异构体类型:结构异构体，立体异构体，对映异构体和非对映异构体

异构体类型:结构异构体，立体异构体，对映体和非对映体

我们如何判断分子是否“相关”?一旦我们知道它们是，我们怎么知道它们是哪种同分异构体呢?它们是结构异构体(相同的公式，不同的连通性)，立体异构体(相同的连通性，不同的排列方式)，对映体(非重叠镜像的立体异构体)或非对映异构体(非重叠镜像的立体异构体)。

或者它们是一样的?: -)回答所有这些问题……以及更多!

目录

1. “我们又是如何关联的?””- - - - - -How Isomers Are Like Family Members
2. 分子之间关系的类型
3. 如何区分一对非异构体和一对异构体
4. 异构体的类型:组构异构体具有不同的连通性
5. 异构体的类型:立体异构体具有相同的连通性，但其原子在空间中的排列方式不同
6. 立体异构体中的立体元素
7. 立体异构体的种类:对映体与非对映体(选择。非对映体)
8. “不可重叠镜像”到底是什么意思?
9. 《财产兄弟》第13季第13集:“伏地魔与手性属性”
10. 对映体具有相同的物理性质，除了旋光性
11. 《第三地产兄弟》:内消旋酒石的酸
12. 只有手性分子才有对映体
13. 非对映体是指不是对映体的立体异构体
14. 非对映体具有不同的物理性质
15. 一种快速判断两个立体异构体是否为非对映体的方法
16. 小心陷阱问题!
17. 摘要:异构体的类型
18. 笔记

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[注:本文与Matthew Pierce共同撰写有机化学解决方案．问问马特安排在线辅导课程的事在这里．］

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1.“我们又是如何联系在一起的?””- - - - - -How Isomers Are Like Family Members

几周前，在安大略省的一次家庭聚会上，我向亲戚们介绍了液氮冰淇淋的乐趣。我的表兄妹和他们的许多孩子都在那里。我爸爸的几个表亲也是。作为一个家庭聚会，他们邀请了他们的(成年)孩子，他们反过来带来了他们的的孩子。当我给他们端上冰淇淋时，在液态氮产生的烟雾中，我在想:“他们是我的第三代堂兄弟吗?”或者是我的远房表亲……”

该死，我忘了。表姐是怎么回事来着?

在有机化学中，我们同样会发现自己困惑于这样的问题:“这两个(或更多)分子是如何关联的?”就像家庭术语一样，记住结构异构体，立体异构体之间的区别，对映体之类的，刚开始可能会很困难。

在这篇文章中，我们试图展示如何回答以下问题:

• 这两个分子是同分异构体？（而且什么是同分异构体?)
• 这两个是异构体吗宪法同分异构体或立体异构体(有什么不同?)
• 这两个是立体异构体吗对映体或非对映体(这意味着什么?)

值得庆幸的是，这些问题的答案都非常明确，我希望你会发现，通过练习(以及一些生动的例子)，这些问题比三表兄妹和二表兄妹的事情更容易记住。

2.分子之间关系的类型

一个分子可以同时有几种同分异构体，这取决于你和哪个分子比较。

用我们的家庭比喻:术语“兄弟”，“姐妹”，“母亲”，“女儿”是描述的关系之间(至少)两个人。你可以是女儿(对你的妈妈)，姐妹(对你的兄弟)，表亲(对你的阿姨或叔叔的孩子)，也可以是“无血缘关系”(对我)所有这些都是同时发生的．

问你是女儿还是姐妹，如果不包括你和谁有这种关系，就没有意义。

分子也是如此。一个分子可以是结构异构体，非对映体，对映体，或者更多(或者没有!)，所有这些都可以同时不同的分子，取决于哪一个与之比较的其他分子．

有三个重要的区别需要学习，我们将依次讨论它们。

• 一对给定的分子可以是异构体也可以是非异构体
• 一对给定的同分异构体可以是结构异构体还是立体异构体
• 一对给定的立体异构体可以对映体或非对映体

(特别是在考试中，总有可能“给定的一对分子”实际上是同一个分子，只是画得不同。我们也将讨论这种可能性)。

流程图是这样绘制的:

