Bài giảng Hóa học hưu cơ Chương 2: Các hiện tượng đồng phân trong hóa hữu cơ38174

Ch ng đ ng phân hóa h u c ng 2: Các hi n t Ch ng 2: CÁC HI N T Trang 16 NG PHÂN TRONG HÓA H U C ng đ ng phân g n li n v i c u t o c u trúc không gian c a phân t Các hi n t m t hi n t NG http://www.ebook.edu.vn ng r t ph bi n hóa h c h u c Nh có hi n t ây ng đ ng phân mà s h p ch t h u c t ng lên r t nhi u Các ch t g i đ ng phân v i nh ng ch t có công th c nguyên, nh ng khác v CTCT tính ch t Ngày ng i ta bi t r t nhi u hi n t ng đ ng phân phân bi t s d ng có th chia làm hai d ng bi u di n: ng phân c u t o (đ ng phân m t ph ng) ng phân l p th (đ ng phân c u trúc) 2.1 2.1.1 ng phân c u t o ng phân v m ch cacbon ng phân v m ch C đ ng phân v cách s p x p m ch C theo tr t t c u t o khác nhau, d n đ n tính ch t khác Ví d : C4H10 (butan) có đ ng phân sau: CH3 - CH - CH3 CH3 - CH2 - CH2 - CH3 CH3 iso-butan n-butan 2.1.2 ng phân v v trí nhóm ch c ng phân v v trí nhóm ch c nh ng đ ng phân có nhóm ch c, ch khác v v trí nhóm ch c m ch C Ví d : ancol C3H7OH có hai đ ng phân v nhóm ch c sau: CH3 - CH - CH3 CH3 - CH2 - CH2 - OH OH propanol-1 propanol-2 Hay: C6H4CH3OH có đ ng phân v v trí nhóm OH sau: CH3 CH3 CH3 OH OH 2.1.3 OH p-cresol m-cresol o-cresol ng phân v ch c h u c Nhóm ch c nhóm đ c tr ng cho tính ch t hóa h c c a h p ch t ng phân v ch c h u c đ ng phân t o nhóm ch c khác c a h p ch t có thành ph n V ch c ancol ete: CH3 – CH2 – OH CH3 – O – CH3 V ch c axit este: CH3COOH V ch c andehit, xeton r HCOOCH3 u: CH3 – CH2 – CHO ; CH3 – CO – CH3 ; CH2 = CH – CH2 – OH DeThiMau.vn Ch ng 2: Các hi n t ng đ ng phân hóa h u c http://www.ebook.edu.vn Trang 17 V b c c a nhóm ch c: CH3 – CH2 – CH2 – NH2 ; CH3 – NH – CH2 – CH3 CH3 CH3 N CH3 2.1.4 ng phân h bi n (tautome) ng phân h bi n đ ng phân c a hai ch t có thành ph n nh ng khác v c u t o Hai ch t tr ng thái chuy n hóa l n nhau: O CH3 - C = CH - C - CH3 CH3 - C - CH2 - C - CH3 O OH O axetyl xeton 2-hodroxyl-2-pentenon Chuy n hóa đ c g i h bi n xeton – anol Ngoài h u c g p nhi u d ng h bi n khác Nitroso - oximino CH - N = O C = N - OH Amido - imidol NH - C = O N = C - OH Nguyên nhân gây đ ng phân h bi n s chuy n ch c a nguyên t H trung tâm O, N, … 2.2 2.2.1 ng phân l p th ng phân hình h c (đ ng phân Cis – Trans) Các đ ng phân khác v v trí nhóm th đ I v I m t ph ng liên k t đôi, ho c đ i v i m t ph ng c a vòng (đ i v i h p ch t có c u t o vịng) H H H H CH3 H CH3 CH3 H CH3 C=C Cl Cl Cl H C=C Cl Cis-1,2-dicloeten H trans-1,2-dicloeten Cis-1,2-dimetyl xiclohexan Trans-1,2-dimetyl xiclohexan i u ki n đ có đ ng phân hình h c: - Phân t ph i ch a liên k t đơi ho c vịng kín - Các nguyên t C có ch a liên k t đơi vịng kín ph i liên k t v i hai nguyên t ho c nhóm th có b n ch t khác Khi hai nhóm th phía ta có d ng đ ng phân cis, hai nhóm th khác phía cho d ng đ ng phân trans ng phân cis trans khác v tính ch t v t lý Nhi t đ nóng ch y c a cis th p h n trans, nh ng nhi t đ sôi c a cis l i cao h n nhi t đ c a trans Ví d , diphenyl butadien có đ ng phân: DeThiMau.vn Ch ng đ ng phân hóa h u c ng 2: Các hi