Đồng phân lập thể là gì? Phân loại và cách nhận biết trong hóa hữu cơ

Đồng phân lập thể là một nội dung quan trọng trong hóa hữu cơ vì nhiều hợp chất có cùng công thức phân tử cùng thứ tự liên kết nhưng lại khác nhau về cách sắp xếp các nguyên tử trong không gian. Sự khác biệt này có thể làm thay đổi tính chất vật lý, hóa học đặc biệt là hoạt tính sinh học của chất.

Để hiểu rõ đồng phân lập thể là gì, cần phân biệt nó với đồng phân cấu tạo đồng thời nắm được hai nhóm chính là đồng phân hình học và đồng phân quang học.

Đồng phân lập thể là gì?

Đồng phân lập thể là những hợp chất có cùng công thức phân tử và cùng thứ tự liên kết giữa các nguyên tử nhưng khác nhau về cách sắp xếp các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử trong không gian.

Nói đơn giản, bộ khung liên kết của các phân tử giống nhau nhưng hình dạng ba chiều của chúng khác nhau.

Đây là điểm khác biệt quan trọng giữa đồng phân lập thể và đồng phân cấu tạo.

Trong đồng phân cấu tạo, các nguyên tử liên kết với nhau theo thứ tự khác nhau.

Trong đồng phân lập thể, thứ tự liên kết không đổi nhưng vị trí tương đối trong không gian thay đổi.

Ví dụ đơn giản về đồng phân lập thể

Một ví dụ quen thuộc là but-2-en.

Công thức cấu tạo cơ bản của but-2-en là

CH3–CH=CH–CH3

Do liên kết đôi C=C không thể quay tự do như liên kết đơn, hai nhóm CH3 có thể nằm cùng phía hoặc khác phía so với liên kết đôi.

Nếu hai nhóm CH3 nằm cùng phía ta có một đồng phân.

Nếu chúng nằm khác phía ta có đồng phân còn lại.

Hai chất có cùng công thức phân tử và cùng thứ tự liên kết nhưng khác cách sắp xếp trong không gian vì vậy chúng là đồng phân lập thể.

Đồng phân lập thể khác đồng phân cấu tạo như thế nào?

Đây là điểm học sinh thường nhầm.

Đồng phân cấu tạo khác nhau ở cách các nguyên tử liên kết với nhau.

Ví dụ, butan và isobutan đều có công thức phân tử C4H10 nhưng cấu trúc mạch carbon khác nhau.

Trong khi đó, đồng phân lập thể có cùng cách liên kết.

Sự khác biệt chỉ nằm ở vị trí không gian của các nguyên tử hoặc nhóm thế.

Có thể nhớ ngắn gọn

Đồng phân cấu tạo khác bộ khung liên kết.

Đồng phân lập thể cùng bộ khung, khác không gian.

Các loại đồng phân lập thể

Đồng phân lập thể thường được chia thành hai nhóm lớn.

Đó là đồng phân cấu dạng và đồng phân cấu hình.

Đồng phân cấu hình lại gồm nhiều dạng, trong đó phổ biến nhất ở chương trình phổ thông và đại cương là đồng phân hình học và đồng phân quang học.

Đồng phân cấu dạng là gì?

Đồng phân cấu dạng xuất hiện khi các phân tử có thể chuyển đổi qua lại bằng cách quay quanh liên kết đơn mà không cần phá vỡ liên kết.

Ví dụ điển hình là ethane.

Hai nhóm CH3 có thể quay quanh liên kết C–C tạo ra nhiều cấu dạng khác nhau.

Trong số đó có cấu dạng xen kẽ và cấu dạng che khuất.

Các cấu dạng này không phải là những chất hoàn toàn tách biệt trong điều kiện thông thường vì chúng có thể chuyển đổi qua lại rất nhanh.

Đồng phân cấu hình là gì?

Đồng phân cấu hình không thể chuyển đổi qua lại chỉ bằng cách quay quanh liên kết đơn thông thường.

Muốn chuyển từ dạng này sang dạng khác thường phải phá vỡ với hình thành lại một số liên kết.

Hai nhóm thường gặp nhất là đồng phân hình học và đồng phân quang học.

Đồng phân hình học là gì?

