Đồng phân quay quanh trục (Atropisomerism)

Đồng phân quay quanh trục (atropisomerism) là một dạng đồng phân lập thể phát sinh do sự quay bị hạn chế quanh một liên kết đơn. Sự quay bị hạn chế này thường là do sự cản trở không gian lớn giữa các nhóm thế gần với hai nguyên tử tạo nên liên kết đơn, khiến cho các dạng xoay khác nhau (rotamers) đủ ổn định để có thể phân lập được ở nhiệt độ phòng. Nói cách khác, hàng rào năng lượng cho sự quay quanh liên kết đơn đủ cao để ngăn chặn sự biến đổi lẫn nhau của các đồng phân quay quanh trục.

Điều kiện để xuất hiện đồng phân quay quanh trục

Sự xuất hiện đồng phân quay quanh trục phụ thuộc vào một số yếu tố chính:

Cản trở không gian lớn: Đây là yếu tố quan trọng nhất. Các nhóm thế càng cồng kềnh gần với hai nguyên tử tạo nên liên kết đơn sẽ cản trở sự quay. Kích thước và hình dạng của các nhóm thế ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ cản trở không gian. Ví dụ, các nhóm thế lớn như tert-butyl sẽ gây cản trở không gian lớn hơn so với các nhóm methyl.
Liên kết đơn: Đồng phân quay quanh trục xảy ra quanh một liên kết đơn. Các liên kết đôi hoặc ba không cho phép sự quay tự do, do đó không thể tạo ra đồng phân quay quanh trục.
Hàng rào năng lượng cao: Hàng rào năng lượng cho sự quay phải đủ cao (thường lớn hơn 80 kJ/mol) để ngăn chặn sự chuyển đổi nhanh chóng giữa các atropisomer ở nhiệt độ phòng. Nếu hàng rào năng lượng thấp, các atropisomer sẽ nhanh chóng chuyển đổi lẫn nhau và không thể phân lập được. Giá trị này đảm bảo rằng các atropisomer tồn tại đủ lâu để được phân lập và nghiên cứu.

Ví dụ

Một ví dụ kinh điển về đồng phân quay quanh trục là hợp chất 6,6′-dinitro-2,2′-diphenic acid. Trong phân tử này, sự quay quanh liên kết đơn C-C nối hai vòng thơm bị cản trở bởi sự hiện diện của các nhóm nitro và carboxyl. Điều này dẫn đến hai atropisomer có thể phân lập được:

Dạng P: Hai nhóm carboxyl nằm về cùng một phía của mặt phẳng xác định bởi liên kết đơn C-C trung tâm.
Dạng M: Hai nhóm carboxyl nằm về hai phía khác nhau của mặt phẳng xác định bởi liên kết đơn C-C trung tâm.

Mô tả đơn giản hóa cấu trúc bằng văn bản: Hãy tưởng tượng hai vòng benzen nối với nhau bởi một liên kết đơn. Trên mỗi vòng, có một nhóm NO₂ và một nhóm COOH ở vị trí đối diện nhau. Do các nhóm này tương đối lớn, nên việc xoay quanh liên kết đơn nối hai vòng benzen bị hạn chế.

Phân loại

Atropisomer được phân loại dựa trên tâm chiral, tương tự như các dạng đồng phân lập thể khác. Chúng có thể được phân loại thành các cặp enantiomer (đối quang) hoặc diastereomer (đồng phân không đối quang) tùy thuộc vào sự sắp xếp không gian của các nhóm thế. Việc xác định cấu hình của atropisomer thường sử dụng hệ thống danh pháp R/S hoặc hệ thống danh pháp P/M.

