本期我將梳理有機(jī)化學(xué)相關(guān)的另一種題型——立體化學(xué)。

說到立體化學(xué)，其實(shí)就是對各種 isomers（同分異構(gòu)體）的判斷。

同分異構(gòu)體指的是有同樣分子式但結(jié)構(gòu)不同的兩個分子，在其中，又分為 constitutional (or structural) isomers（構(gòu)造異構(gòu)體）和 stereoisomers（立體異構(gòu)體），競賽中對立體化學(xué)的考察就是圍繞各種立體異構(gòu)體展開的。

立體異構(gòu)體又分為兩種，diastereomers（構(gòu)型異構(gòu)體）和 enantiomers（旋光異構(gòu)體）。

Enantiomers 是具有軸對稱性（鏡面對稱）的異構(gòu)體，比如說我們的左手和右手 ??， 而diastereomers 則是不具有軸對稱性的異構(gòu)體。

而一個分子軸對稱后假如不能與原分子互相重疊（注意，左手和右手雙掌對合時你是翻轉(zhuǎn)了其中一只手的，這樣手心手背朝向不同，也不是互相重疊的哦），我們叫這一性質(zhì)為 chirality（手性）。值得考生注意的是，所有的 enantiomers 都是 chiral 的，而 diastereomers 就不一定了。

Chirality是歷年的考點(diǎn)之一，也是有機(jī)化學(xué)的重點(diǎn)。

比如說在 2020 年的這道真題中，就出到了對 chirality 的考察：

兩個小問其實(shí)問的都是這幾種 Truxinates 的立體異構(gòu)體是否有 enantiomers，其實(shí)問的就是這些立體異構(gòu)體是否具有手性。

那么如何判斷一個物質(zhì)是否有手性呢？首先咱們先畫出這個物質(zhì)的鏡面異構(gòu)體。

四個取代基都在同一個平面上的這個物質(zhì)在軸對稱后，通過旋轉(zhuǎn)仍然能夠與原物質(zhì)重疊，所以它沒有手性，也就沒有 enantiomer。

而三個取代基在同一平面的這兩個物質(zhì)就不一樣了。這兩個物質(zhì)在軸對稱后，旋轉(zhuǎn)也不能夠與原物質(zhì)重疊，所以它們都是 chiral molecules，也就都有 enantiomers。

第二小問中，題目要求你自己寫出兩個取代基在同一平面上的物質(zhì)，那么我們通過排列組合，得出了以下幾種：

而這幾種異構(gòu)體鏡像后，通過旋轉(zhuǎn)等能夠跟原分子重疊嗎？考驗(yàn)大家的空間想象能力的時候到啦。

而對于 diastereomers，一般考察的都是碳-碳鍵周圍取代基的立體分布情況。其中，順反異構(gòu)體，也就是碳-碳雙鍵周圍取代基的分布情況通常會通過命名相關(guān)的題型來考。而碳-碳單鍵（也就是 sigma bond）旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的不同立體異構(gòu)體，我們稱之為不同的conformers。

為了表達(dá)這些三維的 conformers，歷史長河中的兩位化學(xué)家提出了這兩種二維的表現(xiàn)方式：Newman projection & Fischer projection ????。

Newman projection 是把碳-碳鍵放置在垂直于平面的位置。2021年，英國化竟圍繞著不同的conformers，用 Newman projection 出了一系列題目：

首先題目中介紹了 Newman projection 的規(guī)則：咱們用圓圈代表碳-碳鍵，圓圈前面是一個碳周圍的取代基，后面是另一個碳周圍的取代基，由此我們可以觀察兩個碳上面取代基之間的 dihedral angle（二面角）。

這個(a)小問其實(shí)非常的簡單，因?yàn)橹豢剂?eclipsed 和 staggered 的概念，而題目中也給出了 eclipsed 和 staggered 的形式都是什么樣的。而碳-碳鍵每次旋轉(zhuǎn) 60 度都是 eclipsed 到 staggered 的互相轉(zhuǎn)換，圖表中 0 度旋轉(zhuǎn)到 60 度也給出了提示。

由于 Ethane 是沒有手性的(achiral)，所以第一題只考了一個概念，Newman projection 并沒有太大的意義。而當(dāng)兩個碳上有不一樣的取代基時，那 Newman projection 對二面角的直觀體現(xiàn)就可以幫助我們找到能量最低、最穩(wěn)定的立體異構(gòu)體了。

Methyl butane 就是有手性的一個分子。從上一個小問我們知道， dihedral angle 較小的時候，conformer 的形態(tài)叫做 eclipsed，反之為 staggered。eclipsed 與 staggered 形態(tài)的轉(zhuǎn)換是繞碳-碳鍵旋轉(zhuǎn) 60 度而產(chǎn)生，而 staggered 的能量會比 eclipsed 的能量小。

在這一小問中，從 0 度開始，這張圖中有三個較低的能量點(diǎn) A、C、E，它們對應(yīng)的是 staggered，剩下的就是通過旋轉(zhuǎn) 60 度所得到的能量較高的 eclipsed 形態(tài)。1-6 中，eclipsed 的形態(tài)有 4、5、6，而 staggered 有 1、2、3，所以它們分別對應(yīng) BDF 組和 ACE 組。在 A、C、E 中，A 和 C 的能量是最低的，觀察 1、2、3，不難發(fā)現(xiàn) 1 的結(jié)構(gòu)中，C3（也就是圓圈后的碳）上的甲烷取代基與的 C2（圓圈前的碳）上的兩個甲烷都臨近，而 2 和 3 中只與一個甲烷臨近。

一個甲烷取代基有 4 個原子，所以甲烷是一個比較大的取代基，而甲烷取代基距離較近時，就會產(chǎn)生 steric  repulsion（立體排斥），因此會有比較高的能量。由此，我們可以判斷 2 和 3 對應(yīng)的是 A、C，而  1 對應(yīng)的是能量較高的 E。

同理，在 eclipsed 的三個 conformers 中，4 和 5 都有臨近的甲烷取代基，而 6 的三個甲烷取代基分別錯開，所以 4 和 5 為能量較高的 D 和 F，而 6 是能量較低的 B。所以，我們以 2 和 3 其中一個 conformer 為起點(diǎn)，順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)得到 6，再按照這個方向接著旋轉(zhuǎn)，得到對應(yīng)的 conformer 就可以啦～

這個概念是不是看起來非常復(fù)雜？但其實(shí)，關(guān)鍵的信息，甚至包括 Newman projection 的原理，題目中都有做出解釋。其他的解題也完全可以通過等類推理得出。所以，大家遇到自己沒有學(xué)過的概念，不要害怕，認(rèn)真讀題。

立體化學(xué)是有機(jī)化學(xué)里非常重要的一個部分。蛋白質(zhì)的基本組成分子氨基酸是手性分子。有機(jī)反應(yīng)里，反應(yīng)物間的 steric hindrance（位阻）會影響到反應(yīng)速率。而 stereoselective synthesis（立體選擇性合成）也一直是化學(xué)界里膾炙人口的話題。所以，競賽里出現(xiàn)越來越多對于立體化學(xué)的考察也并不令人感到意外。既然去年考到了 Newman projection，那么今年會不會考到另一種常用的二維形式 Fischer projection 呢？

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想要參賽的同學(xué)們，提醒大家考試時間是 2022 年 1 月 22 日，報名截止日期是 1 月 12 日哦。

同時，競賽所涉及的知識點(diǎn)基本與 AP 化學(xué)/ IBHL 化學(xué)重合，備賽的同時也是在為這兩個科目做準(zhǔn)備。