Bài tiểu luận: Các hợp chất quang hoạt và đồng phân quang học

MỞ ĐẦU Cấu trúc không gian của phân tử ảnh hưởng đến tính chất của một chất. Hóa học lập thể là ngành chuyên nghiên cứu về cấu trúc không gian của các phân tử, ảnh hưởng không gian của phân tử đến tính chất của các chất cũng như nghiên cứu về hướng không gian trong các phản ứng hóa học. Lịch sử phát triển của hóa học lập thể gắn liền với lịch sử phát triển của hóa học hữu cơ. Các nghiên cứu về hóa học lập thể mới đầu chỉ giới hạn trong hóa học lập thể cấu hình nhưng sau đó các vấn đề của hóa học lập thể ngày càng phức tạp, đặc biệt do sự phát triển của học thuyết về cấu dạng và phân tích cấu dạng, về hóa học lập thể của phản ứng, về sự tổng hợp định hướng lập thể và chọn lựa lập thể. Tuy nhiên nhờ sự xuất hiện các phương pháp vật lý như phổ hồng ngoại, phổ phân cực, phổ cộng hưởng từ hạt nhân, nhiễu xạ tia X,...các nghiên các nghiên cứu về hóa học lập thể đã cho ta nhiều hiểu biết mới về sự phụ thuộc của các tính chất và những đặc tính tinh vi về sự phân bố không gian của các nguyên tử trong phân tử, trong việc giải thích cơ chế của nhiều phản ứng. Hóa học lập thể có ý nghĩa thực tế rất lớn đặc biệt trong lĩnh vực hóa học các hợp chất thiên nhiên, trong tổng hợp các hợp chất quang hoạt với cấu hình định sẵn cần cho y học và sinh học, nhất là những nhóm hợp chất có hoạt tính cao như prostaglandin, pheromon. Tính chất của các chất polime tổng hợp phụ thuộc rất nhiều vào cấu tạo không gian của chúng. Hiện nay việc điều chế các polime có dạng lập thể xác định là một trong những phương pháp quan trọng nhất để tăng phẩm chất của các vật liệu nhân tạo. Sự tiến bộ nhanh chóng của hóa học lập thể ­ từ việc tổng hợp được urê của Wohler năm 1828, đến các công trình tổng hợp của Kolbe năm 1840; của Berthelot năm 1850 đã đặt nền tảng khoa học cho hóa học hữu cơ và dẫn đến việc xây dựng một cơ sở lý thuyết cho khoa học hóa hữu cơ. Hóa học lập thể, đặc biệt là các đồng phân quang học và các hợp chất quang hoạt có ý nghĩa thực tế to lớn và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực quan trọng. Vì vậy, tôi chọn tìm hiểu đề tài về “các hợp chất quang hoạt và đồng phân quang học”. Vì nhiều lý do nên đề tài chắc còn nhiều thiếu sót, mong thầy và các bạn đọc đóng góp ý kiến, để đề tài của tôi hoàn chỉnh hơn. Xin chân thành cảm ơn. Tiểu luận Hóa lập thể: Đồng phân quang học PHẦN NỘI DUNG Cơ sở vật lý của vấn đề quang hoạt Ánh sáng là một sóng điện từ mà phương dao động luôn thẳng góc với phương truyền sóng. Các dao động của ánh sáng thường thẳng góc với phương truyền sóng và hướng ra xung quanh theo mọi mặt phẳng trong không gian. Ánh sáng phân cực phẳng là ánh sáng mà vectơ điện trường của tất cả sóng ánh sáng đều hướng theo một phương, có nghĩa là cùng nằm trên một mặt phẳng, mặt phẳng này gọi là mặt phẳng phân cực. aùnhsaùngthöôøng aùnhsaùngphaâncöïcphaúng Ánh sáng phân cực phẳng có thể được tạo nên bởi ánh sáng thường chiếu qua một kính phân cực, chẳng hạn kính Nicol. Ánh sáng thường Kính phân cực Ánh sáng phân cực phẳng Có một số chất hữu cơ có khả năng làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực khi cho ánh sáng phân cực đi qua. Khả năng đó gọi là tính quang hoạt, còn những chất có khả năng đó gọi là chất quang hoạt. Nếu một chất làm quay mặt phẳng phân cực theo chiều kim đồng hồ được gọi là chất quay phải. Nếu một chất làm quay mặt phẳng phân