Tài liệu Các hợp chất quang hoạt và đồng phân quang học

MỞ ĐẦU Cấu trúc không gian của phân tử ảnh hưởng đến tính chất của một chất. Hóa học lập thể là ngành chuyên nghiên cứu về cấu trúc không gian của các phân tử, ảnh hưởng không gian của phân tử đến tính chất của các chất cũng như nghiên cứu về hướng không gian trong các phản ứng hóa học. Lịch sử phát triển của hóa học lập thể gắn liền với lịch sử phát triển của hóa học hữu cơ. Các nghiên cứu về hóa học lập thể mới đầu chỉ giới hạn trong hóa học lập thể cấu hình nhưng sau đó các vấn đề của hóa học lập thể ngày càng phức tạp, đặc biệt do sự phát triển của học thuyết về cấu dạng và phân tích cấu dạng, về hóa học lập thể của phản ứng, về sự tổng hợp định hướng lập thể và chọn lựa lập thể. Tuy nhiên nhờ sự xuất hiện các phương pháp vật lý như phổ hồng ngoại, phổ phân cực, phổ cộng hưởng từ hạt nhân, nhiễu xạ tia X,...các nghiên các nghiên cứu về hóa học lập thể đã cho ta nhiều hiểu biết mới về sự phụ thuộc của các tính chất và những đặc tính tinh vi về sự phân bố không gian của các nguyên tử trong phân tử, trong việc giải thích cơ chế của nhiều phản ứng. Hóa học lập thể có ý nghĩa thực tế rất lớn đặc biệt trong lĩnh vực hóa học các hợp chất thiên nhiên, trong tổng hợp các hợp chất quang hoạt với cấu hình định sẵn cần cho y học và sinh học, nhất là những nhóm hợp chất có hoạt tính cao như prostaglandin, pheromon. Tính chất của các chất polime tổng hợp phụ thuộc rất nhiều vào cấu tạo không gian của chúng. Hiện nay việc điều chế các polime có dạng lập thể xác định là một trong những phương pháp quan trọng nhất để tăng phẩm chất của các vật liệu nhân tạo. Sự tiến bộ nhanh chóng của hóa học lập thể - từ việc tổng hợp được urê của Wohler năm 1828, đến các công trình tổng hợp của Kolbe năm 1840; của Berthelot năm 1850 đã đặt nền tảng khoa học cho hóa học hữu cơ và dẫn đến việc xây dựng một cơ sở lý thuyết cho khoa học hóa hữu cơ. Hóa học lập thể, đặc biệt là các đồng phân quang học và các hợp chất quang hoạt có ý nghĩa thực tế to lớn và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực quan trọng. Vì vậy, tôi chọn tìm hiểu đề tài về “các hợp chất quang hoạt và đồng phân quang học”. Vì nhiều lý do nên đề tài chắc còn nhiều thiếu sót, mong thầy và các bạn đọc đóng góp ý kiến, để đề tài của tôi hoàn chỉnh hơn. Xin chân thành cảm ơn. Tiểu luận Hóa lập thể: Đồng phân quang học PHẦN NỘI DUNG 1. Cơ sở vật lý của vấn đề quang hoạt Ánh sáng là một sóng điện từ mà phương dao động luôn thẳng góc với phương truyền sóng. Các dao động của ánh sáng thường thẳng góc với phương truyền sóng và hướng ra xung quanh theo mọi mặt phẳng trong không gian. Ánh sáng phân cực phẳng là ánh sáng mà vectơ điện trường của tất cả sóng ánh sáng đều hướng theo một phương, có nghĩa là cùng nằm trên một mặt phẳng, mặt phẳng này gọi là mặt phẳng phân cực. aùnh saùng thöôøng aùnh saùng phaân cöïc phaúng Ánh sáng phân cực phẳng có thể được tạo nên bởi ánh sáng thường chiếu qua một kính phân cực, chẳng hạn kính Nicol. Có một số 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, còn những chất có khả năng đó gọi là chất quang hoạt. Nếu một chất làm quay mặt phẳng phân cực theo chiều kim đồng hồ được gọi là chất quay phải. Nếu một chất làm quay mặt phẳng phân cực ngược chiều kim đồng hồ được gọi là chất quay trái. Giá trị độ quay mặt phẳng phân cực được diễn tả bằng góc quay và dấu (+) đứng trước diễn tả chiều quay phải, dấu (-) đứng trước diễn tả chiều quay trái. Để đo khả năng làm quay mặt phẳng mặt phẳng phân cực (độ quay cực) của các chất quang hoạt người ta dùng phân cực kế ghi lấy góc quay . Đọc và so sánh giá trị quay tương ứng khi có và không có mẫu chất đựng trong ống. Đối với một chất quang hoạt người ta thường dùng đại lượng độ quay cực riêng [α]. Độ quay cực riêng của một chất trong dung dịch được tính theo công thức:  là góc quay quan sát được đối với một dung dịch có bề dày l dm. Độ dài sóng của ánh sáng, t nhiệt độ tại thời điểm đo. Cấu hình tuyệt đối của một hợp chất có thể xác định bằng tia X. Trước kia khi biết được cấu hình tuyệt đối của một số chất hoạt động quang học, cấu hình của một chất khác