BÀI GIẢNG HÓA HỮU CƠ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

ThS. Nguyễn Thị Ngọc Lan

HÓA HỮU CƠ


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: ĐỒNG PHÂN LẬP THỂ.........................................................................1
1.1. Các công thức biểu diễn cấu trúc .......................................................................1
1.1.1. Công thức phối cảnh ...................................................................................1
1.1.2. Công thức chiếu Newman ...........................................................................2
1.1.3. Công thức chiếu Fischer..............................................................................2
1.2. Đồng phân lập thể ..............................................................................................2
1.2.1. Đồng phân cấu hình ....................................................................................3
1.2.1.1.

Đồng phân hình học .............................................................................3

1.2.1.2.

Đồng phân quang học ...........................................................................7

1.2.2. Đồng phân cấu dạng (cấu trạng) ...............................................................14
1.2.2.1.

Cấu dạng của ethane ...........................................................................14

1.2.2.2.

Cấu dạng của n-butane .......................................................................15

1.2.2.3.

Cấu dạng của cycloankane .................................................................16

CHƯƠNG 2: PHẢN ỨNG THẾ ÁI NHÂN ................................................................19
2.1. Khái niệm chung ..............................................................................................19
2.2. Phản ứng thế ái nhân lưỡng phân tử (SN2).......................................................20
2.2.1. Cơ chế phản ứng........................................................................................20
2.2.2. Hóa lập thể của phản ứng ..........................................................................20
2.3. Phản ứng thế ái nhân đơn phân tử SN1 ............................................................21
2.3.1. Cơ chế phản ứng........................................................................................21
2.3.2. Hóa lập thể của phản ứng ..........................................................................22
2.4. Những yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng thế ái nhân ........................................23
2.4.1. Ảnh hưởng của chất nền............................................................................23
2.4.2. Ảnh hưởng của nhóm xuất ........................................................................25
2.4.3. Ảnh hưởng của tác nhân ái nhân ...............................................................27
2.4.4. Ảnh hưởng của dung môi ..........................................................................27
CHƯƠNG 3: PHẢN ỨNG TÁCH LOẠI ....................................................................31
3.1. Phản ứng tách loại lưỡng phân tử (E2) ............................................................31
3.1.1. Cơ chế phản ứng........................................................................................31
3.1.2. Hóa học lập thể..........................................................................................32
3.2. Phản ứng tách loại đơn phân tử E1 ..................................................................35


3.2.1. Cơ chế phản ứng........................................................................................35
3.2.2. Hóa học lập thể..........................................................................................36
3.3. Hướng của phản ứng tách loại .........................................................................36
3.4. Sự cạnh tranh giữa phản ứng thế ái nhân và phản ứng tách loại .....................39

CHƯƠNG 4: PHẢN ỨNG CỘNG ÁI ĐIỆN TỬ VÀO LIÊN KẾT C=C...................43
4.1. Phản ứng cộng halogen ....................................................................................43
4.1.1. Cơ chế phản ứng........................................................................................44
4.1.2. Hóa học lập thể..........................................................................................45
4.2. Phản ứng cộng tác nhân không đối xứng .........................................................47
4.2.1. Cơ chế phản ứng........................................................................................47
4.2.2. Hóa lập thể ................................................................................................47
4.3. Sự định hướng trong phản ứng cộng................................................................47
4.4. Phản ứng cộng hypohalous acid ......................................................................48
4.5. Các phản ứng cộng khác ..................................................................................50
4.5.1. Phản ứng cis-hydroxyl hóa........................................................................50
4.5.2. Phản ứng trans-hydroxyl hóa ....................................................................52

-2-


CHƯƠNG 1: ĐỒNG PHÂN LẬP THỂ
1.1. Các công thức biểu diễn cấu trúc
1.1.1. Công thức phối cảnh
Công thức phối cảnh (perspective formula) là một trong các công thức được sử dụng
để mô tả cấu trúc không gian của phân tử trong mặt phẳng tờ giấy. Người ta quy ước
như sau: những liên kết nằm trên mặt phẳng tờ giấy được vẽ bằng nét liền bình thường,
những liên kết ở gần hay trước mặt phẳng tờ giấy được vẽ bằng nét đậm, những liên kết
ở xa hay nằm sau mặt phẳng tờ giấy được vẽ bằng nét đứt. Nguyên tử carbon có thể
được vẽ ra hoặc được biểu diễn ngầm tại giao điểm của các liên kết. Ngoài ra, trong một
số trường hợp, người ta còn quy định: đầu liên kết ở gần được vẽ to hơn đầu liên kết ở
xa mắt người quan sát, áp dụng cho các liên kết nằm trước (nét đậm) và nằm sau (nét
đứt) mặt phẳng tờ giấy.

