异构现象和立体化学

异构现象和立体化学具有相同分子式而有不同的分子结构、性质相异的化合物叫做同分异构体。1．构造异构分子式相同而构造式不同，即分子中原子互相连接的方式和次序不同，称构造异构。有碳架异构、位置异构、官能团异构、互变异构。【例1】C4H10的烃中没有—CH2—，这个化合物的构造式如何？解：C4H10有二个碳架异构体：B．CH3CH2CH2CH3，故答案为A。【例2】某有机化合物分子式为C10H8，某一溴代化合物有2种，其二溴代化合物有几种？解：此化合物为萘。其一溴代物有两种位置异体、；其二溴代物有10种位置异构体。【例3】丁醇的同分异构体是哪一个？A．2-丁酮B．乙酸乙酯C．丁酸D．乙醚解：丁醇CH3CH2CH2CH2OH和乙醚CH3CH2OCH2CH3分子式相同，均为C4H10O，但官能团不同，为官能团异构，故答案为D。【例4】写出乙酰乙酸乙酯（Ⅰ）、硝基甲烷（Ⅱ）的互变异构体。解：β-酮酯类以及脂肪硝基化合物在酸或碱催化作用下，有酮式和烯醇式异构体同时存在，并迅速互变，构成动态平衡体系，称互变异构体。它们在化学上可以区分，并能各自分离成纯物质，其差异在于电子分布和某一相对流动原子或基团位置不同（大多数情况下是H）。能使烯醇式稳定的因素有：（1）能使双键稳定的因素，如C=O或Ph能与C=C双键共轭；（2）分子内氢键的形成。2．立体异构构造式相同但原子或基团在空间的排列不同（即构型不同）产生的异构现象叫立体异构。如顺反异构、对映异构。（1）顺反异构分子中存在双键或环等限制旋转的因素，使分子中某些原子或基团在空间位置不同，产生顺反异构现象。双键可以是C=C、C=N、N=N。双键产生顺反异构体的条件是双键两端每个原子所连二基团或原子不同。【例1】下列物质哪一个可能以顺反异构体形式存在？A．C2H3Cl；B．C2H4Br2；C．C2H2Cl2；D．C6H4C12解：C。因为A．CH2=CHCl有一个C原子上所连二个原子相同，B．均为σ键可自由旋转，D．取代苯只有位置异构，所以均不能产生顺反异构体。而C．有两种位置异构体，其中CH2=CCl2的C原子上所连二个基团相同，无顺反异构体；而CHCl=CHCl每个C原子上所连二个基团均不相同，故有顺反异构体。（2）对映异构（旋光异构）对映异构仅存在于具有手性的分子中，一个分子与其镜像不能重合叫手性分子。Van'tHoff总结了很多系列观察结果，提出判断分子是否具有手性的结论如下：①通式CH3X，CH2X2或CH2XY只有一种化合物，为非手性分子。②通式CHXYZ（H、X、Y、Z均不相同）有二个对映异构体，为手性分子。即当一个C原子上连有四个不同基团时，该碳原子为手性碳原子；当一个分子含有一个手性碳原子时该分子为手性分子；含有多于一个手性碳原子时该分子不一定产生对映异构体；当一个分子有对映异构体时，不一定必须含有手性碳原子。推而广之，任何四面体原子连有四个不同基团时称为手性原子或手性中心。如果连结在四面体中心原子上的基团有二个或二个以上相同，分子与镜像能重合，则该分子没有手性。判定分子手性最直观的方法是构成分子及其镜像的模型，试验它们能否重合，但这是费时而麻烦的。另一种有助我们判别手性分子的方法是寻找分子中有否对称因素，具有对称面m、对称中心i或交替对称轴S的分子无手性。具有对称轴的分子不一定没有手性。对一般有机化合物有无m，i就可判别有无手性。【例2】下列化合物中哪一种可能有对映异构体？A．（CH3）2CHCOOHB．CH3CHClCOOEt解：检查每个碳原子，发现B中C2上所连四个基因不同，故为手性分子，存在对映异构体。【例3】在下列化合物中，哪一个能拆分出对映异构体？解：A、C、D均有对称面，B无对称面和对称中心，故为手性分子，有对映异构体。对映异构体的物理性质（如熔点、沸点、溶解度、折光率）、红外光谱，与一般试剂的反应速率都是相同的，其不同点只表现在与其它手性物质作用时，如在手性溶剂中溶解度不同，与手性试剂作用的反应速率不同。如D-（＋）-葡萄糖在动物代谢中有营养价值，而D－（－）-葡萄糖没有。左旋氯霉素有抗菌作用，而其对映体无疗效。