Cấu dạng thuyền (Boat conformation)

Cấu dạng thuyền là một trong những dạng cấu trúc không gian mà một phân tử vòng sáu cạnh, ví dụ như cyclohexane ($C6H{12}$), có thể tồn tại. Nó là một cấu dạng kém bền hơn so với cấu dạng ghế do sự tăng lên của năng lượng gây ra bởi lực đẩy không gian và lực đẩy xoắn.

Hình dạng

Cấu dạng thuyền giống như một chiếc thuyền, với hai nguyên tử cacbon ở hai đầu được nâng lên so với mặt phẳng của bốn nguyên tử cacbon còn lại. Sự sắp xếp này tạo ra lực đẩy không gian đáng kể giữa hai nguyên tử hydro ở vị trí “mũi” và “đuôi” thuyền, thường được gọi là tương tác flagpole. Ngoài ra, các liên kết C-H trên bốn nguyên tử cacbon ở “thân” thuyền bị che khuất một phần, dẫn đến lực đẩy xoắn.

Lực đẩy không gian

Trong cấu dạng thuyền, hai nguyên tử hydro ở vị trí “mũi” và “đuôi” của “thuyền” (gọi là hydro ở vị trí flagpole) nằm khá gần nhau, gây ra lực đẩy không gian đáng kể. Lực đẩy này làm tăng năng lượng của phân tử, khiến cấu dạng thuyền kém bền. Tương tác đẩy giữa hai nguyên tử hydro flagpole này là một yếu tố chính góp phần làm tăng năng lượng của cấu dạng thuyền.

Lực đẩy xoắn

Ngoài lực đẩy không gian giữa hai hydro ở vị trí flagpole, các liên kết C-H trên bốn nguyên tử cacbon ở “đáy thuyền” cũng bị che khuất một phần. Sự che khuất này dẫn đến lực đẩy xoắn, tương tự như lực đẩy giữa các liên kết C-H trong cấu dạng che khuất của etan. Lực đẩy xoắn này cũng góp phần làm tăng năng lượng của cấu dạng thuyền. Mỗi cặp liên kết C-H liền kề trên “đáy thuyền” trải qua lực đẩy xoắn, càng làm tăng thêm sự bất ổn định của cấu dạng này.

Cấu dạng thuyền xoắn (Twist-boat conformation)

Để giảm bớt lực đẩy không gian và lực đẩy xoắn, phân tử cyclohexane ở cấu dạng thuyền có thể hơi xoắn lại. Cấu dạng này được gọi là cấu dạng thuyền xoắn (twist-boat). Cấu dạng thuyền xoắn có năng lượng thấp hơn cấu dạng thuyền thông thường, nhưng vẫn cao hơn đáng kể so với cấu dạng ghế. Sự xoắn này làm giảm tương tác flagpole và cũng làm giảm lực đẩy xoắn, làm cho nó ổn định hơn cấu dạng thuyền thông thường.

So sánh với cấu dạng ghế

Cấu dạng ghế là cấu dạng bền nhất của cyclohexane. Nó không có lực đẩy không gian giữa các nguyên tử hydro ở vị trí flagpole và lực đẩy xoắn cũng được giảm thiểu đáng kể. Do đó, cấu dạng ghế có năng lượng thấp hơn đáng kể so với cấu dạng thuyền và cấu dạng thuyền xoắn. Sự khác biệt về năng lượng giữa cấu dạng ghế và cấu dạng thuyền là khoảng 29 kJ/mol.

Chuyển đổi giữa các cấu dạng

Phân tử cyclohexane có thể chuyển đổi giữa các cấu dạng khác nhau, bao gồm cấu dạng ghế, thuyền, và thuyền xoắn, thông qua một loạt các chuyển động xoay quanh liên kết C-C. Tuy nhiên, do chênh lệch năng lượng đáng kể, phân tử chủ yếu tồn tại ở cấu dạng ghế ở nhiệt độ phòng. Quá trình chuyển đổi giữa hai cấu dạng ghế khác nhau được gọi là “lật ghế”.

Ảnh hưởng của các nhóm thế

Sự hiện diện của các nhóm thế trên vòng cyclohexane cũng ảnh hưởng đến độ bền tương đối của các cấu dạng. Ví dụ, trong methylcyclohexane, nhóm methyl ưu tiên nằm ở vị trí xích đạo trong cấu dạng ghế để tránh tương tác 1,3-diaxial với các nguyên tử hydro trên vòng. Nếu nhóm methyl nằm ở vị trí axial, nó sẽ gây ra lực đẩy không gian với các nguyên tử hydro axial khác, làm tăng năng lượng của phân tử.

