2樓
為什么有*C原子就可能具有旋光性 這是因為:
(1)一個*C就有兩種不同的構(gòu)型:
(2)二者的關(guān)系:互為鏡象(實物與鏡象關(guān)系,或者說左,右手關(guān)系).二者無論如何也不能完全重疊.
與鏡象不能重疊的分子,稱為手性分子.
分子的構(gòu)造相同,但構(gòu)型不同,形成實物與鏡象的兩種分子,稱為對映異構(gòu)體(簡稱:對映體).
對映體:成對存在,旋光能力相同,但旋光方向相反.
二者能量相同(分子中任何兩原子的距離相同).
判斷一個化合物是不是手性分子,一般可考查它是否有對稱面或?qū)ΨQ中心等對稱因素.
而判斷一個化合物是否有旋光性,則要看該化合物是否是手性分子.如果是手性分子,則該化合物一定有旋光性.如果是非手性分子,則沒有旋光性.所以化合物分子的手性是產(chǎn)生旋光性的充分和必要的條件.
2,對稱因素:
(1). 對稱面
把分子分成互為實物和鏡像關(guān)系兩半的假想平面,稱為對稱面.
(2). 對稱中心
分子中任意原子或原子團與P點連線的延長線上等距離處,仍是相同的原子或原子團時,P點就稱為對稱中心.
(3). 對稱軸
以設(shè)想直線為軸旋轉(zhuǎn)360./ n,得到與原分子相同的分子,該直線稱為n重對稱軸(又稱n階對稱軸).
(4). 交替對稱軸(旋轉(zhuǎn)反映軸)
結(jié)論:
A.有對稱面,對稱中心,交替對稱軸的分子均可與其鏡象重疊,是非手性分子;反之,為手性分子
至于對稱軸并不能作為分子是否具有手性的判據(jù).
B.大多數(shù)非手性分子都有對稱軸或?qū)ΨQ中心,只有交替對稱軸而無對稱面或?qū)ΨQ中心的化合物是少數(shù).
∴既無對稱面也沒有對稱中心的,一般可
判定為是手性分子.
旋光性
19世紀后半葉，化學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種特別奇妙的同分異構(gòu)現(xiàn)象，后來證明，這種現(xiàn)象在生命化學(xué)中是極其重要的。這一發(fā)現(xiàn)是，某些有機化合物對通過它們的光束具有一種奇異的不對稱效應(yīng)。
旋光性
從普通光束的一個截面可以看出，構(gòu)成該光束的無數(shù)波在所有平面呈上下、左右和斜向振動。這類光稱為非偏振光。但是，當(dāng)光束通過透明物質(zhì)的晶體（如冰洲石）時，就會發(fā)生折射，使出射光變成偏振光。這仿佛是該晶體的原子點陣只允許某些波動面通過（就像柵欄
只允許行人側(cè)身擠過，但卻不能讓人大搖大擺地正面穿過一樣）。有些裝置，如蘇格蘭物理學(xué)家尼科耳于1829年發(fā)明的尼科耳棱鏡，只允許光在一個平面通過。目前，這種棱鏡在大多數(shù)場合已由其他材料，如偏振片（一組鑲在硝化纖維中的、晶軸平行排列的硫酸奎寧與碘的復(fù)合物晶體）所代替。第一個偏振片是蘭德于1932年制作的。
正如法國物理學(xué)家馬呂于1808年所首先發(fā)現(xiàn)的那樣，反射光往往是部分平面偏振光（他利用牛頓關(guān)于光粒子極點的論點——這一點牛頓錯了，但這個名字卻沿用至今——創(chuàng)立了偏振這一術(shù)語）。因此，配戴偏振片太陽鏡，可以使從建筑物和汽車窗玻璃甚至從公路路面反射到眼睛的強烈陽光減弱到柔和的程度。
光波正常情況下在所有平面振動（上圖）。尼科耳棱鏡（下圖）只允許在一個平面內(nèi)振動的光通過其余的光都被反射掉。因此，透射光為平面偏振光
1815年，法國物理學(xué)家畢奧發(fā)現(xiàn)，當(dāng)平面偏振光通過石英晶體時，偏振面會轉(zhuǎn)動。也就是說，光以波浪形進入一個平面，而以波浪形從另一個平面射出。具有這種作用的物質(zhì)就叫做旋光性物質(zhì)。有些石英晶體能使振動平面按順時針方向轉(zhuǎn)動（右旋），而有些石英晶體能使
其按逆時針方向轉(zhuǎn)動（左旋）。畢奧還發(fā)現(xiàn)，有些有機化合物，例如樟腦和酒石酸，也具有同樣的作用。他認為，光束轉(zhuǎn)動的原因，很可能是由分子中原子排列的某種不對稱性造成的。但是，在以后的幾十年間，這種見解依然只是一種純理論的推測。
