Đồng phân cấu tạo trong các hợp chất hữu cơ cho HSC Chemistry

Một công thức phân tử có thể che giấu rất nhiều điều. Giả sử hai hợp chất đều có công thức \(\ce{C4H10}\). Bạn có nghĩ rằng chúng phải có cấu tạo hoàn toàn giống nhau không?

Không. Một hợp chất có thể có mạch thẳng, \(\ce{CH3CH2CH2CH3}\), trong khi hợp chất kia có thể có mạch nhánh, \(\ce{CH3CH(CH3)CH3}\). Cùng các nguyên tử. Cùng số lượng của mỗi loại nguyên tử. Cách liên kết khác nhau.

Đó chính là vấn đề mà đồng phân cấu tạo giải quyết: công thức phân tử cho bạn biết có những nguyên tử nào, nhưng không cho biết các nguyên tử đó được liên kết với nhau như thế nào.

Trước khi đi tiếp, hãy thử dự đoán. Nếu hai hợp chất có cùng công thức phân tử nhưng tên khác nhau, chúng có nhất thiết phải là đồng phân cấu tạo không?

Không. Chỉ khác tên là chưa đủ. Bạn cần kiểm tra cách các nguyên tử thực sự liên kết với nhau. Cùng một phân tử đôi khi có thể được vẽ theo nhiều hướng khác nhau, và các đồng phân lập thể có thể có tên khác nhau trong khi vẫn giữ nguyên cách liên kết giữa các nguyên tử.

01Điều gì khiến hai hợp chất là đồng phân cấu tạo?

Hai hợp chất là đồng phân cấu tạo, còn được gọi là đồng phân hiến pháp, khi chúng có:

• cùng công thức phân tử, nhưng
• cách liên kết giữa các nguyên tử khác nhau.

Điều kiện thứ hai là điều quan trọng.

Hãy hình dung công thức phân tử như danh sách khách mời cho một bữa tối hơi gượng gạo. Cùng năm người có thể tham dự cả hai bữa tối, nhưng người ngồi cạnh nhau có thể thay đổi. Các đồng phân cấu tạo có cùng “danh sách khách mời” gồm các nguyên tử, nhưng cách sắp xếp liên kết lại khác nhau.

Phép so sánh này có giới hạn vì các nguyên tử không thể tự do liên kết theo bất kỳ cách nào chúng muốn. Carbon thường tạo bốn liên kết, oxygen hai liên kết, hydrogen một liên kết, và các quy tắc liên kết khác vẫn phải được tuân thủ.

Đối với HSC Chemistry, ba dạng đồng phân cấu tạo đặc biệt hữu ích là đồng phân mạch, đồng phân vị trí và đồng phân nhóm chức.

Một lưu ý trước khi sử dụng bảng: các nhãn này mô tả mối quan hệ giữa hai hợp chất. Một phân tử tự nó không đơn giản là “một đồng phân mạch”. Nó là đồng phân mạch của một phân tử cụ thể nào đó.

02Đồng phân mạch: thay đổi khung carbon

Bắt đầu với \(\ce{C4H10}\).

Cấu tạo dễ nghĩ đến nhất là:

\[ \ce{CH3CH2CH2CH3} \]

Đây là butane.

Bạn có thể sắp xếp lại bốn nguyên tử carbon mà vẫn giữ mỗi carbon có bốn liên kết và vẫn giữ công thức phân tử \(\ce{C4H10}\) không?

Có:

\[ \ce{CH3CH(CH3)CH3} \]

Đây là 2-methylpropane.

Hai hợp chất có cùng công thức và đều là alkane. Điều thay đổi là khung carbon: một hợp chất không phân nhánh và hợp chất kia có nhánh. Chúng là đồng phân mạch.

Điều này cũng có thể xảy ra ở các hợp chất không no. Ví dụ:

• \(\ce{CH2=CHCH2CH2CH3}\), pent-1-ene
• \(\ce{CH2=CHCH(CH3)CH3}\), 3-methylbut-1-ene

Cả hai đều có công thức phân tử \(\ce{C5H10}\), và cả hai đều chứa một liên kết đôi carbon-carbon. Khung carbon khác nhau, vì vậy chúng là đồng phân mạch.

03Đồng phân vị trí: giữ nguyên khung, di chuyển phần quan trọng

Bây giờ hãy so sánh:

\[ \ce{CH2=CHCH2CH3} \]

và

\[ \ce{CH3CH=CHCH3} \]

Đây là but-1-ene và but-2-ene.

