Bài giảng Hóa học hưu cơ - Chương 2: Các hiện tượng đồng phân trong hóa hữu cơ

Chương 2: Các hiện tượng đồng phân trong hĩa hữu cơ  
Trang 16
Chương 2: CÁC HIỆN TƯỢNG ĐỒNG PHÂN TRONG HĨA HỮU CƠ 
Các hiện tượng đồng phân gắn liền với cấu tạo và cấu trúc khơng gian của phân tử. Đây là 
một hiện tượng rất phổ biến trong hĩa học hữu cơ. Nhờ cĩ hiện tượng đồng phân này mà số các 
hợp chất hữu cơ tăng lên rất nhiều. 
 Các chất gọi là đồng phân với nhau là những chất cĩ cùng cơng thức nguyên, nhưng khác 
nhau về CTCT và tính chất. 
 Ngày nay người ta biết rất nhiều hiện tượng đồng phân. Để phân biệt và sử dụng cĩ thể 
chia ra làm hai dạng biểu diễn: 
 Đồng phân cấu tạo (đồng phân mặt phẳng) 
 Đồng phân lập thể (đồng phân cấu trúc) 
2.1. Đồng phân cấu tạo 
2.1.1. Đồng phân về mạch cacbon 
 Đồng phân về mạch C là đồng phân về cách sắp xếp mạch C theo các trật tự cấu tạo khác 
nhau, dẫn đến tính chất khác nhau. 
 Ví dụ: C4H10 (butan) cĩ các đồng phân sau: 
CH3 - CH2 - CH2 - CH3
n-butan
CH3 - CH - CH3
CH3
iso-butan
2.1.2. Đồng phân về vị trí nhĩm chức 
 Đồng phân về vị trí nhĩm chức là những đồng phân cĩ cùng nhĩm chức, chỉ khác nhau về 
vị trí nhĩm chức trên mạch C. 
 Ví dụ: ancol C3H7OH cĩ hai đồng phân về nhĩm chức sau: 
CH3 - CH2 - CH2 - OH
propanol-1
CH3 - CH - CH3
OH propanol-2 
 Hay: C6H4CH3OH cĩ các đồng phân về vị trí nhĩm OH sau: 
CH3
o-cresol
OH
CH3
m-cresol
OH
CH3
p-cresolOH
2.1.3. Đồng phân về chức hữu cơ 
 Nhĩm chức là nhĩm đặc trưng cho tính chất hĩa học của hợp chất. Đồng phân về chức 
hữu cơ là đồng phân tạo ra các nhĩm chức khác nhau của hợp chất cĩ cùng thành phần. 
 Về chức ancol và ete: CH3 – CH2 – OH và CH3 – O – CH3 
 Về chức axit và este: CH3COOH và HCOOCH3 
 Về chức andehit, xeton và rượu: 
CH3 – CH2 – CHO ; CH3 – CO – CH3 ; CH2 = CH – CH2 – OH. 
Chương 2: Các hiện tượng đồng phân trong hĩa hữu cơ  
Trang 17
 Về bậc của nhĩm chức: CH3 – CH2 – CH2 – NH2 ; CH3 – NH – CH2 – CH3 
CH3
N CH3CH3
2.1.4. Đồng phân hổ biến (tautome) 
 Đồng phân hổ biến là đồng phân của hai chất cĩ cùng thành phần nhưng khác nhau về cấu 
tạo. Hai chất này ở trạng thái chuyển hĩa lẫn nhau: 
CH3 - C - CH2 - C - CH3
O O
CH3 - C = CH - C - CH3
axetyl xeton 2-hodroxyl-2-pentenon
O
OH
 Chuyển hĩa này được gọi là hỗ biến xeton – anol. Ngồi ra trong hữu cơ cịn gặp nhiều 
dạng hổ biến khác. 