家族和分子之间的一个关键区别是:

在某些情况下，我将留给读者去理解，一个人同时是同一个人的父亲和兄弟是可能的。

值得庆幸的是，我们在有机化学中没有这样的问题。

两个分子可能是彼此的立体异构体，但它们不可能是立体异构体而且彼此的结构异构体。区别很明显。

3.如何区分一对非异构体和一对异构体

异构体是两个(或更多)分子分子式相同。

对于一些分子式，不存在异构体．例如CH只有一种可能的异构体₄(甲烷),C₂H₆(乙烷)和丙烷(C_3.H₈)，而C只有两个可能₄H₁₀(2-methylpropane和n丁烷)。

然而，随着碳原子数量的增加，可能的同分异构体的数量也会增加。为十二烷(C₁₂H₂₆)，可能有355个异构体。它只会从那里上升!

尽管具有相同的分子式，异构体可能具有非常不同的物理性质，如沸点、熔点和化学反应性。

以环己烷(b.p. 63°C)和1-己烯(80°C)为例，它们的分子式都是C₆H₁₂．无论它们的物理性质或反应性质多么不同，它们共同的分子式使它们彼此是异构体。

同样，丙酸和1-羟基-2-丙酮具有相同的分子式C_3.H₆O₂，使它们彼此异构体(但是不当然是环己烷或1-己烯的异构体!)

这就引出了下一个问题。假设两个分子是同分异构体。什么种类它们是异构体吗?

异构体分为两类:结构异构体(连通性不同)和立体异构体(连通性相同，空间排列不同)。那实际上是什么呢的意思是？

4.异构体的类型:组构异构体具有不同的连通性

结构异构体具有相同的分子式，但不同连接性。

相同的部分，但排列方式不同。举个老而好用的例子，把尾巴和腿交换一下，你就得到了等位猫:

这很有趣，但是有没有更严格的方式来考虑连接性呢?

是的——从命名法来看。如果具有相同分子式的两个分子具有不同的连通性，则在定位位点(例如;1己烯vs。2-己烯)，或在取代基、前缀或后缀中。例如，2-甲基丙烷vs.丁烷，或1-戊醇vs.乙基丙基醚．

我发现下面的经验法则很有用:

结构异构体有相同的经验公式，但他们的核心IUPAC名称是不同的。

[IUPAC的核心名称是指定位词、取代基、前缀和后缀-除了(R)/(S) E/Z和独联体/反式，基本上。

如果两个分子名称的唯一区别是它们(R) /(年代)或(E) / (Z)名称(或独联体/反式)那么你就是在处理立体异构体(下一节)。

举个例子，这5个分子都是彼此的结构异构体。它们有相同的经验公式(C₆H₁₂)，但连通性不同。请注意IUPAC的名称也是完全不同的。

5.异构体的类型:立体异构体具有相同的连通性，但其原子在空间中的排列方式不同

只有一种方法连接C₆H₁₂聚在一起形成环己烷，同样的原子只有一种连接方式得到1-己烯。

但是有两个连接方式₆H₁₂给分子命名为2-己烯和3-甲基-1-戊烯!和四个连接方式₆H₁₂得到1-乙基-2-甲基环丙烷!

(识别训练有素的有机化学家的快速方法:让他们画出2-己烯，并测量他们说“哪一个”需要多长时间?)

例如:2-己烯双键上的氢有两种排列方式;当他们在同一边时，我们称之为独联体(或Z);在另一边，反式(E)。看到帖子:顺式，反式，E和Z]。

因为不可能围绕双键自由旋转，它们是完全不同的分子．它们可以分开，放在不同的瓶子里，放在架子上好几年，永远不会相互转换。你可以买独联体-2-己烯(95%)奥尔德里奇，把它放在储藏室二十年，再也不用担心它变成了反式的形式。

什么种类这些是异构体吗?我们不能称它们为结构异构体，因为它们具有相同的连通性(都是2-己烯!)．我们需要另一个名字。因为它们的基团在空间上的排列不同我们称之为双键立体异构体．