Cả hai hợp chất:

• có công thức phân tử \(\ce{C4H8}\),
• có cùng khung bốn carbon không phân nhánh, và
• chứa cùng loại nhóm chức, tức liên kết đôi carbon-carbon.

Chỉ có vị trí của liên kết đôi thay đổi.

Chúng là đồng phân vị trí.

Đồng phân vị trí cũng xuất hiện khi một nhóm chức hoặc nhóm thế chuyển vị trí. Ví dụ:

\[ \ce{CH3CH2CH2OH} \]

propan-1-ol, và

\[ \ce{CH3CH(OH)CH3} \]

propan-2-ol là các đồng phân vị trí. Khung ba carbon không thay đổi, và cả hai đều là alcohol. Chỉ có vị trí của nhóm \(\ce{-OH}\) thay đổi.

Lập luận tương tự áp dụng cho các haloalkane như 1-chloropropane và 2-chloropropane.

Nếu việc gọi tên các cấu tạo này là phần khiến bạn mất nhiều thời gian, hãy ôn lại cách gọi tên IUPAC của các hợp chất hữu cơ đến C8 song song với việc học đồng phân. Gọi tên đúng rất hữu ích ở đây vì nó giúp phát hiện các cấu tạo bị lặp.

04Đồng phân nhóm chức: sự thay đổi về liên kết trở nên quan trọng hơn

Xét hai hợp chất sau:

\[ \ce{CH3CH2CHO} \]

propanal, và

\[ \ce{CH3COCH3} \]

propanone.

Hãy đếm các nguyên tử. Cả hai đều có công thức phân tử \(\ce{C3H6O}\).

Thoạt nhìn, bạn có thể nói: “Liên kết \(\ce{C=O}\) chỉ chuyển vị trí thôi.”

Dự đoán đó khá hấp dẫn, nhưng nó bỏ sót một điểm quan trọng.

Trong propanal, carbon của nhóm carbonyl nằm ở cuối mạch và liên kết với một hydrogen. Nhóm chức là aldehyde.

Trong propanone, carbon của nhóm carbonyl liên kết với hai nhóm carbon. Nhóm chức là ketone.

Loại nhóm chức đã thay đổi. Các hợp chất này là đồng phân nhóm chức, chứ không chỉ đơn thuần là đồng phân vị trí.

Sự phân biệt này quan trọng vì các nhóm chức chi phối những phản ứng đặc trưng. Sắp xếp lại các nguyên tử theo cách biến aldehyde thành ketone không chỉ đơn giản là thay đổi một con số trong tên gọi.

Một ví dụ khác phù hợp với HSC là carboxylic acid và ester. Ethanoic acid, \(\ce{CH3COOH}\), và methyl methanoate, \(\ce{HCOOCH3}\), đều có công thức phân tử \(\ce{C2H4O2}\), nhưng chúng chứa các nhóm chức khác nhau.

Để luyện tập thêm về việc nhận biết các nhóm này từ tên gọi và cấu tạo, hãy xem cách gọi tên IUPAC của acid, amine, amide và các hợp chất halo.

05Cả hợp chất no và không no đều có thể có đồng phân cấu tạo

Hydrocarbon no chỉ chứa các liên kết đơn carbon-carbon. Hydrocarbon không no chứa ít nhất một liên kết đôi hoặc liên kết ba carbon-carbon.

Đồng phân cấu tạo xuất hiện ở cả hai loại.

Đối với hydrocarbon no, sự phân nhánh tạo ra các đồng phân mạch:

\[ \ce{C4H10} \]

có thể là butane hoặc 2-methylpropane.

Đối với hydrocarbon không no, có nhiều khả năng hơn vì bạn có thể thay đổi cả khung carbon lẫn vị trí của liên kết bội:

\[ \ce{CH2=CHCH2CH3} \]

và

\[ \ce{CH3CH=CHCH3} \]

là các đồng phân vị trí, trong khi

\[ \ce{CH2=CHCH2CH3} \]

và

\[ \ce{CH2=C(CH3)2} \]

là các đồng phân mạch.

Hãy cẩn thận với các cách suy nhanh từ công thức phân tử. Một alkene mạch hở chứa một liên kết đôi có công thức tổng quát \(\ce{C_nH_{2n}}\), nhưng chỉ riêng công thức đó không cho bạn biết chính xác liên kết đôi nằm ở đâu, cũng không thể luôn xác định duy nhất loại cấu tạo trong mọi phân tử hữu cơ có thể có.

