分子的形象、刚柔性和对称性一、分子的形象分子的形象是分子结构体现的一种表观现象。研究有这种现象的物质所具有的特殊物理性质和化学性质的科学，统称为立体化学。少数简单的分子具有二维形象，而大多数有机分子都具有三维形象，也就是呈现立体的形象，因此有机化学习惯使用“立体化学”这一名词。有些化学家建议称这门科学为分子几何学或空间化学等，以扩展研究的对象至整个化学学科，其实“立体化学”这一名称早已用于无机化学和生物化学等其它化学学科。碳原子是一个三维的正四面体结构，当它和四个相同的原子结合时(如甲烷)，四个键的键长以及它们之间的键角都是均等的，为109.5°，但当它结合的原子不同时，键角就偏离了这一正常的角度。键长即使对两个相同的原子，在不同的化合物中，也有所不同。但碳碳单键的键长，除特殊情形外，一般可以保持接近一个常数。键长、键角的变化可以影响分子的其它性质。分子的几何形象对于其化学及物理性质的影响，有时是非常惊人的。以碳原子本身来说，它可以彼此结合形成不同的同素异形体。如无定形炭、石墨、金刚石和近来发现的足球烯，它们的外观分别为黑色粉末至块状、暗灰色片状、无色透明和黄色的晶体。这四个同素异形体，具有完全不同的几何形象，因此也具有完全不同的性质。炭、石墨和金刚石的性质差别是人们熟悉的，足球烯是新发现的，是目前已知最纯的碳，它是一个球状分子，由于它具有特殊的几何形象，已显示出许多特殊的性能，在理论上及工业上都具有重要的前景。分子几何形象的微细差别对自然界及生命现象都起着难以估计的影响。在一个由成千上万个碳原子组成的巨大分子中，有时只要某一个碳原子上的两个原子调换一下，就可能失去它的功能。再以一个不含碳原子的水分子来看分子的几何形象，就更会感到惊奇，如果水分子是一个线形分子，而不是一个具有偶极矩的三个原子成为104°的分子，那末江湖河海在冬季都将成为巨大的冰块，所有水生动植物就会变成镶在冰块中的标本！因此可以毫不夸大地说，绝大多数的生命及生理化学过程，是受分子几何形象控制着的，因此它不仅是有机化学而且也是许多其它有关科学的研究对象。二、分子的刚柔性刚、柔是两个通俗用的形容词，但对分子几何学定性的了解，很有帮助。所谓刚性，并不是分子中各原子彼此之间没有振动，而是它们在分子中的平均位置以及彼此所保持的关系在一般条件下不随意改变。例如乙烷和乙烯在刚柔性上就有很大的差别。乙烷的两个碳原子可以彼此扭转(有时称为‘自由’旋转)，理论上应有无数的构象异构体，但是由于它们彼此间的能垒很低，因此到目前为止，还没有分离出它的构象异构体。乙烯的两个碳原子之间的扭转受到了限制，在适当的温度下，分子可能发生微弱的扭转，但总的说来，四个氢原子保持着大致不变的几何关系，否则就不会有顺、反二氯乙烯这两个不同的分子存在。顺反异构体只在有足够的能量时，才可以使这两者互变。单键和双键之间的旋转能垒差别很大，前者大约是12～36kJ·mol-1，而后者大约是263kJ·mol-1，因此从能量上讲，前者是“柔性”的，后者是“刚性”的。从分子中各原子间的次序和彼此间的空间关系，同样也可以看到刚柔性的问题。在顺、反二氯乙烯中，两个氢和两个氯在空间保持着下列关系，而且不会改变，因此分子是“刚性”的。在乙烷中，多种可能的旋转异构体(构象)，如果是稳定的话，它们也同样保持着一定的空间关系。但是它们彼此间转换的能垒很低，因此分子中各原子间的关系，很不固定，也可以说分子比较“柔软”。为了描述一个分子中各原子的互相关系和形象，我们为这种关系起了两个名字，叫做“构型”和“构象”，所谓构型和构象，都是指分子中各原子和基团在空间的相对位置。一般地讲，构象是同一个分子由于单键的旋转而改变的该分子的各种立体形象，所以一个分子，只要它有可旋转(全旋转或部分旋转)的单键，它就有不同的构象存在。因此，一个分子如果它的形象改变只单纯地包含着单键的这种旋转，则无论如何它的构型是不改变的，这好比人的左右手，在活动时，其形象可以有很大的差别，但无论手怎样改变形象，右手总归是右手，左手总归是左手一样。...