có thể được xác định bằng mối tương quan hóa học với chất đã biết cấu trúc. Học viên: Nguyễn Xuân Phong 2 Tiểu luận Hóa lập thể: Đồng phân quang học 2. Đồng phân quang học Đồng phân quang học là những hợp chất có công thức cấu tạo phẳng giống nhau nhưng khác nhau về cấu trúc không gian do trong phân tử có yếu tố không trùng vật ảnh, hay phân tử có sự bất đối xứng. Những đồng phân này chỉ khác nhau về tính hoạt động quang hoạt, nghĩa là khả năng quay mặt phẳng phân cực khác nhau. 3. Các yếu tố đối xứng phân tử Tính chất của một phân tử nào đó có thể được xác định bằng sự có mặt hay không có những yếu tố đối xứng cơ bản. Quan trọng nhất là những yếu tố đối xứng sau: 3.1. Mặt phẳng đối xứng Mặt phẳng đối xứng (thường ký hiệu m) là mặt phẳng chia vật ra làm hai phần mà phần này là ảnh của phần kia trong gương. Phân tử có mặt phẳng đối xứng nếu sau khi chiếu vào mặt phẳng thì ảnh sẽ trùng với nó: Cl H H H Cl H H Cl H Cl H 3.2. Tâm đối xứng Tâm đối xứng (i) là điểm mà trên đường thẳng đi qua điểm đó có thể gặp được những điểm tương đương ở khoảng cách như nhau hoặc là điểm mà khi quay phân tử đối xứng điểm đó thu được ảnh trùng với vật ban đầu. Thường một vật có thể có nhiều mặt phẳng đối xứng, nhưng thường chỉ có một tâm đối xứng. b a' i b' a 3.3. Trục đối xứng Trục đối xứng (thường gọi là trục C) là trục đi qua vật mà nếu quay xung quanh trục một góc xác định bằng thì thu được cấu trúc trùng với cấu trúc ban đầu. Bậc của trục phụ thuộc vào giá trị của n. Trục bậc 1 khi quay 360o, trục bậc 1 với n = 1, trục C2 – 180o với n = 2, ... H Cl C3 C4 Cl Cl C5 Trong phân tử có trục liên hợp C nếu sau khi quay xung quanh trục rồi chiếu vào mặt phẳng thẳng góc với trục thì thu được vật trùng với chất ban đầu: Học viên: Nguyễn Xuân Phong 3 Tiểu luận Hóa lập thể: Đồng phân quang học Cl H C Cl H Cl C C H H Cl H C C Cl Cl C H Ngoài các yếu tố đối xứng trên còn dùng nhóm đối xứng, trong 15 nhóm có ba nhóm quan trọng có tính không trùng vật ảnh gọi là nhóm C 1, Cn và nhóm D2. Ta hay gặp nhóm C1, trong đó phân tử không cố yếu tố đối xứng nào, chẳng hạn đối với cacbon liên kết với bốn nhóm thế khác nhau, không có yếu tố đối xứng nào gọi là cacbon bất đối, hoặc nhóm C n trong phân tử có trục n lẻ hoặc một trục bậc n với vài trục C2 và nhóm D2 dùng trong tính quang học của các đồng phân cấu dạng. 4. Phân tử bất đối có một nguyên tử cacbon bất đối Trong phân tử có một nguyên tử C liên kết với 4 nhóm thế hoàn toàn khác nhau. Hiện nay nguyên tử C này được gọi là trung tâm lập thể. 4.1. Đối quang hay enantiomer Hai phân tử có cấu hình khác nhau mà chất này là ảnh của chất kia trong mặt phẳng gương gọi là một cặp đối quang (nghịch quang) hay enantiomer. Hai chất này không chồng khít lên nhau được tuy chúng có tính chất vật lý và hóa học giống nhau. Hai chất này chỉ khác nhau về cấu hình, hai cấu hình này ngược nhau: H Khaùc nhau veà caáu hình laø enantiomer O H O Khaùc nhau veà caáu daïng, gioáng nhau veà caáu hình khoâng phaûi laø enantiomer Hai enantiomer hay hay đối quang là hai đồng phân lập thể của nhau, có cấu hình ngược nhau nên hướng quay mặt phẳng ánh sáng phân cực ngược nhau nhưng có cùng giá trị tuyệt đối (vì cùng cấu trúc của trung tâm bất đối xứng). Còn những đồng phân lập thể khác có cấu hình khác nhau về ảnh và vật trong mặt phẳng gương là đồng phân quang học của nhau, không phải là enantiomer của nhau mà đồng phân đi-a của nhau, thường gặp trong những phân tử có hai hay nhiều trung tâm bất đối xứng. 4.2. Biến thể raxemic Biến thể raxemic là một tập hợp đẳng phân tử (equimolar) hai chất đối quang, trị số quay cực của tập hợp này bằng không vì có sự bù trừ nhau giữa hai dạng D và L. Biến thể raxemic thường được ký hiệu là DL hoặc ( ). 