有机分子立体结构
有机分子立体结构 ★★
经典的结构理论,开始只提出分子中各原子的原子价、数目和彼此间的相互关系,还没有涉及到分子的立体结构问题,如果将分子都想像成平面结构是很难理解的。例如,二氯甲烷
(CH Cl )分子就应当有两个不同的平面结构式(异构体):
在上面的二个平面结构中,两个氯和两个氢排列的关系不同,似乎是两个不同的化合物。但实践证明二氯甲烷只有一个,并无异构体,此外,当时还有为数不多的个别有机分子,它们的化学结构完全相同,但它们的确是几个不同的化合物,这是什么原因呢?为了解释这个问题。1874年范托夫(J.H.Van't Hoff )和勒贝尔(J.A.Le Bel )总结了前人研究所得一些事实,分别提出碳原子的正四面体结构学说,这样就把结构理论引申到三维空间的立体结构中来。根据这个学说,碳原子的四价是完全相等的,它们分别处在正四面体的四个顶角的方向上,各价键间的夹角为109 .5°,如图1-1。
如果用各种颜色的小圆球代表不同的原子,用短木棒代表原子间的键,甲烷的立体形象就可以用图1-2表示。这种用圆球和木棒做成的模型称为球棒模型,又称开库勒模型,这种立体模型常用“透视式”表示,例如甲烷的透视式如图:
透视式中的实线表示键在纸平面上,虚线表示键在纸平面后方。楔形线表示键在纸平面的前方。
由此可见,写在平面上的结构式,只是表示分子结构的一种方法,它并不能全面地反映分子的真实结构。按照碳原子的立体结构,正丁烷和丙酮分别表示如下:
但是为了方便起见,一般表示有机物的结构时,还可采用平面结构式。
书写平面结构式时仍不方便,例如正丁烷,如果把它的每一条键线都画出来,就要画13条短线,见式(Ⅰ),一般可简写成(Ⅱ)或(Ⅲ)式,叫结构简式或示性式。
但分子稍大一点时,按示性式的写法,也还是不太方便,如环已烷按式(Ⅱ)的写法应为:
现在一般都有采用“键线”的写法,所得式子称为“键线式”。这种写法是把碳、氢的元素符号都不写出,为了区别一个碳键和下一个碳键,把两条线画成一个角度,每个角度顶处代表一个碳原子。一条线上若不标明其他元素,就认为它是被氢原子所饱和。假若碳与其他原子或基团相连接,就把那个原子或基团写出来。例如上面的环已烷,就可写成:,如其中一个碳被一个氧原子取代,或一个氢被羟基取代,或者双键存在,就分别写成:
任何一个链状化合物都可以根据上面的规则改写成键线式:
根据近代物理学的研究,甲烷分子中原子间的距离,并不像球棒模型所表示的那样远,而是原子间互相部分重叠的,价健也不是一根棒。因此后来有人根据实际测得的原子大小和原子核间的距离,按比例制成甲烷分子的模型,见图1-3,它能更精确
地表示原子间的相互空间关系。这种模型称为比例模型,又称斯陶特模型(Stuart model )。
从以上讨论不难看出,二氯甲烷只能有一种空间排列方式,只要把式(Ⅱ)转一转,就变成与式(Ⅰ)完全相同的模型。
碳原子的正四面体模型,成功地解释了许多以前不能理解的现象。在这种模型提出多年以后,由于χ射线衍射作用,准确地测定了碳原子的立体结构,完全证实了这个模型的正确性。
有机分子几何形象的提出,是有机化合物结构理论的重要发展和补充。这就充分说明认识是不断发展和深入的。认识是没有止境的,每一次认识的提高,更能动地指导再实践。