (nonsuperimposable). Ví dụ về bàn tay phải và
bàn tay trái của một người bình thường thể hiện rõ nhất tính chất vật và ảnh qua gương không
trùng nhau.

Các phân tử có tính chất không trùng vật – ảnh của phân tử qua gương thì sẽ có tính
quang hoạt (optical activity).
-5-


Những nghiên cứu khoa học cho thấy nguồn gốc tính quang hoạt của một hợp chất là
do sự bất đối xứng trong cấu trúc tinh thể hoặc trong cấu trúc phân tử làm cho nó có tính chất
không trùng vật - ảnh qua gương.
Trong các hợp chất hữu cơ, tính bất đối xứng trong phân tử thường do trong phân tử của
chúng có chứa một hoặc nhiều carbon bất đối xứng.
Carbon bất đối xứng là carbon mang 4 nhóm thế hoàn toàn khác nhau, carbon bất đối
xứng được ký hiệu là C*, một số tài liệu gọi là carbon thủ tánh hay thủ tính (chiral center,

stereocenter, stereogenic center, and asymmetric center).
Ví dụ: Hãy xác định các carbon bất đối xứng trong hợp chất sau:

Phân tử có carbon bất đối xứng thì ảnh của nó qua gương sẽ khác với phân tử gốc nên
nó có tính chất không trùng vật - ảnh qua gương và có tính quang hoạt.
Khi trong phân tử có chứa một carbon bất đối xứng, phân tử có thể tồn tại ở hai dạng
cấu trúc không gian đối xứng nhau qua mặt phẳng gương. Cả 2 cấu trúc này đều có tính
quang hoạt, một cấu trúc làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực về phía phải, một làm quay
về phía trái với một góc cùng độ lớn. Hai cấu trúc này là đồng phân quang học của nhau, được
gọi là một đôi đối quang (enantiomers).

A và B là một cặp đối quang
Khi phân tử có n carbon bất đối xứng số đồng phân quang học tối đa là 2n. Tuy nhiên,
khi trong phân tử có mặt phẳng đối xứng thì số đồng phân quang học giảm xuống. Hợp chất
có mặt phẳng đối xứng trong phân tử, dù có carbon bất đối xứng nhưng vẫn không có tính
quang hoạt, gọi là hợp chất meso.
Ví dụ: Hợp chất 2,3-dibromobutane có 2 carbon bất đối xứng, có tối đa 2n = 4 đồng
phân quang học. Hai đồng phân A và B đối xứng nhau qua gương nên là cặp đối quang. Đồng
phân C có cấu trúc đối xứng, nên dù có 2 C* đồng phân này vẫn không có tính quang hoạt,
đây là hợp chất meso. Vậy số đồng phân quang học của hợp chất 2,3-dibromobutane chỉ là 3.
-6-


Hợp chất meso

Cặp đối quang

(A và C), (B và C) là các cặp không đối quang
(diastereomers)

2.4.3 Gọi tên các đồng phân quang học
a) Hệ danh pháp D-L
Muốn sử dụng danh pháp D-L bắt buộc phải dùng công thức chiếu Fischer. Fischer đã
chọn glyceraldehyde làm kiểu mẫu và ấn định một cách độc đoán cấu hình của nó như sau:

Danh pháp D-L thường áp dụng cho các loại đường và các hợp chất amino acid cùng
với những dẫn xuất của chúng.
Đối với các hợp chất đường (carbohydrate), người ta xét carbon bất đối xứng ở xa nhất
đối với nhóm carbonyl (carbon bất đối xứng có chỉ số định vị lớn nhất). Nếu carbon đó mang
nhóm -OH ở bên phải trong công thức chiếu Fischer thì đồng phân đó có cấu hình D. Và
ngược lại, nếu carbon đó mang nhóm -OH ở bên trái thì đồng phân đó có cấu hình L.
CHO
H
HO

