旋光性与手性
点击蓝字
关注我们
立体化学作为我们的必修课程，其重要性不言而喻，它如同一条主线，紧密而深刻地贯穿于整个有机化学。那么，我们应当如何高效而深入地学习立体化学呢？
掌握立体化学关键在于把握两大核心要素：一、掌握基本概念与原理。我们需要彻底理解立体化学的基本概念与原理，了解它们如何影响分子的物理性质和化学行为。二、手性分子的表达方法。手性分子的表达，不仅是立体化学学习的起点，也是理解其复杂性质的重要途径。
立体化学相关概念多且复杂，一篇推文难以说清楚，今天我们就先聊一聊两组概念：旋光性与手性；手性碳原子与手性中心。
01
旋光性与手性
什么是旋光性？我们知道，普通的光线含有各种波长的光，并且是在各个不同的平面上振动的。若使光线通过Nicol棱镜，一部分射线就被阻挡无法通过，只有和棱镜的晶轴平行振动的光线才能通过，这种通过棱镜后产生的只能在一个平面振动的光叫做平面偏振光。
当我们获取到这一束平面偏振光后，我们引导它穿越样品池。若在此过程中，样品的存在使得偏振光的振动平面发生了旋转，那么就称该样品拥有旋光性。从观察者的视角出发，若光的振动平面向右旋转，我们把它叫做右旋光性(+)，若向左旋转我们把它叫做左旋光性(-)。至于旋转的具体方向与所转过的角度，我们统一称之为旋光度，这一度量为我们深入探究物质的立体化学特性提供了宝贵的线索。
图 1
不幸的是旋光度的影响因素有很多，为了使旋光度成为一个旋光物质所特有的常数，我们不得不引出比旋光度的概念。啥是比旋光度？它是一个普普通通的物理量，计算方法如图所示。
展开全文
图 2
那么，究竟何种分子才展现出旋光性这一独特性质呢？显然，逐一将每个分子溶解并进行实验以验证其旋光性，不仅过程繁琐，而且效率低下。我们的理想在于，仅通过观察分子的结构，便能迅速判断其是否具备旋光性。幸运的是，随着立体化学领域的蓬勃发展，这一愿景已成为现实。具体而言，结论清晰而明确：拥有手性特性的分子，必然也具备旋光性。
那么，手性又是指什么呢？简而言之，手性是指分子结构中存在一种不对称性，如同我们的左右手一样，虽然镜像对称，但在三维空间中不能完全重合。而在有机化学中，我们把与镜像无法重合的分子(如图2)叫做手性分子。
图 3
这里我们需要简单说明一下，手性与旋光性是一对充要条件，即若分子具有手性，那么它一定具有旋光性，反之亦然。那么我们该如何判断一个分子是否具有手性呢？若想搞明白这个问题，我们需要引入下面一组概念，即手性中心与手性碳原子。
02
手性碳原子与手性中心
什么是手性中心？手性中心，也被称为不对称中心（asymmetric center），是分子中一个重要的结构特征。具体来说，手性中心是指一个原子在分子中连接着四个不同的原子或基团（包括未成键的电子对），这些不同的连接使得该原子在三维空间中呈现出一种非对称的排列方式，从而使得整个分子与其镜像不能重合。手性中心的一个典型例子是手性碳原子，即一个碳原子上连接着四个不同的基团或原子。
那么手性中心与旋光性又有什么关系呢？Van´t Hoff认为含有不对称碳的分子具有旋光性。当然现在来看这个推论是不准确的。因为我们能够轻松的找到反例，图3所示分子具有手性碳，却无手性。
图 4
既然有无手性碳原子无法判断一个分子是否具有手性，那么我们该如何判断呢？我们应该从结构上来解决。最初的发现者Louis Pasteur认为分子的旋光性源自其结构内部某种对称性的缺失。所以我们需要明确分子结构中具体缺失了何种对称要素，才能赋予其独特的旋光特性。
那么分子中有哪些对称因素，这些对称因素与旋光性之间又有什么关系呢？关注我，我们下篇推文再聊！
微信号｜xkchem0103返回搜狐，查看更多