Phân tử có nguyên tử carbon không đối xứng 1. Phân tử có nguyên tử carbon bất đối xứng

2. Đồng phân lập thể - Đồng phân không gian

2.2.1. Phân tử có nguyên tử carbon không đối xứng 1. Phân tử có nguyên tử carbon bất đối xứng

Maởt phaỳng phaõn cửùc Maởt phaởt phaỳng phaõn cửùc sau khi qua chaỏt quang hoaùt Chaỏt quang hoaùt Goực quayα

Để đặc trưng khả năng quang hoạt của một hợp chất quang hoạt người ta dùng đại lượng quay cực riêng hay còn gọi là năng suất quay cực riêng và ký hiệu là [α].

α

= 100 __α

L C to

λ Trong đó:

α là góc quay cực xác định trên máy phân cực kế, có thể có 2 giá trị ± α.

Gía trị +α chỉ mặt phẳng phân cực quay phải.

Gía trị -α chỉ mặt phẳng phân cực quay trái.

L bề dày lớp chất quang hoạt mà ánh sáng phân cực đi qua đơn vị tính là dm.

C là số gam chất hòa tan trong 100ml dung môi.

λ là bước sóng của ánh sáng.

t° là nhiệt độ đo.

Như vậy tính quang hoạt của một chất là tính chất của phân tử gắn liền với cấu trúc phân tử. Sự phân bố không gian làm cho cấu tạo phân tử trở thành không đối xứng là nguyên nhân chủ yếu gây ra đồng phân quang học.

2.2.1. Phân tử có nguyên tử carbon không đối xứng

Ví dụ: Acid lactic có một carbon bất đối xứng CH3*CH(OH)COOH.

C hay C

COOH

CH3

H OH H OH

CH3 COOH

CH₃CHOHCOOH C

COOH CH3OH

Nếu xem mô hình tứ diện của acid lactic là một vật thật thì ảnh của nó qua gương là một vật thể thứ hai. Vật và ảnh không bao giờ trùng khít lên nhau khi quay vật hay ảnh chung quanh mặt phẳng một góc 180°.

Gửụng phaỳng

H3C HO

AÛnh Vaọt

OH CH3 COOH

H C

HOOC

(+αο ) (-αο )

Gương phẳng

t ảnh

Vậ

ảnh và gương là hai đồng phân quang học của nhau, có cấu tạo hoàn toàn giống nhau, chỉ khác nhau là nếu vật quay mặt phẳng ánh sáng phân cực một góc +α thì ảnh quay mặt phẳng phân cực một góc -α .

Quan hệ giữa phân tử (vật) và ảnh gương của nó như bàn tay phải và bàn tay trái.

Vật và ảnh không trùng lên nhau (chirality).

Hai đồng phân vật và ảnh là 2 đối quang (2 chất nghịch quang).

2.2.1.2. Phân tử có một nguyên tử carbon bất đối xứng

Các đồng phân đối quang (enantiomer, gốc từ tiếng Hy Lạp enantio là ngược chiều) có khoảng cách giữa các nguyên tử trong phân tử như nhau. Chúng đồng nhất về các tính chất vật lý, chỉ khác nhau về sự tương tác với ánh sáng phân cực.

Hợp chất có một nguyên tử carbon không đối xứng có 2 đồng phân quang học.

Một đồng phân quay mặt phẳng phân cực bên phải với góc (+α) gọi là đồng phân quay phải (+)hay là đồng phân hữu tuyền (còn gọi là đồng phân d = dextrogyre).

Một đồng phân quay mặt phẳng phân cực về bên trái (-α)gọi là đồng phân quay trái (-) hay là đồng phân tả tuyền (trước đây gọi là đồng phân l = levogyre).

Nếu trộn những lượng bằng nhau của 2 chất đối quang (50% đồng phân quay phải và 50% đồng phân quay trái) sẽ được một hỗn hợp không có khả năng quay mặt phẳng ánh sáng phân cực. Hỗn hợp đó gọi là biến thể racemic ký hiệu là ( ± ).

Để thuận tiện khi biểu diễn các đồng phân quang học, người ta biểu diễn công thức theo hình chiếu Fischer (xem mục đồng phân cấu dạng) như sau:

Các đồng phân quang học của acid lactic

Coõng thửực chieỏu Fisher Coõng thửực tửự dieọn

Coõng thửực chieỏu Fisher (+αο ) Coõng thửực tửự dieọn

; ^HO ^H

CH3 H CH3

H OHOH

COOH COOH COOH

C H3C C

H CH3OH HO COOH

(+αο ) (-αο )

CH₃ CHOH COOH

2.2.1.3. Phân tử có nhiều nguyên tử carbon bất đối xứng

Hợp chất có nhiều carbon bất đối xứng thì số dồng phân quang học tăng lên.

Trong phân tử, các nguyên tử carbon bất đối xứng có cấu tạo khác nhau thì số đồng phân quang học là 2ⁿ ; n là số nguyên tử carbon bất đối xứng.

Ví dụ: Monosachcarid C6H12O6 với 4 nguyên tử carbon bất đối xứng có 2⁴ = 16 đồng phân quang học . D - Glucose là một trong 16 đối quang đó.

CH₂OH CHOH CHOH CHOH CHOH CHO

Phân tử acid α,β-dihydroxybutyric có 2 nguyên tử carbon bất đối xứng nên có 4 đồng phân quang học. Có thể minh họa các đồng phân đó như sau:

Các đồng phân quang học của α, β- dihydroxybutyric

III IV I II

HO HO HO

H OH

CH3 COOH H

CH3 OH COOH H

CH3 COOH

H OH

CH3 OH COOH

β α

CH₃ CHOH CHOH COOH

I và II là 2 đối quang, III và IV là 2 đối quang với nhau.

Còn I và III, I và IV, II và III, II và IV là các cặp đồng phân quang học không đối quang với nhau (diastereoisomer).

Trong phân tử, những nguyên tử carbon có cấu tạo giống nhau (tương đương nhau) làm cho phân tử có mặt phẳng đối xứng trong phân tử thì số đồng phân quang học sẽ ít hơn 2ⁿ và có thêm đồng phân meso.

Ví dụ: Phân tử acid tartaric có 2 nguyên tử carbon bất đối xứng giống nhau nên

Các đồng phân quang học và đồng phân meso của acid tartaric

Acid mesotartaric Acid(-) tartaric

Acid(+) tartaric

HOOC CHOH CHOH COOH

COOH

COOH H

H OH COOH

COOH H H COOH

COOH H

COOH

COOH H H OH

HO HO HO

I II III IV

mp ủoỏi xửựng

* *

Trong đó:

I và II là 2 đối quang (2 đồng phân quang học). III và IV có mặt phẳng đối xứng trong phân tử nên chúng không quay mặt phẳng phân cực, chúng không có tính quang hoạt. Người ta gọi đó là đồng phân meso.

Chú ý: III và IV chỉ là một công thức.

Có thể giải thích số đồng phân trong các trường hợp số carbon bất đối xứng có cấu tạo khác nhau và giống nhau như sau: Carbon bất đối xứng có cấu tạo khác nhau thì góc quay mặt phẳng phân cực khác nhau. Trong trường hợp acid α,β-dihydroxybutyric, giả sử góc quay của mỗi carbon bất đối là a và b, a>b. Acid tartaric có 2 carbon bất đối với cấu tạo giống nhau, góc quay mặt phẳng phân cực của mỗi carbon bất đối giống nhau (a= b).

Góc quay mặt phẳng phân cực là tổng giá trị góc quay của tất cả carbon bất đối trong phân tử.

Có các trường hợp:

a>b a=b

2 ủoỏi quang 2 ủoỏi quang

α² = ( -a ) + (+b ) = ( -) α¹ = ( +a ) + (+b ) = (+α)

α² = ( -a ) + (-b ) = (-α)

α² = ( +a ) + (-b ) = ( +) moọt ủoàng phaõm meso 2 ủoỏi quang

α⁴ = ( -a ) + (+b) = (0)

α³ = ( +a ) + (-b) = (0)

α² = ( -a ) + (-b ) = (+α⁾ α¹ = ( +a ) + (+b) = (+α⁾

HOOCCHOHCHOHCOOH CH₃CHOHCHOHCOOH

Kết quả: Acid α, β-dihydroxybutyric có 4 đồng phân quang học và acid tartaric chỉ có 2 đồng phân quang học và 1 đồng phân meso.

Trong tài liệu Hợp chất hữu cơ đơn chức và đa chức (Trang 40-43)