Cấu tạo phải được xác định từ cách các nguyên tử liên kết với nhau, chứ không phải suy đoán từ một mẫu công thức duy nhất.

06Cách vẽ đồng phân cấu tạo mà không bỏ sót hoặc lặp lại

Di chuyển các nhánh một cách ngẫu nhiên là phương pháp không đáng tin cậy. Một phương pháp có hệ thống an toàn hơn nhiều.

1. Kiểm tra công thức phân tử trước

Các đồng phân cấu tạo phải có công thức phân tử giống hệt nhau.

Nếu một cấu tạo là \(\ce{C5H12}\) và cấu tạo khác là \(\ce{C5H10}\), hãy dừng lại. Chúng không phải là đồng phân.

2. Xác định các giới hạn mà câu hỏi đưa ra

Một câu hỏi có thể yêu cầu:

• tất cả các đồng phân cấu tạo,
• chỉ các alkene,
• chỉ các alcohol,
• chỉ aldehyde và ketone, hoặc
• chỉ các hợp chất có một khung carbon cụ thể.

Những giới hạn này rất quan trọng. “Tất cả các alkene có công thức \(\ce{C5H10}\)” là một nhiệm vụ khác với “tất cả các đồng phân cấu tạo có công thức \(\ce{C5H10}\)”.

3. Tạo các khung carbon một cách có hệ thống

Bắt đầu với khung thẳng dài nhất. Sau đó đưa vào các nhánh.

Ví dụ, với năm nguyên tử carbon, ba khung alkane dựa trên:

• pentane,
• 2-methylbutane, và
• 2,2-dimethylpropane.

4. Đặt nhóm chức hoặc liên kết bội vào những vị trí thực sự khác nhau

Khi khung đã cố định, hãy hỏi những vị trí carbon nào khác biệt về mặt hóa học.

Tính đối xứng rất quan trọng. Hai vị trí trông khác nhau trên trang giấy có thể trở thành giống hệt nhau khi phân tử được xoay hoặc khi bạn đánh số từ đầu mạch bên kia.

5. Kiểm tra hóa trị thông thường

Đối với các cấu tạo được sử dụng ở đây:

• carbon cần bốn liên kết,
• oxygen thường cần hai,
• hydrogen cần một, và
• một halogen như chlorine thường cần một.

Điều này nhanh chóng loại bỏ một số hình vẽ trông có vẻ hợp lý nhưng thực tế không thể tồn tại.

6. Gọi tên từng cấu tạo

Gọi tên không chỉ là bước trang trí cuối cùng. Nó là một công cụ phát hiện cấu tạo trùng lặp.

Nếu hai hình vẽ đều nhận cùng một tên IUPAC chính xác, gần như chắc chắn bạn đã vẽ cùng một cách liên kết hai lần.

07Sai lầm phổ biến nhất: đếm hình vẽ thay vì đếm cấu tạo

Giả sử một học sinh vẽ pentane theo chiều ngang rồi vẽ cùng mạch năm carbon đó uốn thành hình zíc zắc.

Đó không phải là hai đồng phân cấu tạo.

Các nguyên tử có thể được vẽ ở những vị trí khác nhau trên trang giấy mà không làm thay đổi nguyên tử nào liên kết với nguyên tử nào.

Vấn đề tương tự xảy ra với cách đánh số. “3-methylbutane” không phải là một đồng phân mới của 2-methylbutane. Khi mạch được đánh số từ đầu đúng, cả hai hình vẽ đều mô tả 2-methylbutane.

Một câu hỏi hữu ích là:

Có nguyên tử nào có một nguyên tử lân cận khác đi không?

Nếu câu trả lời là không, cách liên kết giữa các nguyên tử chưa thay đổi.

08Mạch, vị trí hay nhóm chức? Hãy dùng cách phân loại này

Khi so sánh một cặp hợp chất, hãy làm theo thứ tự sau.

Trước tiên, xác nhận rằng công thức phân tử của chúng giống hệt nhau. Nếu không, các hợp chất không phải là đồng phân.

