BÀI GIẢNG MÔN HỌC CƠ SỞ LÝ THUYẾT HÓA HỮU CƠ

HIỆN TƯỢNG HỖ BIẾN CH3 CO NH2 CH3 C OHNH Dạng amide Dạng iminol 3.2 Đồng phân lập thể Định nghĩa: Những chất có cùng công thức cấu tạo nhưng có các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử phân bố

SLIDE BÀI GIẢNG MÔN HỌC

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

HÓA HỮU CƠ

NGUYỄN PHÚC ĐẢM

2019

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

HÓA HỮU CƠ

THÁI THỊ TUYẾT NHUNG

NGUYỄN PHÚC ĐẢM

1

SƠ LƯỢC LỊCH SỬ

- Thời cổ:sử dụng giấm ăn, rượu, màu tự nhiên

Các nhà giả kim thuật điều chế được một sốchất nhân tạo

- Năm 1806: Berzelius dùng danh từ “Hóa họchữu cơ” để chỉ ngành hóa học nghiên cứu cáchợp chất có nguồn gốc từ động và thực vật

- Năm 1815:Berzelius đưa ra thuyết “lực sống”

chorằng: chất hữu cơ chỉ có thể được tạo ratrongcơ thể sống,khôngthể điều chế được

2

- Năm 1824Wohler(Đức) tổng hợp được acid oxalic từ

dixian, năm 1828 ông tổng hợp được urê từ amoni

cyanat

- Năm 1854Bertholet (Pháp)tổng hợp được chất béo

- Năm 1861Bulerov (Nga)tổng hợp đường Glucose từ

formalin

- Đến nay, hàng triệu chất hữu cơ đã được tổng hợp

trong PTN và qui mô côngnghiệp, con người còn tổng

hợp ra nhiều chất và vật liệu hữu cơ quý giá mà tự

nhiên không có

- Hiện nay,têngọi“hợp chất hữu cơ”vẫn được sử dụng

nhưng mang nội dung mới:làhợp chất của carbon

Vai trò của hóa học hữu cơ

Các chất có vai trò rất quan trọng trong đờisống con người

- Thực phẩm: glucid, protid, lipid, acid Nucleic…

- Vật dụng:celulose,sợi tổng hợp, cao su…

1.2 Các trạng thái lai hóa của C

Để tạo liên kết hóa học với các nguyên tử nguyên tố khác,

các orbitalcủa nguyên tử carbon phải lai hóa

Số orbital lai hóa bằng tổng số liên kếtxung quanh

nguyên tử C

• Lai hóa sp3: s + 3 p(px,py,pz)

→ 4 obital lai hóa, hướng về bốn đỉnh tứ diện đều

• Lai hóa sp2: s + 2 p(px,py)

→ 3 obital lai hóa, hướng về ba đỉnh tam giác đều

1.3 Liên kết  và liên kết 

-Liên kết : do sự xen phủ trục của các orbital s,p

-Liên kết : do sự xen phủ bên của các obital p

Độ bền liên kết: > π

9

Mô hình phân tử

10

2.1 Công thức biểu diễn

Công thức nguyên - Công thức phân tử:

Vd: (C2H6O) n n=1 C2H6O

Công thức cấu tạo: Trongmặt phẳng

-Cấu tạo đầy đủ (công thức khai triển)

-Cấu tạo thu gọn (công thức bán khai triển)

CH3–CH3hay CH3CH3

-Côngthức vạch: thường dùng biểu diễn các phân

tử lớn

CH3CH2CH=CH(CH2)4C≡C(CH2) 5C6H5

2 CẤU TRÚC KHÔNG GIAN

• Carbon 1 che khuất carbon 2

• Carbon 1: dấu chấm; carbon 2: vòng tròn

• Các góc liên kết 120°

CH3

HH

14

c) CÔNG THỨC CHIẾU FISCHER

• Phải ở dạng che khuất

• Các liên kết được chiếu xuống mặt phẳng tờ giấy

• Sườn carbon theo trục thẳng đứng (phía sau mặt phẳng)

