当前课程知识点:有机化学 > 第五章 对映异构 > 5.1 手性和对称性 > 5.1.3 分子的手性和旋光性
这一章我们要讨论的
是分子的手性和旋光性
实际上我们很重要要解决的一个问题
就是什么样的分子具有旋光性
早在十九世纪的时候许多科学家
就对这个问题很感兴趣
其中巴斯德有一个非常著名的实验
就是关于酒石酸钾钠的实验
他非常细心地发现
酒石酸钾钠结晶
会出现两种不同的晶体
他很小心地用镊子把这两种晶体
分离出来
分别配出等浓度的溶液
发现这两种晶体的溶液
它的旋光度只是大小相同 方向相反
他在研究这个晶体的结构的时候发现
这两个晶体的结构非常相近
但是又不能完全重叠
他们两者的关系就像照镜子
也就是实物和镜像的关系
尽管两者很相近
但是彼此不能重合
这个特点有点像人的两只手一样
人的两只手是非常相像的
这种物质的实物和镜像非常相像
但是又不重叠这个现象
我们有时候也称它为手性
就跟人的两只手一样 非常非常相像
而它们之间是像实物和镜像之间
但是又不能互相重叠
巴斯德在研究的时候发现
这两个晶体都有旋光性
而且它们的旋光性是大小相等 符号相反
或者叫它方向相反
就像手一样 跟人的手性一样
但是为什么会导致这种手性呢
他研究发现这个晶体结构中间
它是缺少某种对称因素
导致了实物和镜像之间
尽管非常相像 但是不能重叠
不能相互重合
他在想 既然晶体有这个特点
那么组成晶体的分子是不是也是因为
它结构中间也缺少某种对称因素
那么导致它的实物和镜像之间互相不重合
所以他进行的一个大胆的一个推导
也就是说进行一个推测
所谓一个分子它具有手性
或者说具有旋光性
是它的实物和镜像不能重合
也就是说如果一个分子它的实物
和镜像不能重合的话
那么这个分子就有手性
或者这个分子就有旋光性
而反过来 如果一个分子
有手性或者有旋光性
那么这个分子一定是和它的镜像之间
是不能重合
也就是说我们可以根据这个原理
来判断一个分子是不是有光学活性
就是有旋光性
以上这个判断一个分子
是否具有手性的方法非常充分而且必要
那么它的缺点是很难使用
为了解决这个困难范霍夫提出了一个概念
叫做不对称碳
所谓的不对称碳也就是这个碳原子
它和四个互不相同的一价基团所相连
那么这个碳原子我们就叫它叫做不对称碳
通常我们用一个星号来表示
好的 那么范霍夫就是先提出来个概念
提了一个不对称碳的概念
而后在这个基础上他再进一步解释
也就是说他认为含有不对称碳的分子
它具有旋光性
也就是说含有不对称碳的分子
它一定有一个跟它是处于
实物和镜像关系的分子
它们两者之间是互不重叠的
也就是说这种分子它是具有旋光性
这是范霍夫的理论
但是范霍夫利用不对称碳
来判断一个分子是否具有手性的这种方法
他的优点是使用起来非常方便
但是具有一些缺点 例如
有一些分子中间他存在不对称碳
比如这个分子 它具有和四个不同的
一价基团相连的一个不对称碳
但是这个分子并没有手性
也就是说这个分子的实物
和它的镜像之间是完全重叠的 没有手性
而另外的有一些分子
这个分子中间并没有
根据范霍夫所定义的不对称碳
但是这个分子它的实物和镜像之间
是不能重叠的
所以它具有手性
也就是说范霍夫这个概念
在我们直接用来判断一个分子
是不是具有旋光性的时候
它有很多例外 不是很好判断的
所以在这个基础上
我们来进一步分析
到底这个分子中间是有什么因素
会导致它的一个旋光性
而实际上其中一个本质的原因
就是这个分子结构中间缺少某种对称因素
正因为它缺少对称因素
那么这个分子具有将平面偏振光偏转特性
也就是说这个分子具有旋光性
那么现在我们需要从另外一个角度
来分析这个结构
也就是说我们分析一下一个结构中间
有什么样对称因素
在这个基础上我们再看
缺少哪一种对称因素会导致这个分子
具有旋光性
我们先看一下分子中间有什么样对称因素
第一个对称因素我们称之为对称轴
通常用Cn来表示
n指的是这个对称轴的阶
也就是说这个分子它转动360
除以n的这个角度以后
它构象跟原来的分子是完全一致
比如说我们看一下水分子
我们说水分子中间有一个C2轴
也就是水分子旋转360除以2
180度以后它的构象和原来
经过旋转以后它的构象跟原来分子
