Bài giảng môn hóa đại cương b2 đồng phân

ĐẠI CƯƠNG VỀ HÓA HỌC HỮU CƠDanh từ chất hữu cơ được Berzélius sử dụng lần đầu tiên vào năm 1807 để chỉ những chất trích từ các cơ thể sống động vật, thực vật để phân biệt với các chất v

602003 - Chuong I

1

Môn học : HÓA ĐẠI CƯƠNG B2

Bộ môn : Hóa đại cương – phân tích

Khoa Khoa học Ứng dụng

Trường Đại học Tôn Đức Thắng

GV : ThS Đỗ Tường Hạ

MÃ MÔN HỌC : 602003

Mục tiêu của môn học

Cung cấp cho sinh viên các kiến thức đại cương cần thiết về :

– Kiến thức: cung cấp cho SV các kiến thức đại cương về đặc điểm cấu tạo và tính chất hóa học đặc trưng của các hợp chất hữu cơ cơ bản phổ biến và có nhiều ý nghĩa lí thuyết cũng như ứng dụng trong thực tế

– Kỹ năng: sinh viên cần nắm được tính chất vật lí và tính chất hoá học đặc trưng của các nhóm hợp chất

602003 - Chuong I

3

NỘI DUNG MÔN HỌC

Chương I: Cấu tạo và khả năng phản ứng của các hợp chất hữu cơ

Chương II: Hidrocacbon

Chương III: Hợp chất chứa nhóm hidroxyl

Chương IV: Hợp chất carbonyl

Chương V: Axit carboxylic và dẫn xuất

Chương VI: Hợp chất chứa Nitơ

Chương VII: Gluxit

Môn học : HÓA ĐẠI CƯƠNG B2

TÀI LIỆU THAM KHẢO

602003 - Chuong I

5

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tài liệu tham khảo chính:

[3] Trần Thị Việt Hoa, Phan Thanh Sơn Nam Hóa học Hữu

Cơ ĐHBK TP.HCM, 2007

[4] Lê Ngọc Thạch Hóa Hữu Cơ ĐH QG TpHCM, 2001

[5] Trần Quốc Sơn Cơ sở lý thuyết hóa hữu cơ NXB Bộ

Giáo dục Hà Nội, 2000

[6] Trần Thị Việt Hoa, Phan Thanh Sơn Nam Bài tập hóa

hữu cơ ĐHBK TP.HCM 2007

CÁCH THỨC HỌC TẬP

Môn học gồm có 30 tiết lý thuyết + bài tập trên lớp

Môn học được dạy và học vào học kỳ II hàng năm, sau đó sinh viên sẽ học môn thí nghiệm Hóa Đại cương B

Một số bài tập trong TLTK [2] sẽ được sửa trong các bài ví dụ trong bài giảng

Sinh viên phải làm bài tập trong TLTK [2],[6], tự học thêm ở nhà

602003 - Chuong I

7

ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC TẬP

Có 2 lần kiểm tra giữa kỳ + thi cuối kỳ :

Điểm thứ 1 : 10% (trắc nghiệm) – Nội dung

CHƯƠNG I : CẤU TẠO VÀ KHẢ NĂNG PHẢN ỨNG CỦA CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ

ĐẠI CƯƠNG VỀ HÓA HỌC HỮU CƠ

Danh từ chất hữu cơ được Berzélius sử dụng lần đầu

tiên vào năm 1807 để chỉ những chất trích từ các cơ thể sống (động vật, thực vật) để phân biệt với các chất vô

cơ là những chất xem như được lấy từ vật chất không có sự sống như :đất, đá, muối,

hiện nay người ta định nghĩa hóa học hữu cơ là hóa học của các hidrocarbon và dẫn xuất.

9 602003 - Chuong I

2 loại đồng phân

+ Đồng phân cấu tạo + Đồng phân lập thể

Đồng phân

Đồng phân cấu tạo

(constitutional isomers) Đồng phân lập thể(stereoisomers)

Đồng phân cấu dạng

(conformational isomers) (configurational isomers)Đồng phân cấu hình

Đồng phân hình học

(geometric isomers) Đồng phân quang học(enantiomers)

11 602003 - Chuong I

1 ĐỒNG PHÂN CẤU TẠO :

Các đồng phân cấu tạo (đồng phân phẳng ) phân

biệt nhau về cấu tạo hóa học ( trình tự sắp xếp của các nguyên tử trong phân tử hoặc về loại liên kết)

+ Đồng phân mạch + Đồng phân vị trí + Đồng phân nhóm chức + Đồng phân liên kết

a Đồng phân mạch : phân biệt với nhau về cách sắp xếp mạch carbon.