立体异构体也可以由连接到四个不同取代基(即“手性”或“不对称”碳)的四面体碳原子产生，如3-甲基-1-戊烯。围绕一个四面体中心排列四个不同的基团有两种(只有两种!)方式，这就产生了两个分子分享相同的连接但不同在原子在空间中的排列．这些分子可能看起来一样，但实际上不可重叠的镜像(下文几段会详细说明)。

6.立体异构体中的立体元素

一个双键能独联体/反式同分异构体和“不对称”碳原子有时被称为“立体元素”，因为它们各自产生一对立体异构体(E或Z)，或(R或年代）

• 一个具有2个立体元素的分子可以产生多达(2 × 2) = 4种不同的立体异构体。1-乙基-2-甲基环丙烷就是这样:(R, R), (,年代), ((R, S))，及(S, R）.
• 一个具有3个立体元素的分子可以产生多达(2 × 2 × 2) = 8种不同的立体异构体。
• 一般来说，一个分子带有n立体元素最多可以有2个ⁿ立体异构体。（也许化学中最疯狂的例子是水螅毒素它有64个手性中心，8个双键，大约10个²¹可能的立体异构体。）

判断两个分子是否立体异构体的一个快速方法是它们是否具有相同的IUPAC核心名称，但它们的名称不同独联体/反式，E / Z,或(R) /(年代)名称。

7.立体异构体的种类:对映体与非对映体(选择。非对映体)

我们还没有完全完成。还有最后一个重要的区别之间的两种不同类型的立体异构体。

为什么?好吧，为了把我们的家庭类比进一步推进一点，我们来谈谈兄弟:

(是的，还有第三个物业兄弟)

这三个人都是兄弟，但显然这三个人中的两个之间的关系有一些特别之处，值得属于自己的范畴:

这与非对映异构体(不是不可重叠镜像的立体异构体)和非对映异构体之间的区别没有什么不同对映体(立体异构体是不可重叠的镜像)。

8.“不可重叠镜像”到底是什么意思?

我承认:术语“不可重叠的镜像”似乎给人们带来了很多麻烦，就像“远房表亲与一次性移除”一样。所以让我们现在就来解决这个问题。

在我们的家庭类比(上面)中，我们把“同卵双胞胎兄弟”类比为对映体以及类似于非对映体的“非同卵双胞胎”。

我们需要稍微调整一下这个类比。

在有机化学中，可以是两个分子叠加通过键的旋转(即构象变化)或分子本身的旋转，被认为是相同的分子。

换句话说，在有机化学中，“同卵双胞胎”分子不是异构体;它们被认为是完全相同的复制品相同的分子。

一个摩尔,毕竟是6.02 × 10²³相同的，可重叠的分子。就像同卵双胞胎一样，如果一个人坐在桌子前寻找你能接受的房产，而另一个人站在一个蹩脚的厨房里，用手向你展示如何完全改造它来满足你的预算，那么如果分子碰巧处于不同的构象，只要它们至少经过一个，它们仍然被认为是“相同的”构象它们是重叠的。[高级提示:有这样一种东西，即构象被“锁定”，以这样一种方式，它们不能相互转换，但它通常不在本课程中讨论-见注1］

现在，让我们对同卵双胞胎做一点修改，使它们从可重叠镜像变成不可重叠镜像。

9.《财产兄弟》第13季第13集:“伏地魔与手性属性”

旁白我们的客户“伏地魔”说他正在寻找一个有“好骨头”的新的邪恶巢穴，所以我们带着他在城里逛了逛，看了一些符合他“必须拥有”和预算的房子。那天晚上，几杯酒下肚后，事情变得尴尬起来。

伏地魔:嘿，伙计们，实际上我有一处新财产，你们可能会感兴趣

德鲁和乔恩:天哪!这是什么鬼东西

LV:手性的性质!Racemundum suorum !

杀死!(闪光)

德鲁和乔恩:Aaarrrggh ! !

一个左眼上有疤，另一个右眼上有疤。在地板上痛苦地扭动和旋转再多也不可能使它们重叠。

他们已经变成了“对映体”:不可重叠的镜像。

因为从化学角度来说，它们不再是可叠加的它们不再相同．类似的,是的!但不是相同的分子．

改变了什么?