4.2.1. Sự tạo thành biến thế raxemic  Phương pháp trộn lẫn Trộn kỹ các lượng bằng nhau của hai chất đối quang. Học viên: Nguyễn Xuân Phong 4 Tiểu luận Hóa lập thể: Đồng phân quang học  Phương pháp tổng hợp  Phương pháp raxemic hóa 4.2.2. Tính chất của các biến thể raxemic Ở trạng thái khí, lỏng cũng như dung dịch, biến thể raxemic là một hỗn hợp của những lượng bằng nhau gần như lý tưởng của các phân tử đối quang. Biến thể raxemic có cùng nhiệt độ sôi như chất đối quang tinh khiết, chiết suất và tỉ trọng ở trạng thái lỏng là giống nhau cũng như phổ hồng ngoại ở trạng thái lỏng và dung dịch là trùng nhau. Tuy nhiên sự đồng nhất này không thể áp dụng đối với trạng thái rắn (tinh thể). Trong biến thể raxemic rắn, ngoài lực tương tác giữa các phân tử (-) quay trái, giữa các phân tử quay phải (+) còn có lực tương tác giữa các phân tử (+) và (-). Kết quả là ở trạng thái rắn thường gặp sự khác biệt về một số tính chất giữa biến thể raxemic và chất đối quang tinh khiết. Có 3 trường hợp khác biệt sau:  Các hỗn hợp raxemic: là một hỗn hợp cơ học tinh thể riêng rẽ của các chất đối quang còn gọi là conglomerat. Tính chất của nó giống tính chất của các đối quang tinh khiết. Tuy nhiên, nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp raxemic thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của các chất đối quang tinh khiết, còn độ tan của hỗn hợp raxemic lại cao hơn. Trên giản đồ nhiệt độ nóng chảy, điểm ơtecti là điểm ứng với nhiệt độ nóng chảy thấp nhất, ở đó tỉ lệ giữa hai chất đối quang là 50:50. 100% (-) 50% (-) 0% (-) Độ tan 0% (+) 50% (+) 100% (+) Nhiệt độ nóng chảy 0% (+) 50% (+) 100% (-) 50% (-) 100% (+) 0% (-) Giản đồ nhiệt độ nóng chảy và độ tan của các hỗn hợp raxemic Các hợp chất raxemic: Là trường hợp biến thể raxemic mà chỉ có một loại tinh thể được tạo thành từ cả hai dạng chất đối quang có số lượng phân tử bằng nhau. Hợp chất raxemic là một loại hợp chất riêng biệt, chúng khác biệt với các đối quang về tính chất vật lý như nhiệt độ nóng chảy, độ tan. Nhiệt độ nóng chảy 0% (+) 50% (+) 100% (-) 50% (-) 100% (+) 0% (-) Độ tan 0% (+) 50% (+) 100% (-) 50% (-) 100% (+) 0% (-) Giản đồ nhiệt độ nóng chảy và độ tan của hợp chất raxemic Nhiệt độ nóng chảy của hợp chất raxemic có thể cao hơn hoặc thấp hơn các đối quang tinh khiết. Các dung dịch raxemic rắn: Là loại biến thể raxemic mà sự phân bố của các phân tử không theo một trật tự sắp xếp nào tạo thành dung dịch raxemic rắn. Những dung dịch rắn như vậy về tất cả các phương diện đều giống chất đối quang, kể cả nhiệt độ nóng chảy và độ tan hoặc có sự khác biệt rất ít. Học viên: Nguyễn Xuân Phong 5 Tiểu luận Hóa lập thể: Đồng phân quang học Dựa vào giản đồ nóng chảy và độ tan ta có thể phân biệt ba dạng biến thể raxemic nói trên. Khi thêm một trong các đối quang tinh khiết vào hỗn hợp raxemic thì làm tăng nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp raxemic nhưng trong trường hợp các hợp chất raxemic nhiệt độ nóng chảy sẽ bị giảm khi thêm chất đối quang tinh khiết. Còn đối với dung dịch raxemic rắn thì chỉ làm thay đổi nhiệt độ nóng chảy một ít mà thôi. Ngoài ra ta có thể phân biệt các dạng raxemic bằng cách xác định tế bào tinh thể cơ bản nhờ chụp ảnh bằng tia X. Tế bào tinh thể của hợp chất raxemic có chứa những lượng bằng nhau của các phân tử của hai dạng đối quang còn tế bào cơ bản của hỗn hợp raxemic hoặc dung dịch raxemic rắn chỉ gồm các phân tử của một đối quang mà thôi. 4.3. Tính không trùng ảnh vật (chirality) Tính không trùng ảnh - vật là sự không chồng khít của ảnh và vật của nó trong mặt phẳng gương. Hai chất là không trùng ảnh vật khi hai chất đó ở dạng enantiomer với nhau. Tính không trùng vật - ảnh là điều kiện cần và đủ cho sự tồn tại của enantiomer. Phân tử không trùng vật - ảnh (chiral) khi phân tử đó không có yếu tố đối xứng nào nên còn gọi là phân tử bất đối xứng, ngược lại, phân tử có một yếu tố đối xứng nào đó gọi là trùng ảnh - vật (achiral) hay đối xứng. Nguyên tử C lai hóa sp3 liên kết với 4 nhóm nguyên tử khác nhau thì sẽ có đối quang, phân tử không còn yếu tố đối xứng nào nên C là trung tâm không trùng ảnh - vật (chiral), còn gọi là C bất đối (C*). Khi có hai hay nhiều nhóm thế giống nhau, phân tử có yếu tố đối xứng là trùng ảnh - vật (achiral). H H CH3 HO H3C CF3 CF3 CH2CH3 OH H achiral Chiral 4.4. H CH3 Cấu hình tương đối và tuyệt đối Mỗi chất hoạt động quang học có một trị số quay cực riêng, chiều quay trái ký hiệu bằng dấu (-), quay phải bằng dấu (+). Dấu không có liên quan đến cấu hình của chất. Có thể biểu diễn tính không trùng vật - ảnh bằng cấu hình của chính nó: cấu hình tương đối và tuyệt đối. Cấu hình tương đối được xác định theo quy tắc Fischer. Quy tắc Fischer đã chọn andehit glyxeric làm chất chuẩn. (+) andehit glyxeric có cấu hình D, còn đối quang của nó có (-) andehit glyxeric có cấu hình L CHO CHO H C OH CH2OH H OH CH2OH D (+) - andehit glyxeric CHO CHO HO C H HO CH2OH H CH2OH L (-) - andehit glyxeric Cấu hình tương đối của chất khác dựa vào chất chuẩn andehit glyxeric. Học viên: Nguyễn Xuân Phong 6 Tiểu luận Hóa lập thể: Đồng phân quang học Hợp chất dãy D có cấu hình giống D – andehit glyxeric, còn dãy L giống cấu hình của L – andehit glyxeric. Ngoài quy tắc Fischer người ta còn dùng cấu hình tuyệt đối Cahn-Ingold-Predlog, còn gọi là hệ thống R-S: Nếu trung tâm bất đối có 4 nhóm thế a, b, c và d có tính hơn cấp là a > b > c > d, sự phân bố các nhóm thế như thế nào để cho nhóm thế nhỏ nhất d nằm ở xa người quan sát thì thứ tự phân bố ba nhóm thế còn lại (a, b, c) xác định cấu hình: Nếu thứ tự giảm dần độ hơn cấp của các nhóm thế a, b, c theo chiều kim đồng hồ thì ta có cấu hình R (rectus, tiếng Latinh nghĩa là bên phải); nếu ngược chiều kim đồng hồ ta có cấu hình S (sinister – nghĩa là bên trái). a a d d c b b c R a a d d b c c b S Các ký hiệu cấu hình tuyệt đối được đặt trong dấu ngoặc trước tên hợp chất là (R) hay (S), còn raxemic là (R,S). Cấu hình R-S không cho biết góc quay cực, cần phải xác định theo thực nghiệm. Danh pháp R-S và Fischer không có liên quan trực tiếp. Để thuận tiện Epling đưa ra cách gọi tên R-S dựa vào công thức Fischer mà không cần chuyển về công thức không gian 3 chiều: - Nếu nhóm thế nhỏ nhất nằm trên đường nằm ngang thì thứ tự giảm dần độ hơn cấp của các nhóm thế còn lại theo chiều kim đồng hồ là cấu hình S, ngược chiều kim đồng hồ là cấu hình R. - Nếu nhóm thế nhỏ nhất trên đường thẳng đứng thì ngược lại, theo chiều kim đồng hồ là R, ngược chiều kim đồng hồ là S. 4.5. Hợp chất có một nguyên tử C bất đối Do trong phân tử có 4 nhóm thế khác nhau cùng gắn trực tiếp với nguyên tử C nên phân tử không còn tồn tại các yếu tố đối xứng của một tứ diện đều và do vậy trở nên bất đối xứng, là nguyên nhân gây nên tính quang hoạt và làm lệch hướng của ánh sáng phân cực. Hai dạng hợp chất có sự sắp xếp trong không gian đối xứng nhau như ảnh và vật qua gương sẽ tạo thành cặp đồng phân quang học đối quang. Cặp đối quang này làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực một góc có giá trị như nhau nhưng có chiều quay đối nghịch nhau. Hiện nay người ta có khuynh hướng thay từ “cacbon bất đối” bằng từ “trung tâm lập thể” vì nguyên tử cacbon là trung tâm của một tứ diện không đối xứng, còn chính nguyên tử cacbon thì không bao giờ bất đối cả. Cách biểu diễn: có thể biểu diễn bằng công thức tứ diện, công thức phối cảnh, công thức chiếu Fischer và có thể gọi tên theo danh pháp D-L hoặc danh pháp R-S. Học viên: Nguyễn Xuân Phong 7 Tiểu luận Hóa lập thể: Đồng phân quang học Ví duï: CHO CHO CHO CHO CH2OH OH H H OH HO H H OH Caáu hình R CH2OH CH2OH CH2OH Caáu hình S Caáu hình R L-Glixeraldehit D-Glixeraldehit 5. Phân tử bất đối có nhiều nguyên tử C bất đối Rất nhiều hợp chất tự nhiên như gluxit, aminoaxit, steroit, ankaloit, tecpen,...mà trong phân tử có chứa hai hoặc nhiều nguyên tử cacbon bất đối có nghĩa là có nhiều trung tâm lập thể. Vì thế việc nghiên cứu hóa học lập thể của loại hợp chất có nhiều cacbon bất đối rất quan trọng do ý nghĩa thực tiễn của nó. Ở những hợp chất có nhiều nguyên tử cacbon bất đối thì số đồng phân không gian có thể tăng lên rất nhanh, nếu hợp chất có chứa một cacbon bất số đồng phân quang học là 2 thì ở hợp chất có 2 cacbon bất đối số đồng phân quang học là 4 và khi có 3 cacbon bất đối thì sẽ là 8,... Ví dụ: 2-Clo-3-iodobutan có các đồng phân: CH3 CH3 CH3 CH3 H Cl Cl H Cl H H Cl H I I H H I I H CH3 CH3 (L) (D) CH3 CH3 (D) (L) caëp ñoái quang caëp ñoái quang erythro 2-clo-3 - iodobutan threo 2-clo-3 - iodobutan Nhóm chức đặc trưng ở C bất đối có số thứ tự lớn nhất ở phía bên phải của đường thẳng đứng trên công thức chiếu Fischer ta gọi là D, ngược lại ta có cấu hình đồng phân L. Ở đây ta thấy danh