Đang tải... (xem toàn văn)
Đồng phân lập thể (không gian) 1.1. Khái niệm Đồng phân lập thể (không gian): cùng công thức cấu tạo nhưng khác nhau về cách thức sắp xếp các nguyên tử trong không gian. ■ Còn có tên là đồng phân cấu hình do cấu hình được định nghĩa là cách thức sắp xếp trong không gian của các nguyên tử trong một phân tử. Ví dụ: phân tử methan có cấu hình tứ diện đều
04-Jan-20 TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN HÓA HỌC HỮU CƠ NÂNG CAO NĂM 2019 Stereochemistry HÓA HỌC LẬP THỂ Chương HÓA LẬP THỂ CỦA HỢP CHẤT HỮU CƠ Chương HÓA LẬP THỂ CỦA PHẢN ỨNG HỮU CƠ Hóa Lập Thể 04-Jan-20 Đồng phân lập thể (không gian) 1.1 Khái niệm Đồng phân lập thể (không gian): công thức cấu tạo khác cách thức xếp nguyên tử khơng gian ■ Cịn có tên đồng phân cấu hình cấu hình định nghĩa cách thức xếp không gian nguyên tử phân tử Ví dụ: phân tử methan có cấu hình tứ diện Các cơng thức chiếu biểu diễn cấu hình phân tử hợp chất hữu mặt phẳng Công thức phối cảnh Công thức chiếu Newman Công thức chiếu Fisher Công thức phối cảnh = Sai - Hai nối mặt phẳng biểu diễn nét liền - Nối nằm phía trước mphẳng biểu diễn nét đậm - Nối nằm sau mphẳng biểu diễn nét đứt * Biểu diễn công thức phối cảnh cho nhiều carbon: - Nối sang phải hướng bên mặt phẳng - Nối sang trái hướng phía sau mặt phẳng - Các nối vng góc thật góc nối 109o28’ - Nối C-C vẽ dài nhóm tâm Csp3 khơng chập lên 04-Jan-20 Thuyết quay giới hạn nối đơn σ Nối σ có tính đối xứng trục nghĩa xoay obital xen phủ, độ xen phủ hay độ bền (năng lượng) liên kết khơng đổi Do đó, nguyên tử nối σ xoay quanh liên kết σ Dẫn đến tượng phân tử hữu tồn nhiều cấu dạng khác → Cấu dạng: dạng khác cấu hình có quay quanh nối đơn σ Ví dụ: xét phân tử n-butan Cấu dạng lệch bền cấu trạng che khuất nhiều, bền cấu dạng đối lệch, cấu dạng che khuất tồn phần bền Nói giới hạn khơng phải nối σ quay tự hồn tồn mà phải quay cho cấu dạng bền chiếm lượng nhiều Công thức chiếu Newman - Trục C-C đặt thẳng góc với mặt phẳng chiếu α) - C xa biểu diễn đường tròn, C gần biểu diễn dấu chấm tâm đường trịn - Các nối C gần xuất phát từ tâm đường tròn, Các nối C xa xuất phát từ đường tròn Các nối tạo với góc 120o 04-Jan-20 Cơng thức chiếu Fischer - Nối dọc hướng phía sau mặt phẳng - Nối ngang hướng phía trước mặt phẳng - Mạch carbon đặt trục dọc, với nguyên tử carbon có số oxi hóa cao phía - Giao điểm đường ngang đường dọc tâm carbon Cơng thức chiếu Fischer Lưu ý: Trong trường hợp nhiều C (từ 2C trở lên), để chiếu cơng thức chiếu Fischer ngồi việc chọn góc nhìn, số trường hợp phân tử cấu trạng lệch phải xoay cấu trạng che khuất chiếu 04-Jan-20 1.2 Phân loại Đồng phân lập thể 1.2.1 Đồng phân hình học Định nghĩa: hợp chất có CTCT cách xếp