立体化学在学习中遇到的几个问题的探讨.doc

编号：119060141057内蒙古民族大学化学化工学院本科生学年论文题 目：关于在立体化学学习中遇到的几个问题的探讨专 业： 化学 年级： 2011 级 姓 名： 郭学良 指导教师： 王淑妍 完成日期： 2013 年 5 月 30 日 关于在学习立体化学的过程中遇到的几个问题的探讨化学化工学院 11化学 郭学良 119060141*摘 要： 立体化学是基础有机化学的重点和难点之一，在初步的学习过程中，经常会遇到许多学习上的问题，对我们学生的学习兴趣构成了严重的影响，因此我通过对学习过程中遇到的主要问题进行探讨和分析，并对一些容易引起混淆的关键点进行了思路分析，总结了一些立体化学学习的实用技巧和方法，在此进行一些陈述和解析。关键词： 立体化学 Fischer投影式 R/S构型对映异构体立体化学在学习中遇到的几个问题的探讨一、 什么是立体化学？1) 分子内的原子相互之间，其价电子是怎样结合和相互影响的？2) 这些原子相互之间，在分子内所处的空间位置怎样？3) 在反应中，反应物分子的价电子是通过怎样的过程，在分子内或分子间生成新的价键和变化成产物分子的？4) 在这些反映的过程中，分子内和分子间的原子重新组合，在空间上的要求条件和变化过程怎样？以及由此如何决定产物分子中各个原子的空间相位？问题1、3主要涉及的是“有机化合物的结构和反应机制”，而问题2、4主要涉及的是结构和反应的立体性，是立体化学的基本内容。其主要内容是研究有机化合物分子的立体结构（包括构型和构象）及其对化合物物理性质和化学性质的影响，其中尤以对映异构现象为难点，除非有很强的空间想象能力以及对分子结构有直观的认识，否则难于在头脑中产生分子结构的立体几何形象。从而影响对整个有机化学的学习兴趣。因此，我对立体化学的历史起源及重点难点进行了初步的了解和总结，在此仅对我的总结进行简要的叙述。二、 立体化学的历史和发展1. 立体化学的历史立体化学创立于19世纪初期。J.-B.毕奥最早观察到有机物的旋光现象（见旋光异构）。1848年L.巴斯德分离到两种酒石酸结晶， 1874年J.H.范托夫和J.-A.勒贝尔分别提出关于碳原子的四面体学说，构架起立体化学的基础。以后，E.费歇尔关于糖类化合物构型的研究，O.哈塞尔和D.H.R.巴顿关于分子构象和构象分析的理论，C.K.英戈尔德关于亲核取代反应中的立体化学的研究A.韦尔纳关于配位化学的研究，都使立体化学得到新的进展。2. 立体化学的分类和发展立体化学主要分为静态立体化学和动态立体化学两部分。静态立体化学研究分子中各原子或原子团在空间位置的相互关系 ，也就是研究分子结构的立体形象构型和构象，以及由于构型异构（包括几何异构和旋光异构）和构象异构导致的分子之间的性质不同等问题。动态立体化学研究构型异构体的制备及其在化学反应中的行为等问题。前者主要以不对称合成获得某一旋光异构体为目的；后者除包括构象分析外，还对各个经典反应类型，如加成反应、取代反应中的立体化学现象进行研究。三、 不同构型表达式有何区别他们的相互转换如何进行？有机化合物的相互转化的表示方法主要有这么几类：球棒模型、锯架透射式、飞楔式、纽曼投影式和Fischer投影式。球棍模型：又名凯库勒模型,以不同颜色的小球代表不同的原子,小棍代表化学键借助他们将成键原子间按照一定的角度连接而成。锯架式：因形似锯架而得名。一般从侧面观察，实线表示纸平面前上，虚线表示指向纸平面后方，楔形线表示伸向纸平面的前方。飞楔式：是一种具有立体感的构型式。手性碳原子及以实线相连的原子（或原子团）在纸面上，楔形实线所连结的原子在纸平面的前方，楔形虚线所连结的原子在纸平面的后方，手性碳原子也可以省略。纽曼投影式：沿着分子的一个碳-碳单键投影，在纽曼投影式中，以代表前面的碳原子及其键，以代表后面的碳原子及其键。Fischer投影式：横线连接的两个原子或原子团是伸向观察者的，伸向纸面前方；竖线连接的两个原子或原子团是被离观察者，伸向纸面后方。如下图所示，为上述模型在实际的化学学习中的应用实例：由图可得：各种式子在表达含有两个不对称碳原子的化合物的立体结构时，其效果差别不大；然而，在分子中含有连续的多个不对称碳原子的情况下，锯架式和纽曼式变得完全无法按照完全一致的关系表达分子内任何两个相邻不对称碳原子的立体构造了，而Fischer投影式和飞楔式却可以做到这一点。因此，从整体上分析可以得出：1) 飞楔式最接近于所表达的分子的某一立体形象的真实状态，2) 纽曼投影式能最确凿地表式出被关注的两个相邻碳原子上的各个基团所处的相位和关系。而其中尤以Fischer投影式书写最为简单，应用最为广泛。在利用Fischer投影式书写手型分子时，不管手型分子有几个手型碳原子，其书写规则都是“上下朝里，左右朝外”；“碳链数置，编号小的置于上”。即在Fischer投影式中上下两个基团代表在纸面里边，左右两个基团代表在纸面外边，书写时一般将碳链写在上下，且编号小的碳原子置于上边。四、 初学者对R/S构型怎样进行准确的判断？