CH - N = O C = N - OHNitroso - oximino
NH - C = O N = C - OHAmido - imidol
 Nguyên nhân gây ra đồng phân hỗ biến là do sự chuyển chỗ của nguyên tử H trên các 
trung tâm O, N,  
2.2. Đồng phân lập thể 
2.2.1. Đồng phân hình học (đồng phân Cis – Trans) 
 Các đồng phân khác nhau về vị trí các nhĩm thế đốI vớI mặt phẳng liên kết đơi, hoặc đối 
với mặt phẳng của vịng (đối với hợp chất cĩ cấu tạo vịng) 
Cl
C = C
H
Cl
H
Cis-1,2-dicloeten
Cl
C = C
H
H
Cl
trans-1,2-dicloeten
H H
CH3 CH3
Cis-1,2-dimetyl xiclohexan
CH3 H
H CH3
Trans-1,2-dimetyl xiclohexan 
Điều kiện để cĩ đồng phân hình học: 
- Phân tử phải chứa liên kết đơi hoặc vịng kín. 
- Các nguyên tử C cĩ chứa liên kết đơi và vịng kín phải liên kết với hai nguyên 
tử hoặc 2 nhĩm thế cĩ bản chất khác nhau. 
Khi hai nhĩm thế ở cùng phía ta cĩ dạng đồng phân cis, hai nhĩm thế ở khác phía cho 
dạng đồng phân trans. 
Đồng phân cis và trans khác nhau về tính chất vật lý. Nhiệt độ nĩng chảy của cis thấp hơn 
trans, nhưng nhiệt độ sơi của cis lại cao hơn nhiệt độ của trans. 
Ví dụ, diphenyl butadien cĩ 3 đồng phân: 
Chương 2: Các hiện tượng đồng phân trong hĩa hữu cơ  
Trang 18
C = C
C = C
C6H5
H
H
H
H
C6H5
trans - trans
C = C
C = C
C6H5
HH
H
H
C6H5
trans - cis
C = C
C = C
C6H5
HH
HH
C6H5
cis - cis 
Số đồng phân của phân tử cĩ n nối đơi tính theo cơng thức: 
 N = 2n-1 + 2p-1 
N là số chẵn thì p = 
2
n
, n là số lẽ thì: p = 
2
1+n
2.2.2. Đồng phân cấu dạng 
 Như chương 1 về liên kết hĩa học đã trình bày liên kết σ cĩ cơ chế xen phủ các obitan lai 
hĩa dọc theo trục nối hai tâm hạt nhân. Vì vậy, các nguyên tử hay nhĩm nguyên tử cĩ khả năng 
quay quanh liên kết này mà liên kết vẫn tồn tại. 
 Do án ngữ khơng gian, do khoảng cách thay đổi của các nguyên tử, nhĩm nguyên tử khác 
nhau khi quay quanh liên kết thế năng tương tác thay đổi. Năng lượng tiêu tốn quay khoảng 4 
kcal/mol nhỏ hơn rất nhiêu so với các năng lượng khác. 
 Mỗi trạng thái của nguyên tử, nhĩm nguyên tử trong khơng gian cĩ dạng hình thể xác định 
và năng lượng tương tác nhất định. Dạng hình thể này gọi là cấu dạng. 
 Các cấu dạng hình thành khi quay quanh liên kết xích ma cĩ năng lượng khơng khác nhau 
lắm, khĩ tách ra riêng được. Trong vơ số vị trí trong khơng gian, cĩ một số vị trí trong khơng gian 
mà ở đĩ các nguyên tử, nhĩm nguyên tử cĩ khoảng cách xa nhau nhất và tương tác nhau sẽ nhỏ 
nhất. Cấu dạng tạo thành trong trạng thái này sẽ bền nhất. Ở điều kiện bình thường các phân tử 
thường tồn tại ở cấu dạng này. 
 Để biểu diễn các cấu dạng trên mặt phẳng mà thể hiện được cấu trúc khơng giam 3 chiều. 
Việc làm này khơng đơn giản với các phân tử cĩ nhiều nguyên tử. Vì vậy, phải cĩ một hình thức 
biểu diễn tượng trưng khác. Sau đây minh họa một số cách biểu diễn đơn giản cấu dạng phân tử. 
