Dạng đồng phân nghịch (Conformer/Rotamer)

Sự hình thành các dạng đồng phân nghịch là do khả năng quay tương đối tự do quanh liên kết đơn. Năng lượng cần thiết cho sự quay này thường thấp, cho phép các dạng đồng phân nghịch tồn tại ở nhiệt độ phòng và chuyển đổi qua lại nhanh chóng. Tuy nhiên, sự quay không phải lúc nào cũng hoàn toàn tự do. Có những rào cản năng lượng nhất định giữa các dạng đồng phân nghịch khác nhau, do sự đẩy lẫn nhau giữa các đám mây electron của các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử gần nhau. Sự khác biệt về năng lượng giữa các conformer được gọi là năng lượng biến dạng (strain energy). Conformer có năng lượng thấp nhất được gọi là conformer bền nhất.

Ví dụ

Một ví dụ kinh điển về dạng đồng phân nghịch là etan ($C_2H_6$). Sự quay quanh liên kết C-C tạo ra nhiều dạng đồng phân nghịch khác nhau. Hai dạng đồng phân nghịch quan trọng nhất là dạng so le (staggered) và dạng che khuất (eclipsed).

• Dạng so le: Các nguyên tử hydro trên hai nguyên tử cacbon nằm so le nhau, giảm thiểu sự đẩy lẫn nhau. Đây là dạng đồng phân nghịch bền nhất do năng lượng biến dạng thấp nhất.
• Dạng che khuất: Các nguyên tử hydro trên hai nguyên tử cacbon nằm che khuất nhau, dẫn đến sự đẩy lẫn nhau lớn hơn. Đây là dạng đồng phân nghịch kém bền hơn do năng lượng biến dạng cao hơn.

Sự khác biệt năng lượng giữa hai dạng này là tương đối nhỏ, khoảng 12 kJ/mol.

Biểu diễn

Các dạng đồng phân nghịch thường được biểu diễn bằng các hình chiếu Newman. Trong hình chiếu Newman, phân tử được nhìn dọc theo một liên kết C-C. Nguyên tử cacbon phía trước được biểu diễn bằng một điểm, còn nguyên tử cacbon phía sau được biểu diễn bằng một vòng tròn. Các liên kết từ mỗi nguyên tử cacbon được vẽ ra từ điểm hoặc vòng tròn tương ứng.

Ảnh hưởng của dạng đồng phân nghịch

Dạng đồng phân nghịch có thể ảnh hưởng đến một số tính chất của phân tử, bao gồm:

• Hoạt tính sinh học: Trong các phân tử sinh học lớn như protein, dạng đồng phân nghịch đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hoạt tính sinh học. Ví dụ, sự gấp cuộn chính xác của protein phụ thuộc vào các dạng đồng phân nghịch của các liên kết peptit.
• Tính chất vật lý: Sự khác biệt về dạng đồng phân nghịch có thể ảnh hưởng đến điểm nóng chảy, điểm sôi, và các tính chất vật lý khác của một hợp chất.
• Phản ứng hóa học: Dạng đồng phân nghịch có thể ảnh hưởng đến tốc độ và cơ chế của một số phản ứng hóa học. Ví dụ, một phản ứng có thể xảy ra dễ dàng hơn nếu phân tử ở một dạng đồng phân nghịch cụ thể.

Phân tích dạng đồng phân nghịch

Các kỹ thuật phổ như phổ NMR và phổ hồng ngoại có thể được sử dụng để nghiên cứu và phân tích các dạng đồng phân nghịch. Phổ NMR có thể phân biệt các dạng đồng phân nghịch khác nhau dựa trên sự khác biệt về môi trường hóa học của các nguyên tử. Phổ hồng ngoại có thể cung cấp thông tin về các dao động phân tử, giúp xác định các dạng đồng phân nghịch khác nhau.

Dạng đồng phân nghịch là các dạng khác nhau của một phân tử phát sinh do sự quay quanh liên kết đơn. Chúng đóng vai trò quan trọng trong hóa học hữu cơ và hóa sinh, ảnh hưởng đến cả tính chất vật lý và hoạt tính sinh học của các phân tử.

Phân tích chi tiết về sự quay quanh liên kết đơn và rào cản năng lượng

Như đã đề cập, sự quay quanh liên kết đơn không hoàn toàn tự do. Có những rào cản năng lượng ngăn cản sự chuyển đổi tự do giữa các dạng đồng phân nghịch. Rào cản năng lượng này phát sinh từ sự đẩy lẫn nhau giữa các đám mây electron của các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử gần nhau. Trong ví dụ về etan, dạng che khuất có năng lượng cao hơn dạng so le do sự đẩy lẫn nhau giữa các nguyên tử hydro.

Biểu đồ năng lượng của sự quay quanh liên kết C-C trong etan cho thấy sự biến thiên năng lượng khi phân tử quay từ dạng so le sang dạng che khuất và ngược lại. Độ chênh lệch năng lượng giữa dạng so le và dạng che khuất được gọi là năng lượng xoắn.

Ứng dụng trong hóa học hữu cơ và hóa sinh

Khái niệm về dạng đồng phân nghịch rất quan trọng trong việc hiểu cấu trúc và hoạt tính của các phân tử hữu cơ, đặc biệt là các phân tử sinh học phức tạp.

• Protein: Cấu trúc ba chiều của protein được xác định một phần bởi dạng đồng phân nghịch của các liên kết peptit và các mạch bên của amino acid. Sự quay quanh các liên kết này cho phép protein gấp cuộn thành các cấu trúc phức tạp và thực hiện các chức năng sinh học.
• Polysaccharide: Dạng đồng phân nghịch cũng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định cấu trúc và tính chất của polysaccharide như cellulose và tinh bột.
• Phản ứng hóa học: Trong một số phản ứng hóa học, dạng đồng phân nghịch của chất phản ứng có thể ảnh hưởng đến tốc độ và cơ chế phản ứng. Ví dụ, trong phản ứng S_N2, chất tấn công nucleophin ưu tiên tấn công từ phía sau nhóm rời, dẫn đến sự đảo ngược cấu hình. Sự quay quanh liên kết C-C có thể ảnh hưởng đến khả năng tiếp cận của chất tấn công nucleophin và do đó ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng.

Các phương pháp nghiên cứu dạng đồng phân nghịch

Ngoài phổ NMR và phổ hồng ngoại, các phương pháp tính toán như cơ học lượng tử và động lực học phân tử cũng được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu dạng đồng phân nghịch. Các phương pháp này cho phép tính toán năng lượng của các dạng đồng phân nghịch khác nhau, rào cản năng lượng giữa chúng, và sự phân bố Boltzmann của các dạng đồng phân nghịch ở các nhiệt độ khác nhau.

• Paula Yurkanis Bruice, “Organic Chemistry”, 8th Edition, Pearson Education, 2016.
• Kenneth L. Williamson, “Macroscale and Microscale Organic Experiments”, 7th Edition, Cengage Learning, 2016.
• Vollhardt K. Peter C., Schore Neil E, “Organic Chemistry: Structure and Function”, 8th Edition, W. H. Freeman and Company, 2018.

Câu hỏi và Giải đáp

Ngoài etan ($C_2H_6$), hãy cho một ví dụ khác về phân tử thể hiện dạng đồng phân nghịch và giải thích sự khác biệt năng lượng giữa các dạng đồng phân nghịch của nó.

Trả lời: Butan ($C4H{10}$) cũng thể hiện dạng đồng phân nghịch do sự quay quanh liên kết C-C. Khi xét sự quay quanh liên kết C2-C3, ta có các dạng đồng phân nghịch so le đối (anti), so le kề (gauche) và che khuất. Dạng so le đối có năng lượng thấp nhất do các nhóm methyl nằm xa nhau nhất, giảm thiểu sự đẩy lẫn nhau. Dạng so le kề có năng lượng cao hơn một chút do sự đẩy lẫn nhau giữa các nhóm methyl, nhưng vẫn thấp hơn dạng che khuất, nơi sự đẩy lẫn nhau là lớn nhất.

Hình chiếu Newman được sử dụng để biểu diễn dạng đồng phân nghịch như thế nào?

Trả lời: Hình chiếu Newman cho phép ta nhìn dọc theo một liên kết cụ thể, ví dụ liên kết C-C. Nguyên tử carbon gần người quan sát được biểu diễn bằng một điểm, còn nguyên tử carbon xa hơn được biểu diễn bằng một vòng tròn. Các liên kết từ mỗi nguyên tử carbon được vẽ ra từ điểm hoặc vòng tròn tương ứng. Điều này cho phép ta dễ dàng hình dung sự sắp xếp không gian của các nhóm thế và so sánh các dạng đồng phân nghịch khác nhau.

Tại sao việc hiểu về dạng đồng phân nghịch lại quan trọng trong thiết kế thuốc?

Trả lời: Dạng đồng phân nghịch có thể ảnh hưởng đáng kể đến hoạt tính sinh học của một phân tử. Một dạng đồng phân nghịch có thể tương tác tốt với mục tiêu sinh học (ví dụ, một enzyme), trong khi một dạng khác có thể không tương tác hoặc thậm chí gây ra tác dụng phụ. Do đó, trong thiết kế thuốc, việc xác định và tối ưu hóa dạng đồng phân nghịch có hoạt tính mong muốn là rất quan trọng.

Ngoài phổ NMR và phổ hồng ngoại, còn phương pháp nào khác được sử dụng để nghiên cứu dạng đồng phân nghịch?

Trả lời: Các phương pháp tính toán như cơ học lượng tử và động lực học phân tử cũng được sử dụng rộng rãi. Cơ học lượng tử cho phép tính toán năng lượng của các dạng đồng phân nghịch khác nhau, trong khi động lực học phân tử mô phỏng chuyển động của các phân tử theo thời gian, cung cấp thông tin về sự chuyển đổi giữa các dạng đồng phân nghịch. Phương pháp nhiễu xạ tia X cũng có thể cung cấp thông tin về cấu trúc và do đó gián tiếp về dạng đồng phân nghịch chiếm ưu thế trong thể rắn.

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự phân bố các dạng đồng phân nghịch như thế nào?

Trả lời: Ở nhiệt độ thấp, dạng đồng phân nghịch có năng lượng thấp nhất thường chiếm ưu thế. Khi nhiệt độ tăng, năng lượng của hệ tăng lên, cho phép các dạng đồng phân nghịch có năng lượng cao hơn tồn tại với tỷ lệ lớn hơn. Sự phân bố Boltzmann mô tả mối quan hệ giữa năng lượng của các dạng đồng phân nghịch và sự phân bố của chúng ở một nhiệt độ nhất định. Ở nhiệt độ rất cao, tất cả các dạng đồng phân nghịch có thể tồn tại với tỷ lệ gần như bằng nhau.