LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Hóa học lập thể nghiên cứu cấu trúc không gian của phân tử, ảnh hưởng không gian của phân tử đến tính chất của các chất cũng như nghiên cứu về hướng không gian trong các phản ứng hóa học, nghiên cứu cấu hình cho biết thành phần nguyên tố của phân tử, trật tự liên kết và các kiểu liên kết hóa học giữa các nguyên tử trong phân tử…. Sự khác nhau về cấu hình phân tử dẫn đến hiện tượng đồng phân cấu hình hay đồng phân lập thể, bao gồm đồng phân hình học và đồng phân quang học.
LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Việc nắm kỹ phương pháp xác định cấu hình nói chung và phương pháp xác định cấu hình đồng phân hình học nói riêng là rất cần thiết. Vì vậy, tôi đã chọn đề tài: “Xác định cấu hình đồng phân hình học ”.
NỘI DUNG
1. Định nghĩa và nguyên nhân xuất hiện đồng phân hình học :
Đồng phân hình học (đồng phân cis-trans) là loại đồng phân lập thể sinh ra do sự phân bố khác nhau của các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử ở hai bên một bộ phận cứng nhắc của phân tử như liên kết đôi -C = C-, -C = N-, -N = N- hoặc hệ thống vòng no…
1.1. Định nghĩa
I. Đồng phân hình học
Do bộ phận cứng nhắc của phân tử làm cản trở sự quay tự do của các nhóm thế xung quanh trục liên kết.
1.2 Nguyên nhân xuất hiện đồng phân hình học :
2. Điều kiện xuất hiện đồng phân hình học:
- Phân tử phải có bộ phận cứng nhắc cản trở sự quay tự do của hai nguyên tử ở bộ phận đó.
- Ở mỗi nguyên tử cacbon của liên kết đôi và ở ít nhất hai nguyên tử cacbon của vòng no phải có hai nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử khác nhau.
Ví dụ: abC=Ca’b’
3. Các trường hợp có đồng phân hình học:
a/ Trường hợp có một liên kết đôi:
- Hệ abC = Ccd: có hai đồng phân hình học dù cặp a-b và c-d có trùng nhau hay không.
- Đối với các loại hợp chất anđoxim, xetoxim không đối xứng, hiđazon, hợp chất azo có liên kết:
+ abC = Nc: a b có hai đồng phân hình học dù c trùng với a hoặc b
Ví dụ :
+ aN=Nb: có hai đồng phân hình học dù a trùng với b hay a khác b
Ví dụ :
b/ Trường hợp có nhiều liên kết đôi:
- Hệ gồm một số lẻ liên kết C=C liền nhau (hệ cumulen): abC=C=C=Ccd
Hệ này giữ vai trò như một liên kết C=C, nên nếu sẽ có hai đồng phân hình học.
Ví dụ :
- Hệ gồm hai hoặc hơn hai liên kết C=C liên hợp: abC=CH-[-CH=CH-]n-CH=Ccd
+ Nếu cặp a-b không đồng nhất với cặp c-d thì sẽ có 2n đồng phân
Ví dụ:CH3 -CH=CH-CH=CH-COOH có 4đồng phân:
+ Nếu cặp a-b đồng nhất với cặp c-d số đồng phân sẽ ít hơn 2n
N= 2n-1 + 2p-1
N: Số đồng phân hình học p= n/2 nếu n chẵn
p= (n+1)/2 nếu n lẻ
Ví dụ: C6H5-CH=CH-CH=CH-C6H5 có N= 22-1 + 21-1 = 3 đồng phân.
c/ Trường hợp các hợp chất vòng no, chẳng hạn:
- Dẫn xuất hai lần thế của xiclopropan và xiclobutan có đồng phân cis- trans đối với mặt phẳng vòng.
- Dẫn xuất 1,2-; 1,3-; 1,4- hai lần thế của xiclohexan đều tồn tại ở dạng cis hoặc trans và có độ bền tương đối khác nhau.
