Tài liệu Tiểu luận đồng phân hình học

ĐỒNG PHÂN HÌNH HỌC I. MỞ ĐẦU 1. Khái niệm - Đồng phân lập thể là đồng phân xuất hiện do sự khác nhau về vị trí của nguyên tử hay nhóm nguyên tử trong không gian. - Đồng phân hình học là đồng phân lập thể trong đó các đồng phân khác nhau về vị trí không gian của nhóm thế đối với liên kết đôi hoặc đối với mặt phẳng vòng. 2. Điều kiện để có đồng phân hình học Điều kiện cần và đủ để một hợp chất có đồng phân hình học là phân tử của nó phải có một bộ phận cứng nhắc và nguyên tử cacbon ở bộ phận cứng nhắc đó liên kết với hai nguyên tử hay nhóm nguyên tử khác nhau. Bộ phận cứng nhắc có thể là : nối đôi C=C, vòng no, nối đôi C=N hoặc nối đôi N=N… II.NỘI DUNG 1. Đồng phân hình học trong hợp chất có nối đôi C=C Nối đôi C=C làm cho phân tử trở nên cứng nhắc: hai nguyên tử cacbon lai hóa sp2 không thể quay tự do xung quanh nối đôi. Khi ấy các nhóm thế có thể phân bố khác nhau ở hai bên mặt phẳng của nối đôi và do đó có thể xuất hiện hai dạng hình học khác nhau nếu hai nguyên tử hay nhóm nguyên tử ở một nguyên tử cacbon sp2 không giống nhau. Ví dụ: Hợp chất abC=Ccd sẽ có 2 dạng đồng phân hình học khác nhau nếu a b và c d. a c a C=C b d C=C d b c 1 Thông thường ở mỗi nguyên tử cacbon sp2 có một nguyên tử hidro và một nhóm thế . Dạng có hai nhóm thế ở cùng một phía đối với mặt phẳng của nối đôi được gọi là dạng cis, còn dạng có hai nhóm thế phân bố ở hai phía được gọi là dạng trans. Ví dụ: hợp chất CH3-CH=CH-CH3 có hai dạng đồng phân hình học H H H C=C CH3 C=C CH3 CH3 CH3 H Cis trans Đối với các anken phức tạp ta phân biệt hai dạng đồng phân dựa vào sự phân bố các nhóm theo mạch dài nhất có chứa nối đôi. Ví dụ: hợp chất CH3CH2(CH3)C=C(CH2CH3)CH2CH2CH3 CH3CH2 CH2CH3 C=C CH3 CH2CH2CH3 Trans-4-etyl-3-metylhept-3-en Đối với các hợp chất hữu cơ có nhiều nối đôi liên hợp số đồng phân cis, trans có nhiều hơn 2. Ví dụ: hợp chất C6H5-CH=CH-CH=CH-C6H5 có 3 đồng phân hình học H H C=C C6H5 C6H5 Dạng cis-cis C=C H H H H C=C C6H5 H Dạng cis-trans C=C H C6H5 2 C6H5 H C=C H H C=C H C6H5 Dạng trans-trans Ví dụ: Hợp chất CH3-CH=CH-CH=CH-COOH có 4 dạng đồng phân hình học. CH3 H C=C H H C=C H COOH Dạng trans-trans CH3 H C=C H COOH C=C H H Dạng trans-cis H H C=C CH3 H C=C H COOH Dạng cis-trans 3 H H C=C COOH CH3 C=C H H Dạng cis-cis Đối với hợp chất gồm một số lẻ nối đôi C=C liền nhau thì về hình thức loại hợp chất này cũng gây nên hiện tượng đồng phân hình học như một nối đôi. Ví dụ hợp chất m-NO2C6H4(C6H5)C=C=C=C(C6H5)C6H4NO2-m có hai dạng: C6H5 C6H5 C=C=C=C NO2C6H4 C6H4NO2 Dạng cis C6H5 C6H4NO2 C=C=C=C NO2C6H4 C6H5 Dạng trans *Lưu ý: Trong hợp chất abC=Ccd nếu các nhóm thế a b c d thì ta sẽ không gọi là cis và trans mà gọi là Z và E. Z: Hai nhóm thế lớn hơn ở cùng phía E: Hai nhóm thế lớn hơn ở khác phía Ví dụ: Xét hợp chất