立体化学(stereochemistry)是研究分子的立体结构、反应的立体性及其相关规律和应用的科学。对于有机化学来说,立体化学的重要性不言而喻,因为它有助于理解反应机理,预测反应结果,并为反应的选择性提供理论基础。其中也涉及了不少与立体形态有关的概念,本文主要对立体化学中的一些重要的概念进行归纳整理。
构成
构成是指分子的元素构成,即分子中所含有的元素种类和元素的个数。
如,二氧化碳分子的构成是两个氧原子和一个碳原子。
构成是分子的基本特性,并且决定了分子表现出的一些基本性质,如分子量、化学性质等。
构造
构造是指分子中原子或基间的连接顺序。
两种分子的构成相同,也可能因为构造不同而处于不同的化学环境,产生不同的化学性质,此时它们被称为结构异构体。
构造是一个更微观的概念,涉及到原子在分子中的位置和化学键的排列方式。
构型
构型是指在立体空间中原子的排列方式,是对分子在三维空间的描述。
构型的改变常常涉及化学键的断裂和形成,必须通过化学反应才能实现。构型的概念在手性化合物以及立体化学的研究中尤为重要。由于原子或基在空间排列不同而产生的异构体称为构型异构体。
构象
构象指的是通过自由旋转单键(例如C-C、C-N、C-O等)而使分子形状发生改变的方式。
构象的改变不涉及化学键的断裂和形成,而是通过单键的旋转来改变分子的形状。构象对于大分子(如蛋白质)的结构和功能至关重要。
由于原子或基绕σ-键旋转的角度不同而产生不同的空间排列称为构象异构体。
手性
手性是指一个物质与其镜像不能在空间上重合的特征。
如,人的左右手互为实物与镜像,但彼此不能重合,故而得名手性。
手性分子
手性分子是指具有手性的分子。
手性在分子世界广泛存在,大量的有机化合物都具有手性。
手性中心
如果分子中的手性是由于原子和基团围绕某一点的非对称排列而产生的,这个点就称为手性中心。最常见的是手性碳,sp3杂化,周边连接的四个原子/基团构成正四面体。四面体的四个顶点皆不相同。除此之外,有机分子中还能见到手性氮、磷、硫等原子。
手性中心与分子手性没有必然的关联性。有手性中心不一定是手性分子(如内消旋体);手性分子也不一定有手性中心(如轴手性、面手性化合物)。
旋光性
旋光性是指某些分子可以改变通过其的偏振光的平面方向(旋转偏振面)的性质。
一种旋光异构体使平面偏光向左旋(逆时针),被称为左旋(-),另一种旋光异构体使平面偏光向右旋(顺时针),被称为右旋(+)。
手性分子都具有旋光性,非手性分子无旋光性。
对映体VS非对映体
对映体
对映体是指具有相同分子式,分子结构相同但空间构型互为镜像的化合物。
对映体是一对特殊的立体异构体,互为镜像且不可重叠。
非对映体是指含有多个相同手性中心分子的特殊情况。两个分子构造相同,仅有手性中心构型不同,但互相之间并非实物与镜像关系。
非对映异构体的物理性质(熔、沸点等)往往也存在较大的差异。
如:
SR和RR为对映体,SS和RS为对映体,SS和RR为非对映体,SR和RS为非对映体。
相对构型VS绝对构型
相对构型
相对构型是以甘油醛的基团为参照标准来确定的构型表示方法。
以D-L构型标记法标记。这种方法主要基于化合物的旋光性,常用于糖类物质。
一般指定右旋甘油醛为D构型,左旋甘油醛为L构型。
在Fischer投影式中,D-构型是指手性碳(立体中心)所带的羟基(-OH)基团在平面投影时位于右侧,而L-构型则相反,羟基位于左侧。
绝对构型
如:
内消旋体VS外消旋体
内消旋体
内消旋体指单个分子内有偶数个手性碳原子,且这些手性碳原子的旋光能力相互抵消,从而导致整个分子没有旋光性。
内消旋体是指在单个分子内部,在立体结构上存在对称中心,使得其整体无旋光性。
外消旋体
外消旋体是指一种具有旋光性的手性分子与其对映体的等摩尔比例的物质,包括外消旋化合物和外消旋混合物。
外消旋体则涉及到两个或更多的分子,它们是手性的,而且是彼此的对映体,只有当这些分子以相等的摩尔比混合时,才能导致混合物整体无旋光性。