Ví dụ: trans-1,2-đimetylxiclohexan
4. Danh pháp đồng phân hình học:
a/ Hệ danh pháp cis- trans:
Đồng phân nào có hai nhóm thế tương đương được phân bố ở cùng một phía đối với mặt phẳng của nối đôi hay vòng no thì được gọi là cis-, trái lại nếu khác phía được gọi là trans-.
Việc áp dụng hệ danh pháp này gặp những khó khăn trong một số trường hợp:
Ví dụ :
a/ Hệ danh pháp cis- trans:
b/ Hệ danh pháp syn- anti:
Thường dùng cho các hợp chất có liên kết đôi -C=N- và -N=N-. Thường thì dạng syn- là dạng mà hai nhóm thế ở cùng phía (tương tự cis-), ngược lại là anti- (tương tự trans-). Trong trường hợp các anđoxim RCH=NOH, người ta lại căn cứ vào vị trí không gian của H (không phải R) và OH để gọi cấu hình là syn hay anti.(ít dùng )
c/ Hệ danh pháp Z-E:
muốn gọi tên cấu hình của hợp chất có nối đôi, cần thực hiện hai bước: so sánh độ hơn cấp và xác định tên cấu hình Z- E.
* So sánh độ hơn cấp của các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử ở nối đôi. abC=Ccd abC=Nc
- Nhóm thế có nguyên tử đính với Csp2 có số thứ tự hay điện tích hạt nhân lớn hơn sẽ hơn cấp hơn

Tính hơn cấp của nhóm thế đính với Csp2 được xác định theo số thứ tự nguyên tố hay điện tích hạt nhân Z của nguyên tử đính với Csp2
Br > Cl > S > P > F > O > N > C > H
Ví dụ: -CH2-Cl > -CH2 -OH > -CH2 –CH3> -CH2 -H
(RO)3C- > (RO)2CH- > ROCH2-
C (O,O,O) C (O,O,H) C (O,H,H)
- Nếu hai nguyên tử trực tiếp gắn với Csp2 là giống nhau thì cần xét đến lớp tiếp theo.
* So sánh độ hơn cấp của các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử ở nối đôi. abC=Ccd abC=Nc
- Các nguyên tử chứa liên kết bội được tính bội lần (nối đôi tính gấp đôi, nối ba tính gấp ba)
- Trong số đồng vị, nguyên tử có số khối lớn hơn là hơn cấp hơn.Ví dụ : D > H
>
>
>
>
C(O,O,O)
C(O,O,C)
C(O,O,H)
C(N,N,N)
C(H,H,H)
>
>
>
>
Xác định tên cấu hình Z – E:
Giả sử sau khi xác định độ hơn cấp tương đối thấy a>b và c>d, ta xét vị trí không gian của a và c.

+ Nếu a,c cùng phía đối với bộ phận cứng nhắc ta có dạng Z
+ Nếu a,c khác phía với bộ phận cứng nhắc ta có dạng E
* Danh pháp Z,E có khi trùng với danh pháp cis- trans, có khi không
Ví dụ :
(Z)-1,2-đibrom-1-clo-2-iotetilen
(E)-But-2-en
Axit (2E,4Z)-hexa-2,4-đienoic
II. Phương pháp ‎‎xác định cấu hình đồng phân hình học:
II.1. Xác định cấu hình đồng phân hình học bằng phương pháp vật lý :
1. Khoảng cách giữa các nhóm thế:
khoảng cách giữa các nhóm thế cùng lọai ở đồng phân cis- ngắn hơn khoảng cách tương ứng ở đồng phân trans-
Để xác định trực tiếp khoảng cách này người ta dùng phương pháp chụp hình bằng tia X.
2. Momen lưỡng cực :
Hợp chất aCH=CHa, đồng phân cis- có tổng momen lưỡng cực rất lớn. trong đồng phân trans- momen tổng bằng 0.