nguyên tử hay nhóm nguyên tử khác mặt phẳng quy chiếu (mặt phẳng π, mặt phẳng vịng - xycloalkan), * Đồng phân hình học nối đơi Hiện tượng đồng phân hình học cấu cứng nhắc nối đôi khác với nối đơn xoay (nếu không xen phủ bên obital pπ) Ban đầu người ta sử dụng tên gọi cis-trans, tên gọi có nhược điểm trường hợp carbon nối đơi khơng có nhóm giống nhau→ không phân biệt cis-trans → Z - E Cách gọi tên E-Z Goi tên Z-E dựa độ ưu tiên nhóm carbon nối đôi theo quy tắc Cahn-Ingold-Prelog (CIP) Quy tắc Cahn-Ingold-Prelog Các nhóm ưu tiên xếp theo thứ tự giảm dần số điện tích hạt nhân nguyên tử nguyên tử liên kết trực tiếp với C= VD: -I > -Br > -Cl > -F -SO3H > -OH > -NH2 > -CH3 Nếu hai nguyên tử gắn C= giống xét nguyên tử liên kết trực tiếp với ngun tử Nếu khơng chọn nhóm ưu tiên xét tiếp ngun tử thứ ba… VD: -CR3 > -CHR2 > -CH2R > -CH3; -NR2 > -NHR > -NH2 Một nguyên tử liên kết đôi hay ba tương đương với hai nối đơn ba nối đơn với nguyên tử Vd –CH=O (O,O,H) > -CH2OH (O,H,H) (Vì O O; O > H) Lưu ý: -Đồng vị có khối lượng lớn xếp trước: T > D > H - Cấu hình cis ưu tiên trans, R ưu tiên S 04-Jan-20 * Đồng phân xiclan Các hợp chất vịng no có 3, 4, 5, 6, 7, 8,… carbon Nhưng vòng 3,4 bền (quá căng), thực tế chất vòng chủ yếu vòng 5,6 (bền nhất) Vịng trở lên gặp Mơ hình phân tử Cấu dạng ưu đãi thực tế Dạng đơn giảng Cơng thức khai triển phẳng Ví dụ: Hợp chất 1-Hydroxy-4-bromocyclohexan có đồng phân hình học trình bày dạng đơn giản cấu trạng ghế • C phân bố mặt phẳng song song (13-5 & 2-4-6), cách 0.5Å • Liên kết C-H gồm nhóm: liên kết trục a (axial) & liên kết biên e (equatorial) • Dẫn xuất lần thế: e-methyl cyclohexane bền a-methyl cyclohexane • Khi có nhóm khác nhau: nhóm lớn vị trí e 04-Jan-20 1.2.2 Đồng phân quang học KN: Đồng phân quang học đồng phân lập thể có dạng hình học phân tử khác khả làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực (Tính quang hoạt ) Điều kiện xuất đồng phân quang học có tính khơng trùng ảnh vật: + Thường có Carbon bất đối + Khơng có tâm đối xứng, khơng có mặt phẳng đối xứng (có thể khơng có trục đối xứng ) Các yếu tố đối xứng phân tử: a Mặt phẳng đối xứng: - Mặt phẳng đối xứng mặt phẳng chia vật làm hai phần mà phần ảnh phần gương 04-Jan-20 b Tâm đối xứng: điểm mà đường thẳng qua điểm gặp điểm tương đương khoảng cách c Trục đối xứng: đường thẳng mà quay phân tử quanh trục góc xác định thu cấu trúc trùng với cấu trúc ban đầu Phân tử bất đối có nguyên tử carbon bất đối a Đối quang - Hai đồng phân quang học có trị số độ quay cực riêng dấu đối gọi hai chất đối quang hay đơn giản hai đối quang (enantiomer) Hai chất không chồng khít lên chúng có tính chất vật lý hóa học giống b Biến thể racemic: loại phân tử không quang