Ứng dụng

Đồng phân quay quanh trục có vai trò quan trọng trong hóa học, đặc biệt là trong:

Hóa học dược phẩm: Sự khác biệt về hoạt tính sinh học của các atropisomer có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của thuốc. Do đó, việc phân lập và đánh giá hoạt tính sinh học của từng atropisomer là rất quan trọng trong quá trình phát triển thuốc.
Xúc tác bất đối xứng: Atropisomer có thể được sử dụng làm chất xúc tác chiral để tổng hợp các phân tử chiral với độ chọn lọc cao.
Khoa học vật liệu: Các tính chất của vật liệu polymer có thể bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của atropisomer. Ví dụ, atropisomer có thể ảnh hưởng đến độ bền, độ đàn hồi và khả năng kết tinh của polymer.

Đồng phân quay quanh trục là một khái niệm quan trọng trong hóa học lập thể. Hiểu biết về hiện tượng này giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cấu trúc, tính chất và ứng dụng của các phân tử hữu cơ. Việc kiểm soát sự hình thành và phân lập các atropisomer là một thách thức thú vị trong tổng hợp hữu cơ hiện đại.

Phương pháp xác định Atropisomer

Việc xác định atropisomer thường sử dụng các phương pháp phân tích lập thể như:

Sắc ký lỏng hiệu năng cao chiral (HPLC chiral): Đây là phương pháp phổ biến nhất để tách và phân tích các atropisomer. Sử dụng cột sắc ký chứa pha tĩnh chiral, các atropisomer sẽ tương tác khác nhau với pha tĩnh và do đó được tách ra. Sự khác biệt về ái lực với pha tĩnh chiral cho phép tách các enantiomer hoặc diastereomer.
Quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR): NMR, đặc biệt là NMR nhiệt độ biến đổi, có thể được sử dụng để nghiên cứu động học quay quanh liên kết đơn và xác định hàng rào năng lượng quay. Sự khác biệt về dịch chuyển hóa học của các proton trong các atropisomer khác nhau có thể được sử dụng để phân biệt chúng. Kỹ thuật NMR động học cho phép đo lường tốc độ chuyển đổi giữa các atropisomer.
Phương pháp tinh thể học tia X: Phương pháp này cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc ba chiều của phân tử, cho phép xác định chính xác cấu hình tuyệt đối của các atropisomer. Phân tích tinh thể học tia X là một phương pháp mạnh mẽ để xác định cấu trúc không gian của các atropisomer.

Biểu diễn Atropisomer

Atropisomer thường được biểu diễn bằng cách sử dụng quy ước M/P (cho biphenyl) hoặc a/c (cho hợp chất dị vòng), dựa trên vị trí tương đối của các nhóm thế ưu tiên. Hệ thống R/S cũng có thể được sử dụng nếu trung tâm chiral hình thành do sự quay bị hạn chế.

Một số ví dụ khác

Ngoài 6,6′-dinitro-2,2′-diphenic acid đã đề cập, một số ví dụ khác về phân tử thể hiện đồng phân quay quanh trục bao gồm:

Vancomycin: Một loại kháng sinh glycopeptide có chứa atropisomer. Sự hiện diện của atropisomer trong vancomycin ảnh hưởng đến hoạt tính kháng khuẩn của nó.
BINOL (1,1′-Bi-2-naphthol): Một ligand chiral quan trọng được sử dụng rộng rãi trong xúc tác bất đối xứng. BINOL tồn tại dưới dạng hai enantiomer do sự quay bị hạn chế quanh liên kết đơn C-C nối hai vòng naphthol.
Các dẫn xuất biphenyl khác: Nhiều dẫn xuất biphenyl với các nhóm thế cồng kềnh thể hiện atropisomerism.

Ảnh hưởng của Atropisomerism đến tính chất của hợp chất

Atropisomerism có thể ảnh hưởng đáng kể đến tính chất vật lý, hóa học và sinh học của hợp chất, bao gồm:

Điểm nóng chảy và điểm sôi: Các atropisomer khác nhau có thể có điểm nóng chảy và điểm sôi khác nhau.
Độ tan: Độ tan của các atropisomer trong các dung môi khác nhau cũng có thể khác nhau.
Hoạt tính quang học: Atropisomer có thể là chiral và thể hiện hoạt tính quang học. Các enantiomer của một atropisomer sẽ quay mặt phẳng ánh sáng phân cực theo các hướng ngược nhau.
Hoạt tính sinh học: Các atropisomer khác nhau của một hợp chất có thể có hoạt tính sinh học khác nhau, ví dụ như tác dụng dược lý khác nhau. Điều này là do sự tương tác khác nhau của các atropisomer với các thụ thể sinh học.

