Dạng chiếu Fischer (Fischer projection)

Dạng chiếu Fischer là một cách biểu diễn hai chiều của cấu trúc ba chiều của một phân tử chiral, đặc biệt hữu ích trong hóa học hữu cơ, và thường được sử dụng để biểu diễn carbohydrate. Nó được phát triển bởi nhà hóa học người Đức, Emil Fischer, người đã đạt giải Nobel Hóa học.

Nguyên tắc cơ bản của dạng chiếu Fischer:

Dạng chiếu Fischer hình dung phân tử như được chiếu lên một mặt phẳng. Các liên kết được biểu diễn bằng các đường thẳng đứng và ngang. Cụ thể hơn:

Đường thẳng đứng: Biểu diễn các liên kết hướng ra sau mặt phẳng chiếu (hướng ra xa người quan sát).
Đường thẳng ngang: Biểu diễn các liên kết hướng ra trước mặt phẳng chiếu (hướng về phía người quan sát).

Giao điểm của đường thẳng đứng và ngang đại diện cho nguyên tử carbon chiral (hay còn gọi là trung tâm bất đối xứng). Thông thường, chuỗi carbon chính được vẽ theo chiều dọc, với carbon có số thứ tự nhỏ nhất ở phía trên.

Ví dụ

Đối với phân tử glyceraldehyde, một aldotriose đơn giản, dạng chiếu Fischer được biểu diễn như sau:

     CHO
     |
     C
    / \
   H   OH
     |
     CH₂OH

Trong ví dụ này:

Nhóm aldehyde (CHO) nằm ở phía trên.
Nhóm CH₂OH nằm ở phía dưới.
Nguyên tử H và nhóm OH nằm trên đường thẳng ngang, hướng về phía người quan sát.
Nguyên tử carbon chiral nằm ở giao điểm của đường thẳng đứng và ngang, nhưng thường không được viết rõ ràng.

Quy ước vẽ dạng chiếu Fischer:

Chuỗi carbon dài nhất thường được vẽ theo chiều dọc.
Nhóm carbon có số oxi hóa cao nhất (ví dụ: aldehyde, ketone, carboxylic acid) thường được đặt ở phía trên.

Ưu điểm của dạng chiếu Fischer:

Đơn giản và dễ vẽ: Giúp biểu diễn nhanh chóng cấu trúc không gian của phân tử.
Hữu ích để so sánh các đồng phân lập thể: Đặc biệt là enantiomer (ảnh đối quang) và diastereomer (đồng phân không phải ảnh đối quang). Việc xoay dạng chiếu Fischer 180 độ trong mặt phẳng giấy tương đương với việc nhìn phân tử từ phía đối diện.
Dễ dàng xác định cấu hình D và L: Của các đường và amino acid. Cấu hình này dựa trên vị trí của nhóm hydroxyl (-OH) trên carbon chiral cuối cùng (carbon bất đối xứng xa nhóm carbonyl nhất).

Nhược điểm

Mặc dù hữu ích, dạng chiếu Fischer cũng có một số nhược điểm:

Không thể xoay 90 độ: Xoay 90 độ trong mặt phẳng sẽ thay đổi cấu hình tuyệt đối của phân tử. Chỉ có thể xoay 180 độ trong mặt phẳng.
Khó hình dung cấu trúc ba chiều thực: Dạng chiếu Fischer là biểu diễn 2D, do đó đôi khi khó hình dung cấu trúc 3D thực tế của phân tử, đặc biệt là với những phân tử phức tạp.
Không phù hợp cho phân tử phức tạp: Với nhiều trung tâm chiral, việc biểu diễn và phân tích bằng dạng chiếu Fischer trở nên phức tạp và khó khăn.

Ứng dụng

Dạng chiếu Fischer được sử dụng rộng rãi trong:

Biểu diễn cấu trúc carbohydrate (đường): Đây là ứng dụng phổ biến nhất của dạng chiếu Fischer.
Biểu diễn cấu trúc amino acid: Giúp dễ dàng so sánh và phân biệt các đồng phân của amino acid.
Xác định cấu hình tuyệt đối (R/S): Của các trung tâm chiral, mặc dù cần chuyển đổi cẩn thận.
Nghiên cứu các phản ứng hóa học: Liên quan đến các phân tử chiral, đặc biệt là trong việc dự đoán sản phẩm của phản ứng.

Thao tác với dạng chiếu Fischer

Việc thao tác với dạng chiếu Fischer cần được thực hiện cẩn thận để tránh vô tình thay đổi cấu hình lập thể của phân tử.

Xoay 180°: Xoay dạng chiếu Fischer 180° trong mặt phẳng giấy không làm thay đổi cấu hình của phân tử.
Xoay 90°: Xoay dạng chiếu Fischer 90° trong mặt phẳng giấy làm thay đổi cấu hình và do đó không được phép.
Trao đổi nhóm thế: Trao đổi hai cặp nhóm thế bất kỳ trên một trung tâm chiral trong dạng chiếu Fischer không làm thay đổi cấu hình. Trao đổi một cặp nhóm thế sẽ làm thay đổi cấu hình.