Sau đó hãy hỏi điều gì thực sự thay đổi:

• Nếu loại nhóm chức thay đổi, đồng phân nhóm chức thường là cách phân loại quan trọng.
• Nếu nhóm chức giữ nguyên nhưng khung carbon thay đổi, bạn có đồng phân mạch.
• Nếu khung carbon và loại nhóm chức giữ nguyên nhưng vị trí của nhóm chức thay đổi, bạn có đồng phân vị trí.
• Nếu cách liên kết hoàn toàn không thay đổi, đừng gọi chúng là đồng phân cấu tạo.

Bước kiểm tra cuối cùng này ngăn được rất nhiều sai sót liên quan đến đồng phân hình học và cùng một cấu tạo được vẽ theo chiều ngược lại.

09Câu hỏi và lời giải

Câu hỏi 1

1-chloropropane có công thức cấu tạo thu gọn \(\ce{CH3CH2CH2Cl}\). Một hợp chất khác có công thức \(\ce{CH3CHClCH3}\).

Hãy chứng minh rằng hai hợp chất là đồng phân cấu tạo, gọi tên hợp chất thứ hai và xác định loại đồng phân cấu tạo.

Lời giải 1

Các hợp chất là đồng phân vị trí, và hợp chất thứ hai là 2-chloropropane.

Cả hai hợp chất đều chứa ba nguyên tử carbon, bảy nguyên tử hydrogen và một nguyên tử chlorine, nên cả hai đều có công thức phân tử \(\ce{C3H7Cl}\).

Khung carbon của chúng cũng giống nhau: một mạch ba carbon không phân nhánh. Nguyên tử chlorine gắn vào carbon 1 trong 1-chloropropane và carbon 2 trong 2-chloropropane.

Loại nhóm chức không thay đổi và khung carbon cũng không thay đổi. Chỉ có vị trí của nhóm thế chlorine thay đổi, nên đây là đồng phân vị trí.

Sai lầm dễ mắc là gọi chúng là đồng phân mạch chỉ vì hình vẽ của chúng trông khác nhau. Đồng phân mạch đòi hỏi phải có khung carbon khác nhau.

Câu hỏi 2

Chỉ xét các alkene mạch hở có công thức phân tử \(\ce{C5H10}\), và bỏ qua đồng phân lập thể.

Vẽ và gọi tên mọi đồng phân cấu tạo trong tập hợp này. Sau đó xác định:

• một cặp đồng phân vị trí, và
• một cặp đồng phân mạch.

Giải thích vì sao các dạng hình học của một trong các cấu tạo không tạo thêm một đồng phân cấu tạo.

Lời giải 2

Có năm đồng phân cấu tạo alkene mạch hở của \(\ce{C5H10}\):

\[ \begin{aligned} &\ce{CH2=CHCH2CH2CH3} &&\text{pent-1-ene}\\ &\ce{CH3CH=CHCH2CH3} &&\text{pent-2-ene}\\ &\ce{CH2=C(CH3)CH2CH3} &&\text{2-methylbut-1-ene}\\ &\ce{CH2=CHCH(CH3)CH3} &&\text{3-methylbut-1-ene}\\ &\ce{CH3C(CH3)=CHCH3} &&\text{2-methylbut-2-ene} \end{aligned} \]

Một cặp đồng phân vị trí rõ ràng là pent-1-ene và pent-2-ene. Khung năm carbon của chúng không thay đổi và cả hai đều là alkene. Chỉ có vị trí của liên kết \(\ce{C=C}\) thay đổi.

Một cặp đồng phân mạch rõ ràng là pent-1-ene và 3-methylbut-1-ene. Cả hai đều chứa một liên kết đôi carbon-carbon, nhưng một khung carbon không phân nhánh còn khung kia có nhánh.

Phương pháp có hệ thống là điều giúp bạn không bỏ sót các cấu tạo. Trước tiên, dùng khung năm carbon mạch thẳng và đặt liên kết đôi vào các vị trí khác biệt của nó. Sau đó dùng khung carbon của 2-methylbutane và đặt liên kết đôi vào từng liên kết khác biệt về mặt hóa học mà tại đó một alkene hợp lệ có thể hình thành.

Pent-2-ene có thể có các cách sắp xếp hình học khác nhau quanh liên kết đôi. Những dạng này không làm tăng số đồng phân cấu tạo vì cùng các nguyên tử carbon vẫn liên kết với cùng những nguyên tử lân cận. Đồng phân hình học làm thay đổi cách sắp xếp trong không gian, chứ không làm thay đổi cách liên kết.