Tóm tắt về Đồng phân quay quanh trục

Đồng phân quay quanh trục (atropisomerism) là một dạng đồng phân lập thể xuất hiện do sự quay bị hạn chế quanh một liên kết đơn. Điều này khác với sự quay tự do thường thấy trong các phân tử hữu cơ. Sự hạn chế này là kết quả của cản trở không gian đáng kể giữa các nhóm thế gắn với hai nguyên tử tạo nên liên kết. Kích thước và hình dạng của các nhóm thế đóng vai trò quyết định trong việc tạo ra hàng rào năng lượng đủ cao để ngăn cản sự quay tự do và cho phép phân lập các atropisomer.

Hàng rào năng lượng quay là yếu tố quan trọng để xác định sự tồn tại của atropisomer. Nếu hàng rào năng lượng thấp, các dạng xoay (rotamers) sẽ chuyển đổi qua nhau nhanh chóng và không thể phân lập riêng biệt. Thông thường, hàng rào năng lượng phải lớn hơn 80 kJ/mol để các atropisomer tồn tại ở nhiệt độ phòng. Các phương pháp như sắc ký lỏng hiệu năng cao chiral (HPLC chiral) và quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) được sử dụng để phân tích và xác định atropisomer.

Atropisomerism có thể ảnh hưởng đáng kể đến tính chất của hợp chất, bao gồm hoạt tính sinh học. Ví dụ, các atropisomer khác nhau của cùng một phân tử thuốc có thể có hiệu quả điều trị khác nhau. Vì vậy, việc hiểu rõ về atropisomerism là rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong hóa dược và xúc tác bất đối xứng. Việc thiết kế và tổng hợp các atropisomer có tính chọn lọc cao là một thách thức đang được nghiên cứu tích cực trong hóa học hữu cơ hiện đại.

Tài liệu tham khảo:

Eliel, E. L.; Wilen, S. H. Stereochemistry of Organic Compounds; Wiley: New York, 1994.
Anslyn, E. V.; Dougherty, D. A. Modern Physical Organic Chemistry; University Science Books: Sausalito, CA, 2006.
Clayden, J.; Greeves, N.; Warren, S.; Wothers, P. Organic Chemistry; Oxford University Press: Oxford, 2001.

Câu hỏi và Giải đáp

Ngoài cản trở không gian, còn yếu tố nào khác ảnh hưởng đến hàng rào năng lượng quay và sự hình thành atropisomer?

Trả lời: Ngoài cản trở không gian, các yếu tố khác như liên kết hydro nội phân tử, hiệu ứng điện tử, và tương tác π-π cũng có thể ảnh hưởng đến hàng rào năng lượng quay và sự hình thành atropisomer. Ví dụ, liên kết hydro nội phân tử có thể làm ổn định một atropisomer cụ thể, làm tăng hàng rào năng lượng quay và dễ dàng phân lập atropisomer đó hơn.

Làm thế nào để xác định cấu hình tuyệt đối của một atropisomer?

Trả lời: Cấu hình tuyệt đối của một atropisomer có thể được xác định bằng phương pháp tinh thể học tia X. Phương pháp này cung cấp thông tin về sự sắp xếp không gian ba chiều của các nguyên tử trong phân tử, cho phép gán cấu hình R hoặc S cho các trung tâm chiral atropisomer. Ngoài ra, các phương pháp quang phổ như dichroism tròn (CD) cũng có thể cung cấp thông tin về cấu hình tuyệt đối.

Atropisomerism có vai trò gì trong việc thiết kế thuốc?