Xác định cấu hình D và L

Dạng chiếu Fischer đặc biệt hữu ích để gán cấu hình D và L cho đường và amino acid.

Đường: Cấu hình của trung tâm chiral xa nhóm carbonyl nhất quyết định cấu hình D hay L.
- D-đường: Nhóm hydroxyl (-OH) trên carbon chiral xa nhóm carbonyl nhất nằm bên phải trong dạng chiếu Fischer.
- L-đường: Nhóm hydroxyl (-OH) trên carbon chiral xa nhóm carbonyl nhất nằm bên trái trong dạng chiếu Fischer.
Amino acid: Cấu hình dựa trên vị trí của nhóm amino (NH₂) trên carbon alpha (carbon chiral cạnh nhóm carboxyl).
- D-amino acid: Nhóm amino (NH₂) nằm bên phải.
- L-amino acid: Nhóm amino (NH₂) nằm bên trái.

Ví dụ về Carbohydrate

Dưới đây là ví dụ về dạng chiếu Fischer của hai enantiomer của glucose:

     CHO             CHO
     |               |
     C               C
    / \             / \
   H   OH           OH  H
     |               |
     C               C
    / \             / \
   OH  H           H   OH
     |               |
     C               C
    / \             / \
   H   OH           OH  H
     |               |
     CH₂OH         CH₂OH

     D-Glucose      L-Glucose

Hạn chế

Dạng chiếu Fischer phù hợp nhất cho các phân tử mạch thẳng và trở nên phức tạp đối với các cấu trúc mạch vòng phức tạp. Chúng cũng không dễ dàng mô tả các thay đổi cấu dạng hoặc sự quay quanh liên kết đơn.

Tóm tắt về Dạng chiếu Fischer

Dạng chiếu Fischer là một công cụ mạnh mẽ để biểu diễn phân tử chiral, đặc biệt trong hóa học của carbohydrate và amino acid. Điểm mấu chốt cần nhớ là đường thẳng đứng biểu diễn liên kết hướng ra sau mặt phẳng chiếu, còn đường thẳng ngang biểu diễn liên kết hướng ra trước mặt phẳng chiếu. Giao điểm của các đường này đại diện cho nguyên tử carbon chiral.

Cần đặc biệt cẩn thận khi thao tác với dạng chiếu Fischer. Xoay 180 độ trong mặt phẳng được phép và không làm thay đổi cấu hình của phân tử. Tuy nhiên, xoay 90 độ bị nghiêm cấm vì nó sẽ thay đổi cấu hình. Việc đổi chỗ hai cặp nhóm thế trên một nguyên tử carbon chiral không ảnh hưởng đến cấu hình, nhưng đổi chỗ chỉ một cặp thì có.

Dạng chiếu Fischer rất hữu ích trong việc xác định cấu hình D và L của đường và amino acid. Đối với đường, hãy xem xét nhóm hydroxyl (OH) trên nguyên tử carbon chiral xa nhóm carbonyl nhất. Nếu nó nằm bên phải, đó là D-đường; nếu nó nằm bên trái, đó là L-đường. Đối với amino acid, hãy nhìn vào nhóm amino (NH$_2$) trên carbon alpha. Bên phải là D-amino acid, bên trái là L-amino acid.

Cuối cùng, hãy nhớ rằng dạng chiếu Fischer có những hạn chế. Chúng phù hợp nhất với các phân tử mạch thẳng và ít hữu ích hơn với các cấu trúc vòng phức tạp. Chúng cũng không dễ dàng biểu diễn các thay đổi cấu trúc hoặc chuyển động quay quanh liên kết đơn. Việc hiểu rõ những điểm mạnh và điểm yếu này sẽ giúp bạn sử dụng dạng chiếu Fischer một cách hiệu quả trong việc nghiên cứu hóa học lập thể.

Tài liệu tham khảo

Vollhardt, K. P. C.; Schore, N. E. Organic Chemistry: Structure and Function; W. H. Freeman and Company: New York, various editions.
Wade, L. G. Jr. Organic Chemistry; Pearson Education: Glenview, IL, various editions.
McMurry, J. Organic Chemistry; Cengage Learning: Boston, MA, various editions.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao việc xoay 90 độ một dạng chiếu Fischer lại bị nghiêm cấm?

Trả lời: Xoay 90 độ một dạng chiếu Fischer sẽ làm thay đổi vị trí của các nhóm thế so với người quan sát. Điều này tương đương với việc thay đổi cấu hình của phân tử, biến một enantiomer thành enantiomer đối của nó hoặc một diastereomer thành một diastereomer khác. Vì mục đích của dạng chiếu Fischer là biểu diễn một cấu hình cụ thể, nên phép xoay 90 độ không được phép.