Đồng phân hình học xuất hiện khi sự quay bị hạn chế thường gặp ở liên kết đôi C=C hoặc trong một số cấu trúc vòng.

Ở liên kết đôi, hai nguyên tử carbon được liên kết bằng một liên kết sigma và một liên kết pi.

Liên kết pi làm cho hai carbon không thể quay tự do quanh trục liên kết như liên kết đơn.

Do đó các nhóm thế có thể bị giữ ở những vị trí không gian khác nhau.

Điều kiện có đồng phân hình học

Không phải hợp chất nào có liên kết đôi C=C cũng có đồng phân hình học.

Điều kiện cơ bản là mỗi nguyên tử carbon của liên kết đôi phải gắn với hai nhóm thế khác nhau.

Ví dụ but-2-en có đồng phân hình học vì mỗi carbon của liên kết đôi đều gắn với một nhóm CH3 và một nguyên tử H.

Ngược lại, propene CH2=CH–CH3 không có đồng phân hình học vì một carbon của liên kết đôi gắn với hai nguyên tử H giống nhau.

Đồng phân cis và trans

Với những phân tử đơn giản, đồng phân hình học thường được mô tả bằng hệ cis – trans.

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

Trans dùng khi chúng nằm ở hai phía đối nhau.

Ví dụ cis-but-2-en có hai nhóm CH3 cùng phía.

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

Hai chất này có thể khác nhau về nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy và độ ổn định.

Hệ E và Z

Khi phân tử có nhiều nhóm thế phức tạp, cách gọi cis – trans có thể không còn rõ ràng.

Lúc này người ta sử dụng hệ danh pháp E – Z.

Các nhóm thế được xếp mức ưu tiên theo quy tắc Cahn–Ingold–Prelog.

Nếu hai nhóm có ưu tiên cao nằm cùng phía, cấu hình được ký hiệu là Z.

Nếu chúng nằm đối diện nhau, cấu hình được ký hiệu là E.

Hệ E – Z có phạm vi áp dụng rộng hơn cis – trans.

Đồng phân quang học là gì?

Đồng phân quang học xuất hiện khi phân tử có tính bất đối xứng và tồn tại dưới hai dạng là ảnh gương của nhau nhưng không thể chồng khít hoàn toàn.

Hai dạng này được gọi là enantiomer.

Ví dụ quen thuộc là một phân tử có nguyên tử carbon bất đối xứng liên kết với bốn nhóm thế khác nhau.

Nguyên tử carbon như vậy thường được gọi là carbon bất đối hoặc tâm bất đối.

Carbon bất đối là gì?

Carbon bất đối thường là nguyên tử carbon sp3 liên kết với bốn nhóm nguyên tử khác nhau.

Ví dụ nếu một carbon gắn với H, OH, CH3 và COOH thì carbon này có thể tạo tâm bất đối.

Một phân tử có tâm bất đối thường có khả năng tồn tại dưới hai dạng ảnh gương không chồng khít.

Tuy nhiên, không phải cứ có nhiều tâm bất đối thì số đồng phân luôn bằng 2^n.

Một số phân tử có yếu tố đối xứng bên trong có thể tạo dạng meso làm giảm số đồng phân thực tế.

Enantiomer là gì?

Enantiomer là hai đồng phân lập thể là ảnh gương của nhau nhưng không thể chồng khít.

Có thể hình dung giống như bàn tay trái và bàn tay phải.

Hai bàn tay có hình dạng tương tự nhau cả là ảnh gương của nhau nhưng không thể đặt chồng hoàn toàn trùng khít.

Hai enantiomer thường có nhiều tính chất vật lý giống nhau trong môi trường không đối quang.

Tuy nhiên chúng quay mặt phẳng ánh sáng phân cực theo hai hướng ngược nhau có thể tương tác rất khác nhau với enzyme hoặc thụ thể sinh học.

Diastereomer là gì?

Diastereomer là các đồng phân lập thể không phải ảnh gương của nhau.

Các đồng phân cis – trans là một ví dụ của diastereomer.

Ngoài ra, các phân tử có nhiều tâm bất đối cũng có thể tạo ra nhiều cặp diastereomer.

Khác với enantiomer, các diastereomer thường có tính chất vật lý và hóa học khác nhau rõ hơn.

Vì sao đồng phân lập thể quan trọng?