hoạt, gồm hai loại phân tử đối xứng qua gương Loại quay mặt phẳng ánh sáng phân cực sang phải, loại làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực sang trái với trị số triệt tiêu lẫn 04-Jan-20 c Tính khơng trùng ảnh vật (chiral) -Tính khơng trùng ảnh vật khơng chồng khít ảnh vật mặt phẳng gương -Tính khơng trùng ảnh vật điều kiện cần đủ cho tồn đối quang - Điều kiện để có tính khơng trùng ảnh vật: Những phân tử khơng có tâm đối xứng khơng có mặt phẳng đối xứng có tính trùng vật ảnh -Phân tử có yếu tố đối xứng gọi trùng ảnh vật (achiral) hay đối xứng ( Chiral ) ( Chiral ) 04-Jan-20 d Cấu hình tương đối tuyệt đối: * Cấu hình tương đối: Trong phân tử, có cấu hình giống D- glyceraldehyde kí hiệu chữ D, có cấu hình giống với L-glyceraldehyde kí hiệu chữ L Cấu hình qui định gọi cấu hình tương đối * Cấu hình tuyệt đối: Cách xác định cấu hình tuyệt đối: phân tử C*abcd với độ cấp a>b>c>d Đặt phân tử cho d xa người quan sát, thứ tự giảm dần độ cấp ba nhóm cịn lại theo chiều kim đồng hồ ta có cấu hình R; ngược chiều kim đồng hồ ta có cấu hình S Aldehyde R-glyceric Aldehyde S-glyceric 10 04-Jan-20 II Phân biệt Prochiral : Faces Nhóm Prochiral carbon tứ diện - Khi carbon tứ diện chuyển đổi sang trung tâm chiral cách thay đổi nhóm trực thuộc, gọi trung tâm 'prochiral‘ nhóm gọi nhóm 'prochiral Khi thay đổi hai hydro ghi NADH đến deuterium (đồng vị 2H hydro), carbon trở thành trung tâm chiral - Nếu sản phẩm có cấu hình R nhóm thay gọi pro- R ngược lại Carbonyl and imine carbons nhƣ trung tâm prochiral - gọi re ba nhóm chuỗi ưu tiên theo chiều kim đồng hồ si chúng ngược chiều kim đồng hồ 17 04-Jan-20 Phản ứng hidro hóa đặc biệt khơng hướng face nhóm carbonyl mà cịn hai H diastereotopic NADH thay đổi HÓA LẬP THỂ CỦA PHẢN ỨNG HỮU CƠ Hoá lập thể phản ứng cộng 1.1 Phản ứng cộng electrophin (AE) a/ Phản ứng cộng tạo thành carbon không đối xứng * Chất phản ứng khơng có ngun tử carbon bất đối xứng - Phản ứng but-1-ene + HBr tạo thành lượng giống (R) 2-bromobutane (S) -2-bromobutane →P/ứng khơng có chọn lọc khơng chọn đồng phân lập thể cụ thể Carbocation lai hóa sp2, ba ngtử mà liên kết nằm mph→ ion Brtấn cơng vào hai phía mp, nên thu lượng đồng phân R S giống hệt 18 04-Jan-20 - Phản ứng 2-methylbut-1-ene + HBr có mặt peroxide tạo thành lượng giống đồng phân (R) (S) Carbon gốc tự mang electron chưa ghép cặp lai hóa, electron chưa ghép cặp trải qua hai thùy → HBr kết hợp vào hai phía → thu số lượng giống enantome R S →Khi chất phản ứng khơng có trung tâm bất đối xứng tạo thành sản phẩm có trung tâm bất đối xứng, sản phẩm hỗn hợp racemic * Chất phản ứng có nguyên tử carbon bất đối xứng → Khi chất phản ứng có trung tâm bất đối xứng tạo thành sản