1844年，巴斯德（當(dāng)時他只有22歲）被這個有趣的問題給迷住了。他研究了兩種物質(zhì)：酒石酸和外消旋酸。二者雖然具有相同的化學(xué)成分，但酒石酸能使偏振光的振動平面轉(zhuǎn)動，而外消旋酸卻不能。巴斯德猜想，或許能夠證明，酒石酸鹽的晶體是不對稱的，而外消旋酸鹽的晶體是對稱的。出乎他的意料，通過在顯微鏡下觀察這兩組鹽的晶體，他卻發(fā)現(xiàn)二者都是不對稱的。不過，外消旋酸鹽晶體具有兩種形式的不對稱性：一半晶體與酒石酸鹽晶體的形狀相同，而另一半則為鏡像。也就說，外消旋酸鹽的晶體，有一半是左旋的，一半是右旋的。
巴斯德煞費苦心地將左旋的和右旋的外消旋酸鹽晶體分開，然后分別制成溶液，并讓光束通過每一種溶液。果然，與酒石酸晶體有著相同不對稱性的晶體，其溶液像酒石酸鹽那樣使偏振光的振動面發(fā)生轉(zhuǎn)動，而轉(zhuǎn)動角度也相同。這些晶體就是酒石酸鹽。另一組晶體的溶液則使偏振光的振動面向相反方向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動角度相同。由此可見，原外消旋酸鹽之所以沒有顯示出旋光性，是因為這兩種對立的傾向互相抵消了。
接著，巴斯德又在這兩種溶液中加入氫離子，使這兩類外消旋酸鹽再變?yōu)橥庀帷＃槺阏f一句，鹽是酸分子中1個或數(shù)個氫離子被鉀或鈉這類帶正電的離子取代后生成的化合物）。他發(fā)現(xiàn)，這兩類外消旋酸都具有旋光性，其中一類使偏振光轉(zhuǎn)動的方向與酒石酸相同（因為它就是酒石酸），而另一類使偏振光轉(zhuǎn)動的方向則與之相反。
以后又發(fā)現(xiàn)了許多對這樣的鏡像化合物即對映體（源于希臘語，意為“相反的形狀”）。1863年，德國化學(xué)家維斯利采努斯發(fā)現(xiàn)，乳酸（酸牛奶中的酸）能形成這樣的化合物。他進一步證明，除了對偏
振光所產(chǎn)生的作用不同外，這兩種乳酸的其他性質(zhì)完全一樣。后來證實，這一點對于各種鏡像化合物是普遍成立的。
到這時為止，事情都還算順利。但是，不對稱性是如何產(chǎn)生的呢？又是什么東西使兩種分子彼此互為鏡像的呢？巴斯德未能回答這些問題。提出存在分子不對稱性的畢奧，盡管活到88歲的高齡，生前也未能看到他憑直覺得出的結(jié)論被證明是正確的。
直到1874年，即畢奧死后的第12年，才最后找到答案。兩位年輕的化學(xué)家——一位是名叫范托夫的22歲的荷蘭人，另一位是名叫勒貝爾的27歲的法國人——各自獨立地提出了關(guān)于碳的價鍵的新理論，從而解答了鏡像分子的構(gòu)成問題。（自此以后，范托夫畢生從事溶液中的物質(zhì)性狀的研究，并證明了支配液體性狀的定律類似于支配氣體性狀的定律。由于這項成就，他于1901年成為第一個獲得諾貝爾化學(xué)獎的人。）
凱庫勒把碳原子的4個價鍵統(tǒng)統(tǒng)畫在同一個平面內(nèi)，這并不一定是因為碳鍵確實是這樣排列的，而只是因為把它們畫在一張平展的紙上比較簡便而已。范托夫和勒貝爾則提出了一個三維模型。在這個模型中，他們將4個價鍵分配在兩個互相垂直的平面內(nèi)，每個平面各有兩個價鍵。描繪這一模型的最好辦法，是設(shè)想4個價鍵中的任意3個價鍵作為腿支撐著碳原子，而第4個價鍵則指向正上方。如果假定碳原子位于正四面體（4個面都是正三角形的幾何圖形）的中心，那么，這4個價鍵就指向該正四面體的4個頂點。因此，這個模型被稱之為碳原子的正四面體模型。
現(xiàn)在讓我們把2個氫原子、1個氯原子和1個溴原子連接在這4個價鍵上。不論我們把哪個原子與哪個價鍵連接，總是得到同樣的排列。讀者不妨親自動手試試看。首先，將4根牙簽以適當(dāng)?shù)慕嵌炔迦胍粔K軟糖（代表碳原子）中，這樣就有了4個價鍵，然后將2顆黑橄欖（代表氫原子）、1顆綠橄欖（代表氯原子）和1顆櫻桃（代表溴原子）任意插在牙簽的另一端。如果你讓這個結(jié)構(gòu)的3條腿站立在桌面上，而上方所指的是一顆黑橄欖，那么，3條腿上的東西按順時針方向依次是黑橄欖、綠橄欖和櫻桃?，F(xiàn)在你可以將綠橄欖和櫻桃的位置交換一下，那么順序就變?yōu)楹陂蠙?、櫻桃和綠橄欖了。如果你想恢復(fù)到原來的順序，你只需將這個結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)一下，即使原來作腿的那顆黑橄欖指向空中，而使原來指向空中的黑橄欖立于桌面。這樣，3條腿的順序就又是黑橄欖、綠橄欖和櫻桃了。