n t C6 H5 C6 H5 H C=C H H C6 H5 H trans - trans C=C C6 H5 C=C H H Trang 18 H C6H5 C=C C6H5 H H H C=C C=C http://www.ebook.edu.vn H H cis - cis trans - cis S đ ng phân c a phân t có n n i đơi tính theo cơng th c: N = 2n-1 + 2p-1 n n +1 , n s l thì: p = 2 N s ch n p = 2.2.2 ng phân c u d ng Nh ch ng v liên k t hóa h c trình bày liên k t σ có c ch xen ph obitan lai hóa d c theo tr c n i hai tâm h t nhân Vì v y, nguyên t hay nhóm nguyên t có kh n ng quay quanh liên k t mà liên k t v n t n t i Do án ng không gian, kho ng cách thay đ i c a nguyên t , nhóm nguyên t khác quay quanh liên k t th n ng t ng tác thay đ i N ng l kcal/mol nh h n r t nhiêu so v i n ng l ng tiêu t n quay kho ng ng khác M i tr ng thái c a nguyên t , nhóm ngun t khơng gian có d ng hình th xác đ nh n ng l ng t ng tác nh t đ nh D ng hình th g i c u d ng Các c u d ng hình thành quay quanh liên k t xích ma có n ng l l m, khó tách riêng đ mà c Trong vơ s v trí khơng gian, có m t s v trí khơng gian ngun t , nhóm nguyên t có kho ng cách xa nh t t nh t C u d ng t o thành tr ng thái s b n nh t th ng không khác ng t n t i u ki n bình th ng phân t c u d ng bi u di n c u d ng m t ph ng mà th hi n đ Vi c làm không đ n gi n v i phân t bi u di n t ng tác s nh c c u trúc khơng giam chi u có nhi u nguyên t Vì v y, ph i có m t hình th c ng tr ng khác Sau minh h a m t s cách bi u di n đ n gi n c u d ng phân t Bi u di n theo ph i c nh: C u d ng c a buttan CH3 CH3 H H H CH3 CH3 H H H CH3 CH3 CH3 C C C H C CH3 C H C C C H H H H Theo Newman, nét đ m th hi n liên k t h DeThiMau.vn H H ng t gi y tr H c m t ng H i quan sát, Ch ng 2: Các hi n t nét th ng đ ng phân hóa h u c http://www.ebook.edu.vn Trang 19 ng bi u di n liên k t n m t gi y, nét ch m ch m n m phía sau t gi y CH3 H H H H H3C CH3 H H H H CH3 Bi u di n theo Newman c u d ng c a butan a) ng phân c u d ng m ch h di n đ u, góc liên k t 109028, đ dài liên k t C – H b ng 1,1A0 Metan có c u trúc m t t Nó có c u hình xác đ nh khơng có đ ng phân c u d ng Etan ch t đ u tiên c a ankan có kh n ng t n t i đ ng phân c u d ng Khi nhóm metyl c a etan quay quanh liên k t xíchma 3600, v trí nguyên t phân t c ng thay đ i, th n ng t S ng tác c a chúng c ng thay đ i theo bi n thiên th n ng t quay t – 360 đ H ng tác (n ng l ng t ng tác) c a nguyên t H nhóm CH3 c bi u di n hình 3.1: H HH H HH H kcal/mol H H H H H H H 60 120 180 240 300 360 Hình 2.1: Gi n đ th n ng t ong Phân tích c u d ng c a metan gi n đ nh n th y v trí góc quay 600, 1200, 3000 ng v i c u d ng có n ng l ó c u d ng xen k (c u d ng ng t ng tác c c ti u tr ng) Các h p ch t ki u X3C – CX3 đ u có giãn đ th n ng t ng t nh etan Nh ng đ i v i butan xu t hi n hai nhóm th l n CH3 so v i nguyên t H, gi n đ th n ng t có d ng khác, không đ n u nh etan, … R ràng t tác c a CH3 v i CH3 bên c nh t ng tác ng tác c a nhóm CH3 v I H s khác t ng ng tác c a H v i H Cho nên quay vịng – 360 butan có th hình thành c u d ng đ c tr ng nh hình 2.1 Butan khác v i etan có hai d ng b n: c u d ng ng v i n ng l DeThiMau.vn ng c c ti u s (1) (3), Ch ng đ ng phân hóa h u c ng 2: Các hi n