Công thức phối cảnh của ethane (a), một đồng phân của lactic acid (b),

methylcyclohexane (c)
Ngoài ra còn một kiểu công thức phối cảnh khác đơn giản hơn, thường được sử dụng
cho những trường hợp phân tử có liên kết carbon-carbon trung tâm. Trong đó, liên kết
chính carbon-carbon được biểu diễn bằng một đường chéo từ trái qua phải và xa dần
người quan sát. Các liên kết trong công thức này đều được vẽ bằng các nét liền bình
thường. Giao điểm của các liên kết này là các nguyên tử carbon.

Công thức phối cảnh của butane (a) và cyclohexane (b)
-1-


1.1.2. Công thức chiếu Newman
Đối với công thức chiếu Newman, phân tử được nhìn dọc theo trục một liên kết
carbon-carbon trung tâm và chiếu tất cả các nguyên tử hay nhóm nguyễn tử trong phân
tử lên mặt phẳng tờ giấy. Nguyên tử carbon ở đầu liên kết carbon-carbon gần mắt người
quan sát (C1) được biểu diễn bằng một vòng tròn, che khuất nguyên tử carbon ở đầu xa
mắt người quan sát (C2). Tùy thuộc vào cách chọn liên kết carbon-carbon trung tâm mà
một phân tử có thể sẽ có nhiều công thức chiếu Newman khác nhau.

Công thức chiếu Newman dạng che khuất (a) và dạng xen kẽ (b) của butane.
1.1.3. Công thức chiếu Fischer
Một dạng công thức chiếu khác thường được sử dụng để biểu diễn cấu trúc phân tử
trong mặt phẳng tờ giấy là công thức chiếu Fischer. Chiếu phân tử ở một vị trí quy ước
lên mặt phẳng giấy: Các liên kết từ nguyên tử trung tâm hướng về phía gần người quan
sát được biểu diễn trên trục nằm ngang, các liên kết hướng về phía xa người quan sát
được biểu diễn nằm trên trục thẳng đứng. Tùy thuộc vào vị trí mắt của người quan sát,
một phân tử có thể có nhiều công thức chiếu Fischer. Tuy nhiên, thông thường mạch
chính của phân tử được bố trí theo đường thẳng đứng, trong đó nhóm thế chứa nguyên
tử carbon có số oxy hóa cao hơn sẽ được đặt ở phía trên công thức.

Công thức chiếu Fischer của lactic acid
1.2. Đồng phân lập thể
Các chất hữu cơ có sự phân bố xác định các nguyên tử trong phân tử. Nếu sự phân
bố khác nhau trong không gian thì sinh ra đồng phân lập thể. Các đồng phân lập thể hình
thành do những nguyên nhân sau:

-2-


• Các phân tử có sự phân bố khác nhau của các nguyên tử đối với bộ khung carbon
hay đối với mặt phẳng của một liên kết đã cho nào đó gọi là đồng phân cấu hình.
o Nếu do sự phân bố đối với mặt phẳng của nối đôi hay vòng thì đồng phân
cấu hình là đồng phân hình học.
o Nếu do sự phân bố đối với một trung tâm đối xứng nào đó của phân tử,
liên quan tới sự có mặt hay không có những yếu tố đối xứng trong phân
tử, liên quan đến hình dạng và sự định hướng của các obitan trong phân
tử thì đồng phân cấu hình là đồng phân quang học.
• Những hợp chất có từ hai carbon trở lên có khả năng quay xung quanh liên kết
đơn C-C, nghĩa là có khả năng thay đổi góc nhị diện liên quan đến sự phân bố
khác nhau của nhóm thế do sự quay xung quanh liên kết đơn gây ra những đồng
phân khác nhau gọi là đồng phân cấu dạng.
Đồng phân

Đồng phân lập thể

Đồng phân cấu tạo

Đồng phân cấu hình

Đồng phân hình học

Đồng phân cấu dạng

Đồng phân quang học

1.2.1. Đồng phân cấu hình
1.2.1.1. Đồng phân hình học
a) Cấu trúc
Đối với hợp chất có nối đôi, sự phân bố các nhóm thế đối với mặt phẳng π của nối
đôi cho đồng phân hình học.
R1R2C = CR3R4

(R1  R2, R3  R4)

Loại đồng phân hình học này gọi là đồng phân cis-trans:

-3-


Danh pháp cis-trans dùng cho nhưng hợp chất có cấu trúc loại axC=Cay (a cùng phía
là cis, khác phía là trans) hoặc hợp chất có các nhóm thế là hydrocarbon nhưng khác
nhau về thể tích thì có thể xét theo thể tích

Đối với loại hợp chất axC=Cby thì sử dụng hệ danh pháp E-Z xét theo thứ tự ưu tiên
của các nhóm thế dựa vào quy tắc Cahn-Ingold-Prelog. Quy tắc này dựa trên số thứ tự
trong bảng tuần hoàn của các nguyên tử tương ứng trong các nhóm thế.
• Nhóm thế có nguyên tử gắn với carbon nối đôi có số thứ tự hay điện tích hạt nhân
lớn hơn sẽ ưu tiên hơn:
Br (35) > Cl (17) > S (16) > P (15) > F (9) > O (8) > N (7) > C (6) > H (1).
• Nếu các nguyên tử liên kết trực tiếp giống nhau thì xét lớp thứ hai