 Biểu diễn theo phối cảnh: Cấu dạng của buttan 
CH3
C
H H
CH3
C
H H
CH3
C
H H
CH3
HH
C
CH3
C
H H
CH3
HH
C
CH3
C
H H
CH3
C
H H
 Theo Newman, nét đậm thể hiện liên kết hướng ra ngồi tờ giấy trước mặt người quan sát, 
Chương 2: Các hiện tượng đồng phân trong hĩa hữu cơ  
Trang 19
nét thường biểu diễn liên kết nằm trên tờ giấy, nét chấm chấm nằm phía sau tờ giấy. 
CH3
H H
CH3
HH
H
H3C
H
CH3
HH
Biểu diễn theo Newman cấu dạng của butan. 
a) Đồng phân cấu dạng mạch hở 
 Metan cĩ cấu trúc một tứ diện đều, gĩc liên kết 109028, độ dài liên kết C – H bằng 1,1A0. 
Nĩ cĩ cấu hình xác định và khơng cĩ đồng phân cấu dạng. Etan là chất đầu tiên của ankan cĩ khả 
năng tồn tại đồng phân cấu dạng. 
 Khi nhĩm metyl của etan quay quanh liên kết xíchma 3600, các vị trí nguyên tử H trong 
phân tử cũng thay đổi, thế năng tương tác của chúng cũng thay đổi theo. 
 Sự biến thiên thế năng tương tác (năng lượng tương tác) của nguyên tử H khi nhĩm CH3 
quay từ 0 – 3600 được biểu diễn trên hình 3.1: 
HH
H
H
H
H HH
H
H
H
H
H
H
60 180 3000 120 240 360 
Hình 2.1: Giản đồ thế năng 
 Phân tích cấu dạng của metan trên giản đồ nhận thấy ở các vị trí gĩc quay 600, 1200, 3000 
tưong ứng với cấu dạng cĩ năng lượng tương tác cực tiểu. Đĩ là cấu dạng xen kẽ (cấu dạng 
trống). 
 Các hợp chất kiểu X3C – CX3 đều cĩ giãn đồ thế năng tương tự như etan. Nhưng đối với 
butan vì xuất hiện hai nhĩm thế lớn CH3 so với nguyên tử H, cho nên giản đồ thế năng tương tác 
cĩ dạng khác, khơng đơn điệu như etan,  Rỏ ràng tương tác của nhĩm CH3 vớI H sẽ khác tương 
tác của CH3 với CH3 bên cạnh và tương tác của H với H. Cho nên khi quay vịng 0 – 3600 butan cĩ 
thể hình thành các cấu dạng đặc trưng như hình 2.1. 
 Butan khác với etan cĩ hai dạng bền: cấu dạng ứng với năng lượng cực tiểu số (1) và (3), 
kc
al
/m
ol
Chương 2: Các hiện tượng đồng phân trong hĩa hữu cơ  
Trang 20
(5), cấu dạng (1) gọi là cấu dạng đối (anti) và cấu dạng lệch (gaucher) số (3). Riêng cấu dạng lệch 
phải và cấu dạng lệch trái (3) và (5). 
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
H3C
CH3
H3C
CH3
(1) (2) (3) (4) (5) (6) 
12060 180 240 300 360
3
6
kcal/mol
Hình 2.2: Giản đồ thế năng của butan 
 Ở nhiệt độ 3000K butan tồn tại ở cấu dạng (1) khoảng 2/3 và khoảng 1/3 cấu dạng (3) và 
(5). 
Số cấu dạng của phân tử cĩ n liên kết σ ở như trên cĩ thể cĩ 3n cấu dạng khác nhau. 
b) Đồng phân cấu dạng mạch vịng 
 Để giảI thích một số mạch vịng bền và một số mạch vịng khơng bền Bayer đưa ra “thuyết 
căng vịng”. Vịng cĩ gĩc bằng 109o28 là vịng chuẩn, vịng bền. Các vịng cĩ gĩc càng lệch với 
vịng chuẩn cĩ sức căng vịng lớn và kém bền. 
 Gĩc hĩa trị được tính theo cơng thức: 
( )
2
2180 −n
, trong đĩ n là số cạnh mạch vịng. 
 Độ lệch được tính theo cơng thức: 
2
281090 x−
, trong đĩ x là gĩc hĩa trị của vịng. 
 Theo thuyết Bayer vịng 5 cạnh và 6 cạnh cĩ độ lệch nhỏ và sức căng vịng nhỏ, là vịng 
bền nhất. 