• Cạnh nằm ngang hướng phía trước mặt phẳng

CH 3

H OH COOH

CH3H

FISCHER NEWMAN

Phối cảnh Hướng nhìn

Cáccấu dạng của n–Butane: CH3CH2CH2CH3

Đối lệch Bánlệch Chekhuất Chekhuất

1 phần toànphần(Bền) (Khábền) (Kém bền) (Khôngbền)

CH 3

H H

H H

CH3

CH 3

H H

CH3H H

CH 3

H H H

CH3

CH3

CH3H H

18

Alcol (OH) OL Hydroxy Eter (-O-) Eter Alkoxy Aldehid (CHO) AL Formyl Ceton (CO) ON Oxo Acid (COOH) OIC Carboxyl Amin (NH 2 ) Amin Amino Halogen (X) Halogenide (ur) Halogeno

29

Nhóm chức Chính Nhóm Thế

Alkane (-) ane Alkyl

Alkene (=) ene Alkenyl

Alkyne (Ξ) yne

Alcohol (OH) ol Hydroxy

Ether (-O-) ether Alkoxy

Aldehyde (CHO) al Formyl

Ketone (CO) one Oxo

Acid (COOH) oic acid Carboxyl

Amine (NH2) amine Amino

Halogen (X) halogenide Halogeno

NO2 Nitro

C6H5- Phenyl

Ester (COOR) oate

Cho biết nhóm chức và tên gọi của các chất trên

30

Nhóm 1 Nhóm 2 Nhóm 3

Nhóm 4

Nhóm 5

Nhóm 6 Nhóm 7

Thứ tự ưu tiên giảm dần

Qui tắc 1

32

Qui tắc 2

33

Qui tắc 3

34

DANH PHÁP HỢP CHẤT NHỊ VÒNG

SPIRANE

37Spiro[4.5]decane

HIỆN TƯỢNG ĐỒNG PHÂN

Đồng phân cấu tạo phẳng

46

3.1.3 HIỆN TƯỢNG HỖ BIẾN

CH3 CO

NH2 CH3 C

OHNH

Dạng amide Dạng iminol

3.2 Đồng phân lập thể

Định nghĩa:

Những chất có cùng công thức cấu tạo

nhưng có các nguyên tử hoặc nhóm

nguyên tử phân bố trong không gian ở vị

E F

A khác B và E khác F ĐIỀU KIỆN CÓ ĐỒNG PHÂN HÌNH HỌC

3.2.1 ĐỒNG PHÂN HÌNH HỌC

H3C

Cl Br

(2Z,4E)-hept-2,4-diene

C C

H3CH

H

C CHH

H3C CH3

CH CH2

C

H3CC

CH3

CH3

CH3

C CBr

H3C Cl

CH2 CH2

C

H3CC

CH3

C2H5

2 1

6

2 1

+ Cácđồng phân trans thườngbềnhơn các đồng phân Cis

+Nhiệt độ sôi(bp)của đồng phân cis thườngcao hơn

đồng phân trans

+Nhiệt độ nóng chảy(mp)của đồng phân cis thườngthấp

hơn đồng phân trans

+Hoạt tínhcủa đồng phân hình học có thể khác nhau:

maleic aciddễ bị mất nước để cho anhydride hơnfumaric acid

C C

C H

OH

OH O

O

1400c CC

C H

OH O

HO O

56

57

3.2.2.1 Máy đo độ quay triền quang

 Mẫu chất có khả năng làm quay mặt phẳng phân cực

của ánh sáng phân cực gọi là chất có tínhtriền quang

• l: chiều dài ống đo mẫu dm (10cm)

• : góc quay quang đo được

• []: độ quay cực riêng

CH 3 CCOOH

OH H

• Phân tử bất đối xứng: không có tâmđối xứng,

không cómặt phẳng đối xứng, trục đối xứng…

Tâm đối xứng Mặt phẳng đối xứng Trục đối xứng

• Trong hầu hết các hợp chất triền quang cócarbon phiđối xứng

• Carbon phi đối xứng(C *)là carbonđược nối với

A và B là 2 đối phân (đồng phân đối hình)