Ví dụ:
trans
cis
cis
- Đối với những hợp chất có hai nhóm thế khác nhau aCH=CHb
+ Nếu a và b có cùng bản chất electron (cùng hút hoặc cùng đẩy electron) thì: μcis > μtrans
Momen lưỡng cực của đồng phân cis- bằng tổng những momen lưỡng cực của chúng, còn đồng phân trans-, các lưỡng cực là song song, do đó hoàn toàn là cộng tính nên có momen lưỡng cực cao hơn
+ Nếu a và b khác bản chất electron (một nhóm có tính cho electron còn nhóm kia có tính nhận electron)
3. Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt đô sôi, tỉ khối, chiết suất:
Nhiệt độ nóng chảy của đồng phân E thường cao hơn đồng phân Z
- Đối với mối liên hệ giữa nhiệt độ sôi, tỉ khối và chiết suất với cấu hình hình học của phân tử không được chặt chẽ như đối với nhiệt nóng chảy , trong nhiều trường hợp đối với một đồng phân nào đó, nếu một trong ba hằng số đó lớn hơn ở đồng phân kia thì hai hằng số còn lại cũng lớn hơn.
Mặt khác, dựa vào quy tắc momen lưỡng cực, đồng phân nào có momen lưỡng cực lớn hơn phải có các phải có các hằng số vật lý lớn hơn, do đó ta cũng xác định được cấu hình đồng phân hình học.
3. Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, tỉ khối, chiết suất:
4. Các phương pháp phổ:
a/ Phổ tử ngọai (UV):
Các đồng phân Z-E của các olefin đơn giản (but-2-en) hấp thụ ở những độ dài bước sóng khác nhau dưới 200nm trong vùng tử ngọai. Những khác nhau này khá phức tạp và khó xác định bằng thực nghiệm.Nhưng đối với đồng phân Z-E kiểu aCH=CHb, sự khác nhau về cực đại hấp thụ lại quan sát thấy dễ dàng vì các nhóm thế có thể tham gia vào liên hợp với hệ olefin. Sự liên hợp này có thể thuộc vào kiểu polien C =C-C=C, kiểu stiren C=C-C6H5 hoặc thuộc vào kiểu các hợp chất cacbonyl α, β không no C=C-C=O.
Phổ tử ngoại của một số đồng phân hình học
a/ Phổ tử ngọai (UV):
Các đồng phân Z (cis) có cực đại hấp thụ ở độ dài sóng ( λmax) ngắn hơn đồng phân E(trans) , đồng thời hệ số hấp thụ ( εmax) cũng nhỏ hơn nhiều
Có thể giải thích : ở các đồng phân cis(Z) do ảnh hưởng không gian nên sự liên hợp trong phân tử bị vi phạm, còn trong đồng phân trans(E) sự liên hợp nói chung vẫn bình thường
a/ Phổ tử ngọai (UV):
b/ Phổ hồng ngoại (IR):
- Đối với dạng aCH=CHa, ở đồng phân E(trans) không thấy những tần số dao động hóa trị thuộc về nối đôi . Còn đồng phân Z(cis) thì lại hấp thụ mạnh
Các đồng phân hình học có phổ hồng ngoại khác nhau, chẳng hạn dao động hóa trị C=C có ν= 1600-1650cm-1 , dao động biến dạng phẳng =C-H có δC-H= 690-970cm-1 . Muốn cho dao động phân tử có thể gây nên sự hấp thụ trong vùng hồng ngọai thì momen lưỡng cực của phân tử phải thay đổi.
+ Nếu a,c là những nhóm phân cực mạnh còn b là nhóm không phân cực thì có sự khác nhau về phổ giữa đồng phân E(trans) và Z(cis) là rất rõ ràng , hí dụ ở cis-1,2-diclopropen có dãi hấp thụ rất mạnh ở 1614cm-1, trong khi đó ở đồng phân transcó dãi hấp thụ rất yếu ở 1615cm-1
- Dạng abC=CHc
+ Nếu a,c là những nhóm kém phân cực thì việc dựa vào phổ hồng ngoại để xác định cấu hình đồng phân Z-E là khó khăn, muốn giải quyết được phải nhờ vào phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR).