Cách dễ mắc sai lầm là đếm mọi hình vẽ trông khác nhau. Điều kiện thực sự quan trọng là cách liên kết phải khác nhau.

Câu hỏi 3

Ba hợp chất \(X\), \(Y\) và \(Z\) đều có công thức phân tử \(\ce{C4H8O2}\).

• \(X\) là một carboxylic acid không phân nhánh.
• \(Y\) là một carboxylic acid phân nhánh.
• \(Z\) là một ester. Nhóm alkyl \(\ce{-O-}\) của nó chứa một nguyên tử carbon, còn phần có nguồn gốc từ acid chứa tổng cộng ba nguyên tử carbon.

Vẽ và gọi tên \(X\), \(Y\) và \(Z\). Phân loại mối quan hệ giữa \(X\) và \(Y\), cũng như giữa \(X\) và \(Z\).

Cuối cùng, hãy giải thích liệu việc chuyển nhóm \(\ce{-COOH}\) từ cuối mạch carbon đến một carbon bên trong có thể tạo ra một đồng phân vị trí vẫn là carboxylic acid hay không.

Lời giải 3

\(X\) là butanoic acid, \(Y\) là 2-methylpropanoic acid và \(Z\) là methyl propanoate. \(X\) và \(Y\) là đồng phân mạch, còn \(X\) và \(Z\) là đồng phân nhóm chức.

Các cấu tạo là:

\[ \ce{CH3CH2CH2COOH} \]

đối với butanoic acid,

\[ \ce{(CH3)2CHCOOH} \]

đối với 2-methylpropanoic acid, và

\[ \ce{CH3CH2COOCH3} \]

đối với methyl propanoate.

Cả ba đều chứa bốn nguyên tử carbon, tám nguyên tử hydrogen và hai nguyên tử oxygen.

Đối với \(X\) và \(Y\), nhóm chức \(\ce{-COOH}\) vẫn là nhóm carboxylic acid. Điều thay đổi là khung carbon: \(X\) không phân nhánh và \(Y\) có nhánh. Chúng là đồng phân mạch.

Đối với \(X\) và \(Z\), nhóm chức thay đổi từ carboxylic acid sang ester, nên chúng là đồng phân nhóm chức.

Một carboxylic acid không thể có một đồng phân vị trí đơn giản được tạo ra bằng cách chuyển nguyên vẹn nhóm \(\ce{-COOH}\) đến một carbon bên trong mà vẫn giữ nguyên khung carbon, theo cách nhóm \(\ce{-OH}\) có thể chuyển vị trí trong một alcohol. Carbon của nhóm carboxyl tự nó là một phần của mạch carbon mẹ và nhất thiết phải ở đầu mạch vì nó có kiểu liên kết \(\ce{-C(=O)OH}\).

Ý tưởng dễ gây nhầm lẫn là xem mọi nhóm chức như một nhãn dán có thể tháo ra rồi chuyển từ carbon 1 sang carbon 2. Các yêu cầu liên kết chính xác của nhóm chức khiến cách làm đó không thể áp dụng ở đây.

Câu hỏi 4

Xác định mọi đồng phân cấu tạo alcohol có công thức phân tử \(\ce{C5H12O}\).

Hãy tổ chức lập luận theo khung carbon thay vì đoán tên. Với mỗi khung carbon, giải thích có bao nhiêu vị trí khác biệt về mặt hóa học có thể mang nhóm \(\ce{-OH}\).

Sau đó:

• xác định một cặp đồng phân mạch,
• xác định một cặp đồng phân vị trí, và
• giải thích vì sao cấu tạo được đề xuất “2,2-dimethylpropan-2-ol” là không thể tồn tại.

Lời giải 4

Có tám đồng phân cấu tạo alcohol của \(\ce{C5H12O}\).

Cách an toàn nhất là bắt đầu với ba khung alkane năm carbon có thể có rồi đặt nhóm \(\ce{-OH}\) chỉ tại các vị trí carbon khác biệt về mặt hóa học.

Đối với khung pentane, có ba vị trí khác nhau:

\[ \ce{CH3CH2CH2CH2CH2OH} \]

pentan-1-ol,

\[ \ce{CH3CH(OH)CH2CH2CH3} \]

pentan-2-ol, và

\[ \ce{CH3CH2CH(OH)CH2CH3} \]

pentan-3-ol.

Các vị trí 4 và 5 không tạo ra hợp chất mới vì đánh số từ đầu mạch bên kia sẽ cho các vị trí 2 và 1.