1C * : có 2 đối phân và 1 hỗn hợp tiêu triền (50%A + 50%B)

CHCHHOOC

COOH

COOHOHHOHHCOOH

COOH

HOHHợp chấtMeso

Hợp chấtThreo

Đồng phân loại Ciclan

• Các nhóm thế khác nhau

về đồng vị

Đồng phân quang học

• Phân tử bố trí chăt chẽ trong không gian, có cấu

tạo bất đối xứng trên toàn phân tử

Đồng phân dạng allene Đồng phân cản quay

C

CH3H

C2H5Cl

CH3Cl

C2H5H

*

2-chlorobutane 2-chlorobutane

Gọi tên như thế nào đây?

17

3.2.2.3 CẤU HÌNH TƯƠNG ĐỐI VÀ

CẤU HÌNH TUYỆT ĐỐI

• Cấu hình: sự phân bố trong không gian

của các nguyên tử hay nhóm nguyên tử

• Cấu hình tương đối: so sánh với một

hợp chất mẫu (có cấu hình đã biết trước)

• Cấu hình tuyệt đối: là cấu hình thật sự

của phân tử trong không gian

18

a) DANH PHÁP D-L

• Áp dụng để chỉ cấu hình tương đối

• Chủ yếu áp dụng đối với đường và amino acid

L -(+)-Idose D -(-)-Gulose D-(+)-Galactose

Serin Glyceraldehid

• Liên kết đôi xem như 2 liên kết đơn, liên

kết 3 xem như 3 liên kết đơn….

3 4

2-Methyl-3-pentanol

1

2 3

4

4 Nhóm thế nhỏ nhất nằm phía ngoài

34

2,3-Butanediol

3 2

3S

36

Công thức chiếu Fischer

Cạnh thẳng đứng là ở phía sau mặt phẳng Cạnh nằm ngang là ở phía trước mặt phẳng

1,2-Propanediol

( 2S )-1,2-Propanediol

1234

• Hợp chất có trục thủ tính

2,2’-Dibromo-6,6’-dinitrobiphenyl

Biphenyl

Đp quang học có vai trò quan trọng trong đời sống tự nhiên

Cácchất chuyển hóa, các chất men là các hệ thống hợp

chất quang hoạt

+ D-(+)-Glucose làđường có tác dụng sinh học làm chất

tiêmtruyền, ngược lại L-(-)-Glucose không có tác dụng

sinhhọc

+ Asparaginedạnghữu truyền có vị ngọt,tả triền có vị đắng,

racemic mixture khôngvị

+ Adrenalinedạng tả triền tác dụng lên thành mạch máu gấp

D C

S

S

R R

RSSR

COOH

C2H5

HO * H

HO * H COOH

R

SS

SS

R

D C

SS

E D

R

R R R

ĐỒNG PHÂN QUANG HỌC CỦA

HỢP CHẤT VÒNG

• Hợp chất vòng thích hợp vừa có đồng

phân quang học, vừa có đồng phân hình

học, nên số đồng phân sẽ gia tăng

Acid 2-methylcyclohexan carboxylic

TÁCH ĐÔI HỖN HỢP TIÊU TRIỀN

• Hai chất đối hình có lý tính và hóa tính khác

nhau nên cóthể tách đôi bằng phương pháp vật

lý và hóahọc

• Hỗn hợp tiêu triền có thể cho mầm kết tinh

(mầm hữu hoặc tả triền) để kết tinh chất mong

muốn Hoặc sử dụng phản ứng hóa học

• Acid hữu cơ cho phản ứng với base triền quang

• Alcol cho phản ứng với acid triền quang

Acid (±) Base (+)

Acid (+) base(+)vàacid (-) base (+)

Kết tinh phân đoạn

Acid (+) base(+) Acid (-) base (+)

HCl

Acid (+) vàbase(+) Acid (-)vàbase (+)

HCl

Acol (±) Acid (-)

Ester Acol (+) acid(-)vàacol (-) acid (-)

Chưng cất phân đoạn

Ester Acol (+) acid(-) Ester Acol (-) acid (-)

Acol (+) Acol (-)

H+/H2O H+/H2O

15

BÀI TẬP ĐỒNG PHÂN

DANH PHÁP LẬP THỂ

1 Dùng công thức chiếu Newman biểu diễn

cấu trạng ưu đãi của các hợp chất sau đây theo

trục chỉ định (mũi tên hai đầu)

• 2 Dùng công thức chiếu Newman để biểu diễn

đồng phân hình học của 9,10-dimethyldecaline.