pháp D-L không lột tả được cách sắp xếp của nguyên tử Clo đính ở C số 2. Thiếu sót này có thể khắc phục nhờ danh pháp cấu hình R-S của Cahn-Ingold-Predlog: Học viên: Nguyễn Xuân Phong 8 Tiểu luận Hóa lập thể: Đồng phân quang học CH3 CH3 CH3 CH3 H Cl Cl H Cl H H Cl H I I H H I I H CH3 CH3 (2S,3R) -2-clo3 - iodobutan (2R,3S) -2-clo3 - iodobutan CH3 CH3 (2S,3S) 2-clo3 - iodobutan (2R,3R) 2-clo3 - iodobutan - Đồng phân đia: đồng phân đia là những đồng phân quang học nhưng không đối quang. Với ví dụ: 2-clo-3-iodobutan ta có những đồng phân đia như sau: (2S,3R) và (2S,3S); (2R,3R) và (2S,3R); (2S,3S) và (2R,3S);...... - Đồng phân mezo: Trường hợp chất có nhiều C bất đối nhưng trong phân tử vẫn tồn tại những yếu tố đối xứng, tức là có những C bất đối giống nhau, chẳng hạn trường hợp axit tactric: COOH H HO OH H COOH (1) Axit (+)-tactric COOH COOH HO H COOH H H OH HO H OH H OH HO H COOH (2) Axit (-)-tactric COOH COOH (4) (3) Axit mezotactric Hai công thức (3) và (4) là dạng mezo không quang hoạt, phân tử tồn tại hai trung tâm bất đối giống nhau nhưng đối xứng nhau trong phân tử vì vậy gây ảnh hưởng góc quay cực giống nhau nhưng trái chiều nhau, khả năng quay phải của C bất đối thứ nhất được bù hoàn cho khả năng quay trái của C bất đối thứ hai; vì thế đồng phân mezo không quang hoạt. Đồng phân mezo có những tính chất khác với các đồng phân đối quang. Ta có thể khái quát hóa cách tính số đồng phân lập thể như sau: a/ Khi có n nguyên tử C bất đối nối với những nhóm thế khác hẳn nhau, thì số đồng phân là: (n: số nguyên tử C bất đối). b/ Khi số nguyên tử C bất đối trong phân tử là số lẻ và có hai nguyên tử C bất đối nối với những nhóm thế giống nhau, số đồng phân lập thể là: (n: số nguyên tử C bất đối). c/ Khi số nguyên tử C bất đối trong phân tử là số chẵn và có hai nguyên tử C bất đối nối với những nhòm thế giống nhau, số đồng phân lập thể là: (n: số nguyên tử C bất đối). 6. Hợp chất vòng no có nhiều C bất đối Khi phân tử vòng no có hai hoặc nhiều nhóm thế thì các nguyên tử C chứa nhóm thế liền trở nên bất đối, phân tử không có tính đối xứng và như thế sẽ có đồng phân quang học. Ví dụ: -Vòng có hai nhóm thế: 3 đồng phân quang học Học viên: Nguyễn Xuân Phong 9 Tiểu luận Hóa lập thể: Đồng phân quang học Cl Cl Cl Cl Cl Cl mezo 1,2-dicloxiclopentan Nếu trong vòng có nhiều nhóm thế thì số đồng phân quang học sẽ tăng lên. Tùy theo vị trí của các nhóm thế trong phân tử sẽ tạo nên một số yếu tố đối xứng và vì thế sẽ xuất hiện đồng phân mezo cho nên số đồng phân quang học bị giảm đi. 7. Hợp chất đa vòng có các bon bất đối Campho là dẫn xuất Bixyclo xeton quan trọng nhất của nhóm Camphan. Campho có hai C bất đối lẽ ra có thể có 4 đồng phân quang học. Nhưng thực tế chỉ tồn tại ở hai dạng (1) và (2) trong đó vòng 6 cạnh ở dạng thuyền, còn vòng 6 cạnh ở dạng ghế thực tế không tồn tại vì sức căng quá lớn, công thức (3) và (4). O O O O (1) (2) (3) (4) Như vậy ở hợp chất vòng no do yêu cầu tồn tại những cấu tạo dạng vòng có tính bền mà số đồng phân quang học có thể bị giảm đi. 8. Phân tử bất đối không có nguyên tử C bất đối Hiện nay người ta đã phân biệt được nhiều dạng động phân lập thể khác nhau đều mang yếu tố không trùng vật-ảnh. 8.1. Yếu tố không trùng vật ảnh là một nguyên tử trong phân tử Nguyên tử trở thành một trung tâm lập thể khi nguyên tử này liên kết với các nhóm thế khác nhau và có thể là:  Nguyên tử Cacbon.  Các nguyên tử khác như: Si, P, S Ví dụ ở các hợp chất sau: metyl- -naphtyl-phenylsilan (3); o-anisylmetylphenylphotphin (4); metyl-p-tolylsunfoxit (5). Trong các hợp chất (4) và (5), các nhóm thế phân bố xung quanh trung tâm lập thể theo hình tháp hợp với cặp electron tự do được xem như là nhóm thế thứ tư tạo thành một tứ diện không đối xứng. Học viên: Nguyễn Xuân Phong 10 Tiểu luận Hóa lập thể: Đồng phân quang học C6 H 5 CH3 Si CH3 CH3 C6H5 H S O P OCH3 CH3 (3) (5) (4) 8.2. Yếu tố không trùng vật - ảnh không phải là nguyên tử trong phân tử Người ta đã biết được nhiều phân tử có tính không trùng vật - ảnh và thực sự có thể tách ra các đối quang, song trong các phân tử đó không hề có một nguyên tử nào liên kết đồng thời với các nhóm thế