ĐỀ TÀI :

“Một số vấn đề về đồng phân lập thể và
hiệu ứng cấu trúc trong giảng dạy hóa
hữu cơ ở trường THPT chuyên”

1


PHẦN I. MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hóa học hữu cơ là ngành học có nội dung rất rộng và phong phú, chuyên nghiên
cứu về những cấu trúc, tính chất, thành phần, phản ứng, và cách tổng hợp của những hợp
chất hữu cơ. Các nội dung trên lại liên quan logic đến nhau, nội dung này là tiền đề nghiên
cứu và phát triển nội dung khác. Đại cương hữu cơ vừa là mảng kiến thức trọng tâm vừa là
cơ sở để nghiên cứu và tìm hiểu và những chuyên đề khác, như cơ chế phản ứng, giải
thích các tính chất vật lý, hóa học của chất, tổng hợp hữu cơ, hợp chất tự nhiên, polime, dị
vòng….. Trong đó nội dung: Đồng phân lập thể và các loại hiệu ứng cấu trúc là 2 phần
quan trọng bắt buộc nhất mà học sinh cần được học khi nhập môn hóa học hữu cơ với
chương trình chuyên. Tuy nhiên các giáo trình đại học về phần này nội dung còn nhiều dàn
trải, chủ yếu nặng về trình bầy lý thuyết mà ít có ví dụ bài tập minh họa, chưa phân loai sâu
sắc các dạng bài tập, chưa thể hiện được nhiều mối liên hệ qua lại giữa 2 nội dung này với
các nội dung nghiên cứu về phản ứng, tính chất , tổng hợp các chất hữu cơ. Chính vì những
khó khăn trên đây, tôi đã xây dựng đề tài : “Một số vấn đề về đồng phân lập thể và hiệu
ứng cấu trúc trong giảng dạy hóa hữu cơ ở trường THPT chuyên”
2. Mục đích của đề tài :
Mục đích của đề tài này là xây dựng cấu trúc các bài tập về đồng phân lập thể, vai
trò của các loại hiệu ứng cấu trúc trong việc so sánh tính axit, bazơ của các chất hữu cơ,
qua đó phân loại, đánh giá tác dụng của các bài tập phần đại cương hữu cơ phục vụ cho
việc bồi dưỡng học sinh giỏi Quốc gia.



b
c

C«ng thøc tø diÖn

b .Công thức Fisher : các quy tắc viết công thức Fisher
-

Nguyên tử C nằm trên mặt phẳng giấy.

-

Các liên kết của nguyên tử C hướng ra phía trước mặt phẳng giấy được xếp nằm
ngang, các liên kết của nguyên tử C hướng ra phía sau mặt phẳng giấy được xếp
thẳng đứng (thuờng là mạch cacbon chính của phân tử).

-

Ðược phép quay phân tử một góc 180 o, không được phép quay 90o hoặc 270o,
không được phép thay đổi vị trí của hai nhóm thế.

-

Nhóm thế có độ hơn cấp cao hơn để ở trên cùng (chiều từ trên xuống theo công
thức Fisher trùng với cách đánh số khi gọi tên chất ).

3




a

b

a

b

a

b

a

b

c

c

C«ng thøc tø diÖn

C«ng thøc Fisher

c. Công thức phối cảnh
Đặt mắt nhìn theo hướng mũi tên ta thấy a che khuất a, b che khuất b, c che khuất d. Từ
đó chuyển sang công thức phối cảnh dạng che khuất, sau đó là dạng xen kẽ.

d. Công thức Newman

b

a

b

d

a

a

b

a

b

d
c

c
Phèi c¶nh xen kÏ

Newman

1.2 . Điều kiện xuất hiện đồng phân lập thể
- Với đồng phân hình học: Ðiều kiện để một phân tử có đồng phân hình học là phân tử
đó phải có chứa liên kết đôi hoặc có cấu tạo vòng (điều kiện cần), đồng thời hai nhóm
thế trên mỗi cacbon của liên kết đôi hay hai nhóm thế trên ít nhất hai nguyên tử cacbon

cis-1,2-dimetylxiclopropan

H3C

H

H
CH3
trans-1,2-dimetylxiclopropan
5


Các hợp chất chứa số chẵn liên đôi liên tiếp (loại allen) không có đồng phân hình
học vì các nhóm thế không đồng phẳng, còn các hợp chất có số lẻ liên kết đôi liên tiếp
(và thoả mãn điều kiện đủ) thì có đồng phân hình học.
Đối với loại hợp chất andoxim, xetoxim không đối xứng, hidrazon, hợp chất azo có
liên kết C=N hoặc N=N cũng có đồng phân hình học nhưng được kí hiệu bằng hệ thống
syn-anti.
H