是完全一致的
我们再看一下氨的分子
我们说氨分子中间有一个C3轴
也就是说这个分子围绕着这根轴
旋转120度以后 它的构象
和原来分子是完全一致的
再比如说一氯甲烷
它有一个C3轴
它围绕这根轴旋转120度以后
它的整个结构是完全复原的
所以我们再看几个有机化合物
比如说这种蝴蝶形的一个四元环的
一个环丁烷的结构
在环丁烷结构中间就存在一个C2轴
分子围绕这个C2轴旋转180度以后
它的构象是完全复原的
而对于我们前面分析过的
环己烷的椅式构象中间 它存在一个C3轴
当分子围绕着C3轴旋转120度以后
它的构象和原来的分子结构是完全一致的
那么我们再看一下
这是一个乙炔的结构
请问乙炔结构中间是不是存在一个对称轴
那大家说确实存在一个垂直于乙炔分子的
这么一个C2轴
那么围绕着C2轴旋转180度的时候
确实它的构象是完全复原的
但是除此之外还存在着这么一个轴
和分子的轴向是完全一致的
围绕着这个轴旋转无穷小的角度
它的构象都完全重叠
所以说我们说它存在着一个C无穷轴
好 那么这就是第一个对称因素
是对称轴
第二个对称因素叫做对称面
所谓的对称面是假如有一个平面
可以将分子分割成两部分
其中一部分正好是另外一部分的镜像
那么我们就说这个平面
就是分子中间的对称面
比如说我们看一下这个椅式的
二取代的环己烷的结构
它分子中间就有一个通过一号碳
和四号碳之间的一个
垂直于这个环平面的σ面
这个σ面就是它分子的对称面
再比如说我们看这个环丁烷的结构
它也有一个对称面
而对于甲烷的结构
它也有一个经过这个碳 这个氢
和这个氢之间的一个对称面
所以它也是具有一个对称面
下面我们来分析几个结构
它是不是有对称面
我们先看这个二溴取代的烯烃
它分子中间的确存在一个对称面
你可以说它存在一个
垂直于这个屏幕平面的一个对称面
它把分子分成两部分
其中一部分是另外一部分的镜像关系
与此同时对于烯烃来说
它是一平面型的分子
分子本身所处的平面也是它的对称面
所以这个结构是有对称面的
也就是说我们把其中一个氢
换成氯以后
它垂直于屏幕的这个对称面
已经没有了
但是这个时候它分子中间的
分子所在这个平面这个对称面还是存在的
而对于这种一取代的这个炔烃来说
它有无数个对称面
都可以把这个分子给它截成不同的部分
所以这是我们讲的第二个对称因素
是对称面
第三个对称因素叫做对称中心
所谓的对称中心是分子中间的一个点
通过这个点来画直线
在直线等距离的两端
我们都能找到相同的原子或者原子团
那么这个点我们就叫它叫做对称面
比如说再画另外一个直线
在直线等距离的两端
我们能够找到相同的原子或者原子团
那么这个点就称为这个分子的对称中心
这是一个反式的二氯取代的烯烃
这是它的对称中心
而这个是二氯取代的一个椅式的环己烷
这也是它的一个对称中心的结构
好 那么这样子我们就分析了
对于一个有机分子来说
它最常见的对称因素包括
对称轴 对称面和对称中心
那么这三个对称因素缺了哪些
会导致这个分子有手性呢
如果一个分子中间既没有对称面
又没有对称中心
那么这个分子它就具有手性
也就是说我们利用这个方式
可以很容易地判断出来
一个分子它到底具不具有手性
也就是是不是具有旋光性
它的前提条件是既没有对称面
又没有对称中心
好的 我们可以看两个例子
首先看一个氯代的甲烷
对于氯代甲烷结构中间它存在对称面
也就是经过其中某一个氢原子和碳原子
以及氯原子这之间的一个平面
就是分子的一个对称面
所以这个分子中间有对称面
所以它没有手性
我们再看这个结构
这个结构中间这个碳
它所连的四个基团是完全不同的
所以这个分子中间既没有对称面
又没有对称中心
所以这个分子有手性
也就是说这个分子有旋光性
大自然中存在着各种各样对称的结构
或者对称的物体
它的结构中间可能具有一个对称面
或者对称中心 或者对称轴
下来我们看一看学生们
给大家演示的一些自然界一些实物中间
它的对称因素
大家好
我是清华大学基科23班的孙梦真
高中就读于四川省绵阳南山中学
我是清华大学化学系基科23班的钦可
来自西安的西北工业大学附属中学
钦可 李老师在课上讲了
怎么判断一个碳原子是不是手性分子
