Dạng chiếu Newman (Newman projection)

Cách vẽ dạng chiếu Newman

Để vẽ dạng chiếu Newman, ta thực hiện theo các bước sau:

1. Chọn liên kết C-C: Xác định liên kết C-C mà ta muốn quan sát. Liên kết này sẽ là trục nhìn của chúng ta.
2. Nhìn dọc theo liên kết: Tưởng tượng ta đang nhìn dọc theo liên kết C-C đã chọn, từ nguyên tử carbon phía trước đến nguyên tử carbon phía sau.
3. Biểu diễn nguyên tử carbon phía trước: Nguyên tử carbon phía trước được biểu diễn bằng một điểm hoặc một vòng tròn nhỏ. Các liên kết của nó với các nhóm thế được vẽ tỏa ra từ tâm của điểm/vòng tròn này.
4. Biểu diễn nguyên tử carbon phía sau: Nguyên tử carbon phía sau được biểu diễn bằng một vòng tròn lớn. Các liên kết của nó với các nhóm thế được vẽ bắt đầu từ đường tròn này, nằm phía sau nguyên tử carbon phía trước. Điều này tạo ra một hình ảnh minh họa rõ ràng về sự sắp xếp tương đối trong không gian ba chiều.

Ví dụ về Dạng chiếu Newman của Etan

Xét phân tử etan (C₂H₆). Dạng chiếu Newman nhìn dọc theo liên kết C-C sẽ như sau:

     H
    |
H---C---H
    |
     \
      C
     / \
    H   H
      |
       H

Trong đó:

• Điểm trung tâm biểu diễn nguyên tử carbon phía trước.
• Vòng tròn lớn biểu diễn nguyên tử carbon phía sau.
• Các đường thẳng biểu diễn liên kết C-H.

Các dạng khác nhau của chiếu Newman

Dạng chiếu Newman có thể thay đổi khi ta xoay liên kết C-C. Hai dạng quan trọng nhất là:

• Dạng so le (Staggered): Các nhóm thế trên nguyên tử carbon phía trước nằm so le với các nhóm thế trên nguyên tử carbon phía sau. Đây là dạng bền hơn do lực đẩy giữa các nhóm thế là nhỏ nhất. Ví dụ trên của etan chính là dạng so le.
• Dạng che khuất (Eclipsed): Các nhóm thế trên nguyên tử carbon phía trước che khuất các nhóm thế trên nguyên tử carbon phía sau. Đây là dạng kém bền hơn do lực đẩy giữa các nhóm thế là lớn nhất. Ví dụ:

     H
    |
H---C---H
    |
     |
      C
     /|\
    H H H

Ứng dụng của dạng chiếu Newman

Dạng chiếu Newman có nhiều ứng dụng quan trọng trong hóa hữu cơ:

• Đánh giá sự tương tác không gian: Dạng chiếu Newman giúp ta dễ dàng hình dung và đánh giá các tương tác không gian giữa các nhóm thế, ví dụ như lực đẩy steric. Sự khác biệt về năng lượng giữa dạng so le và dạng che khuất chính là do lực đẩy steric.
• Xác định cấu dạng bền: Dạng chiếu Newman cho phép ta xác định cấu dạng nào của phân tử là bền nhất. Thông thường, cấu dạng so le sẽ bền hơn cấu dạng che khuất.
• Nghiên cứu cơ chế phản ứng: Dạng chiếu Newman hữu ích trong việc nghiên cứu cơ chế của các phản ứng hóa học, đặc biệt là các phản ứng liên quan đến sự quay quanh liên kết đơn C-C.
• Phân tích phổ NMR: Dạng chiếu Newman giúp giải thích một số hiện tượng trong phổ NMR, đặc biệt là sự chẻ tách tín hiệu do tương tác spin-spin.

Các dạng tương tác trong chiếu Newman

Khi phân tích dạng chiếu Newman, cần xem xét các dạng tương tác giữa các nhóm thế trên hai nguyên tử carbon. Các tương tác này ảnh hưởng đến năng lượng và độ bền của phân tử. Một số tương tác quan trọng bao gồm:

• Tương tác steric: Đây là lực đẩy giữa các nhóm thế chiếm không gian lớn khi chúng ở gần nhau. Tương tác steric lớn nhất khi các nhóm thế che khuất nhau trong dạng chiếu Newman. Ví dụ, trong butan (C₄H₁₀), dạng anti (hai nhóm methyl ở vị trí xa nhau nhất, góc 180°) bền hơn dạng gauche (hai nhóm methyl ở góc 60°) do tương tác steric nhỏ hơn.
• Tương tác lưỡng cực-lưỡng cực: Đây là tương tác giữa các nhóm thế có momen lưỡng cực. Tương tác này có thể là lực hút hoặc lực đẩy tùy thuộc vào sự định hướng của các momen lưỡng cực.
• Liên kết hydro: Đây là một loại tương tác lưỡng cực-lưỡng cực đặc biệt mạnh giữa một nguyên tử hydro liên kết với một nguyên tử có độ âm điện cao (như O, N, F) và một nguyên tử có độ âm điện cao khác. Liên kết hydro có thể ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc và tính chất của phân tử. Tuy nhiên, liên kết hydro ít khi được xem xét trong dạng chiếu Newman vì nó thường liên quan đến các nguyên tử không nằm trực tiếp trên liên kết C-C đang được phân tích.