CH(CH3)2

>

(2C, 1H)

CH2CH3
(1C, 2H)

(RO)3C

>

(3O)

(RO)2CH

>

CH3
(3H)
>

(2O, 1H)

ROCH2
(1O, 2H)

• Các nguyên tử chứa liên kết bội được tính bội lần
HC=O

(2O, 1H)

>

CH2OH

C6H5

(1O, 2H)

(3C)

>

(CH3)2CH

CN

(2C, 1H)

(3N)

>

CH2NH2
(1N, 2H)

• Trong số đồng vị, nguyên tử có số khối lớn hơn sẽ ưu tiên hơn: D > H
Trong danh pháp E-Z, nếu hai nhóm thế ưu tiên hơn ở hai carbon nối đôi ở cùng phía
là đồng phân Z (zusammen) và ngược phía nhau là đồng phân E (entgegen).

-4-


Nếu có nhóm thế giống nhau ở hai nguyên tử carbon của liên kết đôi C=C, có thể
đồng thời gọi tên đồng phân theo cả hai hệ danh pháp cis-trans và E-Z. Trong đó, đồng
phân cis không nhất thiết phải là đồng phân Z, cũng như đồng phân trans có thể không
phải là đồng phân E.

Đối với các hợp chất có nhiều nối đôi C=C trong phân tử, việc gọi tên cấu hình tại
các liên kết đôi theo hệ danh pháp E-Z cũng được tiến hành tương tự.

Các hợp chất vòng cũng có đồng phân hình học. Nếu hai nguyên tử hydrogen phân
bố cùng phía so với mặt phẳng vòng, sẽ được đồng phân cis và ngược lại sẽ được đồng
phân trans.

-5-


b) Tính chất hóa lý của đồng phân hình học
Thực nghiệm cho thấy mặc dù hai đồng phân hình học có cấu tạo hóa học giống nhau,
nhưng hầu hết các tính chất hóa lý của chúng khác nhau. Thông thường nhiệt độ nóng
chảy của đồng phân trans cao hơn đồng phân cis tương ứng. Nguyên nhân là do đồng
phân trans có cấu trúc đối xứng hơn, ở trạng thái rắn sẽ có cấu trúc tinh thể bền vững
hơn so với trường hợp đồng phân cis. Đối với các thông số như nhiệt độ sôi, chiết suất,
tỷ trọng, sự liên hệ với cấu hình thường không có quy luật như trường hợp nhiệt độ nóng
chảy.
Bảng 1: Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt cháy của một số đồng phân hình học
Hợp chất

Nhiệt độ nóng chảy (oC)

Nhiệt cháy (Kcal/mol)

130

327

287

320

91

482

202

478

15

486

72

478

68

1047

133

1040

-6-


Bảng 2: Nhiệt độ sôi, tỷ trọng và chiết suất của một số đồng phân hình học
Hợp chất

Nhiệt độ sôi (oC)

Tỷ trọng (20oC)

Chiết suất (20oC)

60

1,2835

1,4486

48

1,2565

1,4454

122

0,8239

1,4216

108

0,8244

1,4182

37

0,9350

1,4054

33

0,9350

1,4055

(760 mmHg)

1.2.1.2. Đồng phân quang học
a) Khái niệm về các hợp chất quang hoạt
Theo thuyết điện từ của ánh sáng thì ánh sáng tự nhiên (ánh sáng thường) gồm nhiều
sóng điện từ, có vector điện hướng theo tất cả các hướng trong không gian và vuông góc

với phương truyền sóng.

Sơ đồ dao động của ánh sáng thường và sánh sáng phân cực
(1): Ánh sáng đơn sắc

(2): Lăng kính Nicol

(3): Ánh sáng phân cực

(4) Mặt phẳng phân cực
-7-


Khi cho tia sáng tự nhiên qua kính lọc màu sẽ tạo ánh sáng đơn sắc (có độ dài sóng
giống nhau, cũng dao động trong những mặt phẳng thẳng góc với phương truyền sóng).
Cho chùm tia đơn sắc đi qua lăng kính Nicol và do sự bố trí nhất định của kính này thì
chỉ có tia sáng phân cực phẳng đi qua, tia sáng này chỉ dao động trong một mặt phẳng
thẳng góc với phương truyền gọi là ánh sáng phân cực phẳng.
Có những hợp chất hữu cơ khi được đặt trên đường truyền của ánh sáng phân cực thì
có khả năng làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực sang bên phải hoặc bên trái một
góc nào đó. Những hợp chất có khả năng này được gọi là những chất hoạt động quang
học hay còn gọi là hất quang hoạt (optically active). Ngược lại, những hợp chất không
có khả năng này được gọi là những chất không hoạt động quang học hay chất không
quang hoạt (optically inactive). Trong thực tế để xác định góc quay của mặt phẳng ánh
sáng phân cực, người ta sử dụng phân cực kế (polarimeter).
Phân cực kế gồm các bộ phận chính sau:
• Lăng kính Nicol cố định dùng làm kính phân cực để chuyển ánh sáng đơn sắc
chiếu vào nó thành ánh sáng phân cực.
• Lăng kính Nicol thứ hai dùng làm kính phân tích, lăng kính này quay được, góc
quay có thể tính theo thang chia độ.

