试论分子的构造类型、构造异构及其关系

2011-10-27吐尔逊尼沙吾买尔

和田师范专科学校学报 2011年2期

关键词：异构体构象官能团

吐尔逊尼沙·吾买尔

（和田师专生化系新疆和田 848000）

试论分子的构造类型、构造异构及其关系

吐尔逊尼沙·吾买尔

（和田师专生化系新疆和田 848000）

有些物质的化学组成相同，但是性质各异。有机化合物的构型和构象就是描述分子的形象的，是指分子中各原子和基团在空间的相对位置。构型和构象是表征分子结构特征的混淆的两个概念。分子几何形象的细微差别对自然界及生命现象都起着难以估计的影响。绝大多数的生命及生理化学过程，是受分子几何形象控制的，因此它不仅是有机化学而且是许多其它相关科学的研究对象。本文主要介绍分子的构造类型、构造异构及其关系。

分子构造；构型；构象；关系

1.分子的构造及其类型

描述分子的结构(structure)是指分子中各原子间是如何相互结合的，即包括分子中原子相互连接的顺序和方式，又指分子中各原子和基团在空间的相对位子即几何形象。

分子构造（constitution）是指分子中原子相互联结的方式和次序，过去长期以来称为分子结构（structure），根据国际纯粹和应用化学联合会的建议，改为“构造”。“结构”一词应用在广泛的范围，例如物质结构、原子的电子结构等等。分子结构也具有广泛的含意，除包括分子构造外，还包括分子构型（configuration）和分子构象（conformation）等。从分子构造到分子构型和分子构象是化学家们一个接一个对化学物质性质的研究逐渐认识到的，推动了化学科学的发展。

为什么要研究有机分子的构型？分子的几何形象对分子的化学及物理性质的影响，有时非常惊人，如碳原子本身，可以彼此结合形成不同的同素异形体，如无定型碳、石墨、金刚石和近来发现的足球烯，由于具有不同的几何形象，因此具有完全不同的性质，外观分别为黑色粉末至块状、暗灰色片状、无色透明和黄色的晶体。

有机化合物分子中只有少数简单的分子具有二维形象，而大多数有机分子都具有三维形象，如饱和碳SP3杂化为正四面体结构。分子几何形象的细微差别对自然界及生命现象都起着难以估计的影响。绝大多数的生命及生理化学过程，是受分子几何形象控制的，因此它不仅是有机化学而且是许多其它相关科学的研究对象。因此描述分子的结构通常分为三个层次：构造(constitution)、构型(configuration)和构象(conformation)。Constitution——构成和构造；Configuration——构造、外形和轮廓；Conformation——构造和形态。

构型和构象异构统称为立体异构。是分子的构型相同，而分子中各原子和基团在空间的相对位子不同。

一个分子由于单键的旋转而使分子呈现的立体形象称为构象。一个分子，只要它有可自由旋转的单键，就有无数个不同的构象存在。由于单键旋转需要的能量很低，构象异构体很难分离。

构型是指各原子在空间的排列次序；构型异构体包括顺反异构和光学异构。构型和构象异构体写成平面式，都是构造相同。

异构的突出特征有：①异构体没有数目限制，碳数越多，异构体数目就越多。②异构体之间物理和化学性质相近但有差异，分离困难。③异构体之间难以通过简单的化学或物理方法相互转变。所以，一般没有专门的章节去叙述它们。但要注意有些异构体并不能明确分出它们属于哪一种异构，有时候是几种异构体的混合。如：环己烷和己烯，他们既可以说是官能团异构也可以说是碳链异构。

互变异构是一种平衡，属于一种客观存在，在具体化合物的化学和物理性质方面没有区别。就两种异构体。不能分离，可检测。

2.构造异构

由相同元素的相同数目的原子组成，但是它们的原子按不同的方式排列，因而具有不同的化学性质。将相同组成而不同性质的物质称为isomers。这一词来自希腊文，“iso”是“相同”，“mer”是“部分”，直译就是“相同部分”，现在译为“同分异构体”。同分异构体现象的发现开始了分子构造的研究。这种现象表明，物质分子的化学和物理性质不仅取决于组成分子的元素原子的种类和数目，而且还取决于原子的排列。因为分子的化学性质决定于基本组分的性质和数量，还决定于它的化学结构。构造异构是指分子式相同，分子中原子相互连接的顺序和方式不同。构造是分子中原子相互连接的顺序和方式；构造异构是指分子式相同，分子中原子相互连接的顺序和方式不同；构型和构象是分子中各原子和基团在空间的相对位子，是分子结构体现的一种表现现象，即分子的形象。