那我们在生活中怎么样去判断
一个物体它有没有手性呢
我觉得你拿镜子照一照不就完了
可是这样的话你还要去想象
它的镜像是不是可以和实物重合
有点麻烦
有没有简单一点的办法呢
也许老师在课上讲的对称因素
对实际物体也能用吧
你是说老师讲的对称面和对称中心吗
对 是的
我这里刚好有一些图片
不如我们来分析一下
看这张蝴蝶 你觉得它是手性吗
我觉得它没有手性
它有什么对称元素呢
它在这个地方有一条对称面
小时候玩过竹蜻蜓吗
玩过
你觉得它是手性的吗
它是手性的 它的对映异构体会往下飞
还有 天然形成的海螺
它的螺纹有左旋和右旋的
你说它是手性的吗
那当然是有手性的
我这里刚好有一张
是一对对映异构体的海螺
左旋和右旋互成对映异构体
我们可以得出这样的结论
对于一个生活中的物体
如果它既没有对称中心 也没有对称面
那么它就是手性的
我们今天对于结构对称性的分析就到这里
好的 以上就是关于分子的手性和旋光性的介绍
谢谢大家
-1.1 概论
--1.1.1 引言
-1.2 有机化学基本知识
-第一章 绪论--1.2 有机化学基本知识
-1.3 有机化合物命名的基本原则
-第一章 绪论--1.3 有机化合物命名的基本原则
-1.4 酸碱理论
-第一章 绪论--第一章章节测试题
-2.1 引言
-第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃--2.1 引言
-2.2 烷烃——2.2.1 烷烃的构象
-第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃--2.2 烷烃——2.2.1 烷烃的构象
-2.2 烷烃——2.2.2 烷烃的反应
-第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃--2.2 烷烃——2.2.2 烷烃的反应
-2.3 环烷烃——2.3.1 引言
-第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃--2.3 环烷烃——2.3.1 引言
-2.3 环烷烃——2.3.2 环烷烃的命名
-第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃--2.3 环烷烃——2.3.2 环烷烃的命名
-2.3 环烷烃——2.3.3 环烷烃的构象
-第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃--2.3 环烷烃——2.3.3 环烷烃的构象
-2.3 环烷烃——2.3.4 环烷烃的反应
-第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃--2.3 环烷烃——2.3.4 环烷烃的反应
-第二章 饱和烃:烷烃和环烷烃--HW-第二章章节测试题
-3.1 不饱和烃的概述
-3.2. 烯烃的化学反应
-第三章 不饱和烃:烯烃、炔烃及二烯烃--3.2. 烯烃的化学反应
-3.3 炔烃的化学反应
-第三章 不饱和烃:烯烃、炔烃及二烯烃--3.3 炔烃的化学反应
-3.4 二烯烃——3.4.1 二烯烃的结构
-第三章 不饱和烃:烯烃、炔烃及二烯烃--3.4 二烯烃——3.4.1 二烯烃的结构
-3.4 二烯烃——3.4.2 二烯烃的化学反应
-第三章 不饱和烃:烯烃、炔烃及二烯烃--3.4 二烯烃——3.4.2 二烯烃的化学
-第三章 不饱和烃:烯烃、炔烃及二烯烃--HW-第三章章节测试题
-4.1 芳烃概论
--4.1 芳烃概论
-4.2 芳烃的分类和命名
-4.3 苯的物理性质
-4.4 苯的结构
-4.5 单环芳烃的化学性质
--4.5.5.6 Friedel-Crafts 烷基化反应
--4.5.5.7 Friedel-Crafts 酰基化反应
-4.6 芳环上亲电取代反应的定位效应
-4.7 稠环芳烃
-4.8 非苯芳烃及芳香性
-第四章 芳香烃--4.8 非苯芳烃及芳香性
-第四章 芳香烃--HW-第四章章节测试题