伏地魔的试剂

在我们加入伏地魔的试剂之前，每个双胞胎的身体中间都有一个对称平面，所以左右半部分是完全相同的。没有更多的。现在双胞胎的左半部分和右半部分是不同的。我们称这种性质为“不对称”或“手性”。

伤疤的引入“打破了双胞胎的对称性”，引入了手性。

对于分子来说，最常见的赋予手性的方法是碳上有4个不同的基团，如上面的4-甲基-1-戊烯。因此，连在4个不同基团上的碳被称为手性中心，或“不对称中心”。

有两种(只有两种!)方法在一个四面体碳上排列4个不同的取代基。所以一个具有单一不对称中心的分子会以一对立体异构体的形式存在。更具体地说，它将作为一对不可重叠的镜像存在:对映体．

10.对映体具有相同的物理性质，除了旋光性

之前我们描述了路易斯·巴斯德的酒石酸冒险［看到的:旋光性，旋光性，比旋］在那里他发现了一种化合物，当时被称为“外消旋酸”(来自拉丁语racemus(一串葡萄)实际上是一种等量的混合两个酒石酸的镜像形式

分离这两种异构体非常困难，因为它们具有相同的溶解度、熔点和其他物理性质。巴斯德只能通过观察盐的细微差别，用镊子和放大镜把它们分开来完成。

区分这两种异构体的唯一物理性质是旋转偏振光平面，方向相等，方向相反。

事后，我们知道这两种酒石酸异构体的结构，并利用Cahn-Ingold-Prelog规则，将它们命名为(R, R)及(,年代)酒石酸。

这两种异构体互为镜像:重叠镜像。

就像伏地魔的伤疤一样，再多的化学键旋转也不能使一个(R)配置为(年代)配置，反之亦然。(参见:介绍R和S - Cahn-Ingold-Prelog规则］

请注意，它们具有相同的核心IUPAC名称(2, 3-dihydroxysuccinic酸,选择。酒石酸)，但它们的R/S条款完全相反:(R,R)和(S,S)

这是识别的重要线索对映体(我们将在以后的文章中进一步讨论):

对映体将始终使用相同的IUPAC名称，并完全相反(R / S)描述符。

11.《第三地产兄弟》:内消旋酒石的酸

酒石酸有两个不对称碳中心，我们之前说过有两个不对称碳中心的分子最多可以有2个²= 4个立体异构体。如果(2 s, 3 s)及(2 r, 3 r)是酒石酸的两个立体异构体，那么(2 r, 3 s)及(2, 3 r)酒石酸?这些也应该是立体异构体，对吧?

当我们画出(的结构时2 r, 3 s)及(2, 3 r)酒石酸，然而，一些东西很快变得明显。

当他们是确实是彼此的镜像，他们是彼此的镜像，就像我们(伏地魔之前)的同卵双胞胎是彼此的镜像一样:

他们是重合镜像，因此被认为是相同的分子。

因此(2R,3.年代-酒石酸和(2年代3R)-酒石酸则不是对映体．它们实际上是描述同一分子的两种不同方式，而酒石酸只有三个立体异构体。

等待。为什么一个分子可以有手性中心却没有对映体?

12.只有手性分子才有对映体

就像我们的(伏地魔之前的)财产兄弟有(手性的)左右耳朵一样非手性的总的来说由于内部的镜面。只有手性分子可以对映体．

具有内部镜像平面(对称平面)的分子是非手性的，不会有对映体。

同样,(2R,3.年代)-酒石酸有手性中心，但有一个内镜平面。手性中心年代构型是手性中心的镜像R构型，其他取代基对称排列。

这种酒石酸的立体异构体是巴斯德所知道的，因为由于其不同的物理性质(溶解度)，它很容易从“消旋”酒石酸中分离出来。由于它的特定旋转(0°)在“中间”(内消旋(在希腊语中是“中间”)左旋的(-),右旋的(+)酒石酸，因此得名中间酒石酸。