Phân tích năng lượng của các dạng xoay

Năng lượng của một phân tử thay đổi khi xoay quanh liên kết C-C. Sự thay đổi này có thể được biểu diễn bằng một đồ thị gọi là đồ thị năng lượng thế năng xoay. Đồ thị này cho thấy năng lượng của phân tử ở các góc xoay khác nhau. Các đỉnh của đồ thị tương ứng với các dạng che khuất (năng lượng cao), còn các hõm tương ứng với các dạng so le (năng lượng thấp).

Ứng dụng trong hóa học lập thể

Dạng chiếu Newman đặc biệt hữu ích trong hóa học lập thể, giúp phân biệt các đồng phân cấu hình khác nhau. Ví dụ, trong trường hợp các hợp chất có carbon bất đối, dạng chiếu Newman cho phép ta dễ dàng hình dung sự sắp xếp không gian của các nhóm thế và xác định cấu hình R hoặc S của nguyên tử carbon bất đối.

Ví dụ về Butan

Quan sát liên kết C2-C3 của butan, ta có thể vẽ các dạng chiếu Newman khác nhau khi xoay quanh liên kết này. Dạng anti (hai nhóm methyl ở vị trí xa nhau nhất) là bền nhất, tiếp theo là dạng gauche và cuối cùng là dạng che khuất với hai nhóm methyl che khuất nhau (kém bền nhất). Sự khác biệt về năng lượng giữa các dạng này chủ yếu là do tương tác steric giữa các nhóm methyl.

• Vollhardt, K. P. C.; Schore, N. E. Organic Chemistry: Structure and Function. W. H. Freeman and Company, various editions.
• Clayden, J.; Greeves, N.; Warren, S.; Wothers, P. Organic Chemistry. Oxford University Press, various editions.
• McMurry, J. Organic Chemistry. Cengage Learning, various editions.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao dạng so le (staggered) lại bền hơn dạng che khuất (eclipsed) trong dạng chiếu Newman?

Trả lời: Dạng so le bền hơn dạng che khuất do tương tác steric. Trong dạng che khuất, các nhóm thế nằm thẳng hàng với nhau, dẫn đến lực đẩy mạnh giữa các đám mây electron của chúng. Ngược lại, trong dạng so le, các nhóm thế nằm so le nhau, giảm thiểu lực đẩy và do đó làm giảm năng lượng của phân tử.

Làm thế nào để xác định góc xoắn giữa hai nhóm thế trong dạng chiếu Newman?

Trả lời: Góc xoắn được xác định bằng góc giữa hai nhóm thế khi nhìn dọc theo liên kết C-C. Ví dụ, trong dạng che khuất, góc xoắn giữa hai nhóm thế giống nhau là 0 độ, trong khi trong dạng so le, góc xoắn giữa hai nhóm thế giống nhau là 60 độ. Đối với butan, dạng anti có góc xoắn 180 độ giữa hai nhóm methyl.

Dạng chiếu Newman có thể được sử dụng để phân biệt giữa các đồng phân cấu hình nào?

Trả lời: Dạng chiếu Newman có thể được sử dụng để phân biệt giữa các đồng phân quay, ví dụ như các cấu dạng gauche, eclipsed và anti của butan. Nó cũng hữu ích trong việc hình dung sự khác biệt giữa các đồng phân hình học (cis/trans) khi nhìn dọc theo liên kết C=C. Tuy nhiên, để phân biệt các đồng phân đối quang (enantiomer) cần dùng đến các dạng chiếu khác như chiếu Fischer.

Ngoài tương tác steric, còn những yếu tố nào khác ảnh hưởng đến năng lượng của các cấu dạng trong dạng chiếu Newman?

Trả lời: Ngoài tương tác steric, các yếu tố khác như tương tác lưỡng cực-lưỡng cực và liên kết hydro cũng có thể ảnh hưởng đến năng lượng của các cấu dạng. Ví dụ, trong một phân tử có các nhóm thế phân cực, tương tác lưỡng cực-lưỡng cực có thể làm cho một số cấu dạng nhất định bền hơn hoặc kém bền hơn so với dự đoán chỉ dựa trên tương tác steric.

Tại sao việc hiểu về dạng chiếu Newman lại quan trọng trong hoá học hữu cơ?

Trả lời: Việc hiểu về dạng chiếu Newman là quan trọng vì nó cung cấp một cách trực quan để phân tích cấu trúc 3D của các phân tử, đặc biệt là quanh liên kết đơn. Điều này cho phép ta dự đoán độ bền tương đối của các cấu dạng khác nhau, hiểu về cơ chế của các phản ứng (ví dụ, phản ứng E2), và giải thích các hiện tượng quan sát được trong phổ NMR. Nó cũng đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế thuốc và nghiên cứu các hệ thống sinh học.