Đồng phân hình học là gì? Điều kiện xuất hiện và cách nhận biết nhanh

Đồng phân hình học là một dạng đồng phân lập thể thường gặp trong hóa hữu cơ. Dạng đồng phân này xuất hiện khi các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử có cùng cách liên kết nhưng lại nằm ở những vị trí khác nhau trong không gian.

Trong chương trình phổ thông, đồng phân hình học thường gặp nhất ở các hợp chất có liên kết đôi C=C cũng là dạng bài tập dễ gây nhầm vì không phải cứ có liên kết đôi là chắc chắn có đồng phân hình học.

Muốn xác định chất nào sau đây có đồng phân hình học cần kiểm tra đúng điều kiện của từng nguyên tử carbon trong liên kết đôi.

Đồng phân hình học là gì

Đồng phân hình học là những hợp chất có cùng công thức cấu tạo nhưng khác nhau về vị trí tương đối của các nhóm nguyên tử trong không gian.

Sự khác biệt này xuất hiện do một bộ phận trong phân tử không thể quay tự do.

Trường hợp phổ biến nhất là liên kết đôi carbon – carbon.

Liên kết đôi C=C gồm một liên kết sigma và một liên kết pi. Liên kết pi làm cho hai nguyên tử carbon không thể quay tự do quanh trục liên kết như ở liên kết đơn.

Do đó, các nhóm gắn với hai carbon của liên kết đôi có thể bị giữ ở những vị trí không gian khác nhau tạo nên các đồng phân riêng biệt.

Ví dụ đơn giản về đồng phân hình học

Một ví dụ quen thuộc là but-2-en

CH3–CH=CH–CH3

Mỗi nguyên tử carbon của liên kết đôi đều gắn với hai nhóm khác nhau gồm một nhóm CH3 và một nguyên tử H.

Vì vậy but-2-en có thể tồn tại ở hai dạng hình học.

Dạng thứ nhất có hai nhóm CH3 nằm cùng phía của liên kết đôi.

Dạng thứ hai có hai nhóm CH3 nằm ở hai phía đối nhau.

Hai dạng này thường được gọi là cis-but-2-en và trans-but-2-en.

Điều kiện để có đồng phân hình học

Đây là phần quan trọng nhất khi làm bài tập.

Với anken, điều kiện để có đồng phân hình học là

Mỗi nguyên tử carbon tham gia liên kết đôi C=C phải liên kết với hai nhóm nguyên tử khác nhau.

Có thể biểu diễn tổng quát

a–C=C–c
b d

Muốn có đồng phân hình học thì

a khác b.

c khác d.

Nếu một trong hai carbon của liên kết đôi gắn với hai nhóm giống nhau, chất đó không có đồng phân hình học.

Vì sao phải có hai nhóm khác nhau trên mỗi carbon?

Nếu một carbon của liên kết đôi gắn với hai nhóm giống nhau, việc đổi vị trí trong không gian sẽ không tạo ra cấu trúc mới.

Ví dụ propene

CH2=CH–CH3

Carbon đầu tiên của liên kết đôi gắn với hai nguyên tử H giống nhau.

Dù có tưởng tượng đổi vị trí của các nhóm, phân tử vẫn không tạo thành một đồng phân khác.

Vì vậy, propene không có đồng phân hình học.

Cách nhận biết chất có đồng phân hình học

Khi gặp câu hỏi chất nào sau đây có đồng phân hình học có thể làm theo ba bước.

Bước đầu tiên là tìm liên kết đôi C=C.

Bước thứ hai là kiểm tra hai nhóm gắn vào carbon thứ nhất của liên kết đôi.

Bước thứ ba là kiểm tra hai nhóm gắn vào carbon thứ hai.

Nếu cả hai carbon đều gắn với hai nhóm khác nhau thì chất có khả năng có đồng phân hình học.

Cách kiểm tra này nhanh phù hợp với phần lớn bài tập anken ở phổ thông.