Nguyên lý hoạt động của phân cực kế
(1): Nguồn sáng

(2): Lăng kính Nicol

(4): Ống đựng chất khảo sát

(3): Ánh sáng phân cực

(5): Mặt phẳng bị quay

(6): Thang chia độ

(7): Lăng kính Nicol phân tích (8): Thị kính
Khả năng làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực của một hợp chất quang hoạt được
xác định bằng một đại lượng [α] gọi là độ quay cực riêng (specific rotation).
∝
[∝]𝑇𝜆 =
𝑙×𝑐
Trong đó: T: nhiệt độ của mẫu khi đo góc quay cực.
λ: bước sóng ánh sáng phân cực, của Hg (546 nm), Na (589 nm).
-8-


α: góc quay quan sát được trên phân cực kế (o).
l: bề dày ống chứa mẫu mà ánh sáng phân cực đi qua (dm).
c: nồng độ dung dịch mẫu (g/ml).
Điều kiện cần và đủ để một chất có tính quang hoạt là phân tử phải bất đối xứng,
không có tâm đối xứng hình học, không có mặt phẳng đối xứng hình học hay phân tử

phải không chồng khít lên được ảnh của nó ở trong gương giống như bàn tay phải và
bàn tay trái: đối xứng qua một gương phẳng nhưng không chồng khít lên nhau và người
ta gọi đó là sự không trùng vật-ảnh trong gương.

Sự không trùng ảnh-vật trong gương
Trong lĩnh vực Hóa hữu cơ, yếu tố thường gặp nhất gây ra tính chất không trùng vậtảnh trong gường là nguyên tử carbon bất đối xứng (asymmetric carbon). Theo định nghĩa,
nguyên tử carbon bất đối xứng là nguyên tử carbon liên kết với bốn nhóm thế hoàn toàn
khác nhau, thường được kí hiệu là C*.
Khi trong phân tử có chứa một nguyên tử carbon bất đối xứng, phân tử đó có thể tồn
tại ở hai dạng cấu trúc không gian đối xứng với nhau qua mặt phẳng gương, tương tự
như vật và ảnh trong gương của nó. Cả hai cấu trúc không gian này có tính quang hoạt,
tuy nhiên một dạng làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực qua bên phải, một dạng làm
quay mặt phẳng ánh sáng phân cực qua bên trái một góc với cùng độ lớn. Hai dạng cấu
trúc không gian này có tính chất vật lý và tính chất hóa học giống nhau, chỉ khác nhau
về khả năng làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực và khác nhau về hoạt tính sinh học
(biological activity). Chúng được gọi là hai đồng phân quang học của nhau (optical
isomer). Trong trường hợp này, hai đồng phân quang học tương tự như vật và ảnh trong
gương, còn được gọi là một đôi đối quang (enantiomer). Hỗn hợp những lượng bằng
-9-


nhau của hai chất đối quang thì không quang hoạt và được gọi là hỗn hợp tiêu triền hay
hỗn hợp racemic.

b) Danh pháp đồng phân quang học
Cấu hình của một hợp chất quang hoạt thường được xác định bởi cấu hình tuyệt đối
hoặc cấu hình tương đối. Phân tử quang hoạt nào cũng có cấu hình tuyệt đối, đó là cấu
hình thực sự của phân tử trong không gian, có thể đã được xác định hay chưa. Còn cấu
hình tương đối là cấu hình được suy ra từ một cấu hình tuyệt đối theo những quy tắc về
lập thể.

Hệ danh pháp D-L
Hệ thống danh pháp này dùng để xác định cấu hình tương đối.
Hợp chất được chọn làm kiểu mẫu là glyceraldehyde (2,3-dihydroxypropanal), dạng
quay phải kí hiệu là D-(+)-glyceraldehyde, dạng quay trái kí hiệu là L-(-)glyceraldehyde. Muốn sử dụng hệ danh pháp D-L, phải sử dụng công thức chiếu Fischer.

Theo cách gọi tên này, những đồng phân có cấu trúc tương tự như D-(+)glyceraldehyde với nguyên tử dị tố (oxygen, nitrogen,…) nằm bên phải công thức chiếu
Fischer sẽ có cấu hình tương đối là D. Ngược lại, những đồng phân có cấu trúc tương tự
như L-(-)-glyceraldehyde với nguyên tử dị tố nằm bên trái công thức Fischer sẽ có cấu
hình tương đối là L. Cần lưu ý không có bất kỳ sự liên hệ nào giữa cấu hình D và L với
dấu của độ quay cực riêng có được từ thực nghiệm mà thương được kí hiệu là d (+) và l
(-).
Đối với các hợp chất họ đường, nguyên tử carbon bất đối xứng sử dụng để so sánh
với cấu hình glyceraldehyde là nguyên tử carbon bất đối xứng chứa nhóm –OH có số
- 10 -


thứ tự lớn nhất. Như vậy, cấu hình đường với nhóm –OH liên kết với carbon bất đối
xứng có số thứ tự lớn nhất nằm bên phải công thức chiếu Fischer sẽ có cấu hình D, và
nếu nhóm –OH này nằm bên trái công thức chiếu Fischer thì đường sẽ có cấu hình L.