abC=Ccd trong đó a b c d và a>b và c>d, ta có a c a C=C b C=C d Z d b c E 4 Tính hơn cấp của các nhóm thế được xác định theo số thứ tự nguyên tử hay điện tích hạt nhân của nguyên tử đính trực tiếp với cacbon Nhóm thế có nguyên tử đính trực tiếp với cacbon sp 2 có số thứ tự hai điện tích hạt nhân lớn hơn sẽ hơn cấp hơn. Ví dụ: Br > Cl > S > P > F > O > N > C > H Nếu các nguyên tử đính trực tiếp với cacbon sp 2 giống nhau thì xét tiếp lớp thứ hai. Ví dụ: CH(CH3)2 > CH2CH3 > CH3 . Nếu trong nhóm thế có nguyên tố âm điện hơn sẽ ưu tiên hơn, như CH2OH sẽ hơn cấp hơn (CH3)2OH. Các nguyên tử chứa liên kết bội được tính bội lần (nối đôi tính gấp đôi) Ví dụ: HC = O > CH2OH C=N > CH2NH2 C6H5 > (CH3)2CH Ví dụ: Hợp chất FHC1=C2ClBr Trong C1 : F > H, trong C2 : Br > Cl nên ta có F Br F C=C H Cl C=C Cl H Br Z E Ví dụ: Hợp chất ClHC=C(CH3)CHO có đồng phân hình học như sau: Cl CHO Cl C=C H C=C CH3 Z CH3 H CHO E 2. Đồng phân hình học trong các hợp chất có nối đôi C = N hoặc nối đôi N = N. 5 Đối với loại hợp chất andoxim, xetoxim không đối xứng, hydrazon, hợp chất azo có liên kết C=N, N=N hay cả C=S cũng có đồng phân hình học nhưng thường dùng danh pháp syn-anti thay cho cis-trans ( syn tương ứng với cis, anti tương ứng với trans ). Ví dụ : Hợp chất CH3-CH=N-OH có đồng phân hình học là H H C=N CH3 OH C=N OH CH3 anti syn Ví dụ: Xét hợp chất C6H5N=NC6H5 có đồng phân hình học là: C6H5 N=N C6H5 N=N C6H5 C6H5 Syn anti 3. Đồng phân hình học trong hợp chất vòng no Ví dụ: HOOC COOH H H HOOC H H Cis COOH trans 4. Đồng phân hình học loại vòng ngưng tụ 6 Hệ vòng ngưng tụ bicyclo có một cạnh chung hai cacbon không có qui tắc gì mới. Sự kết hợp có thể là cis hay trans, điển hình là trans-cis decalin. Đối với các vòng nhỏ cấu hình trans quan trọng hơn và có thể có dạng cis. Ví dụ: Vòng 3 cạnh ngựng tụ với vòng 4,5,6 cạnh chỉ có đồng phân cis. Ví dụ: Vòng 4 cạnh ngưng tụ với vòng 5,6,7 cạnh; vòng 5 cạnh ngưng tụ với vòng 5,6 cạnh; vòng 6 cạnh ngưng tụ với nhau có đồng phân cis, trans. 5.Đồng phân erythro và threo Đồng phân erythro và threo cũng là đồng phân hình học của 2 nhóm thế ở 2 cacbon liền nhau, thường là những hợp chất có 2 trung tâm bất đối xứng. 7 Đồng phân erythro có 2 nhóm thế phân bố cùng phía với trục liên kết C-C, còn threo có 2 nhóm thế ở 2 phía của trục liên kết C-C. Ví dụ: Những đồng phân này thường được biểu diễn bằng công thức phối cảnh, Fisher hay Newman. III. KẾT LUẬN Ở các đồng phân hình học, khoảng cách giữa các nguyên tử rất khác nhau do đó ảnh hưởng qua lại giữa các nguyên tử khác nhau và các tính chất lý, hóa cũng khác nhau. 8 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. PGS.TS Thái Doãn Tĩnh, Cơ chế và phản ứng hóa học hữu cơ, tập 1, NXB khoa học và kỹ thuật. 2. Trần Quốc Sơn, Cơ sở lý thuyết hóa hữu cơ, tập 1, NXB giáo dục. 9