換句話說，如果同碳原子的4個價鍵連接的4個原子（或原子團）中至少有兩個是完全相同的話，那么，就只能有一種排列方式。（顯然，若所連接的原子或原子團有3個或所有4個都是相同的。當(dāng)然也是這種情形。）
然而，當(dāng)連接在碳鍵上的4個原子（或原子團）都不相同時，情況就會發(fā)生變化。這時就能夠有兩種不同的排列方式——一個是另一個的鏡像。例如，如果你在朝上的腿上插一顆櫻桃，在3條立著的腿上分別插上黑橄欖、綠橄欖和洋蔥片。如果你將黑橄欖和綠橄欖調(diào)換一下位置，那么按順時針方向的順序則依次為綠橄欖、黑橄欖和洋蔥片。在這種情形下，無論怎樣旋轉(zhuǎn)這個結(jié)構(gòu)，都不能使恢復(fù)到調(diào)換前的順序，即黑橄欖、綠橄欖和洋蔥片?？梢?，當(dāng)碳鍵所連接的4個原子（或原子團）都不相同時，總是得到兩種不同的、互為鏡像的結(jié)構(gòu)。讀者不妨試試看。
范托夫和勒貝爾就這樣揭開了旋光性物質(zhì)不對稱性的秘密。原來使光向相反方向轉(zhuǎn)動的鏡像物質(zhì)的碳原子，其價鍵連接著4個不同的原子或原子團。這4個原子或原子團有兩種可能的排列方式，一種使偏振光右旋，另一種使偏振光左旋。越來越多的證據(jù)有力地支持了范托夫和勒貝爾的碳原子正四面體模型。到1885年，他們的理論已得到普遍承認（這要部分歸功于維斯利采努斯的熱情支持）。
三維結(jié)構(gòu)的概念還被應(yīng)用于碳原子以外的其他原子。德國化學(xué)家邁爾成功地將這一概念應(yīng)用于氮原子，而英國化學(xué)家波普則將其應(yīng)用于硫、硒和錫原子。德國血統(tǒng)的瑞士化學(xué)家韋爾納將其應(yīng)用到更多的元素。他還于 19世紀 90年代著手創(chuàng)立一種坐標理論，即通過認真研究某一中心原子周圍的原子和原子團的分布，來解釋復(fù)雜的無機物的結(jié)構(gòu)。由于這項成就，韋爾納獲得了1913年的諾貝爾化學(xué)獎。巴斯德將分離的兩種外消旋酸分別命名為d酒石酸（右旋的）和l酒石酸（左旋的），并且為它們寫出了鏡像結(jié)構(gòu)式。然而，哪一個是真正的右旋化合物，哪一個是左旋化合物，當(dāng)時尚沒有辦進分清。
為了向化學(xué)家們提供用以區(qū)分右旋物質(zhì)和左旋物質(zhì)的參照物或?qū)Ρ葮藴?，德國化學(xué)家E．費歇爾選擇了食糖的近親，即稱之為甘油醛的簡單化合物。它是當(dāng)時研究得最為透徹的旋光性化合物之一。他任意地將它的一種形態(tài)規(guī)定為是左旋的，稱之為L甘油醛，而將它的鏡像化合物規(guī)定為是右旋的，稱之為D甘油醛。
任何一種化合物，只要能用適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)方法證明（這是一項相當(dāng)細致的工作）它具有與L甘油醛類似的結(jié)構(gòu)，那么，不管它對偏振光的作用是左旋的還是右旋的，都被認為屬于L系列，并在它的名稱前冠以L。后來發(fā)現(xiàn)，過去認為是左旋形態(tài)的酒石酸原來屬于D系列，而不屬于L系列。現(xiàn)在，凡在結(jié)構(gòu)上屬于D系列而使光向左轉(zhuǎn)動的化合物，我們就在它的名稱前面冠以D（－）；同樣，有些化合物則要冠以D（＋）、L（＋）和L（－）。
現(xiàn)在看來，潛心研究旋光性的細節(jié)具有重要意義，決不是在好奇心的驅(qū)使下所做的徒勞無益的工作。說來也巧，活機體中幾乎所有的化合物都含有不對稱的碳原子。而且，活機體總是只利用化合物的兩種鏡像形態(tài)中的一種。另外，類似的化合物一般屬于同一種系列。例如，在活組織中發(fā)現(xiàn)的所有單糖實際上都屬于D系列，而所有的氨基酸（組成蛋白質(zhì)的基本單位）屬于L系列。
1955年，荷蘭化學(xué)家比杰沃特終于確定了什么樣的結(jié)構(gòu)會使偏振光左旋，什么樣的結(jié)構(gòu)會使偏振光右旋。人們這才知道，在左旋形態(tài)和右旋形態(tài)的命名上,E．費歇爾只不過是碰巧猜對了而已。
知識庫標簽：
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