Ứng dụng trong hóa học hữu cơ

Hiểu biết về cấu dạng thuyền và ghế của cyclohexane rất quan trọng trong hóa học hữu cơ, đặc biệt là trong việc dự đoán khả năng phản ứng và tính chất của các hợp chất vòng. Ví dụ, phản ứng thế nucleophin trên vòng cyclohexane thường xảy ra dễ dàng hơn khi nhóm rời nằm ở vị trí axial, do sự giảm thiểu lực đẩy không gian trong trạng thái chuyển tiếp.

Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp phổ học như phổ NMR (Nuclear Magnetic Resonance) và phổ IR (Infrared Spectroscopy) có thể được sử dụng để nghiên cứu cấu dạng của cyclohexane và các dẫn xuất của nó. Phổ NMR cho phép xác định vị trí tương đối của các nguyên tử hydro trong phân tử, từ đó suy ra cấu dạng. Phổ IR cung cấp thông tin về các dao động phân tử, giúp phân biệt giữa các cấu dạng khác nhau.

Cấu dạng thuyền trong các hệ vòng khác

Cấu dạng thuyền không chỉ giới hạn ở cyclohexane. Các phân tử vòng khác, ví dụ như cycloheptane ($C7H{14}$) và cyclooctane ($C8H{16}$), cũng có thể tồn tại ở cấu dạng thuyền hoặc các biến thể của nó. Tuy nhiên, độ bền tương đối của các cấu dạng này phụ thuộc vào kích thước vòng và sự hiện diện của các nhóm thế.

Tóm tắt về Cấu dạng thuyền

Cấu dạng thuyền là một cấu dạng kém bền của cyclohexane ($C6H{12}$) và các phân tử vòng sáu cạnh khác. Nó có hình dạng giống một chiếc thuyền, với hai nguyên tử cacbon ở “mũi” và “lái” được nâng lên so với mặt phẳng của bốn nguyên tử cacbon còn lại. Sự kém bền của cấu dạng thuyền là do lực đẩy không gian giữa hai nguyên tử hydro ở vị trí flagpole và lực đẩy xoắn giữa các liên kết C-H trên “đáy thuyền”.

Cấu dạng thuyền xoắn là một biến thể của cấu dạng thuyền, trong đó phân tử hơi xoắn lại để giảm bớt lực đẩy. Mặc dù cấu dạng thuyền xoắn có năng lượng thấp hơn cấu dạng thuyền thông thường, nó vẫn kém bền hơn đáng kể so với cấu dạng ghế, là cấu dạng bền nhất của cyclohexane. Cấu dạng ghế không có lực đẩy không gian giữa các hydro flagpole và lực đẩy xoắn cũng được giảm thiểu.

Sự hiện diện của các nhóm thế trên vòng cyclohexane ảnh hưởng đến độ bền tương đối của các cấu dạng. Ví dụ, nhóm methyl ưu tiên nằm ở vị trí xích đạo trong cấu dạng ghế để tránh tương tác 1,3-diaxial với các nguyên tử hydro khác. Hiểu biết về các cấu dạng khác nhau của cyclohexane rất quan trọng trong việc dự đoán khả năng phản ứng và các tính chất của các hợp chất vòng. Các phương pháp phổ học như phổ NMR và phổ IR có thể được sử dụng để nghiên cứu và xác định cấu dạng của các phân tử này.

Tài liệu tham khảo:

Paula Yurkanis Bruice. Organic Chemistry. Pearson Education, Inc., 2017.
Kenneth L. Williamson. Macroscale and Microscale Organic Experiments. Cengage Learning, 2016.
Vollhardt K. Peter C. and Schore Neil E. Organic Chemistry. W. H. Freeman and Company, 2018.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao cấu dạng thuyền của cyclohexane lại kém bền hơn cấu dạng ghế?

Trả lời: Cấu dạng thuyền kém bền hơn cấu dạng ghế do sự hiện diện của lực đẩy không gian giữa hai nguyên tử hydro ở vị trí flagpole và lực đẩy xoắn giữa các liên kết C-H trên “đáy thuyền”. Trong cấu dạng ghế, những lực đẩy này được giảm thiểu đáng kể.

