試論化學(xué)教學(xué)中有機(jī)化合物的同分異構(gòu)現(xiàn)象

湖北 杜紅霞

試論化學(xué)教學(xué)中有機(jī)化合物的同分異構(gòu)現(xiàn)象

湖北 杜紅霞

有機(jī)化合物的同分異構(gòu)體的推導(dǎo)和相互轉(zhuǎn)換是有機(jī)化學(xué)課程及其相關(guān)課程的重要內(nèi)容，這部分內(nèi)容常常是分散在教材的各個(gè)章節(jié)部分講述，顯得有點(diǎn)散亂。本文將有機(jī)化合物的各種同分異構(gòu)現(xiàn)象作了一下歸納，以期給教學(xué)工作帶來便利。

有機(jī)化合物；同分異構(gòu)體

有機(jī)化合物的同分異構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，又非常普遍，所以學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)必須全面了解同分異構(gòu)現(xiàn)象及熟練掌握推導(dǎo)同分異構(gòu)體的基本方法。有機(jī)化合物的同分異構(gòu)現(xiàn)象大致可以分為兩大類：構(gòu)造異構(gòu)和立體異構(gòu)。

一、構(gòu)造異構(gòu)

分子中原子間相互連接的順序和方式叫做分子構(gòu)造。表示分子構(gòu)造的化學(xué)式叫做構(gòu)造式，分子構(gòu)造用構(gòu)造式表示最為簡單明了。構(gòu)造異構(gòu)是指分子的組成成分相同，但分子中原子或原子團(tuán)排列組合的方式不同，從而導(dǎo)致不同物質(zhì)的產(chǎn)生。構(gòu)造異構(gòu)包括下面四種情況。

1.碳鏈異構(gòu)：這是由于分子中碳架不同而產(chǎn)生異構(gòu)現(xiàn)象。例：戊烷（C5H12）有三個(gè)構(gòu)造不同的異構(gòu)體：

2.位置異構(gòu)：由于官能團(tuán)或取代基在碳鏈（或碳環(huán)）上的位置不同而產(chǎn)生的異構(gòu)現(xiàn)象。例：

3.官能團(tuán)異構(gòu)：由于分子中官能團(tuán)不同而產(chǎn)生的異構(gòu)現(xiàn)象。例如，烯烴-環(huán)烷烴、炔烴-雙烯烴-環(huán)烯烴、醛-酮-烯醇-環(huán)氧烷-環(huán)醇等互為同分異構(gòu)。化學(xué)組成為C3H6O的物質(zhì)理論上有九種不同的化合物：

二、立體異構(gòu)

分子式相同，構(gòu)造也相同，僅僅是分子中的原子或原子團(tuán)在空間排列的有所不同，這樣產(chǎn)生的異構(gòu)現(xiàn)象稱為立體異構(gòu)。它包括以下兩種情況。

1.構(gòu)型異構(gòu)

（1）順反異構(gòu)（幾何異構(gòu)）：分子中原子或原子團(tuán)之間的自由旋轉(zhuǎn)由于某種原因受到阻礙（或雙鍵或成環(huán)等），使分子具有不同的排列方式。最常見的是下列含碳碳雙鍵的化合物。例：

順（Z）丁烯二酸

反（E）丁烯二酸

順反異構(gòu)體的命名法有“順一反命名法”和“Z一E命名法”兩種。對(duì)于abC=Cab和abC=Cac這兩類化合物，經(jīng)常是用“順一反命名法”命名。不相同的兩個(gè)原子或基團(tuán)在雙鍵同側(cè)的叫做順式,反之為反式。“順一反命名法”顯然不能用于abC=Ccd這類化合物的順反異構(gòu)體;另外，含C=N及N=N等化合物的順反異構(gòu)也不可以采用“順一反命名法”。由此可見“順一反命名法”不是一個(gè)普遍適用的命名法.普遍適用的方法是和“Z一E命名法”。“Z一E命名法”是指:按照順序規(guī)則，比較雙鍵上兩個(gè)原子所連接的原子序數(shù)或基團(tuán)的大小,優(yōu)先是原子序數(shù)大的或基團(tuán)體積大的，在同側(cè)的叫“Z式”，在異側(cè)的叫“E式”