Đối với hydrocacbon no mạch vòng :

VD : C6H12 có CTCT

CH3

b Đồng phân vị trí : các đồng phân vị trí phân biệt nhau về vị trí của nhóm chức

c Đồng phân nhóm chức : các đồng phân này có cùng công thức phân tử nhưng có nhóm chức khác nhau

OH OH

1,2-dihydroxylbenzen

(pyrocatechin)

OH OH

d Đồng phân liên kết : các đồng phân này phân biệt nhau về loại liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử

Ví dụ : C 4 H 8 có 2 đồng phân là buten – 2 và xiclobutan.

CH3 - CH = CH - CH3

602003 - Chuong I

19

CHÚ Ý : có một số trường hợp mà một chất hữu cơ có thể phản ứng được theo hai công thức cấu tạo khác nhau tùy điều kiện thí nghiệm

Hai dạng này liên tục chuyển hóa lẫn nhau trong một cân bằng, khiến cho hỗn hợp của chúng thể hiện như một hợp chất duy nhất

Hiện tượng này được gọi là hiện tượng hỗ biến hay hiện tượng tautomer

* Tautomer (hỗ biến) : 2 chất đồng phân tồn tại ở dạng cân bằng với nhau, chỉ khác nhau ở vị trí của 1 proton và dẫn tới sự thay đổi vị trí của 1 liên kết đôi

1 Hỗ biến enol – xeton :

Dạng xeton bền hơn dạng enol và được tạo thành

602003 - Chuong I

21

2 Hỗ biến imit – amit :

Dạng amit bền hơn dạng imit và được tạo thành nhiều hơn

2 ĐỒNG PHÂN LẬP THỂ

Các đồng phân lập thể (đồng phân không gian) phân biệt nhau

về cấu hình nghĩa là phân biệt nhau về sự phân bố không gian

của các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử trong phân tử.

Hai loại đồng phân lập thể :

Các chất đồng phân phân biệt nhau do sự phân bố không gian của các nguyên tử, nhóm nguyên tử xung quanh phần “ không trùng với ảnh” hoặc phần cứng nhắc của phân tử.

+ Đồng phân hình học + Đồng phân quang học

2.1 Đồng phân hình học :

Nếu có hai nguyên tử nối với nhau bằng một liên kết cộng hóa trị cứng nhắc (nghĩa là không có sự quay của hai phần phân tử quanh trục nối hai nguyên tử này) thì hai nhóm thế nối với chúng có thể có những cách phân bố không gian khác nhau :

* Đồng phân kiểu cis – trans : nhóm thế giống nhau nằm cùng phía đối với nhau gọi là đồng phân cis, ở khác phía đối với

nhau gọi là đồng phân trans

* Đồng phân kiểu E – Z : với Z chỉ 2 nhóm lớn cùng phía, E

chỉ 2 nhóm lớn khác phía

23 602003 - Chuong I

Hiện tượng đồng phân hình học xuất hiện ở các hợp chất có nối đôi carbon – carbon (đồng phân etylenic) : do có liên kết π

giữa hai nguyên tử carbon mà sự quay quanh trục nối hai nguyên tử này bị cản trở

Với cấu tạo a,b C = C a,b hoặc a,b C = C a,c sẽ có hai cách phân bố không gian cứng nhắc sau:

b

Cấu hình trans

Axit Fumaric (trans)

Axit crotonic (trans)

C = C

H H

27 602003 - Chuong I

Z : chỉ 2 nhóm lớn cùng phía

E : chỉ 2 nhóm lớn khác phía

(E) – 2 – clo – 2 – penten

(Z) – 2 – clo – 2 – penten

H3C

C = C

H Cl

29

+ Nhóm lớn được quy định như sau :

I > Br > Cl > F > O > N > C > H

(CH3)3C - > (CH3)2CH - > CH3 CH2 - > CH3 -

C = C > C = C > C - C > C - H

- COOH > C = O > CHOH > CHN - > - CH2

-Loại đồng phân hình học xuất hiện ở các hợp chất vòng no là

do sự phân bố không gian khác nhau xung quanh một liên kết cứng nhắc hoặc 1 phần cứng nhắc của vòng

31

CH3H

H

H H

H H

BÀI TẬP Câu 1 : Hợp chất hexan có bao nhiêu đồng phân phẳng?

