HÓA HỌC LẬP THỂ cơ sở hóa học lập thể

CHƯƠNG I

HÓA HỌC LẬP THỂ
Hiện tượng một công thức phân tử ứng với 2 hay
nhiều chất khác nhau được gọi là hiện tượng đồng
phân. Sở dĩ có hiện tượng đồng phân là do các chất này
có cấu trúc hóa học khác nhau.
Dựa vào các đặc điểm về cấu trúc, người ta phân biệt 2
loại đồng phân:
 Đồng phân cấu tạo ( đồng phân phẳng )
 Đồng phân lập thể ( đồng phân không gian ).


 Các đồng phân cấu tạo phân biệt nhau về cấu tạo

hóa học, nghĩa là phân biệt nhau ở trình tự sắp xếp
của các nguyên tử trong phân tử hoặc là phân biệt
nhau về loại liên kết giữa các nguyên tử ấy.
 Các đồng phân lập thể phân biệt nhau về sự phân
bố không gian của các nguyên tử hoặc nhóm nguyên
tử trong phân tử.
 Hóa học lập thể là môn học nghiên cứu về cấu
trúc không gian 3 chiều của các loại đồng phân
này.


CÁC LOẠI ĐỒNG PHÂN
ĐỒNG PHÂN

ĐỒNG PHÂN
CẤU TẠO

ĐỒNG PHÂN
LẬP THỂ

ĐỒNG PHÂN
CẤU DẠNG
ĐỒNG PHÂN
HÌNH HỌC

ĐỒNG PHÂN
CẤU HÌNH
ĐỒNG PHÂN
QUANG HỌC


I- Đồng phân cấu dạng
I.1- Các phương pháp biểu diễn cấu trúc không gian của
phân tử hữu cơ
a

1- Mô hình tứ diện:

b
d

c

H

2- Công thức phối cảnh:

H

H
H


Công thức phối cảnh của n-butan:
CH3

CH3
CH3
H
H

H

H
H

H

CH3

CH3

hay

H

H

CH3

H

H

H

H

hay
H

H

CH3

H

H

CH3


3- Công thức chiếu Fishcher:
Đặt tứ diện hoặc CT phối cảnh sao cho cạnh nằm
ngang hướng về phía người quan sát rồi chiếu
xuống mặt phẳng:
a

a

c

b

d
b

OH
CH3

d

COOH

Br

H

CH3
OH

H

c

COOH

COOH

H

Br

CH3

H

Cl

H

COOH

COOH
H

Br

H

H

Cl

Cl
CH3

CH3


Theo qui tắc về sử dụng công thức chiếu, toàn bộ công thức
chiếu có thể được phép quay 180o trên mặt phẳng nhưng
không được quay 90o hay 270o trên mặt phẳng cũng như
không được phép quay 180o ngoài mặt phẳng.
b
d

quay 270o trên mf

d

o

quay 180 trên mf

a

b

c

a
c
b

a
c

b

d

quay 180o ngoai mf

a

c

c
quay 90o trên mf

d

a

d
b


4- Công thức chiếu Newman
Nhìn phân tử dọc theo liên kết giữa hai nguyên tử cacbon
trung tâm thẳng góc với mặt phẳng giấy và chiếu xuống:
Công thức chiếu Newman dạng che khuất:
CH3

CH3
H

H

H

H3C CH3
H

H

H

Công thức chiếu Newman dạng đối:
CH3
H

H
H

H
CH3

H

H
H

CH3

H

H
H

CH3


I.2- Đồng phân cấu dạng
Liên kết đơn σ có tính đối xứng trục, vì vậy nó
không cản trở sự quay tự do của các nguyên tử
hoặc nhóm nguyên tử trong phân tử. Sự quay tự
do này làm xuất hiện các dạng hình học khác
nhau của phân tử trong không gian. Các dạng này
của phân tử được gọi là các cấu dạng. Trong số
rất nhiều các cấu dạng của phân tử, một số cấu
dạng có thể tồn tại bền vững, người ta gọi chúng
là các đồng phân cấu dạng.


Sự quay tự do xung quanh liên kết đơn


Sự quay tự do xung quanh liên kết đơn


1- Cấu dạng của ankan
 Với etan, có hai cấu dạng tiêu biểu như sau:

Cấu dạng che khuất
H

H
H
H

Cấu dạng đối

H

H
HH
H
H

H

H
H

H

H

H

H

H
H

H

H

H

H
H


Với n-butan ta có 4 cấu dạng tiêu biểu sau:
Cấu dạng Cấu dạng lệch Cấu dạng che
che khuất
( hay syn )
khuất không
hoàn toàn
hoàn toàn
CH3

H

H

H

H3C CH3

H3C

H

H

H
H

H
H3C

CH3

H
H

H

CH3

H

H
H3C

H

H

H CH3

H

H

H

H

H

CH3

CH3

H

H

H3C

H
H

CH3

CH3

Cấu dạng đối
( hay anti )

H
H

H
CH3

H

H

H

H
CH3


Cấu dạng che khuất hoàn toàn có năng lượng cao nhất, cấu
dạng đối có năng lượng thấp nhất. Mặc dù các cấu dạng này
có năng lượng khác nhau nhưng sự khác biệt không lớn, dễ
chuyển hóa lẫn nhau qua việc quay quanh trục liên kết đơn
nên người ta không phân lập được chúng riêng ra khỏi nhau.