phẩm có trung tâm bất đối xứng thứ hai, sản phẩm diastereomer với số lượng không (sản phẩm thu với lượng cao sản phẩm mà ion X- kết hợp từ phía khơng cản trở yếu tố không gian) s b/ Phản ứng cộng tạo thành carbon không đối xứng Khi chất phản ứng khơng có trung tâm bất đối xứng trải qua phản ứng tạo thành sản phẩm có hai trung tâm bất đối xứng, đồng phân lập thể hình thành phụ thuộc vào chế phản ứng 19 04-Jan-20 * Phản ứng cộng tạo thành thông qua trung gian carbocation gốc tự Pư cộng HX Tương tự Phản ứng với trung gian gốc tự Khi hai nhóm thêm vào phía liên kết đơi → cộng syn, khác phía → cộng anti → Khi phản ứng cộng tạo sản phẩm có hai trung tâm bất đối xứng với sản phẩm trung gian carbocation (gốc tự do), thu bốn đồng phân lập thể 20 04-Jan-20 * Lập thể phản ứng cộng hydro vào alkene Phản ứng hydro hóa xúc tác, alkene nằm bề mặt chất xúc tác kim loại mà H2 hấp thụ → Kết là, hai nguyên tử hydro cộng vào phía liên kết đơi → phản ứng cộng syn Nếu pư cộng H2 tạo thành sản phẩm có hai tâm bất đối xứng, có hai số bốn đồng phân lập thể có xảy cộng syn cis-alkene → erythro; trans-alkene → threo Nếu tâm bất đối xứng mang nhóm giống → đồng phân meso Lưu ý: Nếu chất phản ứng dạng vòng cyclic (5, cạnh), pư cộng H2 tạo thành đồng phân cis hai hydrogens thêm vào phía liên kết đơi Hai sản phẩm đơi đối quan (enantiomers) Sp meso nhóm vịng giống 21 04-Jan-20 * Hố lập thể phản ứng cộng halogen Cơ chế cộng halogen alkene: - Phân tử halogen không tác dụng đồng thời mà bị phân cực tác dụng liên kết π, công vào alkene theo hai giai đoạn - Giai đoạn chậm định tốc độ chung phản ứng giai đoạn công phần mang điện dương vào nối đôi để tạo tiểu phân trung gian (vòng ion Bromonium or Chloronium) - Trạng thái chuyển tiếp vịng ba cạnh án ngữ phía khơng gian, ion X- cơng vào alkene từ phía đối diện, tức cộng anti (cộng từ hai phía đối nhau) 22 04-Jan-20 + Nếu alkene có cấu hình cis + halogen → sản phẩm có cấu hình threo, ta cặp đối quang + Nếu alkene có cấu hình trans + halogen → sản phẩm có cấu hình erythro, giống ta thu đồng phân meso Phản ứng Dạng cộng Phản ứng cộng tạo trung tâm bất đối xứng sản phẩm Lập thể hình thành Nếu chất phản ứng khơng có tâm bất đối xứng, hỗn hợp racemic hình thành Nếu chất phản ứng có tâm bất đối xứng, lượng khơng đồng cặp diastereomers hình thành Phản ứng cộng tạo hai trung tâm bất đối xứng sản phẩm Cộng với hợp chất có tạo sản Syn anti Bốn đồng phân lập thể hình phẩm trung gian carbocation (gốc thành; tự do) Cộng H2, peroxyacid, BH3 or BHR2 syn Cộng Br2 , Br2 + H2O, Br2 +ROH (bất kỳ phản ứng tạo thành trung gian ion bromonium chloronium tuần hoàn) anti cis → erythro or cis enantiomers trans → threo or trans enantiomers cis → threo or