H

OH
C

C

N
C6H5



HO

H

H

OH

OH
CH3

CH3

H×nh 1a

H×nh 1b

Trục không trùng vật ảnh : tồn tại ở các hợp chất có số nối đôi chẵn liền kề

C
C6H5

H

H

H
C


C

C

C

H

C
H

Cl

C

C

H

H

Ghi chú.
- Khi số nối đôi là chẵn thì xuất hiện đồng phân quang học. Khi số nối đôi là lẻ thì xuất
hiện đồng phân hình học.
abC C Cab
a

a
C


b
§ång ph©n h×nh häc

Mặt phẳng không trùng vật ảnh: có trong các hợp chất ansa
a

a

a

a

b

b

b

b

1.3. Học sinh phải nắm được các qui tắc xác định độ hơn cấp của nguyên tử, nhóm
nguyên tử
- Với đơn nguyên tử: Nguyên tử có Z lớn hơn sẽ có độ hơn cấp lớn hơn
-Với nhóm nguyên tử: ta dựa vào số Z của nguyên tử ở lớp thứ nhất . Nếu lớp này như
nhau ta dựa vào Z của lớp thứ hai . Lớp thứ hai có một nguyên tử lớn hơn thì nhóm ấy lớn
hơn và mỗi liên kết đôi được coi bằng 2 liên kết đơn, liên kết ba bằng 3 liên kết đơn
Nếu hai nguyên tử gắn vào nối đôi là đồng nhất thì cần xét đến các nguyên tử tiếp
theo.

7


C(N, N, N)

C

CH

C(C, C, C)

Với nguyên tắc đó một số nhóm từ cao đến thấp về độ hơn cấp được sắp xếp như sau:
I, Br,Cl, SO2R, SOR, SR, SH, F, OCOR, OR, OH, NO 2, NHCOR, NR2, NHR, NH2,
CCl3, COOR, CONH2, COR, CHO, CR2OH, CHOHR, CH2OH, C6H5, CR3, CH2R, CH3,
D,H.
1.4. Dựa trên so sánh độ hơn cấp, xác định chính xác cấu hình
- Với đồng phân hình học: các nhóm thế lớn (xét trên độ hơn cấp) ở cùng phía của mặt
phẳng so sánh tạo thành cấu hình Z (từ tiếng Ðức Zusammen có nghĩa là cùng nhau) và
các nhóm thế lớn ở khác phía của mặt phẳng so sánh tạo thành cấu hình E (từ tiếng Ðức
Entgegen có nghĩa là khác nhau)
a

c

a

d

b

d¹ng Z-



b

R
a
d

d

b

c

b

c

S

* Đối với cấu hình được biểu diễn bằng công thức Fisher thì xếp các nhóm thế trên
C* theo trật tự độ hơn cấp : a > b > c > d. Ðặt d nằm ngang, trật tự từ a → b → c
thuận chiều kim đồng hồ thêm tiếp đầu ngữ S, nếu ngược chiều kim đồng hồ thêm
tiếp đầu ngữ R (Nếu nhóm thế nhỏ nhất trên đường thẳng đứng thì ngược lại, theo
chiều kim đồng hồ là R, ngược chiều kim đồng hồ là S).
Ví dụ các nhóm thế trong phân tử glixerandehit CH 2OH-CH(NH2)-CHO được
sắp xếp hơn cấp như dưới đây và ta có tên gọi tương ứng (xem hình 6a, 6b)
-OH

>



HOH2C

HO

CHO
H

H

OH

OH

(S)-glixerandehit

CH2OH
(S)-glixerandehit

CH2OH
(R)-glixerandehit

* Chú ý: Khi sử dụng công thức tứ diện thì nên để liên kết C-d ở phía sau mặt phẳng
giấy.
1.5.Với đồng phân cấu dạng thì có một số chú ý sau:

9


- Trường hợp chung, dạng xen kẽ bền hơn so với dạng che khuất, trong các dạng xen kẽ


CH3
H
CH3H

xen kÏ kÒ (syn) che khuÊt mét phÇn

H

CH3

H

H
H

CH3
xen kÏ ®èi (anti)

H×nh 8

Tuy nhiên một số trường hợp không tuân đúng kết luận trên. Chẳng hạn như các phân tử
dạng

X-CH2-CH2-Y, trong đó các nhóm thế X, Y tương đối nhỏ và có thể tạo tương

tác hút giữa các lưỡng cực C-halogen và C-CH 3 hoặc tạo được liên kết hidro với nhau
thì dạng syn lại bền hơn so với dạng anti. Do ở dạng syn tương tác hút giữa các nhóm
thế mạnh hơn lực đẩy giữa chúng.
Ví dụ như ở phân tử etilenglicol CH 2OH-CH2OH thì dạng syn (hình 9a) bền hơn

- Ðối với hợp chất chưa no mạch hở dạng CH 3-X=Y, do xuất hiệu ứng liên hợp σ-π mà
cấu dạng bền nhất sẽ ứng với vị trí che khuất giữa liên kết C-H và X=Y.

