有机化合物的同分异构现象全.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流有机化合物的同分异构现象全.精品文档.有机化合物的同分异构构造异构是指分子式相同,而分子中原子相互连接的次序不同的一种异构现象,包括碳胳异构、位置异构和官能团异构。构造相同,但分子中原子在空间的排列方式不同引起的异构现象称为立体异构(stereoisomerism)。分子中原子在空间的不同排列方式形成了不同的构型或构象,所以立体异构又分为构型异构与构象异构。例如顺-2-丁烯与反-2-丁烯这种顺反异构即属于构型异构,丁烷的不同构象和环已烷的不同构象都属于构象异构 构型异构不仅包括顺、反异构,对映异构也属于构型异构,对映异构的分子式相同,构造也相
2、同,只是构型不同。 现在可以把异构现象归纳为: 顺反异构由于双键不能自由旋转,所以当两个双键碳原子各连有两个不同的原子或基团时,可能产生两种不同的空间排列方式。例如2-丁烯: (I) 顺-2-丁烯 (II) 反-2-丁烯 (沸点3.7 ) (沸点0.88 )两个相同基团(如I 和 II中的两个甲基或两个氢原子)在双键同一侧的称为顺式,在异侧的称为反式。这种由于分子中的原子或基团在空间的排布方式不同而产生的同分异构现象,称为顺反异构,也称几何异构。通常,分子中原子或基团在空间的排布方式称为构型,因此顺反异构也是构型异构,它是立体异构中的一种。需要指出的是,并不是所有的烯烃都有顺反异构现象。产生顺
3、反异构的条件是除了键的旋转受阻外(双键或环),还要求两个双键碳原子上分别连接有不同的原子或基团。也就是说,当双键的任何一个碳原子上连接的两个原子或基团相同时,就不存在顺反异构现象了。例如,下列化合物就没有顺反异构体。当与双键相连的两个碳原子上连有相同的原子或基团时,例如上面的(I)和(II),可采用顺反命名法。两个相同原子或基团处于双键同一侧的,称为顺式,反之称为反式。书写时分别冠以顺、反,并用半字线与化合物名称相连。例如:顺- 2 -戊烯 反- 2 -戊烯当两个双键碳原子所连接的四个原子或基团均不相同时,则不能用顺反命名法命名,而采用Z, E-命名法。例如: (III) (E)- 1-氯-2
4、-溴丙烯 (IV) (Z)- 2-甲基-1-氯-1-丁烯Z, E-命名法(参见命名)对映异构1 对映异构现象 以乳酸(-羟基丙酸)为例,人体剧烈运动时肌肉分解出的乳酸与乳糖经细菌发酵后得到的乳酸,其分子式与构造都相同;物理性质、化学性质也相同,其最显著的区别是二者对平面偏振光的旋光性不同,肌肉乳酸使偏振光的振动平面向右旋转,发酵乳酸使偏振光的振动平面向左旋转,经过研究发现,这两种乳酸实际上在空间具有不同的构型,两种构型之间的关系正象物体与其镜象的关系一样,即具有对映关系,人们把这种构造相同,构型不同并且互呈镜象对映关系的立体异构现象称为对映异构。由于对映异构体最显著的特点是对平面偏振光的旋光性
5、不同,因此也常把对映异构称为旋光异构或光学异构。 光学异构现象是有机化合物中极为普遍而又非常重要的一种现象。很多天然有机化合物如生物碱、萜类、糖类化合物、氨基酸核酸等,都具有光学异构。不管是天然药物、天然农药,还是人工合成的药物与农药,也往往与光学异构密切相关。由于不同的光学异构体(对映异构体)的生理活性(或生物活性)差别极大,到目前为止,世界上已商品化的医药、农药品种中,已有百分之二十多的为纯光学异构体,而且有日趋增加的趋势。对映异构在立体异构中占有极其重要的地位,而掌握立体化学知识是学好有机化学必不可少的。由于对映异构最重要的特点是对平面偏振光的旋光性不同,故对平面偏振光的旋光性是识别对映
6、异构体最重要的方法,所以下面必须讨论偏振光和物质的旋光性。2.物质的旋光2.1 平面偏振光光是一种电磁波,光波的振动方向与其前进方向垂直。普通光在所有垂直于其前进方向的平面上振动。平面偏振光只在一个平面上振动。 光波振动方向与前进方向示意图2.2旋光物质 若将两个尼科尔棱镜平行放置(两棱镜晶轴平行),通过第一个尼科尔棱镜产生的偏光,必然能完全通过第二个尼科尔棱镜,如果在二者间放置盛满液体或溶液的旋光管,就有两种不同的情况发生:一种情况是管子里装的水、乙醇、乙酸、丙酮等液体或苯甲酸的水溶液,偏光可以通过第二个棱镜;如果装的是乳酸、苹果酸、葡萄糖等水溶液,必须把第二个棱镜旋转一定的角度后,偏光才能