trans enantiomers trans → erythro or cis enantiomers 23 04-Jan-20 1.2 Phản ứng cộng nucleophin (AN) Phản ứng cộng nucleophin vào liên kết đơi C=O khơng có đặc thù lập thể dù phản ứng diễn theo chế cộng cis hay cộng trans thu sản phẩm quay tự quanh liên kết đơn C-O Như phản ứng cộng tạo sản phẩm có nguyên tử C bất đối sản phẩm hỗn hợp racemic Nhưng trường hợp phân tử có nguyên tử C bất đối liên kết với nhóm C=O Cấu hình sản phẩm xác định theo quy tắc Cramer Quy tắc Cramer : - Hợp chất carbonyl phản ứng cấu dạng có nguyên tử O nhóm C=O nằm hai nhóm có kích thước nhỏ ngun tử C bất đối bên cạnh nhóm R (hay nguyên tử H) nhóm C=O nằm vị trí che khuất với nhóm lớn C bất đối - Sản phẩm ưu tiên hình thành sản phẩm tác nhân nucleophin cơng vào phía bị án ngữ khơng gian, tức phía nhóm nhỏ nhóm lớn sản phẩm 24 04-Jan-20 Hoá lập thể phản ứng nucleophin vào nguyên tử carbon no 2.1 Phản ứng (SN2) Phản ứng SN2 làm quay cấu hình phân tử Ở trạng thái chuyển tiếp, tác nhân (Y-) tương tác với trung tâm bất đối liên kết trung tâm bất nhóm (X) chưa bị đứt hồn tồn Khi nhóm nhóm bị xếp đường thẳng hai phía trung tâm bất đối 25 04-Jan-20 Sau trạng thái chuyển tiếp hình thành, nhóm bị tách liên kết C-R chuyển sang phía trước có nhóm X Sản phẩm thu có cấu tạo tứ diện ngược với tứ diện ban đầu Đó gọi nghịch đảo Walden Như vậy, nghịch đảo Walden đảo ngược cấu hình sản phẩm so với chất ban đầu sau thực phản ứng SN2 nguyên tử C bất đối Ví dụ 1: Cho (R)-2-bromobutan tác dụng với dung dịch NaOH Ví dụ 2: Xét phản ứng (S)-3-chloro-2,2-dimethylpentan với dd KOH 26 04-Jan-20 2.2 Phản ứng (SN1) Phản ứng SN1 xảy với kết tạo hỗn hợp racemic kèm theo quay cấu hình phần tuỳ thuộc vào thời gian tồn carbocation - Tạo hỗn hợp racemic: Vì carbocation tạo giai đoạn có cấu trúc phẳng, giai đoạn phản ứng, tác nhân nucleophin cơng từ phía mặt phẳng với xác suất - Quay cấu hình: Thực tế, racemic hố xảy khơng hồn tồn tỉ lệ sản phẩm quay cấu hình giữ nguyên cấu hình thường lớn Điều giải thích anion X- chưa kịp xa nên che chắn đường cơng Y- vào carbocation phẳng, buộc Y- phải ưu tiên cơng vào phía đối diện giống hướng theo chế SN2 Ví dụ 1: Khi thuỷ phân R-2-bromo octane alcohol - nước thu alcohol tương ứng, 66% cấu dạng S 34% biến thể racemic: 27 04-Jan-20 Ví dụ 2: Thuỷ phân điều kiện tương tự với (R)-(1chloroethyl)benzene kết thu 95% biến thể racemic 5% cấu dạng S: →Như vậy, thời gian tồn carbocation ít, carbocation mau chóng phản ứng với tác nhân Nu-, X- chưa kịp xa khỏi trung tâm phản ứng phần trăm quay cấu hình lớn Ngược lại, thời gian tồn carbocation lớn phần trăm racemic hoá nhiều Cơ chế SN1, SN2 pư R-X + Y- phụ thuộc cấu trúc chất đầu: - Nếu X gắn trực tiếp với C bậc pư xảy chủ yếu theo chế SN2 - Nếu X gắn trực tiếp với C bậc pư xảy chủ yếu theo chế SN1 - Nếu X gắn trực tiếp với C bậc 2, pư xảy theo chế SN1 SN2 phụ thuộc cấu trúc dung môi Dung môi phân cực làm cho phản ứng xảy theo chế SN1, dung môi không phân cực phân cực làm cho phản ứng xảy theo chế SN2 28 04-Jan-20 Hoá lập thể phản ứng tách 3.1 Phản ứng tách (E2) * Đối với hợp chất mạch hở Cơ chế tách E2 xảy Theo qui tắc Ingold: phân tử chất phản ứng quay tự để bốn tâm tham gia phản ứng phải nằm mặt phẳng, nghĩa nguyên tử, nhóm nguyên tử tham gia phản ứng phải vị trí trans (anti) liên kết trục tạo điều kiện thuận lợi cho xen phủ cực đại orbital trình hình thành liên kết Quy tắc Ingold giải thích lý do: + Do hiệu ứng điện tử không gian: Sự tách trans giải thích thuận lợi mặt lượng hình thành trạng thái chuyển tiếp tránh tương tác đẩy điện tử X tác nhân nucleophin + Khi nhóm bị tách xếp vị trí anti orbital hình thành liên kết với chúng có vị trí thuận lợi cho việc hình thành liên kết π anken (sự chuyển hố từ Csp3 sang Csp2 khơng phải đổi hướng orbital) 29 04-Jan-20 Ví dụ: Pư tách alcoholate kiềm 2-bromo-1-deutero-1,2diphenyl ethan * Đối với hợp chất vòng no E2 xảy a theo Quy tắc Barton- Hassel: Phản ứng tách E2 vòng no xảy thuận lợi nhóm tách vị trí diaxial- trans Xét phản ứng cyclohexane tách 2-chloro-1-isopropyl-4-methyl 30 04-Jan-20 3.2 Phản ứng tách đơn phân tử (E1) Phản ứng E1 khơng có tính đặc thù mặt lập thể phản ứng E2 phản ứng E1 qua giai đoạn tạo carbocation có cấu trúc phẳng Do vậy, phản ứng E1 tách cis trans, nhiên đa phần tách trans ưu vd1: CH3-CH2-CHBr-CH3CH3CH2-CH+-CH3CH3-CH=CH-CH3 carbocation trans > cis Sản phẩm tách trans chiếm ưu phức cis hình thành có sức căng phụ phức hoạt hố tương tác đẩy nhóm metyl, nghĩa lượng phức hoạt hố cis cao trans Ví dụ 2: Tách nước từ hợp chất 3-metylbutan-2-ol với xúc tác H+ CH3_ CH_ CH _CH3 +H+ CH3_ CH_ CH _CH3 + CH3_ CH_ CH _CH3 CH3 +OH2 CH3 OH + CH3_ CH_ CH _CH3 chuyển vị hiđrua CH3 CH3_ CH_ CH=CH2 CH3 - H2O CH3 + CH3_ C_ CH2 _CH3 CH3 CH3_ C = CH _CH3 CH3 s¶n phÈm (bền hơn) CH2= C _ CH _CH3 CH3 sản phÈm chun vÞ 31 ... 17 04-Jan-20 Phản ứng hidro hóa đặc biệt khơng hướng face nhóm carbonyl mà cịn hai H diastereotopic NADH thay đổi HĨA LẬP THỂ CỦA PHẢN ỨNG HỮU CƠ Hoá lập thể phản ứng cộng 1.1 Phản ứng cộng electrophin... phân meso Phản ứng Dạng cộng Phản ứng cộng tạo trung tâm bất đối xứng sản phẩm Lập thể hình thành Nếu chất phản ứng khơng có tâm bất đối xứng, hỗn hợp racemic hình thành Nếu chất phản ứng có tâm... gian) s b/ Phản ứng cộng tạo thành carbon không đối xứng Khi chất phản ứng khơng có trung tâm bất đối xứng trải qua phản ứng tạo thành sản phẩm có hai trung tâm bất đối xứng, đồng phân lập thể hình