10


- Còn đối với các hợp chất có dạng CH 3-CH2-X=Y do xuất hiện lực hút tĩnh điện giữa
các lưỡng cực C-CH3 và C=O m à cấu dạng bền nhất sẽ ứng với vị trí che khuất giữa
liên kết C-CH3 và C=O.
Ví dụ các hợp chất như propen CH3-CH=CH2, propanal CH3-CH=O, ... có cấu dạng ưu tiên
như hình 10 dưới đây:
HO

H CH2
H

H

H

H
H

H
H×nh 10

- Trong các hợp chất có hệ liên hợp π, nếu chỉ xuất hiện lực đẩy giữa các nhóm giống
nhau thì dạng S-trans bền hơn so với S-cis, còn nếu có lực hút tĩnh điện thì S-cis sẽ bền
hơn S-trans.
Ðối với vòng 6 cạnh dạng ghế bền vững hơn so với dạng thuyền. Thông thường ở


H

Lời giải:
(a) Z-dec-3-enoic

11


2

10

CH3(CH2)5

3

C

C

H

(b)

1

CH2COOH

H

E
3

1

2

COOH

O
H

H

H

Bài 2.
Hoàn thiện các công thức chiếu Fisher dưới đây :

(a)

(b)

(c)

(d)

Lời giải:
Công thức chiếu Fisher :



(h) 1,2,4-

(i) 1,2-dibromo-4-t-

isopropylheptan

trietylxyclopentan

butylxyclohexan

Lời giải:
Cấu hình tuyệt đối của các phân tử :

13


(a) Axit tactaric

(b) Limonen

(c) 4-metyl-3-nitrohexan

(d) metyloxiran

(e) 1-iot-2-metylcyclohexan

(f) 2-brom-3-isopropoxy-4metylpentan

14


H
NH2

H2N

CH3

C

C

C

C

CH

R

S

CH

15


A:
OH



N aO H

(- )-B -(+ )-A

H h 2 m uèi
lµ ® p h © n ® i-a

H h 2 a m in
®quang

N aO H

(+ )-B -(+ )-A

(+ )-B
(- )-B

Bài 5 : Vẽ cấu dạng bền nhất cho các hợp chất sau đây :
(a) etan, n-butan, 1,2-dicloetan.

(f) axit sucxinic

(b) 2-clobutan; 1-clobutan

(g) propen, propanal ; butanon

(c) meso-2,3-dibrombutan;

(h) propenal; butadien-1,3

CH3

Cl

H

H

H

H

H

H

CH3

H

H

CH3

Br

Br

CH3



Cl

CH3

H
Br

Cl

Cl

Br

Cl
hoÆc

(c)

CH3

H

H

Cl

Br
(d)


HO

H

H

(g) H

H

H

H
C

H

O

H
CH3

H

H2C

C

H


OH
CH3

CH3

(g)

Bài 6:
a. Vẽ các cấu dạng ghế của mỗi phân tử cis-1,3-dimetylxyclohexan (A) và trans-1,4dimetylxyclohexan (A) và dự đoán cấu dạng nào là bền hơn.
b. Tại sao chênh lệch năng lượng giữa hai cấu dạng ghế của (A) cao hơn (B) ?
Lời giải:
(a) Đối với (A) thì (I) bền hơn (II), đối với B thì (III) bền hơn (IV)
CH3

CH3
CH3
CH3
(I)

(II)

CH3
CH3

CH3
(III)

(IV)

CH3

(B)

Lời giải:
Với A thì cấu dạng (III) bền hơn (II), với B thì cấu dạng (IV) bền hơn (II). Trong các cấu
dạng thì cấu dạng (III) bền nhất do ít tương tác trục nhất (nhiều liên kết biên nhất).
CH3