2- Cấu dạng của xicloankan
Xiclopropan, xiclobutan và xiclopentan có cấu trúc

phẳng hoặc gần phẳng, cứng nhắc nên chỉ có một cấu
dạng:


Vòng xiclohexan không phẳng và có thể tồn tại trong một
cân bằng của nhiều cấu dạng có thể chuyển hóa lẫn nhau, mà

dạng ghế và dạng thuyền là hai dạng điển hình, trong đó dạng
ghế bền hơn ( chiếm 99,9% ):

Cấu dạng ghế

Cấu dạng thuyền


Trong vòng xiclohexan, người ta phân biệt 2 loại liên kết:

liên kết trục hay liên kết axial (a) và liên kết xích đạo hay
hay liên kết equatorial (e)

a
e


Cấu dạng ghế của xiclohexan tồn tại ở trạng thái cân
bằng giữa 2 dạng khác nhau. Quá trình chuyển hóa
giữa hai dạng này xẩy ra rất nhanh ( khoảng 106
lần/giây ) và khi đó liên kết axial của dạng này sẽ trở
thành liên kết equatorial của dạng kia:

2

1
6

2

3
5

4
a

1

3

4
e

6
5


Hai cấu dạng có cùng năng lượng và chuyển đổi lẫn
nhau rất nhanh nên ta không thể phân biệt được H
axial và H equatorial.
Nhưng nếu xiclohexan có mang nhóm thế, lúc đó
phân tử sẽ tồn tại ở cấu dạng trong đó nhóm thế lớn
chiếm liên kết equatorial vì như vây sẽ giảm thiểu
tương tác lập thể giữa các nhóm thế với nhau.
CH3
H

CH3

95%

H

5%


II- Đồng phân cấu hình:
II.1- Đồng phân hình học:

Đồng phân hình học xuất hiện do sự phân bố khác nhau
của các nhóm thế so với mặt phẳng của liên kết π hay mặt
phẳng vòng cacbon.
II.1.1- Đồng phân hình học trong các hợp chất có liên kết
đôi C = C


Đối với các hợp chất kiểu abC = Cab thì việc gọi tên
các đồng phân theo danh pháp cis – trans là tương
đối đơn giản:
CH3
C=C

CH3

CH2CH3

C=C

H

H

trans-pent-2-en
H

HOOC

COOH

Axit cis-2-butenoic
Axit maleic

CH2CH3

H

cis-pent-2-en
H

H

H

HOOC

COOH

H

Axit trans-2-butenoic

Axit fumaric


Nhưng với các hợp chất kiểu abC = Ccd thì việc gọi
tên theo danh pháp cis – trans có khó khăn.
Chẳng hạn hai chất sau:
H3C

Cl

CH2-CH3
C=C

H

và
CH2-CH2-CH3

3-etilhex-2-en

H
C=C

Br

là cis hay trans?
CH3

1-brom-1-clopropen

 Để giải quyết tình trạng này người ta đề nghị một hệ
thống tên gọi khác tổng quát hơn cho các đồng phân
hình học. Đó là hệ thống danh pháp E – Z.
 Theo hệ E – Z, nếu 2 nhóm thế có độ ưu tiên cao
hơn ở 2 cacbon liên kết đôi nằm cùng phía so với liên
kết đôi thì ta có đồng phân Z ( từ tiếng Đức Zusammen
có nghĩa là “ cùng ” ), còn nếu chúng nằm khác phía ta
có đồng phân E ( từ tiếng Đức Entgegen có nghĩa là
“đối” )
 Như vậy với hợp chất abC = Ccd, nếu a có độ ưu
tiên cao hơn b và c có độ ưu tiên cao hơn d thì ta có:
a

c
C

b

a
C

C
Z

d

d

b

C
E

c


Qui tắc Cahn – Ingold – Prelog xác định độ ưu tiên của
các nhóm thế
 Nguyên tử có điện tích hạt nhân lớn hơn thì có độ ưu
tiên cao hơn:
I > Br > Cl > S > O > N > C > H
 Nếu 2 nguyên tử nối với C liên kết đôi mà giống nhau
thì áp dụng qui tắc 1 cho các nguyên tử kế tiếp để xếp
hạng cho nhóm đó: -CH2OH > -C(CH3)3 > -CH(CH3)2
> -CH2-CH3 > -CH3
 Nguyên tử có liên kết đôi hoặc ba thì nguyên tử này
được coi như liên kết với 2 hoặc 3 nguyên tử kia:


H

_
R C

R

H

=C

_C

C

R
H

_H

R

=

H

C

C

C

C

C

C

_ C _ C_H

_ C _ C_H
OH

OH

_
R C

H

O

R

_C_O_C
O

Vậy ta có thứ tự: -COOH > -COR > -CH = O > -C ≡ N
> -C ≡ CH > -CH = CH2 > -CH(CH3)2