khác nhau. Nói theo nghĩa hẹp đây là những phân tử bất đối xứng mà không có nguyên tử bất đối. Hiểu theo nghĩa rộng hơn trong trường hợp này là các hợp chất có phân tử mang tính không trùng vật ảnh mà trung tâm lập thể không phải là một nguyên tử. Có thể kể đến các trường hợp sau: 8.2.1. Đồng phân allen Dựa vào thuyết cấu tạo tứ diện của nguyên tử C, ngay từ năm 1875 Vant’Hoff đã dự đoán rằng những dẫn xuất thế không đối xứng của allen CH2 = CH = CH2 có thể tồn tại ở hai dạng đối quang. a a C C C b b a a b b Nguyên nhân của sự bất đối xứng là do các nhóm a và b ở hai đầu của hệ nằm ở các mặt phẳng vuông góc với nhau. Nếu coi các nguyên tử cacbon nối với nhau bằng nối đôi như là các như là các tứ diện nối với nhau bởi những cạnh thì qua hình vẽ có thể thấy được hai đôi nhóm thế ở hai đầu là không cùng nằm trên một mặt phẳng. Chất quang hoạt đầu tiên thuộc loại này là điphenylđinaphtyl allen được tổng hợp năm 1935 bởi Minxơ (W.H. Mills): H5C6 C6H5 C CH C  - C10H7 C10H7 -  Axit (+)-campho 10-sunfonic H2O OH H5C6 C6H5 C C  - C10H7 C10H7 -  [ ]17 5461 Allen nhận được có độ quay cực riêng khá lớn C = +437 o , nếu dùng tách nước là axit (-) – campho – 10 – sunfonic ta sẽ nhận được đối quang với . Cả hai đối quang đều rất bền, tính quang hoạt của chúng được bảo toàn kể cả trường hợp đun nóng rất lâu trong đecalin ở 190oC. Ngoài ra về mặt lý thuyết cũng dự đoán rằng những polien cao tương tự allen có số nối đôi chẵn trong phân tử thì các nhóm thế ở hai đầu mạch nằm trong hai mặt phẳng vuông góc với nhau và do đó có thể tồn tại dưới dạng các đồng phân quang học. Nếu có số nối đôi lẻ thì các nhóm thế ở hai đầu mạch nằm trong một mặt phẳng, chúng chỉ có đồng phân hình học. Học viên: Nguyễn Xuân Phong 11 Tiểu luận Hóa lập thể: Đồng phân quang học 8.2.2. Đồng phân spiran Spiran là loại hợp chất có 2 vòng chung nhau một nguyên tử C lai hóa sp 3, do đó hai vòng này nằm trên hai mặt phẳng gần như thẳng góc với nhau. Đặc tính phân bố không gian của các nguyên tử trong spiran cũng tương tự như sự phân bố của các nguyên tử trong allen, nghĩa là hai vòng ở spiran tạo nên một hệ thống cứng nhắc như là hai nối đôi ở allen. Vì vậy người ta còn gọi loại đồng phân trong hai loại hợp chất này là đông phân triệt tiêu sự quay. Trong các trường hợp này có thể nói trung tâm lập thể chính là bộ phận cứng nhắc trên. Các nhóm thế ở hai đầu của hệ thống cũng nằm trên hai mặt phẳng gần như thẳng góc và gây nên sự bất đối xứng trong phân tử, kết quả là phân tử hợp chất có tính không trùng vật - ảnh (chirality). a b a a b b a b Chất spiran quang hoạt đầu tiên (I) cũng được mô tả bởi Mils (1920). HOOC O O C O C C O COOH (I) Vài năm sau J. Boeseken đã điều chế được loại spiran quang hoạt là sản phẩm của sự ngưng tụ pentaeritrit với axit piruvic. HOCH2 HOCH2 C CH2OH CH3COCOOH CH3 HOOC CH2OH C O CH2 C CH2 O CH2 O O CH2 C CH3 COOH (II) Spiran (II) được tách riêng thành đối quang nhờ strichnin. Chất này có độ quay cực (trong axeton). Một chất spiran quang hoạt đơn giản hơn (III) được điều chế được từ năm 1932 bởi Jhonson và Pope. Chất này được tách ra thành đối quang nhờ axit malic. H2N CH2 C H CH2 C CH2 H C CH2 (III) NH2 Thuộc loại đồng phân triệt tiêu sự quay còn có thể kể đến đồng phân trans-xiclo-octen. Các xicloolefin có số cạnh nhỏ hơn 8 do sức căng của vòng lớn nên thường chỉ tồn tại ở dạng cis - dạng ghế và dạng trans – dạng thuyền, tạo cặp đối quang như sau: Học viên: Nguyễn Xuân Phong 12 Tiểu luận Hóa lập thể: Đồng phân quang học cis -xyclooten trans - xyclooten 8.2.3. Đồng phân atrop Đồng phân lập thể xuất hiện do cản quay xung quanh liên kết đơn được gọi là “đồng phân atrop” (tiếng Hilạp có nghĩa là cản quay). Người ta đã tổng hợp ra được nhiều đông phân như vậy và gần đây thấy có ở trong thiên nhiên (tanin). Lần đầu tiên người ta dã phát hiện đồng phân atrop ở các hợp chất thuộc dãy biphenyl. Năm 1922, G.H. Christie và J. Kenner đã xác định được rằng có thể dùng các phương pháp thông thường để tách riêng axit 6,6’ đinitrođiphenic và các dẫn xuất khác của axit điphenic thành các đối quang được. Do đó người ta có thể đi đến kết luận rằng trong biphenyl