Đồng phân lập thể đặc biệt quan trọng trong hóa sinh và dược học.

Các enzyme và thụ thể trong cơ thể có cấu trúc ba chiều rất đặc hiệu.

Do đó, hai enantiomer của cùng một chất có thể tương tác khác nhau với cơ thể.

Một dạng có thể tạo tác dụng mong muốn trong khi dạng còn lại có thể có tác dụng yếu hơn, không có tác dụng hay gây hiệu ứng khác.

Vì vậy, việc kiểm soát cấu hình không gian là một phần quan trọng trong nghiên cứu cả sản xuất nhiều dược chất.

Cách nhận biết một chất có đồng phân lập thể hay không

Có thể thực hiện theo từng bước.

Trước hết, kiểm tra phân tử có liên kết đôi hoặc vòng làm hạn chế sự quay hay không.

Nếu có liên kết đôi C=C thì kiểm tra mỗi carbon của liên kết đôi có gắn với hai nhóm khác nhau hay không.

Nếu có thì phân tử có thể có đồng phân hình học.

Tiếp theo, kiểm tra các nguyên tử carbon sp3.

Nếu một carbon liên kết với bốn nhóm khác nhau có thể là tâm bất đối và phân tử có khả năng xuất hiện đồng phân quang học.

Sau đó cần xem toàn bộ phân tử có mặt phẳng đối xứng hoặc yếu tố đối xứng đặc biệt hay không.

Điều này rất quan trọng với những phân tử có nhiều tâm bất đối.

Cách tính số đồng phân lập thể

Với một phân tử có n tâm bất đối độc lập và không có yếu tố đối xứng, số đồng phân lập thể tối đa thường là

2^n

Ví dụ nếu có 2 tâm bất đối độc lập, số đồng phân tối đa có thể là

2² = 4

Tuy nhiên, công thức này chỉ cho số tối đa.

Nếu phân tử có cấu trúc đối xứng với xuất hiện dạng meso, số đồng phân thực tế có thể nhỏ hơn.

Ngoài ra, liên kết đôi có đồng phân E – Z cũng làm tăng số cấu hình cần xét.

Một số lỗi thường gặp khi học đồng phân lập thể

Lỗi phổ biến đầu tiên là thấy liên kết đôi thì mặc định có đồng phân hình học.

Điều này sai.

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

Lỗi thứ hai là cho rằng cứ có carbon gắn bốn liên kết là carbon bất đối.

Thực tế, bốn nhóm liên kết phải khác nhau.

Lỗi thứ ba là tính số đồng phân bằng 2^n trong mọi trường hợp.

Cách tính này không đúng nếu phân tử có đối xứng hay có dạng meso.

Lỗi cuối cùng là nhầm đồng phân hình học với đồng phân cấu tạo.

Muốn phân biệt cần kiểm tra thứ tự liên kết giữa các nguyên tử có thay đổi hay không.

Cách học đồng phân lập thể dễ hiểu

Nên bắt đầu bằng mô hình ba chiều thay vì chỉ nhìn công thức phẳng.

Khi học đồng phân hình học hãy tập trung vào việc xác định hai nhóm trên mỗi carbon của liên kết đôi.

Khi học đồng phân quang học nên vẽ carbon bất đối theo dạng tứ diện.

Sau đó tập nhận diện ảnh gương cả thử tưởng tượng hai cấu trúc có thể chồng khít hay không.

Với các bài khó hơn có thể dùng công thức Fischer, Newman hoặc mô hình nêm – gạch để biểu diễn không gian.

Ý nghĩa của đồng phân lập thể trong hóa học

Đồng phân lập thể cho thấy chỉ cần thay đổi cách sắp xếp các nguyên tử trong không gian, một hợp chất có thể thay đổi đáng kể về tính chất.

Đồng phân hình học xuất hiện chủ yếu do sự hạn chế quay quanh liên kết đôi hoặc cấu trúc vòng.

Đồng phân quang học liên quan đến tính bất đối xứng và các cấu trúc ảnh gương không chồng khít.

Hiểu rõ đồng phân lập thể giúp giải quyết bài tập hóa hữu cơ chính xác hơn đồng thời tạo nền tảng học sâu về phản ứng hữu cơ, hóa sinh, dược học và cơ chế tác dụng của nhiều hợp chất trong cơ thể.