Làm thế nào để chuyển đổi từ dạng chiếu Fischer sang dạng chiếu nêm-nét (wedge-dash)?

Trả lời: Để chuyển đổi, cần nhớ rằng các liên kết ngang trong Fischer hướng về phía người quan sát (nêm) và các liên kết dọc hướng ra xa người quan sát (nét đứt). Vẽ nguyên tử carbon chiral ở trung tâm, sau đó đặt các nhóm thế theo hướng tương ứng dựa trên dạng chiếu Fischer.

Dạng chiếu Fischer có hạn chế nào khi biểu diễn các phân tử tuần hoàn?

Trả lời: Dạng chiếu Fischer chủ yếu được thiết kế cho các phân tử mạch thẳng. Mặc dù có thể biểu diễn các phân tử tuần hoàn nhỏ, nhưng việc biểu diễn các vòng lớn hơn hoặc các hệ thống đa vòng trở nên phức tạp và khó diễn giải. Dạng chiếu Haworth thường được ưu tiên cho các cấu trúc vòng.

Làm thế nào để xác định cấu hình R/S của một trung tâm chiral từ dạng chiếu Fischer?

Trả lời: Xác định thứ tự ưu tiên của bốn nhóm thế gắn với carbon chiral theo quy tắc Cahn-Ingold-Prelog. Nếu nhóm thế có ưu tiên thấp nhất (thường là H) nằm trên một liên kết ngang (hướng về phía trước), hãy xác định hướng từ nhóm ưu tiên cao nhất đến nhóm ưu tiên thứ hai đến nhóm ưu tiên thứ ba. Nếu hướng này cùng chiều kim đồng hồ, cấu hình là R; nếu ngược chiều kim đồng hồ, cấu hình là S. Nếu nhóm thế có ưu tiên thấp nhất nằm trên liên kết dọc (hướng ra sau), hãy đảo ngược kết quả thu được (R thành S và S thành R).

Ngoài carbohydrate và amino acid, dạng chiếu Fischer còn được sử dụng trong lĩnh vực nào khác của hóa học?

Trả lời: Dạng chiếu Fischer cũng được sử dụng trong hóa học của các hợp chất tự nhiên khác, ví dụ như các acid béo và steroid, để biểu diễn các trung tâm chiral và so sánh các đồng phân lập thể. Chúng cũng có thể được sử dụng trong hóa học tổng hợp hữu cơ, đặc biệt là khi làm việc với các phân tử chiral và lập kế hoạch tổng hợp lập thể.

Một số điều thú vị về Dạng chiếu Fischer

Nguồn gốc tên gọi: Dạng chiếu Fischer được đặt theo tên của Emil Fischer, một nhà hóa học người Đức đã phát minh ra phương pháp này vào cuối thế kỷ 19. Ông đã giành giải Nobel Hóa học năm 1902 cho công trình nghiên cứu về đường và purine, và dạng chiếu Fischer đã đóng một vai trò quan trọng trong nghiên cứu của ông.
Giải Nobel và tranh cãi: Mặc dù dạng chiếu Fischer là công cụ quan trọng trong công trình nghiên cứu đoạt giải Nobel của Fischer, nhưng có một số tranh cãi xung quanh việc ông được trao giải. Một số nhà khoa học tin rằng những người khác, đặc biệt là những người đã tổng hợp đường trong phòng thí nghiệm, xứng đáng được công nhận hơn.
Sự đơn giản đánh lừa: Vẻ ngoài đơn giản của dạng chiếu Fischer có thể đánh lừa. Mặc dù dễ vẽ, nhưng việc diễn giải chính xác và thao tác với chúng đòi hỏi sự hiểu biết về các quy tắc và hạn chế của chúng. Nhiều sinh viên hóa học đã gặp khó khăn khi xoay hoặc biến đổi dạng chiếu Fischer mà không vô tình thay đổi cấu hình của phân tử.
Công cụ giảng dạy thiết yếu: Dạng chiếu Fischer vẫn là công cụ giảng dạy thiết yếu trong hóa hữu cơ và hóa sinh. Chúng cung cấp một cách đơn giản để hình dung và so sánh các đồng phân lập thể, đặc biệt là trong bối cảnh của carbohydrate và amino acid.
Kết nối với thế giới thực: Dạng chiếu Fischer không chỉ là một khái niệm lý thuyết. Chúng có liên quan trực tiếp đến các phân tử sinh học quan trọng, bao gồm đường, amino acid và nhiều loại thuốc. Khả năng hiểu và diễn giải dạng chiếu Fischer là điều cần thiết cho bất kỳ ai làm việc trong các lĩnh vực này.
Vượt ra ngoài Fischer: Trong khi dạng chiếu Fischer vẫn là công cụ hữu ích, các phương pháp biểu diễn ba chiều khác như dạng chiếu Haworth (dành cho các cấu trúc vòng) và mô hình 3D trên máy tính đang ngày càng trở nên phổ biến, cung cấp khả năng hiển thị đầy đủ và linh hoạt hơn.