Các đồng phân không gian có cùng thành phần, số lượng nguyên tử trong phân tử, cùng một cấu tao, nhưng khác nhau về sự phân bố không gian của các nguyên tử hay nhóm nguyên tử trong phân tử. Hai loại đồng phân không gian chính là đồng phân hình học và đồng phân quang học. Ở hai loại này, các chất đồng phân phân biệt nhau về “cấu hình”, tức là sự phân biệt trong không gian của các nguyên tử hay các nhóm nguyên tử xung quanh phần “cứng nhắc” hoặc phần “không trùng vật ảnh” của phân tử. Ngoài ra, các đồng phân cấu dạng cũng có thể được coi là loại đồng phân không gian thứ ba. Tất cả các loại đồng phân không gian này nhiều khi xuất hiện xen kẽ nhau.

 Đồng phân quang học

1. Các khái niệm

Những hợp chất có cấu trúc và tính chất vật lý, hoá học giống nhau nhưng khác nhau về khả năng quay mặt phẳng ánh sáng phân cực gọi là đồng phân quang học.

Chất làm quay mặt phẳng phân cực gọi là chất quang hoạt.

Ánh sáng là dao động sóng của trường điện và từ. Khi một electron tương tác với ánh sáng thì có dao động theo tần số của ánh sáng theo hướng của trường điện. Ánh sáng thường có vectơ trường điện của sóng ánh sáng trong tất cả các hướng của mặt phẳng. Ánh sáng phân cực có vectơ của trường điện của tất cả các sóng ánh sáng trong cùng một mặt phẳng, gọi là mặt phẳng phân cực.

Ánh sáng phân cực được tạo thành khi cho nguồn ánh sáng thường đi qua một lăng kính phân cực.

       

Sơ đồ phân cực kế ánh sáng

Khi cho ánh sáng phân cực đi qua chất hoạt quang mặt phẳng dao động của ánh sáng bị lệch đi một góc α (α: góc quay cực) được đo bằng máy phân cực kế.

Chất làm quay mặt phẳng sang trái (α < 0) gọi là chất quay trái.

Chất làm quay mặt phẳng sang phải ( α > 0) gọi là chất quay phải

Khi trộn 50% đồng phân quay trái với 50% đồng phân quay phải ta thu được hỗn hợp gọi là biến thể racemic

2. Phân tử có nguyên tử cacbon bất đối

Điều kiện cần để phân tử có đồng phân quang học là phân tử phải có cấu hình bất đối xứng, một trong những yếu tố phổ biến tạo nên sự bất đối của phân tử hợp chất hữu cơ là sự xuất hiện của nguyên tử C bất đối, ký hiệu: C*.

C*: C liên kết với 4 nhóm thế khác nhau.

Nghĩa là khi phản chiếu mô hình của hợp chất qua một mặt phẳng ta được mô hình khác không đồng nhất với nó, nghĩa là không thể chỉ bằng chuyển động tịnh tiến và quay mà có thể đưa được hai mô hình đó lồng khít vào nhau được. Nói cách khác, để xuất hiện được hiện tượng quang hoạt, phân tử phải không lồng khít được với ảnh gương của nó, tương tự như quan hệ giữa hai bàn tay của một người bình thường. Tính chất đó được gọi là tính không trùng vật - ảnh (chirality). Khi có hiện tượng này, sẽ xuất hiện hai dạng đồng phân đối xứng nhau, không lồng khít vào nhau được như hình dưới đây:

Hai dạng đồng phân quang học

Những phân hợp chất hữu cơ có chứa nguyên tử cacbon bất đối có thể tồn tại ở những cấu hình không gian khác nhau và để biểu diễn chúng, người ta có thể dùng các kiểu mô hình hoặc công thức khác nhau, phổ biến nhất là cac mô hình tứ diện, mô hình quả cầu và đặc biệt được dùng nhiều nhất là công thức chiếu Fisơ.

Ví dụ: Phân tử axit Lactic có hai cấu hình không gian đối xứng nhau qua mặt phẳng gương. Có thể biểu diễn ở các kiểu sau:

Cấu hình không gian của axit Lactic

(a) mô hình tứ diện; (b) mô hình khối cầu và thanh nối; (c) Công thức chiếu Fisơ

Hai cấu hình này trông rất giống nhau, song không bao giờ trùng khít lên nhau được, mà chúng luôn luôn đối xứng nhau như vật và ảnh trong gương, như hai chiếc giày của một đôi. Khi ở trạng thái lỏng, khí hoặc trong dung dịch chúng đều có khả năng làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực. Góc quay ở cả hai dạng bằng nhau về giá trị tuyệt đối, nhưng ngược dấu nhau do hướng quay đối lập nhau (quay phải và quay trái).

3. Danh pháp đồng phân quang học

a. Danh pháp D-L

Căn cứ vào cấu hình, các chất quang hoạt có thể chia làm hai dãy lớn: Dãy D và dãy L. Đó là những kí hiệu dùng để chỉ cấu hình của phân tử chất hoạt quang. Căn cứ để xếp một chất hoạt quang nào đó vào dãy D hay L là các cấu hình chuẩn của phân tử glyxeranđêhit. Phân tử Glyxeranđêhit có một C^*, do đó có hai cấu hình không gian khác nhau, ứng với hai đồng phân quang học.

Những chất quang hoạt có 1 C^*, nếu sự sắp xếp H và OH quanh nguyên tử C^* giống sự sắp xếp của D-glixerandehit (nhóm OH hoặc dị tố hướng sang phải) thì chất đó thuộc dãy D, nếu sự sắp xếp đó giống L-glixerandehit thì chất đó thuộc dãy L.

Dấu (+), (-) trong các công thức chiếu là dùng để chỉ chiều quay của mặt phẳng ánh sáng phân cực ((+): sang phải; (-):sang trái).

Ví dụ: phân tử axit lactic: CH₃C^*H(OH)COOH.

Nếu chất quang hoạt có 1C^* mà có các nguyên tố xung quanh C^* là H và X (X là Halogen, -NH₂, …) thì cách gọi tên như trên vẫn sử dụng được.

Đối với những chất có nhiều nguyên tử C^*, người ta vẫn xếp tương tự, nhưng phải căn cứ vào cấu hình của nguyên tử C^* xa nhóm chức chính nhất (nguyên tử cacbon có số chỉ số oxi hóa cáo nhất).

Ví dụ: phân tử Glucose:

Hệ thống kí hiệu D-L có những hạn chế nhất định nên hiện nay người ta dùng phổ biến hệ thống R-S để chỉ cấu hình.

(còn nữa)