2.1 构造异构体分四种：碳链异构，官能团异构，官能团位置异构，互变异构。官能团异构如：环烷烃和烯烃；炔烃和二烯烃、环烯烃；醇和醚；醛和酮及烯醇；羧酸和酯。互变异构是指在室温下，不同官能团异构体处于动态平衡之中，能很快的相互转变，是一种特殊的官能团异构。如酮与烯醇：又如对亚硝基苯酚与对苯。

2.2 书写构造异构体法：按主链碳原子数减少的顺序先写碳架异构；再写官能团位子不同的异构体；再写不同官能团的异构体。

举例1：分子式为C6H12己烯的同分异构体（只写出带有双键的异构体）。按主链碳原子数减少的顺序先写碳架异构再加进C=C双键官能团的位置异构：举例2：写出分子式C4H8O2羧酸的同分异构体。

2.3 顺反异构产生条件。（1）分子中存在不能自由旋转的π键或环平面；（2）双键两个碳原子上必须是不同的原子或基团，环上必须有两个或两个以上带有不同取代基或原子的碳。

2.4 顺反异构体的标记方法。（1）顺反标记法：如果两个相同的原子或基团在双键平面或环平面的同侧称为顺式，在不同侧为反式。如：顺-2-戊烯⇌反-2-戊烯。（2）Z/E标记法：按照原子或基团的大小次序规则，优先的两个原子或基团位于双键或环面同侧者为Z式，反之为E式。如：E-4-甲基-3-庚烯E-4-甲基环己基甲酸Pheromones。

3.构型和构象的主要区别

构型（configuration）：一个有机分子中各个原子特有的固定的空间排列。这种排列不经过共价键的断裂和重新形成是不会改变的。构型的改变往往使分子的光学活性发生变化。一般情况下，构型都比较稳定，一种构型转变另一种构型则要求共价键的断裂、原子(基团)间的重排和新共价键的重新形成。

构象（conformation）：碳原子上的原子（基团）在空间呈现无数的立体形象称为构象，这种由于绕σ键旋转而产生的叫构象异构，所形成的异构体称为构象异构体。

不同的构象之间可以相互转变，在各种构象形式中，势能最低、最稳定的构象是优势对象。指一个分子中，不改变共价键结构，仅单键周围的原子放置所产生的空间排布。一种构象改变为另一种构象时，不要求共价键的断裂和重新形成。构象改变不会改变分子的光学活性。

在有机化合物分子中，由C—C单键（σ键）旋转而产生的原子或基团在空间排列的无数特定的形象称为构象，这种由C—C单键旋转而产生的异构体称为旋转异构体或构象异构体。如1，2-二氯乙烷。

当C—C单键（σ键）旋转时，可以有无数个构象异构体，极限构象有顺叠、顺错、反错和反叠等。在顺叠构象中，两个碳上连接的氯原子和氢原子之间相距最近，产生强排斥作用，内能最高，属该分子最不稳定的构象；在反叠构象中，氯原子和氢原子之间相距最远，相互间排斥力最小，内能最低，是该分子最稳定的构象。顺错构象和反错构象的稳定性介于这两种构象之间，它们的稳定性次序为：反叠>顺错>反错>顺叠。

分子的各种构象异构体并不是平均分布的，在室温下总是以其最稳定的构象为主要的存在形式即为优势构象，如果偏离优势构象就会产生扭转张力。相邻碳原子上较优基团(或原子)之间的角度称扭转角(torsion angle，又称两面角)。各种构象异构体之间相互转化，必须克服由扭转张力产生的能，一般在12～20kJ·mol-1之间。在室温下分子碰撞可产生84kJ·mol-1能量，所以，难以在室温下分离这些构象异构体。它们的主要区别如表。

光定义相互转换性学活性稳定性举例构型原子特有的原子或基团间特有的固定的空间排列因构象分子中单键可以旋转且键角有一定的柔性，可以转换有高D-甘油醛与L-甘油醛构象原子(基团)绕C-C单键自由旋转而形成的空间的取向和定位因需要共价键的断裂和重新形成，不能转换无低甲基的空间排布

后论

通常是学习物质的分子结构从而了解相应官能团的化学性质，但对于结构这样决定物理性质知之甚少，那么物质的颜色、状态、味道、密度、熔点、沸点是怎么决定的呢？例如，要知道物质的性质、结构，要从根本上知道物质的化学反应特性，那就必须用基础的关于物质结构和运动规律的理论才能解释。这些理论包括量子力学，量子电动力学，量子色动力学等等，这些理论不仅能解释物质为什么挥发，为什么是固体，还可以解释物质发生化学反应的过程，即可以预测下一步会发生什么反应。范德瓦尔斯公式，相似相容原理，离子键等等，都可以从这些理论推到出来。例如分子晶体、原子晶体结构与性质关系的比较。