Cấu dạng thuyền xoắn khác gì so với cấu dạng thuyền thông thường, và tại sao nó lại bền hơn?

Trả lời: Cấu dạng thuyền xoắn là một biến thể của cấu dạng thuyền, trong đó phân tử hơi xoắn lại. Sự xoắn này làm giảm bớt lực đẩy không gian giữa hai hydro flagpole và lực đẩy xoắn, khiến cấu dạng thuyền xoắn có năng lượng thấp hơn cấu dạng thuyền thông thường.

Ảnh hưởng của các nhóm thế lên độ bền của các cấu dạng trong cyclohexane như thế nào? Cho ví dụ cụ thể.

Trả lời: Các nhóm thế ảnh hưởng đến độ bền tương đối của các cấu dạng. Ví dụ, trong methylcyclohexane ($C7H{14}$), nhóm methyl ưu tiên nằm ở vị trí xích đạo trong cấu dạng ghế để tránh tương tác 1,3-diaxial với các nguyên tử hydro axial. Nếu nhóm methyl nằm ở vị trí axial, nó sẽ gây ra lực đẩy không gian, làm tăng năng lượng của phân tử.

Làm thế nào để xác định thực nghiệm cấu dạng của cyclohexane và các dẫn xuất của nó?

Trả lời: Các phương pháp phổ học, như phổ NMR và phổ IR, có thể được sử dụng để nghiên cứu và xác định cấu dạng của cyclohexane và các dẫn xuất của nó. Phổ NMR cho phép xác định vị trí tương đối của các nguyên tử hydro, từ đó suy ra cấu dạng. Phổ IR cung cấp thông tin về các dao động phân tử, giúp phân biệt giữa các cấu dạng khác nhau.

Ngoài cyclohexane, còn phân tử vòng nào khác có thể tồn tại ở cấu dạng thuyền?

Trả lời: Cấu dạng thuyền không chỉ giới hạn ở cyclohexane. Các phân tử vòng khác, ví dụ như cycloheptane ($C7H{14}$) và cyclooctane ($C8H{16}$), cũng có thể tồn tại ở cấu dạng thuyền hoặc các biến thể của nó. Tuy nhiên, độ bền tương đối của các cấu dạng này phụ thuộc vào kích thước vòng và sự hiện diện của các nhóm thế.

Một số điều thú vị về Cấu dạng thuyền

Sự năng động của cyclohexane: Mặc dù ta thường vẽ cyclohexane ở cấu dạng ghế hoặc thuyền tĩnh, thực tế phân tử này liên tục chuyển đổi giữa các cấu dạng khác nhau một cách nhanh chóng ở nhiệt độ phòng. Bạn có thể hình dung nó như một chiếc thuyền đang lắc lư trên sóng, liên tục thay đổi hình dạng.
“Ghế” không phải lúc nào cũng là “vua”: Mặc dù cấu dạng ghế thường là bền nhất cho cyclohexane, nhưng điều này không phải lúc nào cũng đúng với các vòng lớn hơn. Với các vòng có nhiều hơn sáu nguyên tử cacbon, các cấu dạng khác, ví dụ như cấu dạng “thuyền xoắn” hoặc “ghế xoắn”, có thể trở nên bền hơn.
Các nhóm thế “to béo” ghét vị trí axial: Các nhóm thế lớn, cồng kềnh thực sự “ghét” nằm ở vị trí axial trong cấu dạng ghế do lực đẩy không gian mạnh. Chúng “thích” nằm ở vị trí xích đạo hơn, nơi có nhiều không gian hơn. Sự ưu tiên này có thể ảnh hưởng đáng kể đến khả năng phản ứng của phân tử.
Cấu dạng thuyền – một “kẻ trung gian” bí ẩn: Cấu dạng thuyền, mặc dù kém bền, thường đóng vai trò là một chất trung gian quan trọng trong các phản ứng hóa học của cyclohexane. Nó giống như một “cầu nối” giữa hai cấu dạng ghế khác nhau.
Không chỉ là lý thuyết suông: Việc hiểu biết về cấu dạng của cyclohexane có ứng dụng thực tế rất quan trọng. Ví dụ, trong ngành công nghiệp dược phẩm, cấu dạng của các phân tử thuốc có thể ảnh hưởng đến cách chúng tương tác với các thụ thể trong cơ thể, từ đó ảnh hưởng đến hiệu quả của thuốc.