有机分子结构

碳原子的无限可能


在有机化学初期,人们普遍认为有机化合物的化学性质仅取决于其元素组成。1820年后,科学家逐渐发现了一些特殊的有机物:它们具有相同的元素组成,但却表现出不同的化学性质。这说明有机物中原子组合和排列的方式会影响有机物的性质。1830年贝采利乌斯开始用“同分异构体”来命名这类物质。

随着化学元素分析精度的提高和对有机物化学性质的深入研究,化学家发现有机物中存在着一些化学组份固定的基团,如甲基(CH3–),苯基(C6H5–)等。1858年凯库勒提出了四价碳原子理论,即碳原子通过4根化学键与其它原子(包括其它碳原子)相连。这是有机分子结构方面最为重要的理论之一。

1875年,范托夫提出四价碳原子的正四面体模型,并用此模型解释具有镜面对称关系和相反旋光性的对映异构体。从此有机分子立体结构的重要性被广泛接受,立体化学成为化学学科的一个新的分支。

20世纪X射线衍射技术成为化学家研究立体分子结构的强大工具。一系列结构方面的难题终于得到了完美的解决,例如苯环的平面结构和对映异构体结构的绝对确认等。随着X射线衍射技术的发展,科学家可以解析复杂天然产物的三维结构,成为研究这些天然产物生物活性和化学合成的基础。在这方面的一个著名例子是1955年由霍奇金解析的包含181个原子的维生素B12 结构。

上图:苯分子电子密度图。参考文献:Cox, E. G. Rev. Modern Phys. 30, 159 (1958)。


第一行:凯库勒结构式(1861)。 第二行:洛施密特结构式(1861)。 第三行:布朗结构式(1868)。

第一行:凯库勒结构式(1861)。
第二行:洛施密特结构式(1861)。
第三行:布朗结构式(1868)。

有机分子结构式。从1827年开始,科学家认识到一类具有相同元素组成、不同化学性质的有机化合物(同分异构体),说明分子中原子的排列方式可以影响物质的化学性质。随着对有机化合物分子结构的深入了解,科学家开始用结构式表现有机分子中原子排列方式。上图展示了几位科学家在1861-1868年间使用的结构式。再后来,因为诸如甲基、羟基、羧基等基团的结构已经被广泛接受,可以直接用CH3、OH、COOH等表示,于是便有了最为简洁的现代有机分子结构式(上图最下一行)。【绘图依据:Ihde, A. J. The Development of Modern Chemistry (1964)】


第一行前两个:1865年凯库勒苯分子结构式,后面一个:1872年凯库勒苯分子结构式。 第二行从左至右:克劳斯结构式I,克劳斯结构式II,拉登堡结构式I,拉登堡结构式II,阿姆斯特朗结构式。

第一行前两个:1865年凯库勒苯分子结构式,后面一个:1872年凯库勒苯分子结构式。
第二行从左至右:克劳斯结构式I,克劳斯结构式II,拉登堡结构式I,拉登堡结构式II,阿姆斯特朗结构式。

苯分子结构。早在19世纪,化学家就知道苯的分子式是C6H6,因而猜测苯环中应该存在多个碳碳双键。但让当时化学家感到困惑的是,苯并不表现出碳碳双键的化学性质。1865年凯库勒提出了一个单双键交替出现的六元环结构。但是一些化学家并不赞同凯库勒结构式中碳碳双键的存在,因而提出了其它一些可能的结构式(上图第二行)。1872年,凯库勒为了解决早期模型的局限性,提出一个新的模型。他指出苯环中碳原子间的化学键在单键和双键之间迅速变化,因此苯表现出不同于碳碳双键的性质。凯库勒1865年的苯环结构式虽然具有一定局限性,但仍然被当时的化学家广泛采用并沿用至今。【绘图依据:Ihde, A. J. The Development of Modern Chemistry (1964)】

对于苯分子的立体结构,大部分科学家认为苯环是一个平面分子。但也有科学家认为苯环中的碳原子是上下起伏的:三个不相邻的碳原子在上,另外三个在下。直到1928年朗斯代尔通过X射线衍射实验解析了六甲苯的晶体结构(六甲苯在常温下是固体,而苯是液体),才最终证明苯环的平面结构。实验也得到苯环中的碳碳键长约为1.4 Å,介于碳碳单键和双键键长之间。


立体化学。19世纪初期,毕奥发现一些有机物的溶液具有旋光性,可以使通过溶液的平面偏振光旋转。巴斯德系统研究了酒石酸的旋光性,发现了两种化学性质完全相同但旋光性相反的酒石酸(定名为“左旋”和“右旋”酒石酸),并猜测旋光性和有机物内部结构的非对称性有关。1875年范托夫指出有机物的旋光性是因为分子中非对称碳原子的存在。范托夫提出了以碳原子为中心的正四面体模型。当碳原子与处于正四面体顶点的四个不同的基团相连时,所得到的分子将存在与之互为镜像的“对映异构体”(左上图),就像人的左手和右手。而一对互为对映异构体分子具有相反的旋光性。为了普及自己的理论,范托夫还在1877年出版的著作《原子的空间排布》(Die Lagerung Der Atome Im Raume)中提供了制作一对互为镜像正四面体的平面展开图(右上图)。尽管范托夫的理论在当时引发了不小的争议,最终非对称碳原子成为立体化学中的一个重要概念。可是化学家仍然不能确定两个互为镜像的分子结构到底哪个是“右旋”结构,直到1951年比沃特等科学家用X射线衍射实验确定了天然右旋酒石酸的立体结构。让化学家欣慰的是,先前指定的只有50%正确可能的右旋结构与比沃特实验结果是一致的。[绘图依据:van’t Hoff, J. H. La chimie dans l’espace (1875);  van’t Hoff, J. H. Die Lagerung Der Atome Im Raume (1877)]


维生素B12三维结构。1955年霍奇金等科学家发表了用X射线衍射实验解析的维生素B12的三维分子结构(左上图,氢原子没有显示),这是有机化学史上的一个里程碑。霍奇金主要因为这项成果获得1964年诺贝尔化学奖。科学家首次发现维生素B12是在20世纪40年代。维生素B12是一个非常复杂的有机分子,包含181个原子(分子式:C63H88CoN14O14P),其核心是含有一个钴离子的咕啉环。维生素B12三维结构的确定为其化学合成奠定了基础。17年后,经过美国和瑞士科学家的多年合作,终于完成了维生素B12的全合成。这一成就成为有机化学史上的另一个里程碑。【绘图依据:Hodgkin, D. C. et al. Nature 178, 64 (1956);Marino, N. et al. Inorg. Chem. 50, 220 (2011)】


其他主题