例:

E-3-甲基-4-乙基-3-庚烯Z-1，2-二氯-1-溴乙烯

顯然,順式不一定是Z式,反式也不一定是E式。

在脂環(huán)烴中，若兩個(gè)取代基在環(huán)平面同一邊的是順式異構(gòu)體，兩個(gè)取代基在環(huán)平面的兩邊叫反式異構(gòu)體。例：

(2)旋光異構(gòu)(光學(xué)異構(gòu)):

由于分子中缺少一定的對(duì)稱因素(如對(duì)稱中心、對(duì)稱面等)而引起的旋光性相反的不同空間排列，而產(chǎn)生的異構(gòu)現(xiàn)象叫旋光異構(gòu)。最常見的是含手征性碳原子的化合物。對(duì)于這類化合物有D，L標(biāo)記法和R，S標(biāo)記法。

D-L標(biāo)記法是以甘油醛的構(gòu)型為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)記。凡碳鏈處于垂直方向，最高氧化態(tài)在碳鏈上端的投影式中，編號(hào)最大的手性碳上的羥基處于右側(cè)的為D-構(gòu)型，處于左側(cè)的為L-構(gòu)型。

D-L標(biāo)記法的使用有一定的局限性，它只表示出分子中一個(gè)手性碳原子。一般用于糖類和氨基酸的構(gòu)型標(biāo)記。

R-S標(biāo)記法是根據(jù)手性碳原子所連的四個(gè)基團(tuán)在空間的排列來標(biāo)記的。規(guī)則如下：

（1）把與手性碳原子所連的四個(gè)基團(tuán)按次序規(guī)則排隊(duì)。例如，四個(gè)基團(tuán)：a＞b＞c＞d，a排最先。

（2）將該手性碳上四個(gè)基團(tuán)中最小的基團(tuán)（d）置于離觀察者最遠(yuǎn)的位置，然后按先后次序觀察其他三個(gè)基團(tuán)。即按a→b→c輪轉(zhuǎn)著看。如果輪轉(zhuǎn)方向是順時(shí)針的，該手性碳的構(gòu)型標(biāo)記為“R”；如果方向是逆時(shí)針的，則構(gòu)型標(biāo)記為“S”。

2.構(gòu)象異構(gòu)

（1）環(huán)己烷的結(jié)構(gòu)

環(huán)己烷不是平面結(jié)構(gòu)。它比較穩(wěn)定的構(gòu)象是折疊的椅式構(gòu)象和船式構(gòu)象。這兩種構(gòu)象可用透視式和紐曼投影式表達(dá)。

（2）乙烷的構(gòu)象

乙烷分子在繞C-C鍵軸旋轉(zhuǎn)時(shí),會(huì)有無數(shù)個(gè)構(gòu)象異構(gòu)體,其中以交叉式構(gòu)象和重疊式構(gòu)象最為典型。

結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的烷烴，它們的構(gòu)象也更復(fù)雜，它們主要以反位交叉構(gòu)象的形式存在。

三、對(duì)以上有機(jī)化合物異構(gòu)現(xiàn)象的小結(jié)

1.構(gòu)造異構(gòu)：⑴碳鏈異構(gòu)；⑵位置異構(gòu)；⑶官能團(tuán)異構(gòu)。

2.立體異構(gòu)：⑴構(gòu)型異構(gòu)(a)順反異構(gòu)（b）旋光異構(gòu)(D,L標(biāo)記法和R,S標(biāo)記法)。

⑵構(gòu)象異構(gòu)(a)環(huán)已烷的椅式,船式構(gòu)象(b)乙烷,丁烷的旋轉(zhuǎn)式構(gòu)象。

（作者單位：湖北生物科技職業(yè)學(xué)院）

（編輯 王旸）