Đối với các hợp chất amino acid, nguyên tử carbon bất đối xứng chứa nhóm –NH2 có
số thứ tự nhỏ nhất được sử dụng để gọi tên cấu hình tương đối khi so sánh với cấu hình
của glyceraldehyde.

Danh pháp R-S
Hệ thống danh pháp này được sử dụng để chỉ cấu hình tuyệt đối. Có thể gọi tên cấu
hình tuyệt đối của một đồng phân quang học bất kỳ dựa trên công thức phối cảnh hoặc
công thức chiếu Fischer.
Muốn biết cấu hình tuyệt đối R hoặc S của một carbon bất đối xứng C*abcd, ta thực
hiện các bước sau:

• Sắp thứ tự ưu tiên bốn phối tử a,b,c,d theo quy tắc Cahn-Ingold-Prelog.
• Đặt mắt quan sát theo chiều từ C* đến nhóm thế có thứ tự ưu tiên nhỏ nhất.
• Nếu chiều đi từ nhóm thế ưu tiên thứ nhất đến nhóm thế ưu tiên thứ hai là cùng
chiều kim đồng hồ, đồng phân có cấu hình tuyệt đối là R (Rectus: bên phải). Nếu
ngược chiều kim đồng hồ, đồng phân có cấu hình tuyệt đối là S (Sinister: bên
trái). Trong trường hợp nhóm thế ưu tiên thấp nhất ở trên đường nằm ngang (bên
trái hay bên phải trong công thức chiếu Fischer), cách xác định cấu hình tuyệt đối
sẽ ngược lại với trường hợp nói trên.

- 11 -


Cấu hình R

Cấu hình S

Công thức phối cảnh và công thức chiếu Newman vẫn biểu diễn cấu trúc thực sự của
đồng phân trong không gian ba chiều. Vì vậy có thể xoay toàn bộ công thức phối cảnh
hay công thức Newman trong không gian mà cấu hình tuyệt đối của đồng phân không
thay đổi. Ngược lại, theo quy ước công thức chiếu Fischer không biểu diễn cấu trúc thực
sự của đồng phân trong không gian ba chiều. Do đó, không được phép tùy tiện xoay
công thức chiếu Fischer như các trường hợp khác.
• Công thức Fischer chỉ được phép quay trong mặt phẳng tờ giấy một góc 180o mà
cấu hình của đồng phân tương ứng không thay đổi. Khi quay công thức trong mặt
phẳng tờ giấy một góc 90o hay 270o, hoặc đưa công thức ra khỏi mặt phẳng tờ
giấy, sẽ làm thay đổi cấu hình của đồng phân tương ứng.

Cấu hình R

Cấu hình R

Cấu hình R

Cấu hình S

• Trong công thức chiếu Fischer, nếu đổi chỗ một cặp nhóm thế bất kì liên kết trực
tiếp với nguyên tử carbon bất đối xứng, cấu hình tuyệt đối tại nguyên tử carbon
bất đối xứng đó sẽ thy đổi từ R thành S và ngược lại. Nếu đổi chỗ hai cặp nhóm
thế bất kì cho nhau thì cấu hình sẽ không thay đổi.

- 12 -


Đổi hai cặp nhóm thế

Cấu hình S

Cấu hình S

Cấu hình S
Đổi một cặp nhóm thế

Cấu hình S

Cấu hình R

Thông thường, một hợp chất có n nguyên tử carbon bất đối xứng sẽ có tối đa 2n đồng
phân quang học.

Trong đó, (I) và (II); (III) và (IV) là hai cặp đồng phân đối quang (enantiomer); mối

tương quan giữa các cặp đồng phân còn lại được gọi là các đôi đồng phân quang học
không đối quang (diastereomer).
Trong trường hợp hai nguyên tử carbon bất đối xứng tương đương nhau thì số đồng
phân quang học sẽ nhỏ hơn 2n

Trong trường hợp các đồng phân của phân tử 2,3-dibromobutane chứa hai nguyên
tử carbon bất đối xứng nhưng chỉ có 3 đồng phân lập thể, trong đó có một đồng phân
không có tính quang hoạt. Đồng phân này có ảnh trong gương trùng với nó, có tên gọi
- 13 -


là đồng phân meso. Thông thường, nếu trong phân tử có mặt phẳng đối xứng, đồng phân
sẽ không có tính chất quang hoạt cho dù trong phân tử có chứa các nguyên tử carbon bất
đối xứng. Mặt phẳng đối xứng tưởng tượng này cắt đôi phân tử thành hai phần đối xứng
với nhau, tương tự như vật và ảnh trong gương. Đây là dấu hiệu nhận biết sự có mặt của
đồng phân meso.
Ngoài ra, nếu phân tử có 2C* có dạng R-Cab-Cba-R’. Trong đó đường thẳng đứng
trong công thức Fischer là mạch chính của phân tử R-C-C-R’. Nếu hai nhóm thế giống
nhau ở cùng phía của mạch chính ta có dạng eritro, còn nếu hai nhóm giống nhau ở khác
phía có dạng treo.