CHO

OH

HO

H

H

CHO

CHO

H

HO

H

HO

OH

HO

H

H

OH
OH

H

OH

HO

H

H

OH

H

H

OH

HO

H

H

OH

HO

CH2OH

CH2OH

D-(+)-glucose

CH2OH

L-(-)-glucose

H

H
CH2OH

D-manose

L-galactose

Đối với các hợp chất amino acid, xét carbon bất đối xứng có mang nhóm -NH2 ở gần
nhất đối với nhóm acid carboxilic (carbon bất đối xứng có chỉ số định vị nhỏ nhất). Nếu nhóm
-NH2 ở bên phải trong công thức chiếu Fischer thì đồng phân đó có cấu hình D. Và ngược lại,
nếu nhóm NH2 ở bên trái trong công thức chiếu Fischer thì đồng phân đó có cấu hình L.
COOH
COOH
H

NH 2
CH 3

D-(-)-alanine

COOH
H 2N

H
CH 3

L-(+)-alanine
-7-

H 2N
H

H
OH
CH 3

L-(-)-treinine


b) Hệ danh pháp R-S
Danh pháp R-S (cấu hình R-S: R-S configuration) được đề nghị bởi ba nhà khoa học
Cahn, Ingold, Prelog dùng để gọi tên cấu hình tuyệt đối (nghĩa là cấu hình thực sự trong
không gian). Việc xác định danh pháp của hợp chất được gọi theo 3 bước sau:
Bước 1: sắp xếp các nhóm thế theo thứ tự ưu tiên theo Quy tắc Cahn-Ingold-Prelog.
Bước 2: quan sát C* theo chiều từ C* đến nhóm thế có thứ tự ưu tiên thấp nhất.
Bước 3: xác định chiều từ nhóm thế có thứ tự ưu tiên từ lớn đến nhỏ. Sự quay thuận
chiều kim đồng hồ - cấu hình R. Ngược lại, ngược chiều kim đồng hồ - cấu hình S. Đặt chữ
cái R hoặc S trước tên công thức phân tử.
Ví dụ: Xác định danh pháp R-S cho từng C* của hai đồng phân lập thể sau

Bƣớc 1: sắp xếp các nhóm thế theo thứ tự ưu tiên theo Quy tắc Cahn-Ingold-Prelog.

Bƣớc 2: quan sát C* theo chiều từ C* đến nhóm thế có thứ tự ưu tiên thấp nhất.

-8-


Bƣớc 3: xác định chiều từ nhóm thế có thứ tự ưu tiên từ lớn đến nhỏ.

Ví dụ: xác định danh pháp R-S cho từng hợp chất sau đây

-9-

2.5. Cấu dạng (conformation)
Cấu dạng là các dạng hình học khác nhau của một cấu hình, có được do sự quay các
nhóm nguyên tử xung quanh liên kết đơn C-C. Các phương pháp phân tích hiện đại cho thấy
sự quay này không phải tự do hoàn toàn. Trong đó một vài vị trí chiếm ưu thế hơn, một vài vị
trí kém bền hơn và ít khi hình thành hơn. Các cấu dạng có thể chuyển hóa qua lại hàng triệu
lần trong một giây ở nhiệt độ phòng. Vì vậy không thể phân lập từng cấu dạng thành các chất
riêng biệt được.

2.5.1 Cấu dạng của các hợp chất mạch hở
Ethane C2H6
Trong vô số cấu dạng của ethane, cấu dạng bền nhất là cấu dạng lệch, có các nguyên tử
hydrogene ở xa nhau nhất, ứng với mức năng lượng thấp nhất. Cấu dạng kém bền nhất là cấu
dạng che khuất với các nguyên tử hydrogene ở gần nhau nhất, ứng với mức năng lượng cao
nhất.

Cấu dạng
che khuất

Cấu dạng lệch

-10-


Butane C4H10
Có thể vẽ được các cấu dạng khác nhau của butane khi cho các nhóm thế quay xung
quanh liên kết C1-C2 hoặc C2-C3 (cấu dạng này được nghiên cứu nhiều hơn). Trong vô số
các cấu dạng của butane, có 4 cấu dạng được quan tâm nhất. Cấu dạng đối lệch bền nhất do
hai nhóm methyl phân bố xa nhau nhất, ứng với mức năng lượng thấp nhất. Cấu trạng bán

lệch kém bền hơn do hai nhóm methyl gần nhau hơn. Kém bền tiếp theo là cấu trạng che
khuất một phần với nhóm methyl và nguyên tử hydrogen che khuất nhau. Kém bền nhất là
cấu trạng che khuất toàn phần với hai nhóm methyl phân bố gần nhau nhất trong không gian.