对映异构体最易观察到的性质不同是旋光性。用旋光仪测出的使偏其中α是观察到的旋光度，t是测定时温度，λ是所用波长，钠光时标记为D；c是溶液浓度g/ml，L是管长度dm；当不用水作溶剂时应注明溶剂的名称和浓度。例如，右旋酒石酸在乙醇中浓度为5％时，其比【例4】在25ml溶量瓶中将1.25g某化合物溶于乙醇中，所配制溶液在10cm长的旋光管中，于25℃时测得其旋光度为-4.18°，求该化合物的比旋光度。（3）外消旋体和内消旋体含一个手性碳原子的分子有一对对映体，其等量对映体的混合物称外消旋体，旋光性互相抵消，〔α〕为0。但物理性质与原对映体不同，化学性质基本相同，生理作用仍发挥各自的相应效能。如乳酸的左旋体、右旋体、外消旋体性质见表4．1。名称A．摆动天平B．普通天平C．电光天平D．半微量天平E．微量天平最大载重（g）感量2000.1g2001mg2000.1mg200.01mg11μg又如合霉素由氯霉素左旋体和右旋体组成，其抗菌能力是左旋氯霉素的一半。含二个相同手性碳原子的分子，除有一对对映体和外消旋体外，还有内消旋体。其分子内有一对称面可使分子两半部互为物体和镜像，从消旋体与外消旋体不同，是纯物质。例如，酒石酸除外消旋体外，还有内消旋体。后一种与前二种化合物称为非对映异构体。非对映异构体的物理性质有很大差别。当分子中有n个不同的手性碳原子时，可以有2n个对映异构体。如分子中含有相同的手性碳原子时，其对映异构体数目将小于2n。【例5】（R）-2-氯丁烷与（S）-2-氯丁烷、D-赤藓糖与D-苏阿糖和内消旋酒石酸与外消旋酒石酸三组物质的下列性质是否相同？A．熔点；B．沸点；C．在水中溶解度；D．比旋光度。解：第一组物质二者为对映异构体，A、B、C相同，D数值相同方向相反；第二组物质二者为非对映异构体，A、B、C、D均不相同；第三组物质二者为非对映异构体，后者是混合物，A、B、C、不相同，D相同均为0。环状化合物的立体异构比较复杂，往往顺反异构和对映异构同时存在。顺反异构和对映异构称为构型异构，不能通过键的旋转互交，必须断键才能互变。例如，三元环有二个手性碳原子，应当有2n=4个立体异构体。如A=B，则顺式异构体有对称面，形成内消旋体。【例6】写出1，2-环丙烷二甲酸的构型异构体：解：3．构象异构由于原子或基团绕键轴旋转，分子形成不同的空间排布形象，称为构象异构。表达方式有三种，以乙烷为例说明之。乙烷重叠式与交叉式能量差最大为12.1kJ/mol，故室温下不能分离出来。乙烷中每个甲基上有一个H被CH3取代，可得正丁烷。由于二个CH3相对位置不同，正丁烷有4种典型构象：全重叠式、邻位交叉式、部分重叠式、对位交叉式。全重叠式二个CH3相距最近，能量最高；对位交叉式相距最远，能量最低，两者能量差达21.8～29.3kJ／mol。【例7】用Newman投影式表示1，1，2-三氯乙烷的交叉构象，并指出它们间的能量关系，哪个能量高？解：A、C能量相等，C2上之Cl与C1上之一个Cl均处于邻位交叉，另一个Cl对位交叉；B．能量最高，C2上之Cl与C1上之二个Cl均处于邻位交叉。环己烷的二个典型的构象为椅式和船式：椅式构象中相邻碳原子的键处于交叉式，能量较低。船式构象中2，3和5，6处于重叠式，1，4船头船尾距离较椅式近，张力也较大，能量较高。环己烷的船式构象与椅式构象能量差约为29.3kJ/mol。环上有取代基存在时，大基团处于e键，能量较低。环己烷可以通过C—C键的转动，从一种椅式构象转到另一种椅式构象。此时原来的a键变e键，e键变a键，叫做转环作用，室温时每秒可转环达104～105次。【例8】下列构象中哪一个最稳定？解：椅式构象与船式比较，椅式稳定，甲基在a键与在e键比较，在e键的能量低，故C最稳定。【例9】化合物（Ⅰ）和（Ⅱ）的最稳定构象分别为何？解：（Ⅰ）的最稳定构象为。由于乙基大于甲基，若先将乙基置于e键，甲基与之成反式，也应处于e键，故此构象最稳定。如转环成另一种构象，二个取代基均处于a键，不稳定。（Ⅱ）大基团叔丁基应处于e键，相邻甲基顺式应处于a键，故最稳定，转环后大基团处于a键，不稳定