2-丁烯这东西,乍一看挺好办,就是四个碳原子连成一串,中间加个双键呗。但要是想搞清楚它是顺式还是反式,就得先弄明白气味的区别,先得闻那味儿。顺式那个叫 cis,也叫 Z,反式那个叫 trans,也叫 E。别被这字母搞晕了,得先还原结构。 在画结构的时候,画个直线的双键是标准动作,别把碳原子画成圆圈,也别用那种复杂的楔形和虚线去堆砌,要不就你想故意搞抽象。最好办的办法,就把两个甲基当成刷子末子一样夹在中间,连着双键。顺式像坐跷跷板,两个大刷子末子在一边,左右翅膀一个高一个低;反式则像对开伞,两个大刷子末子分居两端,一前一后。
这种对比感得让你脑子里立马浮现出那种立体感,不然光靠名字是认不出的。 说到气味,顺式的那个实际上挺难闻,带着一股刺鼻的橡胶味,实验室里大排长龙去闻都要叫苦,就连能闻到点像烧焦塑料的味道;反式那个就比较香,有点像黄油要么椰子油那种淡淡的辛香。
这就是构型不同带来的直观后果,哪怕你只闻了一下,也能大致区分开它们。
这不只是是命名规则的难题,更是分子形状拍板的。 要是你是在做有机合成,要么预备上考试,得知道顺反异构在反应里有时候能带来意想不到的结局。
比如加氢反应,顺式的那个别看空间位阻小一点,反应可能快一点点,但反式那个出于对称性更好,理论上生成的烯烃可能更好办进行重排或重排反应。
还有立体选择性之类的,顺式异构体往往反应活性更高一点。
这些实际应用数据别看具体,但对于理解构型至关关键。 再讲点结构稳定性,反式的那个一般比顺式要稳定。
为啥?出于反式分子里的两个大基团不在双键同侧,形成了更长的构象空间,能量最低。而顺式那个,两个大基团挤在双键同侧,电子云排斥力大,能量就高一点。
这点在聊聊反应机理的时候挺关键的,有时候为了平衡能量,系统会愿意花点代价去变成反式结构,要么在反应过程中经过一个中间体时,顺式会自动翻转要么重排成反式。 说到数据,略微有点枯燥,但能让理论落地。
比如查表要么看文献,顺式 -2-丁烯在 25 摄氏度时的能量比反式的高大约 2.5 千焦/摩尔左右。
这个能量差别看不算庞大,但在热力学循环里可能是拍板性的因素。
特别是在温度变化比较大的时候,比如从室温升到高温,反式那种能量低的状态会更明显地成为优势构型,这会影响它的溶解度、熔点,就连沸点。顺式这个熔点实际上挺低,出于对称性差,晶体结构不规整;反式那个熔点就高得多,熔点大约在 -105 摄氏度左右,顺式那个是 -139 摄氏度。物理性质的差异别看细微,但在工业分离要么材料应用中简直是天壤之别。 还有啊,顺式的那个分子有手性吗?没有,出于它有一个对称面,就像你照镜子一样,左右两边彻底一样。反式的那个呢?也没有手性中心,可是它本身就是一个偶极矩,这个极性在化学反应里是个关键的矢量。顺式的那个偶极矩贼大,简直和分子总偶极矩重合,故此它好办和极性溶剂形成挺强的偶极 - 偶极相互功能,溶解度也就差;反式的那个别看也有极性,但毕竟是对称的,偶极矩互相抵消了一局部,溶解度就比顺式好得多。 实际上写顺反异构的时候,最费事的就是那个 IUPAC 命名规则。你得先找双键,编号让双键位次最小,然后给每个碳原子编号。1-2-丁烯,双键在 2 位置,这就没难题了。顺式的话,就是两个大基团在双键同侧,反式就是反侧。
要是两个大基团大小不一样,比如甲基和乙基,顺反就不关键,这时候用相对构型规则会更准,像 E 和 Z 标记。但在 2-丁烯这种对称结构里,顺反逻辑好办直接,就是判断一前一后还是同侧。 有时候学生好办混淆顺反和共价键的键级,认定双键就是“强”、“硬”,实际上顺反异构的根源在于双键电子云的刚性,它不准原子绕着轴旋转。一旦旋转,构型就变了,但双键本身是固定的。
这点务必搞懂,不然在写机理的时候,随意换个方向画个箭头,就当作构型变了,那是大忌。 另外,顺反异构在环境效应里也有讲究。顺式结构出于对称性破坏,偶极矩大,故此在光化学反应里,顺式可能更好办吸收特定波长的光形成激发。反式那个偶极矩小,可能吸收谱线比较密集,光谱研究起来有时候更复杂。但在常温常压下,热力学稳定性才是主导,故此反式一般更普遍地存有,要不就被其他因素强制固定住了。 最终总结一下,写顺反异构就是先定骨架,再定位置,然后分两派:一排同侧叫顺,一排对侧叫反。再结合气味、能量、熔点、沸点、偶极矩这些实际数据讲话,利用这些具体特征去解释为啥会有这种异构现象,还有它在自然界和人工合成里扮演着啥角色。
不需求用那些生硬的连接词堆砌,把结构和性质像讲故事一样铺展开来,那种动态的、有温度的叙述,或许比罗列枯燥的公式更能让人记住这个概念。
毕竟,化学的本质就是物质的形态和性质,认定顺反异构只是个死板的命名游戏吗?那还是没把分子立体感摸到骨头里去。 总而言之,掌握顺反异构的关键在于:结构拍板性质,性质反推结构。画出来,闻一下(想象一下),测一下能量,看看素不正经的功能。
这样写出来的东西,既有理论的骨架,又有生活的血肉,应当比那些干巴巴的教科书例句要生动得多,也更符合化学专业的实际思维模式。