Cách đếm đồng phân lập thể: quy tắc 2ⁿ, hợp chất meso, đối quang và đồng phân dia

Định nghĩa chính

• Đồng phân lập thể có cùng các nguyên tử liên kết theo cùng thứ tự nhưng sắp xếp khác nhau trong không gian.
• Trung tâm lập thể (tâm bất đối) thường là một carbon mang bốn nhóm khác nhau. Nó được ký hiệu R hoặc S.
• Liên kết đôi lập thể có hai nhóm khác nhau trên mỗi carbon. Nó được ký hiệu E hoặc Z.
• Đối quang là các ảnh gương không chồng khít. Mọi trung tâm lập thể đều bị đảo ngược.
• Đồng phân dia là các đồng phân lập thể không phải ảnh gương của nhau. Đồng phân cis/trans là đồng phân dia.
• Hợp chất meso có trung tâm lập thể nhưng không bất đối, vì có mặt phẳng gương bên trong.

Quy tắc 2ⁿ, và khi nào nó sai

Mỗi yếu tố lập thể có hai lựa chọn, nên n yếu tố cho tối đa 2ⁿ đồng phân lập thể. Quy tắc chỉ cho đáp án chính xác khi phân tử không có đối xứng. Khi hai nửa phân tử giống nhau, hãy kiểm tra:

• Dạng meso: (2R,3S) trong phân tử đối xứng trùng với (2S,3R), và là ảnh gương của chính nó.
• Cách sắp xếp trùng nhau: trong hexa-2,4-diene, (2E,4Z) trùng với (2Z,4E), nên có 3 đồng phân thay vì 4.
• Tâm giả bất đối: trong pentane-2,3,4-triol, C3 chỉ là trung tâm lập thể khi C2 và C4 có cấu hình ngược nhau. Nó được ký hiệu r hoặc s. Tổng số là 4, không phải 8.

Công thức nhanh cho mạch đối xứng có n trung tâm lập thể: nếu n chẵn, số đồng phân là 2ⁿ⁻¹ + 2^(n/2 − 1); nếu n lẻ, là 2ⁿ⁻¹. Với tartaric acid (n = 2): 2 + 1 = 3.

Cách dùng công cụ liệt kê đồng phân lập thể

1. Mở công cụ liệt kê đồng phân lập thể.
2. Vẽ phân tử trong trình soạn thảo, hoặc dán SMILES vào ô và nhấn Enter. Bạn cũng có thể nhấn một ví dụ như Tartaric acid, Glucose (mạch hở) hoặc Hexa-2,4-diene. Nhấn Tìm đồng phân lập thể để chạy lại.
3. Đọc số đếm: số trung tâm lập thể và liên kết E/Z, giới hạn 2ⁿ và số thực tế.
4. Xem các nhóm: Cặp đối quang (ảnh gương), Hợp chất meso và Đồng phân lập thể không bất đối (cis/trans, E/Z). Mỗi hình vẽ đều có nhãn R/S và E/Z.
5. Dùng bảng Quan hệ giữa từng cặp để xem cặp nào là đối quang và cặp nào là đồng phân dia.
6. Nếu SMILES của bạn cố định một số tâm bằng @ hoặc @@, các đồng phân phù hợp được đánh dấu dữ liệu bạn nhập. Nhấn Mở trong MolDraw dưới bất kỳ cấu trúc nào để chỉnh sửa.

Công cụ thử mọi cách sắp xếp và so sánh chúng bằng mã chuẩn hóa có tính đến lập thể, nên không bao giờ đếm cùng một phân tử hai lần.

Ví dụ có lời giải

1. Butan-2-ol: 2

C2 mang H, OH, CH₃ và CH₂CH₃. Một trung tâm lập thể, 2¹ = 2: (R) và (S), một cặp đối quang.

2. 2,3-Dibromobutane: 3

Hai trung tâm lập thể mang cùng các nhóm. (2R,3R) và (2S,3S) là đối quang. (2R,3S) có mặt phẳng gương: meso. Tổng cộng 3.

3. 2,3-Dibromopentane: 4

Hai đầu khác nhau (CH₃ và CH₂CH₃), nên không thể có dạng meso. 2² = 4: hai cặp đối quang.

4. Glucose mạch hở: 16

C2, C3, C4 và C5 là trung tâm lập thể, và hai đầu (CHO và CH₂OH) khác nhau. 2⁴ = 16 aldohexose: 8 dãy D và 8 dãy L. D-glucose là (2R,3S,4R,5R).

5. 1,2-Dimethylcyclohexane: 3

Dạng cis có mặt phẳng gương (meso, (1R,2S)). Dạng trans bất đối: (1R,2R) và (1S,2S). Ngược lại, 1,4-dimethylcyclohexane chỉ có cis và trans, và cả hai đều không bất đối.

Bảng tóm tắt

Lỗi thường gặp

• Cho đáp án 2ⁿ với phân tử đối xứng mà không kiểm tra dạng meso.
• Quên rằng liên kết đôi E/Z được tính vào n.
• Coi liên kết C=C trong vòng nhỏ, hoặc carbon CH₂ hay C(CH₃)₂, là yếu tố lập thể.
• Gọi (2R,3S) và (2S,3R) là hai hợp chất khi phân tử đối xứng.
• Nghĩ rằng mọi đồng phân dia đều có trung tâm lập thể. cis- và trans-but-2-ene cũng là đồng phân dia.
• Coi nitrogen của amine là trung tâm lập thể. Nó nghịch đảo quá nhanh.

Mẹo khi đi thi

• Ôn thi: câu hỏi "tổng số đồng phân lập thể" thường giấu một dạng meso hoặc một liên kết E/Z. Hãy viết ra các tổ hợp R/S và gạch bỏ các trường hợp trùng.
• AP và A-level: đồng phân quang học cần có tâm bất đối; hợp chất meso không có hoạt tính quang học dù có tâm bất đối.
• Hóa hữu cơ đại học: dùng nhóm điểm để xét tính bất đối: phân tử có mặt phẳng gương (σ) hoặc tâm đối xứng (i) là không bất đối. Công cụ tìm nhóm điểm hiển thị các yếu tố này trong 3D.
• Các đối quang có nhiệt độ nóng chảy và phổ NMR giống hệt nhau; đồng phân dia thì không. Nhờ vậy đồng phân dia có thể được tách bằng kết tinh hoặc sắc ký.

Công cụ và hướng dẫn liên quan

Công cụ liên quan

Hướng dẫn liên quan