cũng như trong axit điphenic cả hai vòng đều được giả thiết là đồng trục và có thể quay xung quanh một trục chung. Ở các dẫn xuất của biphenyl đã được thế ở vị trí 6- và 6’-, sự quay của vòng này so với vòng kia được giới hạn ở một vòng cung nhỏ, sự quay của vòn bị giới hạn bởi các nhóm thế co thể tích lớn, cũng do nguyên nhân đó cả hai vòng không thể tiếp nhận các vị trí phẳng và như vậy toàn bộ phân tử không ở trên một mặt phẳng. Do đó có thể tồn tại hai đồng phân quang học khi các nhóm thế ở vào các vị trí gây ra sự bất đối xứng phân tử. A A B C C B 8.2.4. Tính quang hoạt do sự biến dạng phân tử Những phân tử chất hữu cơ có những nhóm nguyên tử được bố trí ở những khoảng không gian rất hẹp, gối lên nhau do đó gay nên sự biến dạng phân tử bất đối xứng. Loại đồng phân quang học này thường là những hợp chất có chứa nhiều nhân benzen và mang các nhóm thế hoặc không có nhóm thế. Ví dụ 1: Hợp chất hexahelixen (Newman 1956) Phân tử hexahelixen có 6 vòng benzen ngưng tụ vòng hở, hai vòng benzen đẩy nhau làm phân tử đáng lẽ phẳng bị vặn đi, mất cân đối và tạo cặp đối quang , hai dạng đối quang này rất bền. Ví dụ 2: Hợp chất 4,5 – đimetylphenantren. Vì trong phân tử 4,5 – HOOCCH2 đimetylphenantren các nhân benzen đồng nhóm mêtyl đi ra khỏi mặt phẳng và hướng về mặt phẳng làm cho phân tử 4,5 – đimetylphenantren (1) trở nên bất đối và có thể thành các đối quang. H3 C Học viên: Nguyễn Xuân Phong CH2COOH CH3 H3 C CH3 H3 C phẳng, hai hai phía của tách riêng ra CH3 13 Tiểu luận Hóa lập thể: Đồng phân quang học 8.2.5. Đồng phân cản quay ansa Là loại đồng phân cản quay do kiểu “quai xách tay”. Nếu cầu cho vòng phenyl không thể quay trở lại qua vòng no thì phân tử có thành những chất đối quang. Người ta xác định rằng khi n = 10 thì bị raxemic hóa lập tức ở 0oC, khi n = 9 có thể có được hợp chất với chu kỳ raxemic hóa thay đổi tùy theo nhiệt độ, nhiệt độ càng cao càng ngắn, khi n = 8 không xảy ra sự raxemic hóa. Hợp chất paraxyclophan cũng là chất quang hoạt thay đổi như sau: (CH2)n (CH2)n O HOOC H (CH2)n H H đủ lớn để thể bị tách hợp chất sẽ quang hoạt chu kỳ O m 2 3 4 n 2 4 4 Tính chất Chất quang hoạt bền Raxemic hóa ở 1600C Không quang hoạt COOH 9. Một số phương pháp phân lập các đồng phân quang học Nhiều hợp chất tham gia vào thành phần của cơ thể động vật là những đối quang tinh khiết. Do đó từ cơ thể động vật và thực vật có thể thu được một số chất quang hoạt như axit tatric, axit lactic, mentol, bocneol, campho,... 9.1. Phương pháp nhặt riêng các tinh thể bất đối xứng Đối với hỗn hợp raxemic (colonmerat) tồn tại tinh thể của cả hai dạng đối quang do đó nếu tinh thể này đủ lớn và nhận biết được mắt thường thì ta có thể dùng kẹp nhặt riêng rẽ hai loại phân tử có cấu hình khác nhau. Bằng phương pháp này lần đầu tiên vào năm 1948, Pasteur đã tách riêng ra được các tinh thể của D – và L-natri amoni tactrat từ hỗn hợp raxemic kết tinh được bằng cách cho bay hơi chậm dung dịch muối kép natri amoni tactrat. 9.2. Phương pháp hóa học (Pasteur 1858) Nguyên tắc chung là tạo thành hợp chất quang hoạt từ hai chất đối quang. Ví dụ: Raxemat D-axit và L-axit + D2 – baz  muối DD2 và muối LD2. Các muối tạo thành là những đồng phân quang học không đối quang, chúng có những tính chất khác nhau đáng chú ý, ví dụ tính tan, áp suất hơi, hệ số hấp thụ và một số tính chất khác nhờ đó ta có thể tách ra các sản phẩm riêng rẽ, khi thủy phân trở lại ta thu được từng loại đối quang. 9.3. Phương pháp tốc độ Dựa vào tốc độ este hóa khác nhau của hai antipot ở một số raxemic axit với ancol quang hoạt như: (-) mentol, (+) bocneol để tách riêng các antipot ra khỏi nhau. 9.4. Phương pháp sinh hóa (Pasteur, 1857) Pasteur nhận thấy rằng nếu cho nấm mốc penicillum glaucum tác dụng lên muối ( )- amoni tactrat thì chỉ dạng quay phải bị phân hủy và do đó sau một thời gian chỉ nhận được (-)-amoni tactrat tinh khiết. phương pháp tách riêng bằng con đường sinh hóa cho phép nhận được sản phẩm có độ tinh khiết quang hoạt cao. Vì vậy có ứng dụng trong thực tiễn đặc biệt để điều chế aminoaxit quang hoạt. 10. Bài tập áp dụng: xác định cấu hình của các đồng phân quang học Bài 1. Viết công