有机立体化学-Slid-2.doc

第二章 分子对称性2.1 对称元素对称性是指一个物体或者结构中的某一单元有规律地重复出现。对称性普遍存在于自然界、以及艺术和建筑学中。在分子光谱、分子结构解析和量子力学等领域也都有广泛应用。对称元素是指“能够产生对称性图形重复”的单元操作。具体到一个物体或者结构，它就是对称轴Cn, 对称面，对称中心i 和反轴Sn等。对称轴对称轴是指图形绕该轴旋转一定角度后与原来图形完全重合，即旋转360o/n时则为具有Cn轴，例如C2, C3, C4等。（C1 是否有意义?）对称面对称面是指图形中存在一个面，图形被这个面所分成的两部分互为镜像（是否能重合？）。（这类分子是否有手性？）对称中心i对称中心是指图形中存在这样一个点i，当对图形中任何一点a到i点的连线做反向延长线时都能找到一个与a相同的点。（这类分子是否有手性？）反轴Sn反轴Sn 是指图形绕该轴旋转一定角度（360o/n）后，再相对与该轴相垂直的面做镜像操作，所得到的图像与原来的图形完全重合，这时称该图形存在Sn反轴。例如具有S4反轴的分子A经过一个C4和一个操作后得到B。分子A和分子B完全重合。实际上，Sn反轴中的 n 一定是偶数（为奇数时不能独立存在）。另外，如果分子中有Sn时，则一定有一个Cn/2轴。问题：（1）Sn分子是否有手性？（2）哪些分子具有S1反轴？是否有对称面？（3）S2分子中是否有对称中心？2.2 对称性操作和点群应用对称性元素对分子进行操作时称为对称性操作。例如当全顺式的1,2,3,4四甲基环丁烷分子进行C4操作时，可以产生能够与原来分子相重合的三种新的状态。它们分别是分子绕C4轴旋转90o，180o和270o所产生。绕C4轴旋转360o，分子回到原来状态，称为等同操作，用E表示。这样，一共有4种对称性操作，分别用E，C41，C42，C43表示。所有可能的对称性操作集合称为点群。如C4点群就有4种操作（E，C41，C42，C43）。从对称性划分，每个分子都属某个点群。虽然分子有千千万万，但是它们所属的点群种类非常有限。2.2.1 手性分子可能属于的点群C1点群 C1表示最低级别的对称性，分子只有旋转360o时才能与原来状态相重合，称为等同操作（E）。实际上，属C1点群的分子没有任何对称性。这样的例子如CHFClBr等具有手性中心的分子。Cn点群在Cn点群中Cn对称轴是唯一的对称元素。属于C2点群的分子较为普遍。如（）和（）酒石酸和1,3二氯丙二烯化合物都只有C2对称轴。属于C3点群的分子较少。Tri-o-thymotide是一个例子。属于C6点群的分子如 a-环糊精等。Dn点群Dn点群是Cn（主轴）和与之相垂直的n个C2轴组成。这类分子的对称性较高。扭烷（twistane）和一些螺环化合物属于Dn点群。2.2.2 非手性分子属于的点群点群中除了Cn和Dn以外，都有对称面、对称中心和对称反轴。属于这些点群的分子都是非手性的。Cs点群（也称C1h）Cs的操作是E和。这类分子具有一个对称面，很多平面型分子都属于Cs点群，如取代烯烃芳环和杂环化合物等。Sn点群Sn点群具有一个n重旋转反轴。它的操作是Cn和，n为偶数，n为奇数时不能独立存在（实际为Cnh群）。S2点群的操作为E和i。例子如下。S4点群的例子有：Cnv点群Cnv点群分子具有一个n重旋转轴Cn和n个对称面。它的操作为E，C2和 sv。C2v点群包含了很多平面化合物，例如：属于C3v点群的分子有CHCl3，NH3和 (p-C6H6)Cr(CO)3等。Cnh点群Cnh点群只有一个n重旋转轴和一个垂直与旋转轴的对称面sh属于C2h的分子如：属于C3h的分子有均三甲苯等。Dnd点群Dnd点群是在Dn点群的基础上再加上n个与主轴相交的对称面，即含有一个Cn和与之相垂直的n个C2轴，以及n个与主轴相交的对称面。属D2d的分子如：D5d分子有二茂铁等。Dnh点群Dnh点群是在Dn点群的基础上再加上n个与主轴成水平关系的对称面，即含有一个Cn和与之相垂直的n个C2轴，以及与主轴成水平关系的对称面。D2h的分子有：D3h，D5h，D6h的分子有：2.3 对称性与分子性质对称性影响分子的多种性质，如旋光性、偶极矩等。2.3.1 分子对称性与旋光性手性化合物能使平面偏振光的偏振面发生旋转的性质称为旋光性。只有属于手性群（Cn 和Dn）的分子才会使偏振光发生旋转。能够使偏振光发生顺时针方向旋转的化合物称为右旋化合物，旋光方向为正（）。反之，能够使偏振光发生逆时针方向旋转的化合物称为左旋化合物，旋光方向为负（）。手性化合物的旋光性用比旋光 a 描述，它是手性化合物的本征性质，是在特定波长的光源、特定的温度、溶剂和浓度下测定。例如：aD20 = 50 (c 1.0, ethanol)。问题：比旋光的量纲？2.3.2 对称性与分子偶极矩分子的偶极矩（永久偶极矩）是由分子中的电荷分布不均匀造成的。比如分子中任何两个不同原子之间都会产生局部偶极矩。如果在分子中有另外一个与这种局部偶极矩大小相等、方向相反的偶极矩存在，那么它们将相互抵消，偶极矩为零。同样，如果分子中的所有局部偶极矩都能相互抵消，则分子总的偶极矩将为零。显然，具有对称中心和Sn轴的分子永久偶极矩为零。2.3.3 对称数概念分子的对称数是指通过刚性旋转所得到的无法区别、但又不等同的位置数目总和。例如，1,3,5三氯苯属D3h群，它的对称数为6。分子的对称性提高会降低分子的商，因为对称性越高（对称数越高），分子通过刚性旋