Cho biết đồng phân nào bền hơn, giải thích ?

• 3 Làm tương tự câu 2 với hợp chất

9,10-dihydroxydecaline.

• 4 Vẽ công thức chiếu Newman của

(R,R)-3-Chloro-4-fluoro-1,1-dimethylcyclohexane theo

hai trục C6-C1 và C4-C3.

5 Vẽ công thức chiếu Newman của các hợp

chất chi hoàn sau đây theo trục chỉ định (mũi

tên hai đầu)

• 6 Hãy biểu diễn hợp chất

2,3-dihydroxy-3-methylhexane bằng các công thức phối cảnh,

Fischer và công thức Newman

• 7 Hãy biểu diễn hợp chất

erytrose-2,3-dibromopentane bằng các công thức phối

cảnh, Fischer và công thức Newman

• 8 Làm tương tự với hợp chất

treose-3,4-dibydroxyhexane

10 (S)-(-)-malic acid (2-hydroxybutanedioic

acid) được tìm thấy trong nhiều loại trái cây,

còn được gọi là «acid pomme» Hãy vẽ công

thức lập thể, Fischer và công thức chiếu

Newman của acid này.

Penicilliamine (độc tính rất cao) và

(S)-Thalidomide (làm biến dạng thai nhi) Hãy cho

biết cơ cấu lập thể của hai dược phẩm nói trên.

12 Xác định cấu hình tuyệt đối của những tâm

thủ tính trong Doxycyline (chất kháng sinh)

13 Sử dụng công thức chiếu Fischer hãy vẽ cơ

cấu các hợp chất sau đây :

15 Hãy cho biết sự tương quan lập thể giữa

hai hợp chất trong mỗi cặp chất sau:

CÁC LOẠI HIỆU ỨNG TRONG

PHÂN TỬ HỢP CHẤT HỮU CƠ

NGUYỄN PHÚC ĐẢM THÁI THỊ TUYẾT NHUNG

• Hiệu ứng:là sự dịch chuyển điện tử trong phân tử hợp chất hữu

cơ, hoặc ảnh hưởng không gian của các nhóm thế cồng kềnhtrong phân tử làm ảnh hưởng đến tính acid – base, khả năngphản ứng, cơ chế phản ứng …

• Chia làm 2 loại:

I Hiệu ứng điện tử:

1) Hiệu ứng cảm I (Inductive effect)2) Hiệu ứng liên hợp C (Conjugation effect)Hiệu ứng cộng hưởng R (Resonance efect)3) Hiệu ứng siêu liên hợp H (hyperconjugation effect)

II Hiệu ứng không gian:

1) Hiệu ứng không gian loại 12) Hiệu ứng không gian loại 23) Hiệu ứng ortho

2

1) HIỆU ỨNG CẢM ỨNG – I (Inductive effect)

• Bản chất của hiệu ứng cảm ứng là sự phân cực các liên kết, lan

truyền theo mạch các liên kếtdo sự khác nhau về độ âm điện

hay nguyên tử có khuynh hướng nhường điện tử: CH3, C2H5…

nguyên tử có khuynh hướng nhận điện tử: Cl, COOH …

4

QUI ƯỚC

• C – H : I = 0

• Chiều chuyển dịch điện tử là

• Nhóm nguyên tử có khuynh hướng nhường điện tử

mạnh hơn Hcho hiệu ứng cảm dương +I (và ngược lại)

ĐẶC ĐIỂM CỦA HIỆU ỨNG CẢM ỨNG

• Các nguyên tử hay nhóm nguyên tử mangđiện tích dươngsẽ chohiệu ứngcảm âm (-I)