1.2.2. Đồng phân cấu dạng (cấu trạng)
Khái niệm “cấu dạng” (conformation) dùng để nói về các dạng hình học khác nhau
của cùng một cấu hình, có được do sự quay của các nguyên tử xung quanh liên kết đơn
carbon-carbon.
Về mặt lý thuyết, một phân tử có vô số cấu dạng với mức năng lượng khác nhau, tùy
theo bản chất của các nguyên tử liên kết cộng hóa trị và ảnh hưởng giữa các nguyên tử
không liên kết trong phân tử, cấu trạng được coi là ổn định nhất ứng với mức năng lượng
thấp nhất, khi tương tác giữa các nhóm nguyên tử trong phân tử ít nhất.
1.2.2.1. Cấu dạng của ethane

Hai nhóm methyl của ethane có thể quay quanh nối đơn carbon-carbon một cách tự
do. Ethane có hai cấu dạng là cấu dạng lệch và cấu dạng che khuất. Góc quay được xác
định chính xác hơn bởi góc xoắn (góc nhị diện), là góc giữa hai mặt phẳng.

- 14 -


Cấu dạng che khuất

Cấu dạng lệch

Cấu dạng lệch, góc nhị diện là 60o, còn trong cấu dạng che khuất góc nhị diện là 0o.

Năng lượng
( Kcal/mol)

Góc nhị diện biến thiên từ 0-360o khi nhóm methyl quay quanh liên kết C-C.

Góc quay

Sự biến thiên năng lượng theo góc quay là một đường cong gần hình sin với ba cực
đại và ba cực tiểu, độ cao của rào cản năng lượng trong ethane là 2.9 kcal/mol. Cấu dạng
lệch bền nhất, vì có mức năng lượng tối thiểu, cấu dạng che khuất ứng với mức năng
lượng cao nhất nên không bền. Như vậy, bình thường ethane có cấu dạng lệch còn cấu
dạng che khuất là một trạng thái chuyển tiếp tạo ra khi phân tử ethane quay từ cấu dạng
lệch này đến cấu dạng lệch khác.
1.2.2.2. Cấu dạng của n-butane
Sự biến thiên năng lượng trong n-butane với góc quay là đường cong hình sin (tương
tự ethane) ứng với các cấu dạng:
• Cấu dạng che khuất toàn phần (góc nhị diện = 0o): do sức đẩy giữa hai nhóm

methyl che khuất làm cho mức năng lượng tăng thêm 3.4 Kcal/mol.
• Cấu dạng che khuất một phần (góc nhị diện = 120o, 240o): sức đẩy Van Der Waals
giữa hai nhóm methyl giảm xuống khoảng 0.6 Kcal/mol. Ứng với trạng thái này
có tương tác giữa nhóm methyl và hidro che khuất với mức năng lượng khoảng
1 Kcal/mol. Tuy nhiên, cấu dạng che khuất một phần và cấu dạng che khuất toàn
- 15 -


phần không phải là đồng phân cấu dạng mà chỉ được xem là những trạng thái
chuyển tiếp giữa đồng phân bán lệch và đối lệch.
• Cấu dạng bán lệch: ứng với mức năng lượng khoảng 0.6 Kcal/mol với góc nhị
diện (60o hay 300o), còn được gọi là cấu dạng syn.
• Cấu dạng đối lệch: ổn định nhất với mức năng lượng thấp nhất, với góc nhị diện

Năng lượng
( Kcal/mol)

(180o). Cấu dạng đối lệch còn được gọi là cấu dạng trans hay anti.

Góc quay

1.2.2.3. Cấu dạng của cycloankane
Các cycloankane có mạch carbon khép kín làm giảm độ tự do cũng như khả năng
biến dạng của phân tử cũng thấp.
Cyclopropane, cyclobutane, cyclopentane có cấu trúc phẳng hoặc gần phẳng, cứng
nhắc nên chỉ có một cấu dạng.

Vòng cyclohexane không phẳng và có thể tồn tại ở trạng thái cân bằng của nhiều cấu
dạng có thể chuyển hóa lẫn nhau, trong đó dạng ghế và dạng thuyền là hai dạng điển
hình.