 Các vịng lớn hơn và nhỏ hơn vịng 5 và 6 cĩ sức căng vịng lớn kém bền. Nhưng thực tế 
cũng cĩ nhiều vịng lớn cĩ tính bền cao. 
 Về sau Sahse, Mohz, Pitre cho rằng các mạch vịng 6 cạnh và lớn hơn 6 cạnh khơng cĩ 
cấu dạng phẳng mà cĩ cấu dạng khơng gian, nghĩa là các nguyên tử H và các nguyên tử C khơng 
(1)
(2) 
(3) 
(4)
(5)
(6)
Chương 2: Các hiện tượng đồng phân trong hĩa hữu cơ  
Trang 21
nằm trên một mặt phẳng. Do chúng đẩy nhau để tạo ra cấu dạng cĩ thế năng tương tác nhỏ nhất 
và đồng thời cũng tạo ra cấu trúc bền cĩ gĩc gần bằng với gĩc chuẩn 109028. 
 Thí dụ vịng 6 cạnh xyclo hexan cĩ một cấu số cấu dạng điển hình như hình 2.3: 
H
H
H
H
H
H
H
(a)H
H(e)
H
H
H
H(a)H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H(e)
Dạng thuyền (cấu dạng C) Dạng ghế (cấu dạng Z) 
H
H
H
H
H(a)
(He)
H
H
H
H
H
H
H
H
H(e)
H(a)
H
Dạng ghế Dạng xoắn 
HH
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
Dạng nửa ghế Dạng thuyền 
Hình 2.3: Các cấu dạng của xyclo hexan 
 Ở nhiệt độ bình thường phân tử xyclo hexan cĩ gần 990 tồn tại ở dạng ghế. Cấu dạng ghế 
cĩ năng lượng nhỏ và bền hơn cấu dạng thuyền. 
 Nguyên tử H ở vị trí equatorial (e) là vị trí thuận lợi về mặt khơng gian và năng lượng, cho 
nên các nhĩm thế đều cĩ xu hướng định hướng hoặc chuyển vị trí về equatorial (e). 
 Thí dụ, metyl xyclohexan ở nhiệt độ bình thường gần 95% nhĩm metyl ở vị trí (e) và 
khoảng 5% ở vị trí axial (a). 
 Trong trường hợp mạch vịng cĩ hai nhĩm thế: như vịng 6 cạnh sẽ cĩ các đồng phân Cis 
và Trans như sau: 
 Cis: ea, ae: vị trí 1,2 Trans: aa, ae vị trí 1,2 
 ea, ae: vị trí 1,4 ee, aa vị trí 1,4 
 aa, ae: vị trí 1,3 ae, ae vị trí 1,3 
2.2.3. Đồng phân quang học 
Chương 2: Các hiện tượng đồng phân trong hĩa hữu cơ  
Trang 22
a) Chất hoạt động quang học cĩ C đối xứng 
 Điều kiện để xuất hiện đồng phân quang học là các chất cĩ phân tử cấu trúc bất đối xứng 
trong đĩ cĩ thể bất đối xứng phân tử hoặc cĩ nguyên tử C bất đối xứng. 
 Để hình dung về C bất đối xứng ta nhắc lạI 
thuyết hố lập thể của Lơben và Vanhốp về cấu trúc 
metan. Theo hai ơng phân tử metan cĩ cấu trúc 
khơng gian trong đĩ 4 nguyên tử H phân trên 4 đỉnh 
của tứ diện đều và trung tâm của tứ diện là nguyên 
tử C, hĩc hố trị (HCH) bằng 109028. 
Thuyết này cịn gọi là thuyết cacbon tứ diện. 
C
H
H
H
H
Hình 3.8: Cấu dạng hình học của
 phân tử CH4 theo thuyết 
 lai hóa.
Hình 2.4: Cấu trúc dẫn xuất của metan 
 Nếu thay 4 nguyên tử H trong CH4 bằng 4 nhĩm thế a, b, c, d khác nhau thì nguyên tử C 
này được gọi là nguyên tử C bất đốI, ký hiệu là C*. Việc biểu diễn các đồng phân quang học bằng 
hình tứ diện như trên mặt phẳng khơng phải trường hợp nào cũng thuận lợi vì vậy năm 1891, 
E.Fischer đề nghị sử dụng cơng thức chiếu phẳng thay cho các cơng thức tứ diện. 