• Các nguyên tử hay nhóm nguyên tử mangđiện tích âmsẽ chohiệu ứngcảm dương (+I)

• Điện tích càng lớnI càng mạnh

• I của nhóm nguyên tử mạng điện tích > I của nhóm nguyên tửtrung hòa điện

-N (+) R 3 , -O (+) R 2  -I -N (-) H , -O (-)  +I -O (+) R 2 > -OR

6

Đặc điểm của hiệu ứng cảm ứng

• Các electronsẽ di chuyển từ nguyên tử có độ âm

điện nhỏ đến nguyên tử có độ âm điện lớn dọc theo

chiều dài liên kết

• Hiệu ứng cảm ứng tĩnh tắc dần theo chiều dài mạch C

và thông thường chỉ qua vài nguyên tử cacbon thì hiệu

ứng cảm ứng đã không còn hiệu lực

Đối với các nhóm –I:

• Độ âm điện càng lớn thì hiệu ứng –I càng lớn– Theo phân nhóm: giảm từ trên xuống:

-I < -Br < -Cl < -F -SeR < -SR < -OR

– Theo chu kỳ tăng từ trái sang phải:

-CH3< -NH2< -OH < -F– Phụ thuộc trạng thái lai hoá

-CH=CH2< -C6H5< -CΞC

• Các nhóm có hiệu ứng + I là những nhóm có độ âm điện

thấp hơn nguyên tử bên cạnh

• Các nhóm alkyl thường có hiệu ứng +I và +I tăng theo mức

độ phân nhánh của nhóm alkyl

Vận dụng trong hóa hữu cơ

• Giải thích tính acid, base

• So sánh độ bền của các tiểu phân trung gian của

• Định nghĩa Hệ liên hợp:là những phân tử có liên kết π &

ở vị trí luân phiên nhau

13

2) HIỆU ỨNG LIÊN HỢP - C

(Conjugation effect)

1,3-Butadiene 1,3,5-Hexatriene

Các loại hệ liên hợp thường gặp

• Hệ liên hợp-: Hệ các liên kết gồm các liên kết đơn vàliên kết đôi luân phiên hoặc xen kẽ nhau

• Hệ liên hợp p -: Hệ có các electron p chưa chia (electron

tự do) liên hợp với liên kết đôi qua 1 liên kết, hoặc cóobitan p trống điện tử (carbocation) liên hợp với liên kếtđôi qua 1 liên kết

14

Định nghĩa hiệu ứng liên hợp (C)

• Hiệu ứng liên hợp:làsự tương tác giữa các electron

(liênhợp) với nhau hoặc giữa các electron p chưa chia

với các electron (liênhợp), giữa các electron (liên

hợp) với obital p còn trống trong hệ liên hợp

• Bản chất của hiệu ứng liên hợp là hiện tượng dịch

chuyển electron trong hệ liên hợp, gây nên sự phân

cực của các liên kếttronghệ đó

CH2=CH-CH=CH2

 mật độ điện tử phân bố đều trên các C

CH2=CH-CH=CH-CHO

Độ âm điện của O > C nhóm C=O sẽ hút điện tử π của hệ

phân tử trở nên phân cực

17

• Liên hợp π-p trống

• Chiều chuyển dịch electron trong hiệu ứng liên hợp được ký

hiệu bằng mũi tên cong , hướng về phía nguyên tử hay

nhóm nguyên tử có khả năng hút electron (do sự chênh lệch

về độ âm điện gây nên), hoặc hướng từ phía cặp electron p

chưa chia vào liên kết, hoặc từ liên kếtvào obital p trống

• Công thức cộng hưởng đều có vị trí tương đối của những nguyên

tử trong phân tử giống nhau

• Các công thức cộng hưởng phải có cùng số e kết đôi

18

Không phải công thức cộng hưởng

QUI ƯỚC VIẾT CỘNG HƯỞNG

• Khi viết cơ cấu cộng hưởng phải chú trọng đến số điện tử ngoại biên

• Công thức cộng hưởng có số liên kết cộng hóa trị càng nhiều thì càng

bền (có sự phân cách điện tích kém bền hơn không có sự phân cách

• Hai điện tích cùng dấu nằm trên hai nguyên tử kế cận thì không bền

• Cơ cấu cộng hưởng trong phân tử càng nhiều thì càng bền

20

PHÂN LOẠI

• Hiệu ứng liên hợp âm (-C) và dương (+C)