- 16 -


Cấu dạng ghế

Cấu dạng thuyền

Các nối C-H trong cấu dạng ghế có hai nhóm:
• 6 liên kết C-H song song với trục đối xứng của phân tử, gọi là liên kết trục hay
liên kết axial (a)
• 6 liên kết C-H sắp xếp quanh vòng gần sát mặt phẳng trung bình của vòng, gọi là
liên kết xích đạo hay liên kết equatorial (e).
Cấu dạng ghế của cyclohexane tồn tại ở trạng thái cân bằng giữa 2 dạng khác nhau.
Quá trình chuyển hóa giữa hai dạng này xảy ra rất nhanh và khi đó liên kết trục của dạng
này sẽ trở thành liên kết xích đạo của dạng kia.

Nếu cyclohexane mang nhóm thế, lúc đó phân tử sẽ tồn tại ở cấu dạng trong đó nhóm
thế lớn chiếm liên kết xích đạo vì như vậy sẽ giảm thiểu tương tác lập thể giữa các nhóm
thế với nhau.

BÀI TẬP
Câu 1: Xác định đồng phân hình học (nếu có) của các chất sau đây và gọi tên:
a) CH3CH2CH=CH(CH2)5OH
b) (CH3)2C=CHCH2CH2C(CH3)=CHCH2OH
c) CH3CH2CH2C(CH3)=CHCH2CH2C(C2H5)=CHCH2OH
- 17 -


d)

e)

Câu 2: Xác định cấu hình tuyệt đối R-S của các chất sau:

a)

b)

c)

d)

e)

f)

g)

h)

Câu 3: Xác định cấu hình tuyệt đối tất cả các đồng phân lập thể (nếu có) của các chất
sau đây dưới dạng công thức chiếu Fischer, chỉ rõ đồng phân meso (nếu có) và mối quan
hệ giữa các đồng phân:
a) 1,3-dibromopentane

b) 2-chlorohexan-3-ol

c) 2,3-dichloropentane

d) 3,4-dichlorohexane

Câu 4: Biểu diễn các chất có tên sau đây dưới dạng công thức chiếu Fischer tương ứng
a) (S)-1-Bromo-3-chloro-2-methylpropane
b) (2S,3S)-2,3-dichlorobutane
c) (2R,3R)-3-hydroxy-2-methylbutanoic acid
d) (2R,3S,4R,5R)-2,3,4,5,6-pentahydroxyhexanal
- 18 -


CHƯƠNG 2: PHẢN ỨNG THẾ ÁI NHÂN
2.1. Khái niệm chung
Phản ứng thế (substitution) là một tiến trình trong đó một nguyên tử hay một nhóm
nguyên tử được thay thế bằng một nguyên tử hay một nhóm nguyên tử khác. Trong phản
ứng thế ái nhân (nucleophile substitution), tác chất ái nhân Nu: cung cấp đôi điện tử cho
chất nền R-X tạo thành một nối cộng hóa trị, còn nhóm xuất X ra đi mang theo đôi điện
tử của liên kết bị cắt đứt.
R-X

+

Nu:

→

R-Nu

+

X:

Trong đó: R-X là chất nền, Nu: là tác chất ái nhân và X là nhóm xuất.
a) Chất nển
R-X là chất nền, có thể là một phân tử trung hòa (như CH3I, C2H5OTs) hay một cation
(như muối amonium R4N+X-, muối sulfonium RMe2S+X-.
b) Tác chất ái nhân (nucleophile)
Chất ái nhân (chất thân hạch) có khả năng tác kích vào carbon thiếu điện tử của chất
nền. Tác chất thân hạch có thể là một anion như HO-, RO-, ArO-, HS-, RS-, ArS-, RCOO-,
NC-, HCC-, Cl-, Br-, I-, … (trong trường hợp này sản phẩm là một phân tử trung hòa).
Tác chất thân hạch cũng có thể là một phân tử trung hòa có nguyên tử mang đôi điện tử
tự do (trong trường hợp này, sản phẩm là một cation) như: R3N:, R3P:, R2S: (phân tử
trung hòa dạng Nu:), hoặc H2O, ROH, CH3COOH, NH3, RNH2, R2NH (phân tử trung
hòa dạng H-Y).
c) Nhóm xuất
X là nhóm xuất, có thể là nhóm trung hòa như –Cl, -Br, -I, -O-SO2-CF3
(trifluorometansulfonate hay triflate, -OTf), -O-SO2-p-C6H4-CH3 (tosylate, -OTs),
nhóm xuất cũng có thể mang điện tích dương như:

- 19 -


Bảng 3: Một số phản ứng thế ái nhân tiêu biểu
Phương trình phản ứng

Tác chất ái

Nhóm xuất X

Sản phẩm

nhân Nu:
HO- + R-X → R-OH + X-

HO-

Cl-, Br-, I-, OTs-

Ancol

H2O + R-X → R-OH + HX

H2 O

Cl-, Br-, I-, OTs-

Ancol

R’O- + R-X → R-O-R’ + X-

R’O-

Cl-, Br-, I-

Ether

R’COO- + R-X → R’COO-R + X- R’COO-

Cl-, Br-

Ester

:NH3 + R’-X → R’-NH2 + HX

:NH3

Cl-, Br-, I-

Amine bậc 1

R’CC- + R-X → R’CC-R + X-

R’CC-

Cl-, Br-

Alkine

H-Br + R-OH → R-Br + H2O

Br-

H2 O

Alkyl
bromide

2.2. Phản ứng thế ái nhân lưỡng phân tử (SN2)
2.2.1. Cơ chế phản ứng
RX + NaOH → ROH + NaX
Phản ứng SN2 xảy ra qua một giai đoạn: sự đứt liên kết cũ R-X và sự tạo thành liên

kết mới xảy ra đồng thời qua trung gian là một trạng thái chuyển tiếp hay phức chất hoạt
động. Ở đây, lưỡng phân tử có nghĩa là ở giai đoạn chậm (giai đoạn quyết định tốc độ
phản ứng) có sự tham gia của hai tiểu phân.
Chậm

Nhanh

Ví dụ: Phản ứng của bromomethane với dung dịch NaOH

2.2.2. Hóa lập thể của phản ứng
Hóa lập thể của phản ứng SN2 chỉ được khảo sát khi nhóm xuất liên kết với nguyên
tử carbon bát đối xứng. Khi đó tác nhân ái nhân có thể tấn công theo hai hướng khác
nhau.
- 20 -


Nếu sự tấn công của tác nhân ái nhân Nu- vào carbon trung tâm xảy ra cùng phía với
sự đi ra của nhóm xuất X, hình thành trạng thái chuyển tiếp I và tạo ra sản phẩm có cấu
hình giống với cấu hình chất nền. Ta nói, phản ứng xảy ra với sự bảo toàn cấu hình ở
carbon bất đối xứng.

Trạng thái chuyển tiếp I
Ngược lại, nếu sự tấn công của tác nhân ái nhân Nu- xảy ra từ phía sau so với nhóm
xuất X, trạng thái chuyển tiếp II sẽ hình thành và tạo ra sản phẩm có cấu hình ngược với
cấu hình của chất nền. Khi đó ta nói phản ứng xảy ra với sự quay cấu hình ở C*

Trạng thái chuyển tiếp II
So sánh năng lượng giữa hai trạng thái chuyển tiếp I và II, người ta thấy trạng thái
chuyển tiếp I có năng lượng cao hơn, và do vậy kém bền hơn trạng thái chuyển tiếp II.
Nguyên nhân là do ở trạng thái chuyển tiếp I tác nhân ái nhân Nu- và nhóm xuất có cùng

bản chất điện nên khi Nu- tấn công phía trước, chúng phải chịu lực đẩy lớn, còn ở trạng
thái II các nhóm Nu và X được phân bố xa nhau nên tương tác đẩy nhỏ hơn.
Do trạng thái chuyển tiếp II bền hơn, nên phản ứng SN2 xảy ra qua trạng thái chuyển
tiếp II tạo sản phẩm có cấu hình ngược với cấu hình với cấu hình của chất nền. Người
ta nói phản ứng SN2 xảy ra với sự quay cấu hình.

2.3. Phản ứng thế ái nhân đơn phân tử SN1
2.3.1. Cơ chế phản ứng
Khác với phản ứng SN2 xảy ra qua một giai đoạn, phản ứng SN1 xảy ra qua hai giai
đoạn
- 21 -


-

Giai đoạn chậm, quyết định tốc độ phản ứng là giai đoạn ion hóa nhóm xuất và
tạo thành một carbocation trung gian.

-

Giai đoạn nhanh, tác nhân ái nhân Nu- tấn công carbocation để hình thành sản
phẩm.
Chậm
Chất nền

carbocation

nhóm xuất

Nhanh

Ở đây, thuật ngữ đơn phân tử có nghĩa là chỉ có một tiểu phân tham gia vào giai đoạn
chậm (giai đoạn quyết định tốc độ phản ứng).
2.3.2. Hóa lập thể của phản ứng
Phản ứng SN1 xảy ra qua trung gian là carbocation có cấu hình phẳng. Tác nhân ái
nhân có thể tấn công vào carbocation từ 2 phía với xác suất như nhau. Nếu sự tấn công
xảy ra theo hướng (a), sản phẩm thu được có cấu hình ngược với cấu hình của chất nền,
còn nếu sự tấn công xảy ra theo hướng (b) sản phẩm thu được có cấu hình giống cấu
hình của chất nền. Vì thế nếu nhóm xuất liên kết với carbon bất đối xứng thì về lý thuyết
ta sẽ thu được hỗn hợp racemic hay hỗn hợp tiêu triền (hỗn hợp những lượng bằng nhau
của hai chất đối hình).
(a)
50%

50%

(b)

Ví dụ: thủy phân (R)-2-bromooctane trong ethanol-nước, phản ứng xảy ra theo cơ chế
SN1, sản phẩm octan-2-ol thu được với 66% quay cấu hình.

- 22 -