CH3
CH3Me Cl

CH3

Cl

Me

CH3

Cl

CH3

Cl

H3C

Cl

CH3 CH
3

Bài 8:
Viết CT các cấu dạng bền và chỉ rõ cấu dạng bền hơn đối với mỗi chất sau:
a/ cis-1,3-Đicloxiclohexan
b/ cis-1-isopropyl-2-metylxiclohexan
c/ (1S,3R)-Xiclohexan-1,3-điol.
Lời giải:
Xiclohexan bền khi ở dạng ghế: C1 và 1C, luôn có sự chuyển hoá lẫn nhau:

C

1

1C
18


a/
Cl
Cl

Cl

Cl

cis-(a,a)

cis-(e,e) bền hơn vì cảc 2 ngtử Cl đều ở vị trí biên

b/
CH3

H

COOH

H3C

COOH

CH CH2N(CH3)2

C6 H5 C

CH3O
H3C

CH2C6H5

CH3

Naproxen

Ibuprofen

(thuốc chống viêm)

(thuốc giảm đau)

OCOC2H5

Đarvo (thuốc giảm đau)

c/
H

H3C
(CH3)2N

3R

H

2S

O

C6 H5

CH3

H3C

C O

O

O
C

C 6H5

CH3

C

C

H

CH2OH
H

Z

CH3

H
C C

H

OCH3

E

CH3

C

C

H



c. Vừa là đồng phân hình học, vừa là đồng phân quang học:
CH3

H

CH3

CH3

CH3

H

CH3

OH

H

CH3

H

H

H

OH


Cl

H

I

CH3

CH3

Cl

H

Cl

H

H

Cl

I

H

H

I


Cả hai đều không có tính quang hoạt nhưng biến thể Raxemic có thể tách ra thành 2 chất
đối quang còn hợp chất meso thì không. biến thể Raxemic không có tính quang hoạt vì có
sự bù trừ ngoại phân tử còn hợp chất meso không quang hoạt là do sự sự bù trừ nội phân
tử (do phân tử đối xứng nên đối với ánh sáng phân cực, chúng triệt tiêu nhau).
- Đồng phân epime: là các đồng phân đia phân biệt nhau về cấu hính chỉ ở một trong các
trung tâm bất đối. Ví dụ cặp D (+)-iđozơ và D (+)-talozơ là cặp đồng phân epime C3.
- Đồng phân anome : là các đồng phân đia phân biệt nhau về cấu hình của C1.
1.2.Cách tính số đồng phân:
a. Với đồng phân hình học:
Hợp chất có chứa n liên kết đôi không liên tiếp (thoả mãn điều kiện đủ) sẽ tạo được 2 n
đồng phân hình học. Tuy nhiên nếu cấu trúc phân tử là đối xứng, số đồng phân hình học
sẽ ít hơn.
Ví dụ như 1-clopentadien-1,3 (CH3-CH=CH-CH=CH-Cl) có 4 đồng phân hình học
H

H3C

H
C

C

H3C

H

C
C

H

H

C

H
H3C

C

Cl
C

H

H3C

C

H
C

C

H
Cl
cis,trans-1-clopentadien-1,3

b Với đồng phân quang học:
22


H

OH

HO

H

H

H

Br

Br

H

Br

CH3
I

CH3

CH3

CH3

OH

Lượng bằng nhau của I và II, III và IV là những biến thể raxemic.
2.

Br

H

CH3

CH3
OH CH3
H
OH

H

CH3

H

H

H

OH
CH3 CH3

H
H


OH

H

OH
Br

H3C

CH3

CH3

H
H

OH

H

H

Br

CH3
D¹ng lÖch(syn)

CH3
D¹ng ®èi(anti)


CH3

CH3

(E) Br

Br (E)
H

Cl

24


CH3

Br

(E) Br

C*

H3C (E)
H

Br

CH3

(E) CH3


Cl (III)

Cl
(IV) Cl

(III) và (IV) có tính quang hoạt.
(I), (II) không có tính quang hoạt, vì (I) không có *C còn (II) là hợp chất meso.
- Khi chưng cất phân đoạn với số mol bằng nhau của (I), (II), (III), (IV) sẽ thu được 3 phân
đoạn gồm:
(I); (II); [(III) và (IV)].
Do (III) và (IV) là đối quang của nhau nên có nhiệt độ sôi như nhau.
- Không phân đoạn nào có tính quang hoạt do (I) và (II) không có tính quang hoạt, còn
phân đoạn thứ 3 gồm lượng bằng nhau của (III) và (IV) là một biến thể raxemic nên cũng
không có tính quang hoạt.
Bài 4 :
Có bao nhiêu đồng phân lập thể đối với hợp chất:
CH3

CH

CH

CH

CH3

Cl

Lời giải: