Diastereome (Diastereomer)

Diastereome là các đồng phân lập thể không phải là enantiome của nhau. Nói cách khác, chúng là các đồng phân lập thể không phải là ảnh phản chiếu qua gương của nhau và không chồng khít lên nhau. Diastereome có thể xuất hiện trong các phân tử có nhiều hơn một trung tâm chiral (nguyên tử cacbon bất đối xứng).

So sánh với Enantiome và Đồng phân cấu trúc

Để hiểu rõ hơn về diastereome, hãy so sánh với các loại đồng phân khác:

Đồng phân cấu trúc (Structural isomers): Có cùng công thức phân tử nhưng khác nhau về cách sắp xếp các nguyên tử. Ví dụ: butan (C₄H₁₀) và isobutan (methylpropan).
Đồng phân lập thể (Stereoisomers): Có cùng công thức phân tử và cùng trật tự liên kết các nguyên tử, nhưng khác nhau về sự sắp xếp không gian của các nguyên tử. Đồng phân lập thể được chia thành hai loại chính: enantiome và diastereome.
Enantiome (Enantiomers): Là cặp đồng phân lập thể là ảnh phản chiếu qua gương của nhau nhưng không chồng khít lên nhau, giống như bàn tay trái và bàn tay phải. Tất cả các trung tâm chiral trong enantiome đều có cấu hình ngược nhau.

Đặc điểm của Diastereome

Cấu hình: Diastereome có ít nhất một trung tâm chiral có cấu hình giống nhau và ít nhất một trung tâm chiral có cấu hình khác nhau.
Tính chất vật lý và hóa học: Không giống như enantiome có hầu hết các tính chất vật lý và hóa học giống nhau, diastereome có tính chất vật lý (điểm nóng chảy, điểm sôi, mật độ, độ hòa tan, chỉ số khúc xạ,…) và hóa học khác nhau. Sự khác biệt này cho phép chúng ta có thể tách riêng các diastereome bằng các phương pháp vật lý thông thường như sắc ký, kết tinh phân đoạn.
Ví dụ: Xét hợp chất 2,3-dichlorobutan (C₄H₈Cl₂). Nó có hai trung tâm chiral, do đó có thể có tối đa 2² = 4 đồng phân lập thể.

CH₃-CHCl-CHCl-CH₃

(2R,3R)-2,3-dichlorobutan
(2S,3S)-2,3-dichlorobutan
(2R,3S)-2,3-dichlorobutan
(2S,3R)-2,3-dichlorobutan

(2R,3R) và (2S,3S) là enantiome của nhau.
(2R,3S) và (2S,3R) là enantiome của nhau.
(2R,3R) và (2R,3S) là diastereome của nhau.
(2R,3R) và (2S,3R) là diastereome của nhau.
(2S,3S) và (2R,3S) là diastereome của nhau.
(2S,3S) và (2S,3R) là diastereome của nhau.

Tầm quan trọng của Diastereome

Sự hiểu biết về diastereome rất quan trọng trong hóa học hữu cơ, đặc biệt là trong các lĩnh vực như:

Tổng hợp hữu cơ: Việc kiểm soát sự hình thành diastereome là rất quan trọng trong quá trình tổng hợp các phân tử phức tạp, đặc biệt là trong lĩnh vực hóa dược.
Hóa học tự nhiên: Nhiều sản phẩm tự nhiên tồn tại dưới dạng diastereome, và sự khác biệt về tính chất của chúng có thể ảnh hưởng đến hoạt tính sinh học.

Các dạng Diastereomer đặc biệt

Ngoài định nghĩa chung, có một số dạng diastereomer đặc biệt cần lưu ý:

Epimer: Là diastereomer chỉ khác nhau về cấu hình tại một trung tâm chiral. Ví dụ, D-glucose và D-mannose là epimer vì chúng chỉ khác nhau cấu hình ở C2.
Anomer: Là diastereomer của các đường mạch vòng, khác nhau về cấu hình ở carbon anomeric (carbon liên kết với hai nguyên tử oxy). Ví dụ, α-D-glucose và β-D-glucose là anomer.

Phương pháp tách Diastereomer

Vì diastereomer có tính chất vật lý khác nhau, nên chúng có thể được tách bằng các phương pháp vật lý thông thường, bao gồm:

Kết tinh phân đoạn: Dựa trên sự khác biệt về độ hòa tan của các diastereomer trong một dung môi nhất định.
Sắc ký: Các kỹ thuật sắc ký khác nhau, chẳng hạn như sắc ký cột, sắc ký lớp mỏng (TLC), và sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC), có thể được sử dụng để tách diastereomer dựa trên sự khác biệt về ái lực với pha tĩnh và pha động.

Chiral Resolution (Phân giải chiral)

Trong trường hợp hỗn hợp racemic (hỗn hợp hai enantiomer với tỉ lệ 1:1), việc tách riêng các enantiomer bằng các phương pháp vật lý thông thường là khó khăn vì chúng có tính chất vật lý giống nhau. Một phương pháp phổ biến để phân giải chiral là chuyển đổi hỗn hợp enantiomer thành hỗn hợp diastereomer bằng cách cho phản ứng với một chất chiral tinh khiết (chất phân giải chiral). Sau đó, các diastereomer được tạo thành có thể được tách riêng bằng các phương pháp vật lý như đã đề cập ở trên. Cuối cùng, các enantiomer tinh khiết được thu hồi bằng cách loại bỏ chất phân giải chiral.

Ứng dụng của Diastereomer trong tổng hợp hữu cơ

Kiểm soát sự hình thành diastereomer, hay còn gọi là diastereoselectivity, là rất quan trọng trong tổng hợp hữu cơ. Bằng cách điều khiển các điều kiện phản ứng, các nhà hóa học có thể ưu tiên tạo ra một diastereomer mong muốn, giúp đơn giản hóa quá trình tổng hợp và tăng hiệu suất sản phẩm. Một số phản ứng quan trọng thể hiện tính diastereoselectivity bao gồm phản ứng cộng Michael, phản ứng aldol, và phản ứng Diels-Alder.

Tóm tắt về Diastereome

Diastereomer là những đồng phân lập thể không phải là ảnh phản chiếu qua gương của nhau. Điều này khác biệt chúng với enantiomer, là những đồng phân lập thể là ảnh phản chiếu qua gương không chồng khít được. Hãy nhớ rằng diastereomer có thể tồn tại trong các phân tử có nhiều hơn một trung tâm chiral. Ví dụ, một hợp chất có hai trung tâm chiral có thể có tối đa bốn đồng phân lập thể: hai cặp enantiomer, và mỗi đồng phân trong một cặp là diastereomer của hai đồng phân còn lại trong cặp kia.

Một điểm quan trọng cần nhớ là diastereomer có tính chất vật lý và hóa học khác nhau. Điều này trái ngược với enantiomer, có tính chất vật lý và hóa học gần như giống hệt nhau, ngoại trừ sự tương tác của chúng với ánh sáng phân cực phẳng và các chất chiral khác. Sự khác biệt về tính chất vật lý của diastereomer cho phép tách chúng bằng các phương pháp thông thường như sắc ký và kết tinh phân đoạn.

Epimer và anomer là những dạng diastereomer đặc biệt. Epimer là diastereomer chỉ khác nhau về cấu hình tại một trung tâm chiral. Anomer là diastereomer của đường mạch vòng, khác nhau về cấu hình ở carbon anomeric.

Cuối cùng, việc hiểu rõ về diastereomer và sự hình thành của chúng (diastereoselectivity) rất quan trọng trong tổng hợp hữu cơ, đặc biệt là trong việc tổng hợp các phân tử phức tạp như dược phẩm. Bằng cách kiểm soát các điều kiện phản ứng, các nhà hóa học có thể hướng phản ứng ưu tiên tạo ra một diastereomer mong muốn.

Tài liệu tham khảo:

Vollhardt, K. P. C., & Schore, N. E. (2016). Organic Chemistry: Structure and Mechanism. W. H. Freeman and Company.
Clayden, J., Greeves, N., Warren, S., & Wothers, P. (2012). Organic Chemistry. Oxford University Press.
Carey, F. A., & Giuliano, R. M. (2014). Organic Chemistry. McGraw-Hill Education.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào để xác định số lượng đồng phân lập thể tối đa của một phân tử có n trung tâm chiral?

Trả lời: Số lượng đồng phân lập thể tối đa của một phân tử có n trung tâm chiral được tính bằng công thức 2ⁿ. Tuy nhiên, nếu phân tử có mặt phẳng đối xứng nội, số lượng đồng phân lập thể sẽ ít hơn.

Sự khác biệt về tính chất vật lý giữa diastereomer có ý nghĩa gì trong việc phân tách chúng?

Trả lời: Vì diastereomer có tính chất vật lý khác nhau (điểm nóng chảy, điểm sôi, độ hòa tan,…) nên chúng có thể được tách riêng bằng các phương pháp vật lý thông thường như sắc ký và kết tinh phân đoạn. Điều này không thể thực hiện được với enantiomer vì chúng có tính chất vật lý giống nhau (ngoại trừ sự tương tác với ánh sáng phân cực phẳng).

Cho ví dụ về một phản ứng hóa học thể hiện tính diastereoselective và giải thích cơ chế tạo ra sự chọn lọc này.

Trả lời: Phản ứng cộng Michael là một ví dụ về phản ứng diastereoselective. Khi một enolat tấn công một α,β-unsaturated carbonyl compound, có thể tạo thành hai diastereomer tùy thuộc vào hướng tấn công của enolat. Sự chọn lọc diastereomer thường được kiểm soát bởi các yếu tố lập thể, ví dụ như sự có mặt của các nhóm thế cồng kềnh.

Tại sao việc hiểu về diastereomer lại quan trọng trong lĩnh vực hóa dược?

Trả lời: Các diastereomer của một loại thuốc có thể có hoạt tính sinh học khác nhau, thậm chí một diastereomer có thể có tác dụng chữa bệnh trong khi một diastereomer khác lại gây ra tác dụng phụ nguy hiểm. Do đó, việc hiểu rõ về diastereomer và kiểm soát sự hình thành của chúng trong quá trình tổng hợp thuốc là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu quả của thuốc.

“Meso” compound là gì và tại sao nó lại là một ngoại lệ đối với quy tắc 2ⁿ về số lượng đồng phân lập thể?

Trả lời: “Meso” compound là những hợp chất có trung tâm chiral nhưng lại achiral do chúng có mặt phẳng đối xứng nội. Mặc dù có trung tâm chiral, “meso” compound không có enantiomer. Do đó, số lượng đồng phân lập thể thực tế sẽ ít hơn 2ⁿ. Ví dụ, axit tartaric có hai trung tâm chiral nhưng chỉ có ba đồng phân lập thể: hai enantiomer và một “meso” compound.

Một số điều thú vị về Diastereome

Thuốc Thalidomide: Một ví dụ nổi tiếng về tầm quan trọng của diastereomer trong hóa dược là trường hợp của thuốc thalidomide. Một enantiomer của thalidomide có tác dụng giảm buồn nôn ở phụ nữ mang thai, trong khi enantiomer kia lại gây dị tật bẩm sinh nghiêm trọng. Tuy nhiên, ngay cả khi chỉ sử dụng enantiomer có tác dụng mong muốn, cơ thể vẫn có thể chuyển hóa nó thành enantiomer gây hại. Hơn nữa, thalidomide còn tồn tại dưới dạng diastereomer mạch vòng trong cơ thể, làm phức tạp thêm vấn đề. Sự việc này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc nghiên cứu kỹ lưỡng tất cả các đồng phân lập thể của một loại thuốc trước khi đưa vào sử dụng.
Họ men và tính chọn lọc lập thể: Các enzyme trong cơ thể sống thường thể hiện tính chọn lọc lập thể cao, nghĩa là chúng chỉ tương tác với một enantiomer hoặc diastereomer cụ thể. Điều này là do cấu trúc ba chiều đặc biệt của enzyme, chỉ cho phép một đồng phân lập thể nhất định khớp vào vị trí hoạt động của enzyme. Ví dụ, enzyme chymotrypsin, một enzyme tiêu hóa, chỉ thủy phân các liên kết peptide được tạo thành bởi các amino acid L-configuration.
“Meso” compound: Một số phân tử có trung tâm chiral nhưng lại achiral (không có hoạt tính quang học) do chúng có mặt phẳng đối xứng bên trong. Những hợp chất này được gọi là “meso” compound. Mặc dù có trung tâm chiral, “meso” compound không có enantiomer vì ảnh phản chiếu qua gương của nó có thể chồng khít lên chính nó. Tuy nhiên, “meso” compound có thể là diastereomer của các đồng phân lập thể khác của cùng một phân tử. Ví dụ, axit tartaric có ba đồng phân lập thể: hai enantiomer và một “meso” compound.
Diastereoselectivity trong tự nhiên: Nhiều quá trình sinh học trong tự nhiên diễn ra với tính diastereoselectivity cao. Ví dụ, trong quá trình quang hợp, cây xanh chỉ tạo ra D-glucose chứ không phải L-glucose. Sự chọn lọc này là do các enzyme tham gia vào quá trình quang hợp chỉ tương tác với một đồng phân lập thể cụ thể.
Ứng dụng trong khoa học vật liệu: Sự khác biệt về tính chất vật lý của diastereomer cũng được ứng dụng trong khoa học vật liệu. Ví dụ, một số polymer được tổng hợp từ các monomer chiral có thể thể hiện các tính chất cơ học và quang học khác nhau tùy thuộc vào tỷ lệ diastereomer trong polymer.