t http://www.ebook.edu.vn Trang 20 (5), c u d ng (1) g i c u d ng đ i (anti) c u d ng l ch (gaucher) s (3) Riêng c u d ng l ch ph i c u d ng l ch trái (3) (5) CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 H C CH3 CH3 CH3 (1) CH3 H 3C (2) (6) (5) (4) (3) kcal/mol (4) (6) (2) (1) (5) (3) 60 120 180 240 300 360 Hình 2.2: Gi n đ th n ng c a butan nhi t đ 300 K butan t n t i c u d ng (1) kho ng 2/3 kho ng 1/3 c u d ng (3) (5) S c u d ng c a phân t có n liên k t σ b) nh có th có 3n c u d ng khác ng phân c u d ng m ch vịng gi I thích m t s m ch vòng b n m t s m ch vịng khơng b n Bayer đ a “thuy t c ng vịng” Vịng có góc b ng 109o28 vịng chu n, vịng b n Các vịng có góc l ch v i vịng chu n có s c c ng vòng l n b n Góc hóa tr đ l ch đ c tính theo cơng th c: c tính theo cơng th c: 180(n − 2) , n s c nh m ch vòng 1090 28 − x , x góc hóa tr c a vịng Theo thuy t Bayer vòng c nh c nh có đ l ch nh s c c ng vòng nh , vòng b n nh t Các vòng l n h n nh h n vịng có s c c ng vòng l n b n Nh ng th c t c ng có nhi u vịng l n có tính b n cao V sau Sahse, Mohz, Pitre cho r ng m ch vòng c nh l n h n c nh khơng có c u d ng ph ng mà có c u d ng không gian, ngh a nguyên t H nguyên t C không DeThiMau.vn Ch ng đ ng phân hóa h u c ng 2: Các hi n t http://www.ebook.edu.vn n m m t m t ph ng Do chúng đ y đ t o c u d ng có th n ng t Trang 21 ng tác nh nh t đ ng th i c ng t o c u trúc b n có góc g n b ng v i góc chu n 109 28 Thí d vịng c nh xyclo hexan có m t c u s c u d ng n hình nh hình 2.3: (a)H H H H H H H H H(e) H H H H H(e) H H H H H(a) H H D ng thuy n (c u d ng C) D ng gh (c u d ng Z) H H H H H (He) H H H H H H H H(a) H(e) H H H H H(a) D ng gh D ng xo n H H H H H H H H H H H HH HH H D ng n a gh D ng thuy n Hình 2.3: Các c u d ng c a xyclo hexan nhi t đ bình th có n ng l ng phân t xyclo hexan có g n 990 t n t i ng nh b n h n c u d ng thuy n Nguyên t H v trí equatorial (e) v trí thu n l i v m t không gian n ng l nên nhóm th đ u có xu h ng đ nh h Thí d , metyl xyclohexan kho ng 5% nhi t đ ng ho c chuy n v trí v equatorial (e) bình th ng g n 95% nhóm metyl v trí (e) ng h p m ch vịng có hai nhóm th : nh vịng c nh s có đ ng phân Cis Trans nh sau: Cis: ng, cho v trí axial (a) Trong tr 2.2.3 d ng gh C u d ng gh ea, ae: v trí 1,2 Trans: aa, ae v trí 1,2 ea, ae: v trí 1,4 ee, aa v trí 1,4 aa, ae: v trí 1,3 ae, ae v trí 1,3 ng phân quang h c DeThiMau.vn Ch ng đ ng phân hóa h u c ng 2: Các hi n t http://www.ebook.edu.vn Trang 22 a) Ch t ho t đ ng quang h c có C đ i x ng i u ki n đ xu t hi n đ ng phân quang h c ch t có phân t c u trúc b t đ i x ng có th b t đ i x ng phân t ho c có nguyên t C b t đ i x ng hình dung v C b t đ i x ng ta nh c l I H thuy t hoá l p th c a L ben Vanh p v c u trúc metan Theo hai ơng phân t metan có c u trúc Hình 3.8: Cấu dạng hình học phân tửCH theo thuyết lai hóa khơng gian nguyên t H phân đ nh di n đ u trung tâm c a t c at C H di n nguyên t C, hóc hoá tr (HCH) b ng 109028 H H Thuy t g i thuy t cacbon t di n Hình 2.4: C u trúc d n xu t c a metan N u thay nguyên t H CH4 b ng nhóm th a, b, c, d khác nguyên t C