Trả lời: Atropisomerism có thể ảnh hưởng đáng kể đến hoạt tính sinh học của thuốc. Các atropisomer khác nhau của cùng một phân tử có thể tương tác khác nhau với các đích sinh học, dẫn đến sự khác biệt về hiệu lực, độc tính và dược động học. Vì vậy, việc hiểu rõ về atropisomerism là rất quan trọng trong quá trình thiết kế và phát triển thuốc mới. Việc tổng hợp có chọn lọc atropisomer mong muốn có thể dẫn đến việc tạo ra các loại thuốc hiệu quả và an toàn hơn.

Có thể dự đoán hàng rào năng lượng quay của một phân tử bằng phương pháp tính toán nào?

Trả lời: Các phương pháp hóa học lượng tử, chẳng hạn như lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT), có thể được sử dụng để tính toán hàng rào năng lượng quay của một phân tử. Bằng cách tối ưu hóa cấu trúc của các dạng xoay khác nhau và tính toán năng lượng tương ứng, có thể ước tính hàng rào năng lượng quay và dự đoán khả năng hình thành atropisomer.

Ngoài biphenyl, hãy cho ví dụ về một lớp hợp chất khác thể hiện atropisomerism và ứng dụng của nó.

Trả lời: Một ví dụ khác về lớp hợp chất thể hiện atropisomerism là BINOL (1,1′-Bi-2-naphthol). BINOL và các dẫn xuất của nó được sử dụng rộng rãi làm ligand chiral trong xúc tác bất đối xứng. Các atropisomer khác nhau của BINOL có thể tạo ra các phức chất kim loại có tính chọn lọc enantio cao, cho phép tổng hợp các phân tử chiral với độ enantiomer dư cao.

Một số điều thú vị về Đồng phân quay quanh trục

Từ atropisomer xuất phát từ tiếng Hy Lạp: “a” nghĩa là không, “tropos” nghĩa là quay, và “isomer” nghĩa là đồng phân. Ghép lại, atropisomer nghĩa là “đồng phân không quay”. Cái tên này phản ánh chính xác đặc điểm của hiện tượng này là sự hạn chế quay quanh liên kết đơn.
Sự “quay bị hạn chế” không có nghĩa là hoàn toàn không quay: Liên kết đơn trong atropisomer vẫn có thể quay, nhưng tốc độ quay rất chậm so với các liên kết đơn thông thường. Điều này có nghĩa là các atropisomer có thể chuyển đổi lẫn nhau, nhưng quá trình này diễn ra rất chậm ở nhiệt độ phòng.
Nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến sự ổn định của atropisomer: Ở nhiệt độ cao, hàng rào năng lượng quay có thể bị vượt qua dễ dàng hơn, dẫn đến sự racem hóa (chuyển đổi giữa các enantiomer) của atropisomer. Vì vậy, việc phân lập và nghiên cứu atropisomer thường được thực hiện ở nhiệt độ thấp.
Atropisomerism có thể xảy ra ở nhiều loại phân tử khác nhau: Mặc dù ví dụ phổ biến nhất là biphenyl, atropisomerism cũng có thể xảy ra ở các hợp chất khác như allenes, spiranes, và thậm chí cả các peptide vòng.
Atropisomerism đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra tính chọn lọc chiral: Trong xúc tác bất đối xứng, atropisomer thường được sử dụng làm ligand chiral để điều khiển phản ứng tạo ra sản phẩm có cấu hình không gian mong muốn.
Vancomycin, một loại kháng sinh quan trọng, tồn tại dưới dạng atropisomer: Hoạt tính kháng khuẩn của vancomycin phụ thuộc vào cấu hình atropisomer của nó.
Việc tổng hợp có chọn lọc một atropisomer cụ thể là một thách thức lớn trong hóa học tổng hợp: Các nhà hóa học đang liên tục phát triển các phương pháp mới để kiểm soát sự hình thành atropisomer và tổng hợp có chọn lọc các đồng phân mong muốn.
Atropisomerism có thể được sử dụng để tạo ra các vật liệu có tính chất độc đáo: Ví dụ, các polymer chứa atropisomer có thể thể hiện các tính chất quang học và điện tử đặc biệt.