浅析同分异构现象及同分异构体.doc

浅析同分异构现象及同分异构体李耀军 （清水县一中，甘肃清水 741400化学上，同分异构体是一种有相同化学式，有同样的化学键而有不同的原子排列的化合物。简单地说，化合物具有相同分子式，但具有不同结构的现象，叫做同分异构现象；具有相同分子式而结构不同的化合物互为同分异构体。化合物具有同分异构现象最早是由德国化学家维勒(F.Friedrich Whler)和李比希(Liebig，Justus von)发现的。他们各自在研究氰酸银（AgCNO）、雷酸银（AgNCO）的组成时得出：它们的组成完全相同，而性质迥异。瑞典化学家柏济力阿斯(Berzelius)将这种现象称为同分异构体。通过不断研究，人们发现同分异构现象不但存在于无机物和无机物之间，还可以存在于有机物与有机物、无机物和有机物之间。1 无机物与无机物异构氰酸（HOCN）与异氰酸（俗名雷酸，其结构为HNCO）以及同一金属的氰酸盐与异氰酸（雷酸）盐如氰酸银与雷酸银互为同分异构体。再如二氯二氨合铂Pt(NH3) 2Cl2有两种构造异构体： 2 无机物和有机物异构最早人工合成的有机物尿素CO(NH2)2，是德国化学家维勒用氨水和氰酸在制取氰酸铵NH4CNO时得到的，它跨越了有机物不能由无机物制备的鸿沟，维勒成为有机合成的第一人。这里同时看出有机物尿素与无机物氰酸铵互为同分异构体。3 有机物与有机物异构有机化合物异构现象的关系可表示如下：3.1 常见的几种异构形式3.1.1 碳链异构 又称碳胳异构，是指具有相同的分子式，但碳原子在分子中的排列方式不同而产生的异构。属于构造异构中的一种。例如丁烷C4H10，其两种异构体都属于碳链异构： 随着碳原子数目的增多，碳链异构体的数目也随之增多。碳胳异构不仅存在于开链化合物，也存在于环状化合物。具有相同分子式但不同碳环结构的有机化合物称为碳环异构。例如3.1.2 位置异构具有相同分子式但取代基或官能团在分子的碳链或碳环上的位置不同而产生的异构称为位置异构，且亦是构造异构中的一种。例如邻、间、对3种二甲苯是由于两个甲基在苯环上所取代的位置不同而产生的异构体。 又例如1丁烯和2丁烯是由于碳碳双键在碳链上所处的位置不同而产生的异构：CH3CH2CH=CH2 CH3CH=CHCH3 1丁烯 2丁烯3.1.3 官能团异构具有相同分子式，分子中的官能团不同而产生的异构体称为官能团异构，属构造异构的一种。如乙醇和甲醚，乙酸和甲酸甲酯等互称类别同分异构体。 乙醇 甲醚 乙酸 甲酸甲酯官能团同分异构体与碳架异构、位置异构体有很大的不同。因其官能团不同，使其在化学性质上有了本质的区别。3.1.4 互变异构由两种结构不同但能互相迅速转变的化学物质组成的平衡混合物的现象，称为互变异构现象。在有机化学中互变异构是一种很普遍的现象。最常见的情况是由质子的位移实现的：HAB ABH互变异构首先在酯缩合反应中发现的。乙酸乙酯缩合生成乙酰乙酸乙酯，能与金属钠作用放出氢气（具有OH性质），能使溴水褪色（具有C=C结构），与三氯化铁反应呈紫色（具有结构），这些特征说明乙酰乙酸乙酯具有烯醇式结构。乙酰乙酸乙酯能与亚硫酸氢钠、氢氰酸等作用形成加成物，与苯肼、羟胺生成相应的腙、肟，说明它呈现羰基化合物的反应，具有酮式结构，实际上，这两种异构体组成酮式烯醇式的动态平衡: 将乙酰乙酸乙酯溶于石油醚中，冷却至-78制得一熔点为-39固体（n=1.225）,它不使溴溶液褪色，与三氯化铁无颜色反应，具有酮的特性，证明为酮式异构体。