 Tuỳ thuộc vào việc chọn cạnh tứ diện là cạnh nằm ngang và quay về phía người quan sát 
mà cĩ thể cĩ cơng thức chiếu khác nhau. 
a
b c
d b c
a
d
b c
a
d 
Hình 2.5: Cơng thức chiếu thẳng của Fischer 
b) Đồng phân quang học (các dạng cấu hình) 
 Như đã nĩi ở trên, phân tử cĩ cấu trúc bất đối xứng đều cĩ khả năng tạo ra đồng phân 
quang học. Trước hết chúng ta làm quen với trường hợp đơn giản cĩ một C* là axit lactic: 
CH3 C* COOH
H
OH 
 Axit này cĩ hai đối quang (hai chất nghịch quang) là đồng phân quay phải, kí hiệu là (d) 
hoặc (+) gĩc quay theo chiều kim đồng hồ và đồng phân quay trái, kí hiệu là l hoặc (-), gĩc quay 
ngược chiều kim đồng hồ. 
 Xem hình 2.6, hai đối quang này (hai cấu hình) chúng rất giống nhau nhưng khơng thể xem 
chồng khít lên nhau được, chúng đối xứng nhau như vật và ảnh trong gương, như bàn tay trái và 
bàn tay phải. Chúng là hai đồng phân quang học cĩ tính chất lý hố giống nhau, chỉ khác nhau khả 
Chương 2: Các hiện tượng đồng phân trong hĩa hữu cơ  
Trang 23
năng làm quay mặt phẳng phân cực ánh sáng của một sang phải, một sang trái và khác nhau về 
hoạt động sinh vật. 
COOH
OHH
CH3
COOH
HO H
CH3
hay:
COOH
CH3
OHH
COOH
CH3
HHO
Gương 
Hình 2.6: Cấu hình của axit lactic 
Một cặp nghịch quang như hình 2.6 cĩ gĩc quay về trị số tuyệt đối bằng nhau nhưng khác 
nhau về dấu. Hỗn hợp 50% đồng phân quay phải và 50% đồng phân quay trái cùng một phân tử 
bất đối gọi là hỗn hợp Raxemic (biến thể raxemic). 
Dĩ nhiên hỗn hợp raxemic cĩ trị số quay cực bằng khơng. 
Các hợp chất propadiol-1,2, andehit glyxeric là chất cĩ một C* và cũng cĩ một cặp đối 
quang như axit lactic. 
BÀI TẬP 
2.1. Viết cơng thức cấu trúc các đồng phân hình học (nếu cĩ) trong mỗi trường hợp sau: 
 (A): CH3 – CH = CH – CH3 (E): CH3 – CH = CH – CH = CH – CH3 
 (B): (CH3)2 – CH = CH – CH3 (F): CH3 – CH = CH – COOH 
 (C): CH3 – CH = CH – C6H5 (G): 1,1-đimetyl xiclohexan 
 (D): CH3 – C ≡ C – CH3 (H): 1,2-đimetyl xiclohexan 
2.2. Khái quát về điều kiện cần và đủ để cĩ đồng phân hình học? 
2.3. Nguyên tử cacbon bất đối là gì? Điều kiện để xuất hiện đồng phân quang học là gì? Nêu thí dụ 
minh hoạ? 
2.4. Chất nào dưới đây cĩ thể cĩ đồng phân quang học? Số lượng đơng phân là bao nhiêu? 
 (A): CH3 – CHBr – CH3 (D): CH3 – CHOH – COOH 
 (B): CH3 – CHBr – CH2 – CH3 (E): HOOC – CH2 – CHNH2 – COOH 
 (C): CH3 – CHBr – CHBr – CH3 (G): HOOC – CHOH – CHOH – COOH 
2.5. Cấu dạng là gì? Viết cơng thức cấu dạng bền của etan; propan; butan; isopentan; 1,2-điclo 
etan.