cực ngược chiều kim đồng hồ được gọi là chất quay trái. Giá trị độ quay mặt phẳng phân cực được diễn tả bằng góc quay và dấu (+) đứng trước diễn tả chiều quay phải, dấu (­) đứng trước diễn tả chiều quay trái. Để đo khả năng làm quay mặt phẳng mặt phẳng phân cực (độ quay cực) của các chất quang hoạt người ta dùng phân cực kế ghi lấy góc quay . Đọc và so sánh giá trị quay tương ứng khi có và không có mẫu chất đựng trong ống. Ánh sáng đơn sắc Lăng kính ống mẫu Nicol Lăng kính Nicol đặt trên đĩa tròn quay Đối với một chất quang hoạt người ta thường dùng đại lượng độ quay cực riêng []. Độ quay cực riêng của một chất trong dung dịch được tính theo công thức: là góc quay quan sát được đối với một dung dịch có bề dày l dm. Độ dài sóng của ánh sáng, t nhiệt độ tại thời điểm đo. Học viên: Nguyễn Xuân Phong 2 Tiểu luận Hóa lập thể: Đồng phân quang học Cấu hình tuyệt đối của một hợp chất có thể xác định bằng tia X. Trước kia khi biết được cấu hình tuyệt đối của một số chất hoạt động quang học, cấu hình của một chất khác có thể được xác định bằng mối tương quan hóa học với chất đã biết cấu trúc. Đồng phân quang học Đồng phân quang học là những hợp chất có công thức cấu tạo phẳng giống nhau nhưng khác nhau về cấu trúc không gian do trong phân tử có yếu tố không trùng vật ảnh, hay phân tử có sự bất đối xứng. Những đồng phân này chỉ khác nhau về tính hoạt động quang hoạt, nghĩa là khả năng quay mặt phẳng phân cực khác nhau. Các yếu tố đối xứng phân tử Tính chất của một phân tử nào đó có thể được xác định bằng sự có mặt hay không có những yếu tố đối xứng cơ bản. Quan trọng nhất là những yếu tố đối xứng sau: 3.1. Mặt phẳng đối xứng Mặt phẳng đối xứng (thường ký hiệu m) là mặt phẳng chia vật ra làm hai phần mà phần này là ảnh của phần kia trong gương. Phân tử có mặt phẳng đối xứng nếu sau khi chiếu vào mặt phẳng thì ảnh sẽ trùng với nó: H Cl H H Cl H Cl H H Cl H 3.2. Tâm đối xứng Tâm đối xứng (i) là điểm mà trên đường thẳng đi qua điểm đó có thể gặp được những điểm tương đương ở khoảng cách như nhau hoặc là điểm mà khi quay phân tử đối xứng điểm đó thu được ảnh trùng với vật ban đầu. Thường một vật có thể có nhiều mặt phẳng đối xứng, nhưng thường chỉ có một tâm đối xứng. b a` i a b` 3.3. Trục đối xứng Trục đối xứng (thường gọi là trục C) là trục đi qua vật mà nếu quay xung quanh trục một góc xác định bằng thì thu được cấu trúc trùng với cấu trúc ban đầu. Bậc của trục phụ thuộc vào giá trị của n. Trục bậc 1 khi quay 360o, trục bậc 1 với n = 1, trục C2 – 180o với n = 2, ... H Cl C3 C4 C5 Cl Cl Học viên: Nguyễn Xuân Phong 3 Tiểu luận Hóa lập thể: Đồng phân quang học Trong phân tử có trục liên hợp C nếu sau khi quay xung quanh trục rồi chiếu vào mặt phẳng thẳng góc với trục thì thu được vật trùng với chất ban đầu: H Cl Cl H H Cl C C C C C C Cl H H Cl Cl H Ngoài các yếu tố đối xứng trên còn dùng nhóm đối xứng, trong 15 nhóm có ba nhóm quan trọng có tính không trùng vật ảnh gọi là nhóm C1, Cn và nhóm D2. Ta hay gặp nhóm C1, trong đó phân tử không cố yếu tố đối xứng nào, chẳng hạn đối với cacbon liên kết với bốn nhóm thế khác nhau, không có yếu tố đối xứng nào gọi là cacbon bất đối, hoặc nhóm Cn trong phân tử có trục n lẻ hoặc một trục bậc n với vài trục C2 và nhóm D2 dùng trong tính quang học của các đồng phân cấu dạng. Phân tử bất đối có một nguyên tử cacbon bất đối Trong phân tử có một nguyên tử C liên kết với 4 nhóm thế hoàn toàn khác