4 Hãy gọi tên theo danh pháp IUPAC hợp chất sau:

2.1 Thuyết carbon tứ diện và quy ước biễu diễn cơ cấu phân tử trong không gian :

a Thuyết carbon tứ diện :

2 Đồng phân quang học :

35 602003 - Chuong I

Carbon phi đối xứng hay carbon bất đối xứng, ký hiệu là C*.

b Quy ước biểu diễn cơ cấu phân tử trong không gian:

+ Công thức phối cảnh :

d c

b a

+ Công thức chiếu Fischer :

Đặt tứ diện sao cho một cạnh nằm ngang hướng về phía người quan sát rồi chiếu xuống mặt phẳng giấy

Trục thẳng đứng là mạch carbon đồng thời biểu diễn các

liên kết hướng ra phía sau mặt phẳng giấy

Trục nằm ngang biểu diễn các liên kết hướng ra phía trước mặt phẳng giấy

c Tính quang hoạt :

- Chất HC có khả năng làm quay mặt phẳng của ánh sáng phân cực sang phải hoặc sang trái 1 góc α nhất định → có tính hoạt động quang học hay tính quang họat

VD : axit lactic, các chất đường, …

- Chất hoạt động quang học → chất quang hoạt

- Độ mạnh của tính quang hoạt được xác định bằng đại lượng [ α ], là độ quay cực riêng

39 602003 - Chuong I

Nếu mặt phẳng dao động lệch về phía phải so với người quan sát, chất quang hoạt được gọi là chất quay phải ( α có trị số dương )

Nếu mặt phẳng dao động lệch về phía trái so với người quan sát chất quang hoạt được gọi là chất quay trái ( α có trị số âm )

Góc quay cực α có thể đo được bằng một phân cực kế (Polarimeter).

Nguồn sáng Lăng kính

Nicol

Ánh sáng phân cực

phẳng

41

Điều kiện cần và đủ để một hợp chất có tính quang hoạt là phải có sự bất đối xứng trong phân tử.

Phân tử bất đối xứng là phân tử không thể chồng khít lên ảnh của nó cho bởi một gương phẳng

phân tử bất đối xứng là phân tử không có mặt phẳng đối xứng hay một tâm đối xứng nào trong chính nó

43 602003 - Chuong I

C

H CH3

602003 - Chuong I

45

Chồng khít lên nhau

d Đồng phân quang học do phân tử có một carbon phi đối xứng

Trong đa số các hợp chất hữu cơ có tính quang hoạt phân tử của chúng đều có chứa carbon phi đối xứng

Ví dụ: phân tử axit Lactic CH 3 - C HOH- COOH có 1C*

Có 2 loại axit Lactic có góc quay cực bằng nhau nhưng ngược nhau về dấu: một axit Lactic quay phải và một axit Lactic quay trái

Hai axit này là hai đồng phân quang học và được gọi là hai chất đối quang ( hay hai chất đối hình )

47 602003 - Chuong I

602003 - Chuong I

49

602003 - Chuong I

Hỗn hợp những lượng bằng nhau của 2 chất đối quang thì không có tính quang hoạt và được gọi là

hỗn hợp raxêmic

Đồng phân quang học là những chất đồng phân có cấu tạo giống nhau nhưng sự phân bố của các nhóm thế trong không gian khác nhau → tác dụng trên ánh sáng phân cực khác nhau

* Hai đồng phân đối quang : không khác nhau nhiều về tính chất hóa học và lý học

- Làm quay mặt phẳng phân cực của ánh sáng một góc bằng nhau nhưng ngược chiều nhau

- Có tính chất hóa học giống nhau nhưng khác nhau về khả năng tham gia phản ứng với các tác nhân là những chất hoạt động quang học

- Khác nhau về một số tính chất lý học như : vị ngọt, độc tính, các vi sinh vật có thể phân hủy chất này mà không có tác động đến chất kia

- Những tinh thể đồng phân (+) và (-) kết tinh ở những dạng bất đối khác nhau.