-5.1 手性和对称性
-第五章 对映异构--5.1 手性和对称性
-5.2 含一个不对称碳的化合物
-第五章 对映异构--5.2 含一个不对称碳的化合物
-5.3 含两个及多个不对称碳的化合物
-第五章 对映异构--5.3 含两个及多个不对称碳的化合物
-5.4 环状手性化合物
-第五章 对映异构--5.4 环状手性化合物
-5.5 其他不含不对称碳原子的手性化合物
-第五章 对映异构--5.5 其他不含不对称碳原子的手性化合物
-第五章 对映异构--HW-第五章章节测试题
-6.1 卤代烃的概述
--题目要求
-6.2 亲核取代反应
-第六章 卤代烃--6.2 亲核取代反应
-6.3 消除反应
-第六章 卤代烃--6.3 消除反应
-6.4 与金属的反应
-6.5 不饱和卤代烃
-第六章 卤代烃--HW-第六章章节测试题
-7.1 本章引言
-7.2 核磁共振谱
--7.2.2 核磁共振氢谱——7.2.2.4 氢谱的基本解析
-7.3 质谱
-7.4 红外光谱
--7.4.2 红外光谱与分子结构——7.4.2.1 特征官能团的红外吸收
-7.5 有机波谱综合解析
-第七章 波谱分析在有机化学中的应用--HW-第七章章节测试题
-8.1 引言
--8.1引言
-8.2 醇
-第八章 醇酚醚--8.2 醇
-8.3 酚
-第八章 醇酚醚--8.3 酚
-8.4 醚
-第八章 醇酚醚--8.4 醚
-第八章 醇酚醚--HW-第八章章节测试题
-9.1 引言
--9.1 引言
-第九章 醛和酮--9.1 引言
-9.2 醛、酮的物理性质
-第九章 醛和酮--9.2 醛、酮的物理性质
-9.3.1 醛、酮的反应概述
-9.3.2 醛、酮的亲核加成
-第九章 醛和酮--9.3.2 醛、酮的亲核加成
-9.3.3 醛、酮α-氢的反应
-第九章 醛和酮--9.3.3 醛、酮α-氢的反应
-9.3.4 醛、酮的氧化还原反应
-第九章 醛和酮--9.3.4 醛、酮的氧化还原反应
-9.4 α、β-不饱和醛、酮的化学反应
-第九章 醛和酮--9.4 α、β-不饱和醛、酮的化学反应
-9.5 醛、酮的制备
-第九章 醛和酮--HW-第九章章节测试
-10.1 概论
--10.1 概论
-10.2 羧酸的结构、分类和命名
-10.3 羧酸的物理性质和波谱特征
-10.4 羧酸的化学性质
-10.5 羧酸衍生物的结构与命名
-10.6 羧酸衍生物的物理性质和波谱特征
-10.7 羧酸衍生物的化学性质
-10.8 羟基酸的分类和命名
-10.9 羟基酸的化学性质
-10.10 β-二羰基化合物
-10.11 α-卤代酸及其衍生物
-10.12 羧酸的制备
-10.13 专题:油脂 蜡 磷脂
-11.1 绪论
--本章引言
-11.2 胺
--11.2.1
--11.2.2
--11.2.3.1
--11.2.3.2
--11.2.3.3
--11.2.3.4
-11.3 硝基化合物
-11.4 腈
-11.5 异腈
-11.6 重氮化合物
-11.7 偶氮化合物
-11.8 本章小结
-12.1 杂环化合物概述
--12.1概述
-12.2 吡咯、呋喃、噻吩
-12.3 吲哚 (苯并吡咯)
-12.4 吡啶
-12.5 喹啉、异喹啉 (苯并吡啶)
-12.6 含氧六元杂环
-12.7 多杂原子五元环、六元环介绍
-第十二章 杂环化合物--HW-第十二章章节测试题
-13.1 有机合成基础-part 1
-第十三章 有机化学专题--13.1 有机合成基础-part 1
-13.1 有机合成基础-part 2
-第十三章 有机化学专题--13.1 有机合成基础-part 2
-13.2 重排反应在实际有机合成中的应用
-13.3 碳水化合物-part 1
-13.3. 碳水化合物-part 2
--13.3.3.4 单糖的反应——醛糖的递升与递降反应及酮糖的特殊反应
-13.3. 碳水化合物-part 3
-13.3 碳水化合物-part 4
-13.4 氨基酸与多肽
-期中考试--二、 选择题
-期中考试--一、判断题
-期末考试--期末考试试题