在学习对映异构时我们经常会遇到判断对映异构分子是R还是S的问题，而无论是通过判断对映异构分子是R还是S来书写分子构型，还是根据分子的构型式来判断分子是R还是S；这些过程的实现都是以判断R和S为前提的；由于对分子的空间构型没有直观的系统的认识，所以总是由于在判断R和S上的失误而造成一系列的错误的发生。因此对判断R和S的方法进行系统的整理和总结很有必要。R/S标记法又叫R/S命名规则，其有以下三个要点：1) 根据次序规则将手型碳原子所连接的4个原子或基团按优先次序排列；2) 将优先顺序中排在最后的原子或基团放在距离视线最远处；3) 观察余下3个基团或原子由前到后的顺序，若为顺时针称为R；若为逆时针则为S。掌握了这三个要点，再来看上文所提到的几个问题，根据R/S命名规则来书写构型式不是问题，而根据构型式来判断R/S则需要一定的技巧和方法。每一种构型方式都有不同的判断方法，可以通过记忆一种方法，其他构型通过构型转换之后在进行判断。下面简单介绍一下我自认为简单的两种方法和大家探讨：在楔形式中，当排序最后的原子或基团位于纸面的左、右或上下方时，可直接观察确定构型，这个不需要多说。当排序最后的原子或基团位于纸面的左前方时，可用左手协助判断。即把该基团置于左臂，食指和拇指分别表示纸面上方和右方的基团，中指表示纸面后方的基团，将三个手指面向观察者，基团顺时针排序的为R构型，逆时针排序的为S构型；当排序最后的原子或基团位于纸面的右上方时，用右手进行协助判断即可。当化合物以Fischer投影式表示时，也可以最简单的方法来确定构型。即在Fischer投影式中，优先顺序中最后的原子或基团处于投影式上方或下方时按命名规则，其他3个原子或基团由前到后的排序，若为顺时针则为R，反之则为S；当优先顺序中最后基团或原子处于投影式的左面或右面时，结果相反，即其他3个基团或原子逆时针方向排列的化合物构型为R，顺时针方向排列的为S。五、 外消旋体与内消旋体如何区分？外消旋体较为简单：将互为对映关系的一对对映体等量混合即组成了外消旋体。而内消旋体则较为复杂，在判断是否为内消旋体上总是出现失误，因此也有必要对内消旋体进行一下简单的研究和总结：从概念上看是指含有两个或偶数个手型分子的化合物在空间排步上存在对称面或对称中心，从而使分子内部旋光性相互抵消没有了旋光性的物质。而内消旋体的判断的关键是对称面的判断。内消旋体对称面的判断可以借鉴对手型分子的判断的经验：首先根据分子的化学式或构造式来写出构型式，再根据构型式所表示出来的分子空间结构来判断有无对称面；做到这一步基本上就已经可以独立做题了,接下来只需多加练习即可熟练掌握。六、 对于立体化学中的构象如何理解和分析应用？长久以来人们人们认为除了联苯一类的化合物，由于邻位被一些基团取代而使得两个苯环之间的单键的旋转受到阻碍产生阻转异构体外，其他链式单键都可以不受限制的自由旋转。到了20世纪30年代，人们认识到乙烷分子的两个甲基既不是固定不动的也不是完全自由旋转的而是存在着约为12.5kJ/mol的能垒，在旋转过程中波浪式得受到一定的阻力。这种阻力的产生的原因是复杂的，但总的来说有两个主要的原因：1. vander Waals 排斥作用：分子内邻近的两个碳原子上的原子或基团，其非键连的距离小于vander Waals半径，因而曾相互排斥作用。2. 与邻近的两个碳原子结合的基团或原子之间的价电子云的相互排斥作用。在研究“非键连的相互作用”时，我个人认为用纽曼式表达更加简单易懂；如图以乙烷为例：在如图所示的旋转中，自0起，经过60，120360为一周。所示的这种角度可以被看做是垂直于纸面的两个平面之间的夹角，所以被称为“二面角”。在旋转中60120、180240、3000的旋转，两个甲基上的氢原子的相互距离由近而远，其非键连的相互作用由强而弱，分子的内能由最高降至最低；而060、120180、240300的旋转，两个甲基上的氢原子的距离由远而近，其非键连的相互作用由弱而强，分子的内能由最低升至最高。在室温下，CC单键可以不受阻碍的自由旋转，但是由于能垒的存在乙烷分子倾向于交叉型构象，随着温度的降低交叉型的含量比增多，当达到凝固点的温度时乙烷分子基本上完全固定地处于交叉型构象的状态。而环己烷的构象较乙烷更为复杂，下面以环己烷为例进行分析：含有六个碳原子的环己烷其碳原子并不处于同一平面内，其碳原子的四个价键相互间保持正常的键角10928。以如图所示的椅型和船型两种构象最为常见。由图可以看出：椅型的构象中各相邻的两个碳原子之间均是邻位交叉型，而船型构象含有四个邻位交叉型构象和两个全重叠型构象，据精确计算，这两种构象内能差为28.931.4kj/mol。由此即可以得出环己烷及其衍生物的构象中椅型较船型在一般情况下存在的可能性更大。小结：立体化学在有机化学的结构分析等方面都有着重要的作用，可以说立体化学是有机化学的一门基础分学科，所以理解和应用立体化学对下一步的有机化学的学习有着重要的意义，在本文中主要对我自己在学习立体化学中的体会及疑惑，通过结合文献资料对现阶段学习的立体化学的知识进行了初步的总结，对在学习过程中遇到的问题和困惑进行了分析，我想我遇到的困惑应该也是同学们遇到的困惑，我希望我的解决方法能过对有同样困惑和疑问的同学有所帮助。参考文献1 来水利 立体化