Đối với khung 2-methylbutane, có bốn môi trường carbon khác nhau có thể mang nhóm \(\ce{-OH}\):

\[ \ce{HOCH2CH(CH3)CH2CH3} \]

2-methylbutan-1-ol,

\[ \ce{HOCH2CH2CH(CH3)CH3} \]

3-methylbutan-1-ol,

\[ \ce{CH3CH(OH)CH(CH3)CH3} \]

3-methylbutan-2-ol, và

\[ \ce{CH3C(OH)(CH3)CH2CH3} \]

2-methylbutan-2-ol.

Trực giác ban đầu có thể khiến bạn nghĩ rằng mọi carbon ở đầu mạch đều tương đương. Không phải vậy. Trên khung bất đối xứng này, carbon đầu mạch nằm cạnh carbon phân nhánh và carbon đầu mạch ở phía bên kia có môi trường liên kết khác nhau. Đặt \(\ce{-OH}\) lên chúng sẽ tạo ra các cách liên kết khác nhau.

Đối với khung 2,2-dimethylpropane, cả bốn nguyên tử carbon ở ngoài đều tương đương do tính đối xứng. Chỉ có thể tạo ra một alcohol:

\[ \ce{(CH3)3CCH2OH} \]

2,2-dimethylpropan-1-ol.

Vì vậy, tổng số là:

\[ 3+4+1=8 \]

Một cặp đồng phân mạch là pentan-1-ol và 2-methylbutan-1-ol. Cả hai đều là alcohol có công thức \(\ce{C5H12O}\), nhưng khung carbon của chúng khác nhau.

Một cặp đồng phân vị trí là pentan-1-ol và pentan-2-ol. Khung carbon và loại nhóm chức của chúng giữ nguyên, nhưng nhóm \(\ce{-OH}\) thay đổi vị trí.

“2,2-dimethylpropan-2-ol” không thể tồn tại vì carbon 2 của khung 2,2-dimethylpropane đã liên kết với bốn nguyên tử carbon. Carbon không còn khả năng tạo liên kết thứ năm với một nhóm \(\ce{-OH}\).

Ràng buộc cuối cùng này rất dễ bị bỏ sót nếu bạn xem việc vẽ đồng phân chỉ là di chuyển các nhãn. Hóa trị quyết định những vị trí nào thực sự có thể tồn tại.

Câu hỏi 5

Một câu hỏi yêu cầu tìm mọi hợp chất mạch hở có công thức phân tử \(\ce{C5H10O}\), chứa chính xác một nhóm carbonyl, \(\ce{C=O}\), và không có liên kết bội nào khác. Chỉ aldehyde và ketone được phép.

Một học sinh đề xuất tám cấu tạo:

• pentanal
• 2-methylbutanal
• 3-methylbutanal
• 2,2-dimethylpropanal
• pentan-2-one
• pentan-3-one
• 3-methylbutan-2-one
• 2-methylbutan-2-one

Một học sinh khác nhận ra có vấn đề và thay tên cuối cùng bằng “4-methylbutanal”, cho rằng điều này tạo ra đồng phân thứ tám còn thiếu.

Hãy xác định tập hợp đầy đủ các đồng phân cấu tạo hợp lệ. Giải thích vì sao cấu tạo thứ tám của mỗi học sinh đều không đúng, và chứng minh vì sao không thể có đồng phân thứ tám theo các điều kiện đã nêu.

Cuối cùng, hãy xác định một cặp thể hiện mỗi loại đồng phân mạch, đồng phân vị trí và đồng phân nhóm chức trong tập hợp hợp lệ.

Lời giải 5

Có chính xác bảy đồng phân cấu tạo hợp lệ theo các giới hạn đã nêu: bốn aldehyde và ba ketone. Không cấu tạo thứ tám nào được đề xuất là mới hoặc hợp lệ.

Bốn aldehyde là:

\[ \ce{CH3CH2CH2CH2CHO} \]

pentanal,

\[ \ce{CH3CH2CH(CH3)CHO} \]

2-methylbutanal,

\[ \ce{CH3CH(CH3)CH2CHO} \]

3-methylbutanal, và

\[ \ce{(CH3)3CCHO} \]

2,2-dimethylpropanal.

Vì sao chính xác là bốn?