Người ta cũng thường dùng những dao động ngoài mặt phẳng của liên kết C-H để phân biệt các đồng phân cis-trans của các olefin 1,2 lần thế. Những đồng phân trans hầu như luôn hấp thụ ở vùng 895-990cm-1.Các đồng phân cis thường không hấp thụ trong vùng này, nhưng chúng thường háp thụ trong tần số 675-730cm-1
Ví dụ :
trans-but-2-en : 964cm-1; cis-but-2-en : 675cm-1
trans-1-cloprop-1-en : 930cm-1;
cis—1-cloprop-1-en : 675cm-1
c/ Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) :
Trên cơ sở phổ cộng hưởng từ hạt nhân ta có thể xác định được đồng phân Z- E. Bằng cách, dựa vào hằng số tương tác spin- spin (J). Hằng số tương tác J là khoảng cách giữa hai đỉnh liền nhau (tức là hiệu số tần số của hai đỉnh), đo bằng Hz.
Đối với các olefin kiểu aCH=CHb , hằng số tương tác spin- spin (J) giữa các proton ở vị trí cis (Z) trong khoảng 4-12Hz, giữa các proton ở vị trí trans (E) khoảng 12-18Hz
Các olefin kiểu aCH=CHb , do cấu trúc cứng, phẳng của hệ nối đôi nên chỉ có hai khả năng tương tác khác nhau, đó là tương tác giữa các proton ở vị trí cis (Z) và trans (E).
Jcis
Jtrans
Jcis= 4 -7 Hz (Z)
Jtrans= 10 -20 Hz (E)
Ngoài ra, có thể dùng độ chuyển dịch hóa học (δ) để phân biệt đồng phân Z (cis) và E (trans) đối với kiểu CH3aC=CHb
Đimetylxitraconat(Z)
Đimetylmesaconat (E)
Trong đồng phân Z (đimetylxitraconat), cacbon của nhóm metyl được phân bố gần với hiđro cis và sự chuyển dịch hóa học của các proton của nhóm metyl bằng 2,8ppm (chất chuẩn là TMS)
Trong đồng phân E (đimetylmesaconat), nguyên tử cacbon của nhóm metyl ở sát với nhóm cacbometoxi (-COOCH3) cho nên sự chuyển dịch hóa học chỉ vào khoảng 184Hz.
Ở đây, ta thấy sự khác biệt rõ ràng, do đó có thể sử dụng để phân biệt các đồng phân Z và E.
II.2. Xác định cấu hình đồng phân hình học bằng phương pháp hóa học :
1. Dựa vào độ phân li của axit  :
đồng phân cis có tỉ số K1 /K2 lớn hơn đồng phân trans.
Theo định luật Bjerum (1923) thì độ phân li axit etilendicacboxylic phụ thuộc nhiều vào cấu hình
II.2. Xác định cấu hình đồng phân hình học bằng phương pháp hóa học :
1. Dựa vào độ phân li của axit  :
Nếu khoảng cách đó lớn thì trị số pK2 – pK1 dần tới 0,60 (=log4), nghĩa là K1 /K2 trở thành bằng 4 . Thực tế thì tỉ số K1 /K2 luôn luôn lớn hơn 4, bởi vì hai nhóm cacboxyl liên kết với nhau khá chặt và ảnh hưởng tĩnh điện của lưỡng cực của một nhóm C=O làm cho proton thứ nhất đi ra khỏi nhóm cacboxyl kia một cách dễ dàng.