1) Hiệu ứng liện hợp âm (-C)

Các nguyên tử hay nhóm nguyên tử có khả năng hút điện tử của

hệ liên hợp về phía nó-C

Đặc điểm của –C:

• Đa số các nhóm nguyên tử mang –C là những nhóm không no

-NO2-CN -CHO -COR -COOH –CONH2

• Hiệu ứng liên hợp dương (+C)

Các nguyên tử hay nhóm nguyên tử có khả năng đẩy

điện tử từ bản thân nó ra hệ liên hợp  +C

Đặc điểm của +C:

• Các nguyên tử hay nhóm nguyên tử có cặp điện tử

chưa sử dụng hoặc những ion mang điện tích (-) đều

Đặc tính chung của hiệu ứng liên hợp

• Hiệu ứng liên hợp thay đổi rất ít khi kéo dài mạch liên hợp

*** Hiệu ứng cảm ứng: giảm nhanh theo mạch C !!!

25

Độ linh động của H ở 2 chất giống nhau

Tốc độ phản ứng giống nhau:

26

• Một số nhóm thế chưa no, dấu của hiệu ứng liên hợp sẽ

thay đổi tùy thuộc vào nhóm nguyên tử liên kết với nó

27

• Hiệu ứng liên hợp chỉ có hiệu lực trên hệ liên hợp phẳng

Nitrobenzene 1,3-Dimethyl-2-nitrobenzene

Vận dụng trong hóa hữu cơ

• Giải thích cơ chế các phản ứng electrophile và nucleophile

• Định hướng sản phẩm của phản ứng hữu cơ

• Giải thích độ bền vững của các sản phẩm trung gian, các carbocation, carbanion

28

3) Hiệu ứng siêu liên hợp (Hyperconjugation effect)

• Bản chất: làhiệu ứng liên hợp của các liên kếtC-Hhoặc

vòng nonhỏ với các liên kết bội C=C, C≡C, cách các liên

kết C-H hoặc vòng no nhỏ 1 liên kết đơn

29

• Hiệu ứng siêu liên hợp được viết tắt bằng chữHvàđược

biểu diễn bằng mũi tên cong từ nhóm đẩy e tương tự như

hiệu ứng liên hợp

PHÂN LOẠI

• Hiệu ứng siêu liên hợp âm (-H)

30

• Hiệu ứng siêu liên hợp dương (+H)

Hiệu ứng siêu liên hợp dương (+H)

• Là sự tương tác của các điện tửσcủa liên kết Cα-H với hệ

điện tử π (C=C, -C6H5…), hoặc trong carbocation

• +H càng mạnh khi số nguyên tử H ở Cα càng nhiều:

33

-CH 3 > -CH 2 -CH 3 > -CH(CH 3 ) 2

Hiệu ứng siêu liên hợp phát huy tác dụng mạnh ở trạng

thái động Ví dụ: phản ứng thế ở gốc hydrocarbon trong

hợp chất thơm, phản ứng cộng electrophile ở alken…

Hiệu ứng siêu liên hợp âm (-H)

• Là sự tương tác của các điện tử σ của liên kết Cα-F với hệ điện tử π (C=C, -C6H5…)

II HIỆU ỨNG KHÔNG GIAN

• Là những loại hiệu ứng do kích thước lớn của các nhóm thếtrong phântử gây nên

36

1 Hiệu ứng không gian loại 1 (S1)

Do các nhómthế có kích thước lớn, chiếm 1 khoảng khônggianđáng kểcản trở, không cho 1 nhóm chức nào đótrong phântử tác dụng với phân tử hay ion khác