thức chiếu Fischer của các chất sau và cho biết cấu dạng bền của chúng. a. 3(S)-brom-2(S)-butanol Học viên: Nguyễn Xuân Phong 14 Tiểu luận Hóa lập thể: Đồng phân quang học b. 2(R)-amino-3(S)-butanol c. Xiclohexan -1(S),3(S)-điol Bài 2. Viết đồng phân lập thể của bromxyclohexan với cấu hình R, S. Bài 3. Viết các đồng phân lập thể của: a) decalin, b) 2-metyldecalin. Bài 4. Viết đồng phân lập thể của: a) 2-clospiro[4.5]decan b) 8-clospiro[4.5]decan c) 2,2’-dimetyl-5,5’-dinitrobiphenyl d) 4-cloetenxyclohexan Học viên: Nguyễn Xuân Phong 15 Tiểu luận Hóa lập thể: Đồng phân quang học KẾT LUẬN Lịch sử phát triển của hóa học lập thể gắn liền với lịch sử phát triển của hóa học hữu cơ. Các nghiên cứu về lý thuyết đặc biệt trong các lĩnh vực như hóa học các hợp chất tự nhiên, trong tổng hợp các hợp chất quang hoạt với cấu hình định sẵn cần cho y học và sinh học, ....Vì vậy việc nghiên cứu, tìm hiểu lý thuyết về các hợp chất quang hoạt, đồng phân quang học là rất cần thiết. Qua việc tìm hiểu đề tài về “các hợp chất quang hoạt, đồng phân quang học”, tôi càng hiểu thêm vai trò của hóa học lập thể trong cuộc sống; lịch sử quá trình phát triển của nó. Tôi đã giải quyết một số vấn đề sau: + Cơ sở vật lý của vấn đề quang hoạt. + Biết được những hợp chất nào là hợp chất quang hoạt. + Các yếu tố đối xứng trong phân tử. Đó là một đặc điểm của chất quang hoạt. Một phân tử có tính quang hoạt khi trong phân tử có yếu tố bất đối xứng (trung tâm lập thể). Yếu tố bất đối xứng đó có thể là: một nguyên tử trong phân tử; nhiều nguyên tử trong phân tử. Nguyên tử bất đối trong phân tử có thể là cacbon nhưng cũng có thể là S, Si, P ; cũng có thể là không có một nguyên tử bất đối nào trong phân tử nhưng xét trong toàn phân tử thì lại có những yếu tố bất đối xứng. + Biết được cách phân lập một số đồng phân quang học. Hiện nay việc điều chế các polime có dạng lập thể xác định là một trong những phương pháp quan trọng nhất để tăng phẩm chất của các vật liệu nhân tạo. Học viên: Nguyễn Xuân Phong 16 Tiểu luận Hóa lập thể: Đồng phân quang học TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Trịnh Đình Chính (1995), “Cơ sở Hóa học lập thể - tài liệu bồi dưỡng thường xuyên chu kỳ 1993-1996”, Huế. 2. Đặng Như Tại (1995), “Cơ sở Hóa học lập thể”, NXB Giáo dục. 3. Thái Doãn Tĩnh, “Giáo trình cơ sở lý thuyết Hóa hữu cơ”, NXB Khoa học – Kỹ thuật. 4. Trần Quốc Sơn (1977), “Cơ sở lý thuyết Hóa Hữu Cơ”, NXB Giáo dục. 5. Đào Văn Ích – Triệu Quý Hùng (2004), “Một số câu hỏi và bài tập Hóa Hữu Cơ”, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội. 6. Thái Doãn Tĩnh (2006), “Bài tập Cơ sở Hóa học hữu cơ”, tập 1, NXB Khoa học – Kỹ thuật. Học viên: Nguyễn Xuân Phong 17 Tiểu luận Hóa lập thể: Đồng phân quang học MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 PHẦN NỘI DUNG 2 1. Cơ sở vật lý của vấn đề quang hoạt 2. Đồng phân quang học 3. Các yếu tố đối xứng phân tử 3 3.1. Mặt phẳng đối xứng 3 3.2. Tâm đối xứng 3 3.3. Trục đối xứng 3 4. 2 3 Phân tử bất đối có một nguyên tử cacbon bất đối 4.1. Đối quang hay enantiomer 4 4.2. Biến thể raxemic 4 4 4.2.1. Sự tạo thành biến thế raxemic 4 4.2.2. Tính chất của các biến thể raxemic 5 4.3. Tính không trùng ảnh vật (chirality) 6 4.4. Cấu hình tương đối và tuyệt đối 4.5. Hợp chất có một nguyên tử C bất đối 7 5. Phân tử bất đối có nhiều nguyên tử C bất đối 8 6. Hợp chất vòng no có nhiều C bất đối 9 7. Hợp chất đa vòng có các bon bất đối 10 8. Phân tử bất đối không có nguyên tử C bất đối 6 10 8.1. Yếu tố không trùng vật ảnh là một nguyên tử trong phân tử 8.2. Yếu tố không trùng vật - ảnh không phải là nguyên tử trong phân tử 11 9. 8.2.1. Đồng phân allen 11 8.2.2. Đồng phân spiran 12 8.2.3. Đồng phân atrop 13 8.2.4. Tính quang hoạt do sự biến dạng phân tử 13 8.2.5. Đồng phân cản quay ansa 13 Một số phương pháp phân lập các đồng phân quang học 9.1. Phương pháp nhặt riêng các tinh thể bất đối xứng 9.2. Phương pháp hóa học (Pasteur 1858) 9.3. Phương pháp tốc độ 13 9.4. Phương pháp sinh hóa (Pasteur, 1857) 10 13 13 13 13 10. Bài tập áp dụng: xác định cấu hình của các đồng phân quang học 13 KẾT LUẬN 13 Học viên: Nguyễn Xuân Phong 18