立体化学
立体化学是有机化学中的一个基本领域，涉及分子中原子的三维排列。对于理解分子的行为和性质至关重要。在本次讲解中，我们将探索立体化学的各个方面、其重要性以及它如何影响化合物的物理和化学性质。
立体化学简介
立体化学涉及研究分子中原子的空间排列。与在原子连接性上不同的构造异构体不同，立体异构体具有相同的连接性，但其原子在空间中的取向不同。这种空间排列可以显著影响分子的熔点、沸点、溶解度，最重要的是其生物活性。
异构现象类型
异构现象是指化合物具有相同的分子式但结构或空间排列不同。异构体可以大致分为两大类：结构异构体和立体异构体。立体异构体还可以进一步分为对映异构体和非对映异构体。
结构异构体
结构异构体的原子价不同。每个结构异构体的物理和化学性质可以完全不同。
例如: C4H10 可以存在为:
- 正丁烷: CH3-CH2-CH2-CH3
- 异丁烷（或 2-甲基丙烷）: (CH3)2CH-CH3
立体异构体
立体异构体具有相同的键合原子顺序，但这些原子的三维取向不同。有两种主要类型的立体异构体：
- 对映异构体：可叠加的镜像。
- 非对映异构体：不是镜像且不可叠加。
手性和手性中心
手性是立体化学中的一个重要概念。如果一个分子不能与其镜像重叠，则该分子是手性的。手性中心的存在，通常是一个与四个不同基团键合的碳原子，通常赋予手性。
手性中心
手性中心用星号 (*) 标记，通常涉及与四个不同取代基键合的碳原子。这种独特的排列导致两种不同的构型，通常根据 Cahn-Ingold-Prelog (CIP) 系统中的优先规则标记为 'R' 或 'S'。
例如: CH3-CH(OH)-COOH
在这个乳酸分子中，与 OH、COOH、H 和 CH3 键合的中央碳是一个手性中心。
光学活性
光学活性是指手性分子与平面偏振光相互作用的方式，使分子在平面中向右旋转（右旋）或向左旋转（左旋）。这种光学旋转是手性物质的特征，并使用旋光仪进行测量。
对映异构体和光学活性
对映异构体是成对的分子，其为不可叠加的镜像。它们表现出相同的物理性质，除了它们旋转平面偏振光的方向。对映异构体以相等的量旋转光，但方向相反。
例如: (R)-2-丁醇和 (S)-2-丁醇
费歇尔投影
费歇尔投影是以二维方式描绘三维分子的方式。它们特别适用于研究碳水化合物和氨基酸。在费歇尔投影中，垂直线代表进入平面的键，水平线代表突出的键。
查看费歇尔投影
要解释费歇尔投影，请考虑以下几点：
- 交点代表碳原子。
- 功能基用水平和垂直线绘制。
例如:
H OH
/
C
/
COOH H3C
构型和命名
R/S 命名系统根据连接取代基的优先级为手性中心分配标签。标签涉及 CIP 优先规则：
- 识别手性中心。
- 根据原子序数分配优先级；较高的原子序数获得较高的优先级。
- 以将优先级最低的基团甩在你面前的方式排列。
- 确定序列 1-2-3；如果顺时针方向，为 R；如果逆时针方向，为 S。
例如: 给 2-溴-1-氯丙烷分配 R/S 构型：
1. Br > Cl > CH3 > H
2. 构型为 R。
非对映异构体
非对映异构体是非镜像的立体异构体。它们可以出现在具有多个手性中心的分子中。非对映异构体通常具有不同的物理性质和反应性。
例如: 酒石酸可以存在为：
- D-(+)-酒石酸
- L-(-)-酒石酸
- 复酒石酸
中和化合物
中和化合物包含多个手性中心，但由于内部对称平面，它们可以叠加在其镜像上。尽管含有手性中心，中和化合物是非手性的。
例如: 复-2,3-丁二醇
几何异构体
几何异构体是非对映异构体的一个子组，由双键或环结构的旋转受限引起。它们通常被称为顺反异构体。
顺反异构
顺反异构出现在具有旋转限制的化合物中，其中不同基团连接在双键的碳上或在环结构中。
例如: 丁-2-烯：
- 顺式：CH3 在同一侧
- 反式：CH3 在对侧
立体化学的重要性
立体化学在制药行业中具有重要作用，其中药物的活性很大程度上取决于其立体化学。一种对映体可能具有治疗作用，而另一种则可能有害或无效。因此，合成化学家必须确保制造出正确的对映体。
生物中的手性
生物系统本质上是手性的，通常只与手性分子的一个对映体相互作用。这种特异性强调了立体化学在药物设计和作用中的重要性。
结论
立体化学是一个广泛而复杂的领域，在从基础有机化学到药物开发的各种领域中具有深远的意义。通过理解立体化学的原理，化学家可以更有效地预测、理解和操纵有机化合物的性质和反应。
评论