Ví dụ chất có đồng phân hình học

Xét but-2-en

CH3–CH=CH–CH3

Carbon bên trái gắn với CH3 và H.

Hai nhóm khác nhau.

Carbon bên phải cũng gắn với CH3 và H.

Hai nhóm khác nhau.

Vì vậy, but-2-en có đồng phân hình học.

Ví dụ chất không có đồng phân hình học

Xét but-1-en

CH2=CH–CH2–CH3

Carbon đầu tiên của liên kết đôi gắn với hai nguyên tử H.

Do hai nhóm giống nhau nên but-1-en không có đồng phân hình học.

Một ví dụ khác là 2-methylpropene

CH2=C(CH3)2

Carbon đầu tiên gắn với hai H.

Carbon còn lại gắn với hai nhóm CH3 giống nhau.

Vì vậy chất này cũng không có đồng phân hình học.

Cis và trans là gì?

Cis và trans là cách gọi quen thuộc của một số đồng phân hình học đơn giản.

Cis thường dùng khi hai nhóm giống nhau hoặc hai nhóm được xét nằm cùng phía của liên kết đôi.

Trans dùng khi hai nhóm đó nằm ở hai phía đối nhau.

Ví dụ ở but-2-en

Cis-but-2-en có hai nhóm CH3 cùng phía.

Trans-but-2-en có hai nhóm CH3 khác phía.

Hai chất có cùng công thức phân tử và cùng cách liên kết nhưng khác cấu trúc không gian.

Có phải mọi đồng phân hình học đều gọi bằng cis và trans?

Không.

Cách gọi cis – trans chỉ thuận tiện với các phân tử có cấu trúc tương đối đơn giản.

Khi bốn nhóm gắn quanh liên kết đôi đều khác nhau, việc xác định nhóm nào cần so sánh có thể trở nên không rõ ràng.

Trong trường hợp đó, người ta thường sử dụng hệ E – Z.

Hệ E – Z dựa trên mức độ ưu tiên của các nhóm thế theo quy tắc Cahn–Ingold–Prelog.

Nếu hai nhóm có mức ưu tiên cao nằm cùng phía thì gọi là Z.

Nếu chúng nằm ở hai phía đối nhau thì gọi là E.

Đồng phân hình học E và Z

Ký hiệu E và Z cho phép gọi tên chính xác hơn so với cis và trans.

Chữ Z xuất phát từ tiếng Đức zusammen nghĩa là cùng nhau.

Chữ E xuất phát từ entgegen nghĩa là đối nhau.

Để xác định E hay Z trước tiên phải xếp mức ưu tiên của hai nhóm trên từng nguyên tử carbon của liên kết đôi.

Sau đó so sánh vị trí của hai nhóm có ưu tiên cao nhất.

Nếu cùng phía là Z.

Nếu khác phía là E.

Chất nào sau đây có đồng phân hình học?

Trong bài trắc nghiệm nên kiểm tra từng chất thay vì nhìn tên rồi đoán.

Ví dụ cho các chất

CH2=CH2

CH2=CH–CH3

CH3–CH=CH–CH3

CH2=C(CH3)2

Chất đầu tiên là ethene.

Mỗi carbon đều gắn với hai H nên không có đồng phân hình học.

Chất thứ hai là propene.

Một carbon gắn hai H nên không có.

Chất thứ ba là but-2-en.

Mỗi carbon của liên kết đôi đều gắn hai nhóm khác nhau nên có đồng phân hình học.

Chất thứ tư là 2-methylpropene.

Các nhóm thế bị lặp lại nên không có.

Do đó, trong nhóm trên, but-2-en là chất có đồng phân hình học.

Một số chất vòng cũng có đồng phân hình học

Đồng phân hình học không chỉ xuất hiện ở anken.

Một số hợp chất vòng cũng có thể có dạng cis và trans do cấu trúc vòng hạn chế sự quay tự do.

Ví dụ ở cycloalkane có hai nhóm thế, các nhóm có thể nằm cùng phía hoặc khác phía so với mặt phẳng vòng.