đ c g i nguyên t C b t đ I, ký hi u C Vi c bi u di n đ ng phân quang h c b ng hình t di n nh * m t ph ng không ph i tr ng h p c ng thu n l i v y n m 1891, E.Fischer đ ngh s d ng công th c chi u ph ng thay cho công th c t di n Tu thu c vào vi c ch n c nh t di n c nh n m ngang quay v phía ng i quan sát mà có th có cơng th c chi u khác a a a c b d c b c b d d Hình 2.5: Cơng th c chi u th ng c a Fischer b) ng phân quang h c (các d ng c u hình) Nh nói quang h c Tr trên, phân t có c u trúc b t đ i x ng đ u có kh n ng t o đ ng phân ng h p đ n gi n có m t C* axit lactic: c h t làm quen v i tr H CH3 C* COOH OH Axit có hai đ i quang (hai ch t ngh ch quang) đ ng phân quay ph i, kí hi u (d) ho c (+) góc quay theo chi u kim đ ng h đ ng phân quay trái, kí hi u l ho c (-), góc quay ng c chi u kim đ ng h Xem hình 2.6, hai đ i quang (hai c u hình) chúng r t gi ng nh ng khơng th xem ch ng khít lên đ c, chúng đ i x ng nh v t nh g ng, nh bàn tay trái bàn tay ph i Chúng hai đ ng phân quang h c có tính ch t lý hố gi ng nhau, ch khác kh DeThiMau.vn Ch ng 2: Các hi n t ng đ ng phân hóa h u c http://www.ebook.edu.vn Trang 23 n ng làm quay m t ph ng phân c c ánh sáng c a m t sang ph i, m t sang trái khác v ho t đ ng sinh v t hay: H OH H COOH COOH COOH COOH OH H HO H HO CH3 CH3 CH3 CH3 Gương Hình 2.6: C u hình c a axit lactic M t c p ngh ch quang nh hình 2.6 có góc quay v tr s t đ i b ng nh ng khác v d u H n h p 50% đ ng phân quay ph i 50% đ ng phân quay trái m t phân t b t đ i g i h n h p Raxemic (bi n th raxemic) D nhiên h n h p raxemic có tr s quay c c b ng không Các h p ch t propadiol-1,2, andehit glyxeric ch t có m t C* c ng có m t c p đ i quang nh axit lactic BÀI T P 2.1 Vi t công th c c u trúc đ ng phân hình h c (n u có) m i tr ng h p sau: (A): CH3 – CH = CH – CH3 (E): CH3 – CH = CH – CH = CH – CH3 (B): (CH3)2 – CH = CH – CH3 (F): CH3 – CH = CH – COOH (C): CH3 – CH = CH – C6H5 (G): 1,1-đimetyl xiclohexan (D): CH3 – C ≡ C – CH3 (H): 1,2-đimetyl xiclohexan 2.2 Khái quát v u ki n c n đ đ có đ ng phân hình h c? 2.3 Nguyên t cacbon b t đ i gì? i u ki n đ xu t hi n đ ng phân quang h c gì? Nêu thí d minh ho ? 2.4 Ch t d i có th có đ ng phân quang h c? S l ng đông phân bao nhiêu? (A): CH3 – CHBr – CH3 (D): CH3 – CHOH – COOH (B): CH3 – CHBr – CH2 – CH3 (E): HOOC – CH2 – CHNH2 – COOH (C): CH3 – CHBr – CHBr – CH3 (G): HOOC – CHOH – CHOH – COOH 2.5 C u d ng gì? Vi t công th c c u d ng b n c a etan; propan; butan; isopentan; 1,2-điclo etan DeThiMau.vn ... ng 2: Các hi n t ng đ ng phân hóa h u c http://www.ebook.edu.vn Trang 17 V b c c a nhóm ch c: CH3 – CH2 – CH2 – NH2 ; CH3 – NH – CH2 – CH3 CH3 CH3 N CH3 2.1.4 ng phân h bi n (tautome) ng phân. .. trí 1,3 ng phân quang h c DeThiMau.vn Ch ng đ ng phân hóa h u c ng 2: Các hi n t http://www.ebook.edu.vn Trang 22 a) Ch t ho t đ ng quang h c có C đ i x ng i u ki n đ xu t hi n đ ng phân quang... Chúng hai đ ng phân quang h c có tính ch t lý hố gi ng nhau, ch khác kh DeThiMau.vn Ch ng 2: Các hi n t ng đ ng phân hóa h u c http://www.ebook.edu.vn Trang 23 n ng làm quay m t ph ng phân c c ánh