旋光异构

这是一篇关于旋光异构的思维导图，主要内容包括：不含手性碳原子化合物的旋光异构，旋光异构的性质和生理功能，含手性碳原子化合物的旋光异构，物质的旋光性。

旋光异构

• 物质的旋光性
  • 偏振光
    • 光是一种电磁波，其振动方向与它前进的方向垂直
    • 当普通光通过一个由方解石制成的尼科尔棱镜时，只有振动方向和棱镜晶轴平行的光才能通过棱镜，所有通过棱镜后所得到的光就只在一个平面上振动。
    • 这种只在某一平面振动的光称为平面偏振光
  • 旋光性与分子结构的关系
    • 物质能使偏振光的振动平面发生旋转的性质称为旋光性，具有旋光性的物质称为旋光性物质或光学活性物质。
    • 旋光度和比旋光度
      • 旋光性物质使偏振光振动平面旋转的角度称为旋光度，通常用"α“表示。能使偏振光振动平面向右旋转的物质叫右旋体，用”+“或”d“表示，使偏振光振动平面向左旋转的物质叫左旋体，用”-“或”l“表示。
      • 物质的旋光度是用旋光体测定的。其作用是将光源发出的光变为偏振光。
    • 手性和分子的对称性
      • 物质的旋转是与其旋性质紧密相关的，实验证明，如果某种分子与其镜像不能完全重合，这种分子就具有旋光性。
      • 分子的这种实物与其镜像不能完全重叠的特殊性质称为分子的手征性，简称手性。具有手性的分子称为手征性方向，简称手性分子。
      • 常根据分子的对称性来判断其是否具有手性。在有机化学中，一般采用对称面和对称中心这两个对称因素来考察分子的对称性。
        • 如果分子中存在对称面或对称中心，这样的分子就没有手性，也不具有旋光性
        • 如果分子中既无对称面，也无对称中心，这样的分子就是手性分子，具有旋光性。
      • 分子的对称面，就是能将分子分成实物和镜像关系两部分的一个平面。
      • 分子的对称中心，就是假设分子中存在一个点，通过该点作任一条直线，若在该点等距离的两端有向同的原子或基团，则该点就是分子的对称中心。
      • 在绝大多数情况下，分子有无手性往往与分子中是否含有手性碳原子有关
• 含手性碳原子化合物的旋光异构
  • 含一个手性碳原子化合物的旋光异构
    • 对映体和外消旋体
      • 两种构型互为实物和镜像的关系，它们不能完全重合，代表两个不同的异构体。这种互为实物和镜像关系的异构体称作对映异构体，简称对映体。
      • 含一个手性碳原子化合物的分子是手性分子，具有旋光性。它有两个旋光异构体一个为左旋体，一个为右旋体，它们的等量混合物可组成一个外消旋体。
    • 构型的表示方式
      • 透视式比较直观，但书写起来很麻烦，因此也常采用另外一种比较简便的图形——费歇尔投影式来表示。
        • 费歇尔投影式的投影规则
          • 1、将碳链放在垂直线上或竖起来，把氧化态较高的碳原子或命名时编号最小（主链中第一号）的碳原子C1放在最上端。
          • 2、投影时假定手性碳原子放在纸平面上，与垂直线相连的原子或基团（垂直方向的键 /竖键）表示伸向纸面后方，即远离读者；与水平线(相连的原子或基团（水平方向的键 /横键）表示伸向纸面前方，即伸向读者。“横前竖后”规则是费歇尔式最基本的硬性规定。
          • 3、手性碳位于横线与竖线交叉处，用一个“+”号的交点代表手性碳原子。四端与四个不同的原子或基团相连，一般总是把含碳原子的基团放在竖线相连的位置上
        • 判断两个费歇尔投影式是否表示同一构型的方法
        • 构型的标记方法
        • D、L构型;1951年，费歇尔采用(+)-甘油醛为标准物，并人为地规定在费歇尔投影式中第二号碳原子C2上的羟基，位于右侧的为D构型，位于左侧的为L构型。所以，D/L构型又称为相对构型。
        • R、S构型:在楔形透视式观察法中，将排序最后的原子或基团放在离观察者最远的位置，剩余三个原子或基团排序确定手性碳构型：按顺时针方向排列为R-构型；按逆时针方向排列为S-构型。类似地，知道一个化合物分子的费歇尔投影式，可以利用它来确定手性碳化合物的R、S构型。
  • 含两个手性碳原子化合物的旋光异构
    • 含两个不同手性碳原子化合物的旋光异构
    • 含两个相同手性碳原子的旋光异构
  • 含手性碳原子换装化合物的旋光异构
• 旋光异构的性质和生理功能
  • 对映体的性质
    • 对映体具有相同的物理性质（如熔点，沸点，溶解度，折射率，酸性，密度等），热力学性质（如自由能，焓、熵等）和化学性质。除非在手性环境（如手性试剂，手性溶剂）中才表现出差异。对映体对偏振光的作用不同，它们的比旋光度数值相同，但方向相反。对映体的生物活性不相同，化学反应中表现出等速率。等量的左旋体与右旋体的混合物构成外消旋体。]从对映体中分离出单纯一个光学异构体的方法称拆解。最普通的拆解方法是将消旋体与光学活性相反的离子作用生成非对映体。
  • 非对映体的性质
    • 两个结构相同的分子，由于具有构型不同的不对称原子，彼此不呈实物与镜像的关系。在酒石酸的三个旋光异构体（见旋光异构）中，a与c、b与c都是非对映异构体：
    • 非对映异构体的旋光性不同，熔点、沸点、溶解度、密度、折射率等物理性质也很不同。其化学性质虽然相似，但也不完全相同。
  • 外消旋体和内消旋体的性质
    • 外消旋体：　一种具有旋光性（见 旋光异构）的 手性分子（见手征性）与其 对映体的等摩尔混合物。它由旋光方向相反、旋光能力相同的分子等量混合而成，其旋光性因这些分子间的作用而相互抵消，因而是不旋光的。并且，虽然对映体的 物理性质一般相同，但外消旋体的物理性质如 熔点、 溶解度等与对应的对映体性质常常是不相同的。外消旋体常用D，L-标记，如右图所组成外消旋体的两种分子除旋光方向相反外，其他物理、化学性质相同，外消旋体是由一个具有手性中心的分子在生成另一个手性中心时的必然产物。
    • 内消旋体：内消旋体和外消旋体虽然都无旋光性，但二者本质上完全不同，前者为化合物，后者为混合物，前者是一个分子，后者可以拆分
  • 旋光异构体的生理功能
    • 由于构成生物体的有机物大都是手性的，尤其是·生物大分子中，常有多个手性中心，所以对映体间极为重要的区别是，它们的生理活性不同。而且由于生化反应的催化剂——酶本身就是手性的，它要求手性物质必须符合一定的立体构型才能参与生化反应，所有生物体往往只能选用某一构型的旋光异构体。
• 不含手性碳原子化合物的旋光异构
  • 丙二烯型化合物的旋光异构
    • 如果两端的双键碳原子上各连有不同的原子或基团时，那么整个分子既无对称面又无对称中心，虽然分子中没有手性碳，但分子具有手性和旋光性。
  • 联苯型化合物的旋光异构
    • 在联苯分子中，两个苯环可以围绕中间的单键自由旋转。
    • 若每一苯环上连有不同的基团时，则整个分子中既无对称面又无对称中心，分子具有手性和旋光性
  • 螺环化合物
    • 具有下列结构的螺环化合物，虽不具有手性碳原子，但由于分子不具有对称面和对称中心，也有对映体存在