Nếu cùng phía có thể gọi là cis.

Nếu khác phía có thể gọi là trans.

Tuy nhiên trong chương trình phổ thông, phần lớn câu hỏi tập trung vào anken nên điều kiện với liên kết đôi C=C vẫn là nội dung quan trọng nhất.

Đồng phân hình học có tính chất giống nhau không?

Không hoàn toàn.

Hai đồng phân hình học có cùng công thức phân tử nhưng cấu trúc không gian khác nhau nên có thể khác về tính chất vật lý.

Chúng có thể có nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy, độ tan hoặc moment lưỡng cực khác nhau.

Ví dụ dạng cis và trans của cùng một hợp chất có thể có mức độ phân cực khác nhau.

Sự khác biệt về cấu trúc không gian cũng có thể ảnh hưởng đến khả năng tham gia một số phản ứng hóa học.

Những lỗi thường gặp khi xác định đồng phân hình học

Lỗi phổ biến nhất là thấy liên kết đôi C=C rồi kết luận ngay chất có đồng phân hình học.

Điều này không đúng.

Phải kiểm tra hai nhóm thế trên từng carbon của liên kết đôi.

Lỗi thứ hai là chỉ kiểm tra một carbon.

Điều kiện phải đúng ở cả hai nguyên tử carbon.

Lỗi thứ ba là nhầm liên kết đôi C=O với C=C.

Các bài tập đồng phân hình học phổ thông chủ yếu xét liên kết C=C hoặc cấu trúc vòng thích hợp chứ không phải cứ có bất kỳ liên kết đôi nào cũng áp dụng cùng quy tắc.

Lỗi thứ tư là cố dùng cis – trans trong mọi trường hợp.

Với phân tử phức tạp thì hệ E – Z mới là cách gọi chính xác hơn.

Mẹo làm nhanh bài đồng phân hình học

Khi nhìn thấy một anken hãy tập trung ngay vào hai nguyên tử carbon của liên kết đôi.

Không cần vẽ lại toàn bộ phân tử nếu cấu trúc đã rõ.

Chỉ cần hỏi hai câu

Carbon thứ nhất có gắn hai nhóm khác nhau không?

Carbon thứ hai có gắn hai nhóm khác nhau không?

Nếu câu trả lời cho cả hai đều là có, chất có khả năng xuất hiện đồng phân hình học.

Nếu chỉ một carbon có hai nhóm giống nhau, loại ngay.

So sánh đồng phân hình học và đồng phân quang học

Đồng phân hình học và đồng phân quang học đều thuộc đồng phân lập thể nhưng nguyên nhân hình thành khác nhau.

Đồng phân hình học thường xuất hiện do hạn chế quay quanh liên kết đôi hoặc trong cấu trúc vòng.

Đồng phân quang học thường liên quan đến tính bất đối xứng của phân tử chẳng hạn có carbon bất đối liên kết với bốn nhóm khác nhau.

Vì vậy điều kiện nhận biết hai loại này không giống nhau.

Ghi nhớ điều kiện để có đồng phân hình học

Với anken dạng tổng quát

R1R2C=CR3R4

Chất có đồng phân hình học khi

R1 khác R2.

R3 khác R4.

Đây là nguyên tắc quan trọng nhất để giải nhanh các câu hỏi chất nào sau đây có đồng phân hình học.

Chỉ cần kiểm tra đúng hai nguyên tử carbon của liên kết đôi, phần lớn bài tập cơ bản có thể giải quyết rất nhanh.

Đồng phân hình học là dạng đồng phân lập thể hình thành do các nhóm nguyên tử có vị trí khác nhau trong không gian trong khi cách liên kết vẫn giữ nguyên. Hiểu rõ điều kiện xuất hiện, cách phân biệt cis – trans và E – Z sẽ giúp việc nhận biết đồng phân hình học trở nên đơn giản hạn chế các lỗi thường gặp trong bài tập hóa hữu cơ.