知道我们现在在做什么，就说得通了中间酒石酸的比旋度为0°，因为只有手性分子才会旋转偏振光平面中间酒石酸是非手性的。

这个名字“内消旋”已被更广泛地采用。一个“内消旋体是一种具有手性中心的分子，但由于内部镜面的存在，整体上是非手性的。

这就是为什么限定词是"到2²使用了立体异构体。一个具有2个立体中心的分子可以有“最多”4个立体异构体，但如果A内消旋形式是存在的。

中间酒石酸有点像第三个属性兄弟:“不是双胞胎的那个”。

13.非对映体是指不是对映体的立体异构体

如果(2R, 3R)-酒石酸和(2S, 3S)-酒石酸对映体我们如何描述这些分子之间的关系中间酒石酸吗?

在有机化学中，我们称之为“立体异构体”对映体”,非对映体。

内消旋酒石酸是a非对映异构体(2R,3R)-酒石酸和(2S, 3S)-酒石酸:

“非对映体”的其他例子包括:

• 双键异构体(E / Z）
• 独联体- - - - - -反式同分异构体(看到的:环烷烃的顺式和反式异构体］
• 具有多个手性中心的分子的立体异构体，在(至少)一个碳上具有相同的结构

14.非对映体具有不同的物理性质

正如巴斯德发现的那样内消旋-酒石酸相对容易从“消旋体”-酒石酸中分离出来，有非对映体不同的物理性质(如沸点、熔点、溶解度等)。

15.一种快速判断两个立体异构体是否为非对映体的方法

判断两个立体异构体是否为非对映异构体的快速方法:

• 如果两个立体异构体不同独联体/反式或E / Z描述符(如。独联体-2-hexene和反式2-hexene)
• 如果他们至少有一个相同的R / S描述符(如(2S，3 s)-酒石酸和(2R，3 s酒石酸(如果有的话)R / S描述符是一样的，它们必须在某种程度上有所不同独联体/反式或E / Z取向为非对映体;否则它们就是同一个分子!)

16.小心陷阱问题!

最后一个例子，承诺。

下面是两个分子。它们是异构体吗?如果是，它们是什么类型的异构体?

我所知道的回答这个问题的最快方法是试着把它们都叫出来。

当我们这样做时，我们发现:

• 左边的分子是E -（2 r,5 r) 5-chloro-hex-3-en-2-ol
• 右边的分子是E -（2 r,5 r) 5-chloro-hex-3-en-2-ol

那么它们之间有什么联系呢?

• 它们不是结构异构体(连通性相同!)
• 但它们也不是立体异构体E / Z而且R / S描述符!)

因此,他们都一样!（事实上，它们是不同的构象我们假设同一分子的所有构象都是可互转换的，除非另有说明。)看到脚注。

17.摘要:异构体的类型

这是一篇关于异构体类型的长篇文章，但希望是全面而有启发性的。

在下一期中，我们将学习一种技巧，通过练习，可以让你快速判断分子是否正确对映体非对映体，或者相同。

再次感谢Matt的合作。问问马特安排在线辅导课程的事在这里．

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笔记

注1．脚注-抗甾体

通常我们假设构象异构体在测量旋光所必需的时间尺度上迅速相互转换。

例如，的两种椅子形式独联体1,2-二甲基环己烷对映体但由于它们在室温下迅速相互转化，所以它们被视为相同的。

这通常超出了有机化学入门的范围，但在某些情况下，这种假设是不成立的。

一个突出的例子是1,1-双-2-萘酚(akaBINOL）.

构象A(最左)不能在不经过A的情况下转换成构象B(最右)构象两个环共面(中间)，每个碳上的两个氢(碳8)相互碰撞。这为旋转提供了足够大的障碍，使得这两种构象在室温下都被“困”在自己的状态中，不能相互转换。

这两种构象互为不可重叠的镜像，就像左手和右手的螺丝钉互为不可重叠的镜像一样。它们被称为“手性轴”。

两种构象体之间的屏障足够大，使构象体A和构象体B可以被分解(分离)并放入不同的瓶中。

这种可隔离构象的特殊情况被称为"atropisomerism”。