Một aldehyde có nhóm đầu mạch \(\ce{-CHO}\). Khi carbon này đã được cố định ở đầu mạch, bốn nguyên tử carbon còn lại tạo thành một cách sắp xếp alkyl gắn với nó. Việc tạo các khung carbon có thể có một cách hệ thống cho bốn cấu tạo ở trên.

Ba ketone là:

\[ \ce{CH3COCH2CH2CH3} \]

pentan-2-one,

\[ \ce{CH3CH2COCH2CH3} \]

pentan-3-one, và

\[ \ce{CH3COCH(CH3)CH3} \]

3-methylbutan-2-one.

Carbon carbonyl của ketone phải liên kết với hai nhóm carbon. Điều đó có nghĩa là nhóm carbonyl không thể nằm ở đầu mạch.

Hợp chất thêm vào của học sinh thứ nhất, “2-methylbutan-2-one”, không hợp lệ vì tên đó đòi hỏi carbon carbonyl phải tạo quá nhiều liên kết carbon-carbon.

Ở carbon 2, một cấu tạo giả định là 2-methylbutan-2-one sẽ buộc carbon carbonyl đồng thời:

• liên kết đôi với oxygen,
• liên kết dọc theo mạch theo một hướng,
• liên kết dọc theo mạch theo hướng còn lại, và
• liên kết với thêm một nhóm thế methyl.

Nếu tính theo bậc liên kết, điều này sẽ vượt quá hóa trị bốn của carbon. Cấu tạo đó không thể tồn tại về mặt hóa học.

Phương án thay thế của học sinh thứ hai, “4-methylbutanal”, cũng không hợp lệ, nhưng vì một lý do khác.

Đối với aldehyde, carbon của nhóm aldehyde là carbon 1. Một cấu tạo được gắn nhãn một cách tùy tiện là “4-methylbutanal” có thể được lần theo thành một mạch carbon liên tục dài hơn. Khi chọn đúng mạch dài nhất có chứa carbon aldehyde, nó không phải là một cấu tạo riêng biệt mang tên đó. Hình vẽ được đề xuất thực chất trùng với một trong các cấu tạo đã được tính, thay vì tạo ra một cách liên kết mới.

Vì vậy, không thể sửa một trong hai lỗi chỉ bằng cách nghĩ ra một tên gọi khác.

Lập luận về tính đầy đủ mới là phần quan trọng. Đối với aldehyde, việc tạo một cách có hệ thống mọi khung carbon tương thích với nhóm \(\ce{-CHO}\) ở đầu mạch cho bốn cấu tạo. Đối với ketone, đặt một nhóm carbonyl bên trong vào mọi môi trường carbon hợp lệ và không tương đương cho ba cấu tạo. Tính đối xứng loại bỏ các trường hợp trùng lặp, còn hóa trị loại bỏ các ứng viên không thể tồn tại.

Do đó:

\[ 4+3=7 \]

Một cặp đồng phân mạch là pentanal và 2-methylbutanal. Cả hai đều là aldehyde, nhưng khung carbon của chúng khác nhau.

Một cặp đồng phân vị trí là pentan-2-one và pentan-3-one. Chúng có cùng khung năm carbon không phân nhánh và đều là ketone, nhưng nhóm carbonyl nằm ở các vị trí khác nhau.

Một cặp đồng phân nhóm chức là pentanal và pentan-2-one. Cả hai đều có công thức phân tử \(\ce{C5H10O}\), nhưng pentanal là aldehyde còn pentan-2-one là ketone.

Lối tắt dễ gây nhầm lẫn trong toàn bộ bài này là cho rằng bất kỳ sự thay đổi số chỉ vị trí nào trông có vẻ hợp lý cũng sẽ tạo ra một đồng phân khác. Không phải vậy. Một đồng phân cấu tạo hợp lệ phải vượt qua ba phép kiểm tra riêng biệt: công thức phân tử giống hệt nhau, cách liên kết thực sự khác nhau và kiểu liên kết hợp lệ về mặt hóa học.

Khi bạn có thể tạo các đồng phân một cách có hệ thống thay vì đoán bằng mắt, danh pháp IUPAC trở nên hữu ích hơn rất nhiều. Tên gọi không còn chỉ là thứ bạn gắn vào sau khi đã làm xong phần hóa học; nó trở thành một cách để kiểm tra xem hai hình vẽ có thực sự khác nhau hay không và liệu cấu tạo bạn đã vẽ có thể tồn tại hay không.