Đối lệch

Che khuất
một phần

Bán lệch

Che khuất
tòan phần

-11-


2.5.2 Cấu dạng của cyclohexane
Cyclohexane C6H12
Cấu dạng của cyclohexane và dẫn xuất nói chung tương đối phức tạp do vòng
cyclohexane thực tế không có cấu tạo phẳng. Điều này là với vòng 6 là lục giác phẳng thì góc
là 120o, nhưng góc liên kết C-C-C với carbon bão hòa lai hóa sp3 là 109o28’. Vậy nên, các
nhóm nguyên tử trong vòng phải xoay quanh các liên kết đơn C-C sao cho các góc C-C-C
trong vòng có giá trị gần với 109o28’.
Trong khi các nhóm nguyên tử của vòng cyclohexane xoay quanh liên kết đơn C-C sẽ
hình thành nhiều cấu dạng không phẳng khác nhau. Trong đó cấu dạng bền nhất và thường
gặp nhất trong tự nhiên là cấu dạng ghế, với các góc liên kết C-C-C trong vòng là 111o. Tất cả
các nguyên tử carbon trong cấu dạng ghế của vòng cyclohexane đều tương đương nhau, việc
vẽ cấu hình có chân ghế và lưng ghế chỉ là do vị trí đặt mắt quan sát.

Khi vẽ cấu dạng ghế của cyclohexane với công thức phối cảnh, phải có các cặp liên kết
lần lượt song song với nhau từng đôi một. Tại mỗi nguyên tử carbon trong vòng cyclohexane
có hai liên kết. Liên kết trên trục thẳng đứng gọi là liên kết trục hay liên kết axial, liên kết
còn lại gọi là liên kết xích đạo hay liên kết equatorial. Liên kết trục hướng lên trên khi mũi
tên tạo bởi hai liên kết C-C-C đang hướng lên, liên kết trục hướng xuống trên khi mũi tên tạo
bởi hai liên kết C-C-C đang hướng xuống. Liên kết xích đạo tại nguyên tử carbon C1 phải
song song với cặp liên kết C2-C3 và C5-C6, các liên kết xích đạo tại các nguyên tử carbon
còn lại cũng được vẽ theo quy tắc song song với các liên kết tương ứng như vậy.
Trong điều kiện thông thường, các nhóm nguyên tử trong vòng cyclohexane ở cấu dạng
ghế vẫn có thể xoay quanh liên kết đơn C-C để chuyển thành cấu dạng ghế thứ hai. Khi
chuyển từ cấu dạng ghế này sang cấu dạng ghế khác, liên kết trục sẽ biến thành liên kết xích
đạo và ngược lại.

-12-


Khi vòng cyclohexane có mang một nhóm thế, một trong hai cấu dạng ghế sẽ bền hơn
và là cấu dạng chủ yếu. Ví dụ trường hợp methylcyclohexane: Trong hai cấu dạng này, chỉ có
cấu dạng ghế với nhóm methyl ở liên kết xích đạo mới bền hơn và chiếm ưu thế hơn. Nguyên
nhân do khi nhóm thế ở liên kết xích đạo khoảng cách giữa nhóm thế và các nguyên tử
hydrogen trong vòng cyclohexane xa hơn trong trường hợp ở liên kết trục.

Bền

Kém bền
(do tương tác nhị trục)

Khi vòng cyclohexane có mang hai nhóm thế giống nhau, tùy thuộc vào vị trí của hai
nhóm thế trong vòng cyclohexane và cả cấu hình cis hay trans của chúng mà sẽ có các cấu
dạng ghế chiếm ưu thế hơn.

Khi vòng cyclohexane có mang nhiều nhóm thế, cũng có thể đánh giá cấu dạng chiếm
đa số hơn cũng như đồng phân hình học bền hơn bằng cách so sánh năng lượng của các cấu
dạng. Cấu dạng nào có năng lượng thấp hơn thì bền hơn và chiếm đa số. Thông thường, cấu
dạng với nhóm thế có kích thước lớn ở liên kết xích đạo sẽ chiếm đa số, cũng như đồng phân
hình học tương ứng sẽ bền hơn.

-13-


-14-


-15-


-16-