分子模型操作

Operation of M olecular M odel

【目的要求】

通过分子模型操作，深入认识异构现象，牢固树立有机化合物的立体概念。

【基本原理】

异构现象在有机化学中存在非常普遍，可概括为:

构造异构体具有相同的组成，但它们分子中原子互相联结的方式和次序不同，构造异构包括碳链异构、位置异构和官能团异构。

碳链异构是由碳链构成不同而引起的，如正丁烷和异丁烷。

位置异构是由于官能团在相同碳链上的位置不同而引起的，如1－氯丙烷与2－氯丙烷。

官能团异构体是不同类化合物，如乙醇与甲醚，由于氧原子的结合方式不同而形成不同的官能团。

立体异构体具有相同的组成及构造，但它们的原子或原子团在空间的方位不同，立体异构包括构象异构、顺反异构和对映异构。

构象异构体是由于分子中单链旋转而造成原子或原子团在空间位置的不同而形成的，各种构象异构体之间能量差别不大，一般无法将它们分离，各种化合物可看作是它的多个构象体的平衡混合物。

顺反异构体有时也叫几何异构体，产生的条件是:分子中存在着限制碳原子自由旋转的因素(如双键或脂环)，而且每个不能自由旋转的碳原子上必须连接两个不同的原子或原子团;如顺－2－丁烯和反－2－烯。

对映异构产生的条件是:分子的手征性。一个手性分子，在镜子前面，必然会产生一个与实物相对映的镜像，正如人们的左右手一样，一只是实物，另一只手就是与之对映的镜像，两者不能重叠，而彼此对映。所以叫映异构体(简称对映体)。对映异构体能使平面偏振光发生偏转，但方向相反。

【材料与方法】

材料:球棍模型一套，五种不同颜色的小球，分别为12，12，8，8，4个，金属棒30根，双链金属棒4根。

方法:以不同颜色的小球代表不同的原子或原子团，如以黑色球代表碳、黄色球代表氢、蓝色球代表羧基等;金属棒代表单键，连接两个球;两根金属棒同时连接两个球代表一个π键。按要求分别组成下列分子模型并回答相应的问题。

【实验内容】

1．碳的正四面体结构

所有的饱和碳都是四面体碳，学会组成正四面体碳是做好模型作业的基础。

组成甲烷分子模型，观察它的正四面体结构，注意键角应为109.5°。

组成二氯甲烷分子模型，观察它是否存在异构体。

2．构造异构体

(1)组成戊烷所有异构体模型。

(2)组成二氯丙烷所有异构体模型。

画出以上的分子模型图。

指出哪些是碳链异构体，哪些是位置异构体。

3．构象异构体

(1)乙烷组成乙烷的分子模型，旋转碳碳单键，使其分别构成重叠式和交叉式。注意前后两个碳上氢原子的相对位置，画出透视式和纽曼投影式。

(2)1，2－二氯乙烷组成该分子模型，旋转碳碳单键，使其分别成全重叠式、邻位交叉式、部分重叠式和对位交叉式，画出它们的纽曼投影式，并指出其相对稳定性。

(3)环己烷构建环己烷分子模型，分别扭成船式和椅式，注意观察:

1)船式构象在船式构象中，船头船尾上的两个氢原子(旗杆氢)的距离如何?两条船边的两对碳原子上的碳氢键互呈交叉式还是重叠构象?画出纽曼投影式。

2)椅式构象在椅式构象中，沿任一碳碳单键观察，这些碳原子上的C—H键是交叉式还是重叠式构象?找出模型中的六个a键和六个e键，画出其透视式并标明a、e键，说明为什么椅式比船式稳定。

3)椅式翻转将椅式环己烷中的a、e键分别用不同颜色的球连接以便区别，然后朝上扭转椅子腿，得到船式构象，再朝下扭转椅子背，得到另一种椅式构象，注意原来的a键是否变成了e键，画出两种椅式的透视式。

(4)甲基环己烷组成甲基环己烷的椅式构象。

观察甲基在a键还是e键，扭转模型得到另一种椅式，分析比较甲基是在a键还是在e键的构象较稳定?哪一种是优势构象?为什么?画出两种椅式构象的透视式。

4．顺反异构体

(1)2－丁烯首先，组成一个sp2杂化的碳，连好键，然后组成2－丁烯的两个异构体(五个σ键处于同一平面，π键与此平面垂直)，观察它们是否能完全重合?π键能否自由旋转?分别画出它们的结构，注明顺/反及Z/E构型。

(2)1，3－环己烷二羧酸先组成环己烷的椅式构象，然后分别将两个羧基(用同一种颜色的球表示)按三种方式连接:都连在e键上;都连在a键;一个连在e键，另一个连在a键。分别画出它们的椅式构象式，上述三种结构中，哪一种是最稳定结构?哪两者之间可通过单键扭转互相转化(属构象异构体)?将上述构象式用顺或反字头加以命名。

(3)十氢萘组成十氢萘的两个异构体，注意两个环己烷的稠合方式，观察稠合碳原子上两个氢的相对位置，画出透视式，比较它们的稳定性。

5．对映异构体

(1)乳酸

在中心碳(手性碳)原子上，连有四个颜色不同的小球分别代表—COOH，—OH，—CH3和—H，组成乳酸的一对对映体分子模型。

1)利用上述模型按规则写出乳酸的费歇尔投影式(书写费歇尔投影式规则:十字交点代表手性碳，碳链竖立，编号最小的碳放在最上端，横线所连的基团表示在纸平面前方，竖线所连的基团表示在纸平面后方)。用D/L及R/S命名法标明构型。

2)取上述模型之一，任取两种不同颜色的球(基团)交换位置，观察重新组成的分子是否为同一物质?和它的对映体进行比较，得出相应的结论。

3)费歇尔投影式在纸平面上旋转90°后得到的构型是前者的对映体。旋转180°后得到的构型不改变。用模型对照说明。

(2)酒石酸

1)组成两种具有旋光性的酒石酸模型，它们是对映体吗?

2)组成没有旋光性的酒石酸模型，它是内消旋体，观察该分子模型中的对称面和对称中心。内消旋酒石酸与旋光性酒石酸之间是什么关系?画出三种酒石酸的费歇尔投影式，并用R/S标明构型。

(3)羟氯丁二酸

组成该化合物的两对对映体，画出费歇尔投影式。用R/S标出构型，指出它们对映与非对映的关系。

本实验约需4 h。

实验指导

【预习要求】

1．熟悉各种异构现象。

2．熟悉费歇尔投影式的书写规则。

3．熟练顺反异构和对映异构的构型命名方法。

【注意事项】

1．自备有机化学教科书、直尺、铅笔。

2．在实验完毕后，要清点好所使用的球、棍模型，摆放整齐。

3．实验过程中，一边进行模型操作一边在记录卡上按要求画出结构式。

4．对于较复杂的分子模型(如环己烷、含两个手性碳的对映异构体)，可两个同学一组，对比观察，并进行构型、构象分析。

【思考题】

1.什么叫构象?什么叫构象异构体?

2.画出环己基甲酸的最稳定的构象。

3．画出反－1－甲基－3－叔丁基环己烷的优势构象。

4.一个化合物能否既有顺反异构体，又有对映异构体?试举例说明。

(编写:王微宏　校核:罗一鸣)