1. Dựa vào độ phân li của axit  :
khi tăng K1 thì đồng thời ảnh hưởng tĩnh điện của nhóm COO- trong monoanion cũng ngăn cản sự tách ra của proton thứ hai và do đó K2 giảm. Bởi vì những hiệu ứng tĩnh điện này càng lớn thì hai nhóm cacboxyl lại càng gần nhau cho nên ở trường hợp axit cis-dicacboxylic, K1 thường lớn còn K2 nhỏ hơn
2. Dựa vào độ bề tương đối của đồng phân cis- trans :
đồng phân trans- nói chung bền vững hơn đồng phân cis- do ảnh hưởng sự sắp xếp các nhóm thế trong không gian
Xét về mặt năng lượng thì đồng phân cis- có năng lượng lớn hơn đồng phân trans-, do đó để phân biệt đồng phân cis- và trans- ta có thể phân biệt theo nhiệt hoặc nhiệt hidrro hóa của hai đồng phân.
II.2. Xác định cấu hình đồng phân hình học bằng phương pháp hóa học :
MỘT SỐ BÀI TẬP THAM KHẢO
Bài 1 : Dựa vào các tính chất, hãy cho biết đồng phân nào (A hay B) là Z, đồng phân nào là E
a/ CHF=CHF
b/ CH3CH=CHBr
c/ p-O2NC6H4CH=CHC6H=4Br-p
Bài 2 : Viết công thức cấu trúc của các hợp chất :
Propen, trans-but-2-en; cis-but-2-en ; trans-hex-2-en và cis-hex-2-en.
Sắp xếp các chất trên theo trình tự tăng dần về mỗi tính chất vật lý‎ sau: nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, khối lượng riêng.
KẾT LUẬN
* Về phương pháp vật lý xác định cấu hình đồng phân hình học:
- Khoảng cách giữa các nhóm thế :
Đồng phân Z thường có khoảng cách ngắn hơn đồng phân E đối với các hợp chất đơn giản aCH=CHa.
- Momen lưỡng cực :
+ Đối với hợp chất aCH=CHa : Nếu đồng phân nào cho thì đó là đồng phân E, còn thì là đồng phân Z
+ Đối với hợp chất aCH=CHb :
Nếu a,b cùng bản chất electron thì khi so sánh hai momen lưỡng cực, momen lưỡng cực nào lớn hơn thì đó là đồng phân Z, nhỏ hơn là đồng phân E

- Momen lưỡng cực :
Nếu a,b khác bản chất electron, momen lưỡng cực nào lớn hơn thì đó là đồng phân E

Nhiệt độ nóng chảy của đồng phân nào lớn hơn thì đó là đồng phân E, do đồng phân E có tính đối xứng cao nên mạng lưới tinh thể chặt khít hơn.
- Các phương pháp phổ:
+ Phổ hồng ngoại (IR):
Đối với hợp chất aCH=CHa: đồng phân nào có dải hấp thụ mạnh đó là Z, còn đồng phân E không thấy có tần số dao động hóa trị
Đối với hợp chất abC=CHc: đồng phân nào có dải hấp thụ mạnh là Z
đồng phân nào có dải hấp thụ yếu ở bước sóng tương ứng là đồng phân E.
+ Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR):
Nếu J= 4 – 7 Hz, đó là đồng phân Z
Nếu J= 10 – 20 Hz, đó là đồng phân E
+ Phổ tử ngoại (UV): đồng phân nào có và ngắn hơn đó là đồng phân Z
* Về phương pháp hóa học xác định đồng phân hình học :
đồng phân trans có năng lượng tự do hình thành lớn hơn( bền hơn)
đồng phân cis có năng lượng tự do hình thành nhỏ hơn (kém bền hơn)
+ Độ bền tương đối của đồng phân cis-trans 
+ Độ phân li axit 
- đồng phân cis có tỉ số K1 /K2 lớn hơn
- đồng phân trans có tỉ số K1 /K2 nhỏ hơn
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình trình bày đề tài chắc chắn sẽ có nhiều thiếu sót, rất mong thầy cô, bạn bè góp ý để tôi có nhiều kinh nghiệm hơn.
Xin chân thành cảm ơn Thầy giáo hướng dẫn và các bạn học viên đã chú ý theo dõi lắng nghe !