nhau. Hiện nay nguyên tử C này được gọi là trung tâm lập thể. 4.1. Đối quang hay enantiomer Hai phân tử có cấu hình khác nhau mà chất này là ảnh của chất kia trong mặt phẳng gương gọi là một cặp đối quang (nghịch quang) hay enantiomer. Hai chất này không chồng khít lên nhau được tuy chúng có tính chất vật lý và hóa học giống nhau. Hai chất này chỉ khác nhau về cấu hình, hai cấu hình này ngược nhau: H O H O Khaùcnhauveàcaáuhình laøenantiomer Khaùcnhauveàcaáudaïng,gioángnhauveàcaáuhình khoângphaûi laøenantiomer Hai enantiomer hay hay đối quang là hai đồng phân lập thể của nhau, có cấu hình ngược nhau nên hướng quay mặt phẳng ánh sáng phân cực ngược nhau nhưng có cùng giá trị tuyệt đối (vì cùng cấu trúc của trung tâm bất đối xứng). Còn những đồng phân lập thể khác có cấu hình khác nhau về ảnh và vật trong mặt phẳng gương là đồng phân quang học của nhau, không phải là enantiomer của nhau mà đồng phân đi­a của nhau, thường gặp trong những phân tử có hai hay nhiều trung tâm bất đối xứng. 4.2.Biến thể raxemic Biến thể raxemic là một tập hợp đẳng phân tử (equimolar) hai chất đối quang, trị số quay cực của tập hợp này bằng không vì có sự bù trừ nhau giữa hai dạng D và L. Biến thể raxemic thường Học viên: Nguyễn Xuân Phong 4 Tiểu luận Hóa lập thể: Đồng phân quang học được ký hiệu là DL hoặc ( ). 4.2.1. Sự tạo thành biến thế raxemic Phương pháp trộn lẫn Trộn kỹ các lượng bằng nhau của hai chất đối quang. Phương pháp tổng hợp Phương pháp raxemic hóa 4.2.2. Tính chất của các biến thể raxemic Ở trạng thái khí, lỏng cũng như dung dịch, biến thể raxemic là một hỗn hợp của những lượng bằng nhau gần như lý tưởng của các phân tử đối quang. Biến thể raxemic có cùng nhiệt độ sôi như chất đối quang tinh khiết, chiết suất và tỉ trọng ở trạng thái lỏng là giống nhau cũng như phổ hồng ngoại ở trạng thái lỏng và dung dịch là trùng nhau. Tuy nhiên sự đồng nhất này không thể áp dụng đối với trạng thái rắn (tinh thể). Trong biến thể raxemic rắn, ngoài lực tương tác giữa các phân tử (­) quay trái, giữa các phân tử quay phải (+) còn có lực tương tác giữa các phân tử (+) và (­). Kết quả là ở trạng thái rắn thường gặp sự khác biệt về một số tính chất giữa biến thể raxemic và chất đối quang tinh khiết. Có 3 trường hợp khác biệt sau: Các hỗn hợp raxemic: là một hỗn hợp cơ học tinh thể riêng rẽ của các chất đối quang còn gọi là conglomerat. Tính chất của nó giống tính chất của các đối quang tinh khiết. Tuy nhiên, nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp raxemic thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của các chất đối quang tinh khiết, còn độ tan của hỗn hợp raxemic lại cao hơn. Trên giản đồ nhiệt độ nóng chảy, điểm ơtecti là điểm ứng với nhiệt độ nóng chảy thấp nhất, ở đó tỉ lệ giữa hai chất đối quang là 50:50. 100% (­) 50% (­) 0% (­) Độ tan 0% (+) 50% (+) 100% (+) 0% (+) 50% (+) 100% (+) Nhiệt độ nóng 100% (­) 50% (­) 0% (­) Giản đồ nhiệt độ nóng chảy và độ tan của các hỗn hợp raxemic Các hợp chất raxemic: Là trường hợp biến thể raxemic mà chỉ có một loại tinh thể được tạo thành từ cả hai dạng chất đối quang có số lượng phân tử bằng nhau. Hợp chất raxemic là một loại hợp chất riêng biệt, chúng khác biệt với các đối quang về tính chất vật lý như nhiệt độ nóng chảy, độ tan. Nhiệt độ nóng chảy của hợp chất raxemic có thể cao hơn hoặc thấp hơn các đối quang tinh khiết. Học viên: Nguyễn Xuân Phong 5 ... - tailieumienphi.vn