7、通过。这说明偏光通过这些物质后,其振动平面被旋转了一定角度,我们把具有此种性质的物质称为旋光性物质或光学活性物质。测量物质的旋光度的仪器叫旋光仪,旋光仪的主要组成部分有:光源、起偏振器、刻度盘、目镜等,光源通常使用单色钠光灯,起偏振器与检偏振器为两个尼科尔棱晶,旋光管用来盛装液体或溶液。光源发生的一定波长的光,通过起偏振器,成为偏光,通过装有样品的盛液管后,偏光的振动平面向左或向右旋转了一定角度,此时,必须将检偏振器向左或向右旋转相应的角度后,偏光才能通过 ,由装在检偏振器上的刻度盘读出的度数,就是被测样品的旋光度。 2.3 旋光性与对映异构现象 1848年,法国巴黎高等师范学校的化学家路易巴
8、斯德(LPasteur)发现酒石酸钠铵有两种不同的晶体,它们之间的关系相当于左手与右手或物体与镜象,巴斯德细心地将两种晶体分开,分别溶解于水后,用旋光仪测定,发现一种溶液是右旋的,而另一种溶液是左旋的,其比旋光度相等。巴斯德注意到左旋和右旋酒石酸钠铵的晶体外形的不对称性,他从晶体外形联想到化合物的分子结构,认为酒石酸钠铵的分子结构也一定是不对称的,巴斯德明确提出,左旋异构体与右旋异构体其所以互为镜象,非常相似但不能叠合,就是由于其分子中原子在空间排列方式是不对称的,对映异构现象是由于原子在空间的不同排列方式所引起的。巴斯德的设想不久被范特荷夫(Vant Hoff)和勒比尔(Le Bel)所证实
9、。1874年荷兰化学家范特荷夫和法国化学家勒比尔分别提出了碳原子的正四面体学说,他们从当时已知的旋光化合物如乳酸、酒石酸等中,发现都至少含有一个与四个互不相同的原子或原子团相连的碳原子,他们还注意到与一个碳原子结合的四个原子或原子团中,只要任何两个是相同的,化合物就没有旋光性。碳原子的四面体学说指出,碳原子处在四面体的中心,四个价指向四面体的四个顶点,如果碳原子所连接的四个一价基团互不相同,这四个基团在碳原子周围就有两种不同的排列方式,代表两种不同的四面体空间构型,它们像左右手一样互为镜象,非常相似但不能叠合,如图所示。 两种不同的四面体构型以旋光性化合物乳酸(2-羟基丙酸)为例,其2位碳原子
10、与四个互不相同的一价基团相连,在空间有两种不同的排列,形成了互为镜象的两种四面体构型(见图),即左旋乳酸与右旋乳酸两种异构体,彼此互为镜象,呈现一种相互对映关系的异构体,这种异构体属于对映异构体。 乳酸分子的两种构型 通常把与四个互不相同的原子或基团相连接的碳原子叫不对称碳原子(asymmetric carbon atom),在化合物的构造式中用星号(C*)标出。例如: 3手性与对称因素 物质与其镜象的关系,与人的左手、右手一样,非常相似,但不能叠合,因此我们把物质的这种特性称为手性(Chirality,来源于希腊文cheir,含义指手)。具有手性的分子称为手性分子(chiral molecu
11、les),手性是物质具有对映异构现象和旋光性的必要条件,也即是本质原因。物质的分子具有手性,就必定有对映异构现象,就具有旋光性;反之,物质分子如果不具有手性,就能与其镜象叠合,就不具有对映异构现象,也不表现出旋光性。 含一个不对称碳原子的化合物分子,必然是手性分子,而含多个不对称碳原子的化合物分子,不一定具有手性(见内消旋化合物)。分子中由于不对称碳原子的存在,能使分子成为手性分子,因此也可把不对称碳原子称为手性碳原子。 化合物分子具有手性是该分子具有对映异构的根本原因,而手性又是如何引起的呢?进一步研究发现,手性与分子的对称性密切相关,一个分子具有手性,实际上是缺少某些对称因素所致,故有必要
12、对有关的对称因素进行讨论。 在我们周围的物体中,有些是对称的,如蝴蝶等昆虫、一些宫殿、宝塔等,另一些物体则是不对称的,加螺栓的螺纹、人的手等。有机化合物分子同样也有对称的分子与不对称的分子。要判断一个分子是否具有对称性,就要考察这个分子是否具有一定的对称因素,通常考察的对称因素是对称面、对称中心与对称轴三种。 (1)对称面 假如有一个平面能把分子分割成两部分,而一部分正好是另一部分的镜象,这个平面就是该分子的对称面。 平面型分子,如水、硫化氢,(E)-1,2-二氯乙烯等,其分子所在的平面也是分子的一个对称面,故水和硫化氢分别有2个对称面,(E)-1,2-二氯乙烯则只有一个对称面。氨分子则具有3
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