53 602003 - Chuong I

e Đồng phân quang học do phân tử có n C* không tương đương Qui tắc Van’t Hoff

f Trường hợp đặc biệt : phân tử có Cacbon phi đối xứng tương đương Dạng meso

Ký hiệu cấu hình :

1 Danh pháp D – L :

Kí hiệu cấu hình của các đồng phân quang học người ta

và quy ước:

CH

OHH

HHO

Với các phân tử kiểu R – CHX - R’ (X = O, N, S, halogen,…) nhóm nào bị oxi hóa sâu hơn thì ở phía trên của công thức chiếu Fischer

Nếu sự phân bố của X giống với D- Glyxerandehit : có cấu hình D

Nếu sự phân bố của X giống với L- Glyxerandehit : có cấu hình L

57 602003 - Chuong I

Thứ tự các nhóm bị oxi hóa :

59 602003 - Chuong I

602003 - Chuong I

61

VD : Vieát caáu hình cuûa butanol – 2 theo D, L

CH 3

OH

C 2 H 5 H

2 Danh pháp R – S : Quy tắc Cahn – Ingold - Prelog

Nội dung : Đặt nhóm thế nhỏ nhất (d) ở xa người quan sát

a b c d

Ba nhóm còn lại a, b, c sắp xếp từ lớn đến nhỏ theo chiều kim đồng hồ là cấu hình R, ngược chiều là cấu hình S

63

Ví dụ :

Br > Cl > OH > NH 2 > CH 3

* Tính hơn cấp được xác định theo quy tắc :

- Nguyên tố có số thứ tự nguyên tố lớn hơn sẽ hơn cấp hơn :

CH 3

Br

H Cl

- Các nguyên tố đồng vị có khối lượng cao hơn có tính hơn cấp cao hơn :

- Nếu các nguyên tố có cùng số nguyên tố thì xét lớp tiếp theo

; liên kết đôi và ba có số thứ tự gấp 2 hay 3 lần

OH > COOH > CHO > CH 2 OH > CH 3

- CH = CH > - CH(CH )

1 Chất nào sau đây có tính quang hoạt?

d) (2R)-2-brombutan

67 602003 - Chuong I

Câu 2 : Điclobutan có bao nhiêu đồng phân ? Trong đó có bao nhiêu đồng phân quang học ? Gọi tên theo R, S các đồng phân ấy.

3 Hãy gọi tên hợp chất có cấu hình tuyệt đối như sau:

Br

C2H5H

C3H7

a) (3R)-3-bromhexan b) (3S)-3-bromhexan c) (4S)-4-bromhexan d) (4R)-4-bromhexan

69 602003 - Chuong I

Chlorpheniramine (chlorphenamine) (CPAM) là thuốc chống

dị ứng racemic, kháng histamin H1, hỗn hợp của hai đồng

phân quang học Dược động học của hai chế phẩm (Contac(r) (Wellcome, United Kingdom) và chế phẩm sản xuất thử tại Việt Nam) có hoạt chất là CPAM racemic phối hợp với

phenylpropanolamine được thực hiện với mô hình nghiên cứu

mở, ngẫu nhiên, chéo, hai chiều trên 12 người Việt Nam khỏe mạnh Họ nhịn đói qua đêm và sử dụng hai chế phẩm này với thời gian wash-out 7 ngày Mẫu máu thu hồi tới thời điểm 168 giờ Nồng độ CPAM toàn phần và đồng phân quang học được định lượng với phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC)

đã hiệu lực hóa Xác định các thông số dược động học với mô hình phân tích độc lập Tương tự cho hai chế phẩm, Cmax và AUC của đồng phân S(+)-CPAM lớn hơn đồng phân R(-)-

CPAM, trong khi Clt/F và Vd/F của R(-)-CPAM lớn hơn