如将乙酰乙酸乙酯的钠盐悬浮于石油醚中，于-78，通入氯化氢，则沉降出一液体（n=1.448），产物与上述者相反，它与三氯化铁产生紫红色，证明为烯醇式异构体。两种异构体的存在都得到证实，而且在常温下两者很容易相互转变，重新组成平衡混合物，不易分离，表现为一单纯的化合物。3.1.5 顺反异构亦称“几何异构”。具有相同分子式的分子，由于存在双键或环等因素，使键的自由旋转受阻，而导致产生相邻原子或原子团之间相对距离不同的空间配置。它们的物理和化学性质有明显的差别。主要有三种类型：3.1.5.1 含有双键（如，等）的化合物的顺反异构。例如，丁烯二酸有两种性质不同的顺反异构体，相同基团在双键同侧的称“顺式”，在异侧的称“反式”（现亦采用*EZ构型次序规则表示）。顺丁烯二酸加热至140即失水成酸酐，反丁烯二酸在同样温度时无此反应。 顺丁烯二酸 反丁烯二酸 熔点130 熔点3003.1.5.2 环状化合物的顺反异构。例如：顺1,2环丙烷二羧酸，熔点139；反1,2环丙烷二羧酸，熔点175。前者加热能失水形成酸酐，后者在同样温度下则不能。 顺式 反式3.1.5.3 某些络合物的顺反异构。例如二氯二氨合铂，反式比顺式沸点高，溶解度低；反式偶极矩等于零，顺式却大于零；反式与硝酸银反应迅速形成白色沉淀，顺式反应却很慢。 顺反异构体不仅存在理化性质上的差别，在生理活性上亦往往不同。例如，女性激素合成代用品*己烯雌酚，因其反式异构体具有较大的生理活性，故供药用的均是反式异构体。3.1.6对映异构即旋光异构。在分子中，与四个不同原子或原子团直接相连的碳原子叫做不对称碳原子，如乳酸分子中，与甲基、羧基、羟基、氢原子直接相连的碳原子，不对称碳原子周围的四个原子或原子团可以有两种互为镜像关系，但不能彼此重合的四面体空间构型，这两种构型互为对映异构体。对映异构体的物理及化学性质都相同，但在一定条件下的旋光方向相反。使偏振光左旋的为“左旋体”，使偏振光右旋的为“右旋体”，左旋体用l或（）表示，右旋体用d或（）表示。乳酸对映异构体费歇尔投影式可表示如下： 若将乳酸的左旋体和右旋体等量混合后，用“（）乳酸”表示。由于它们对偏振光的作用相互抵消，故不再有旋光性，叫外消旋体。3.1.7构象异构亦称“旋转异构体”，简称“异象体”。有机化合物分子中，因单键碳链的自由旋转运动，而产生的一系列不同空间排列形式的互称。一个可能形成构象异构体的有机化合物，在理论上可以存在无数的构象异构体，但这和实际的经验不符；实际存在的构象异构体是对应于旋转能量曲线上各极小值的一系列较稳定的构象。例如，正丁烷分子中C2C3轴自由旋转所形成的较稳定构象，是对位交叉型和邻位交叉型，这已被热力学方法以及电子衍射法或X射线衍射法所证实。 构象异构体相互之间由于能量差值太小，故不能予以分离，但在一定条件下，能以一定的组成比例存在于构象转化的平衡体系中，所谓优势构象，就是占有较大组成比例的构象异构体。3.2 中学阶段涉及的常见有机同分异构体.碳链异构 .位置(官能团位置)异构 .类别异构(又称官能团异构)类别异构的常见情况有：（1）CnH2n：(n3)烯烃和环烷烃；（2）CnH2n2：(n3)二烯烃和炔烃；（3）CnH2n2O：(n2)饱和一元醇和饱和一元醚；（4）CnH2nO：(n2)饱和一元醛、烯醇和环氧烷；(n3)饱和一元酮；（5）CnH2nO2：(n2)饱和一元羧酸、饱和一元羧酸饱和一元醇酯、羟基醛；（6）CnH2n1O