[科普中国]-不对称碳

不对称碳，也就是手性碳指的是具有不对称型的碳原子，通常用C*表示。一个碳原子要成为手性碳需满足两个条件：该碳原子必须是sp3-杂化，且连有四个不同的基团。

研究历史凯库勒把碳原子的4个价键统统画在同一个平面内，这并不一定是因为碳键确实是这样排列的，而只是因为把它们画在一张平展的纸上比较简便而已。范托夫和勒贝尔则提出了一个三维模型。在这个模型中，他们将4个价键分配在两个互相垂直的平面内，每个平面各有两个价键。描绘这一模型的最好办法，是设想4个价键中的任意3个价键作为腿支撑着碳原子，而第4个价键则指向正上方。如果假定碳原子位于正四面体（4个面都是正三角形的几何图形）的中心，那么，这4个价键就指向该正四面体的4个顶点。因此，这个模型被称之为碳原子的正四面体模型。

现在让我们把2个氢原子、1个氯原子和1个溴原子连接在这4个价键上。不论我们把哪个原子与哪个价键连接，总是得到同样的排列。读者不妨亲自动手试试看。首先，将4根牙签以适当的角度插入一块软糖（代表碳原子）中，这样就有了4个价键，然后将2颗黑橄榄（代表氢原子）、1颗绿橄榄（代表氯原子）和1颗樱桃（代表溴原子）任意插在牙签的另一端。如果你让这个结构的3条腿站立在桌面上，而上方所指的是一颗黑橄榄，那么，3条腿上的东西按顺时针方向依次是黑橄榄、绿橄榄和樱桃。现在你可以将绿橄榄和樱桃的位置交换一下，那么顺序就变为黑橄榄、樱桃和绿橄榄了。如果你想恢复到原来的顺序，你只需将这个结构翻转一下，即使原来作腿的那颗黑橄榄指向空中，而使原来指向空中的黑橄榄立于桌面。这样，3条腿的顺序就又是黑橄榄、绿橄榄和樱桃了。

换句话说，如果同碳原子的4个价键连接的4个原子（或原子团）中至少有两个是完全相同的话，那么，就只能有一种排列方式。（显然，若所连接的原子或原子团有3个或所有4个都是相同的。当然也是这种情形。）

然而，当连接在碳键上的4个原子（或原子团）都不相同时，情况就会发生变化。这时就能够有两种不同的排列方式——一个是另一个的镜像。例如，如果你在朝上的腿上插一颗樱桃，在3条立着的腿上分别插上黑橄榄、绿橄榄和洋葱片。如果你将黑橄榄和绿橄榄调换一下位置，那么按顺时针方向的顺序则依次为绿橄榄、黑橄榄和洋葱片。在这种情形下，无论怎样旋转这个结构，都不能使恢复到调换前的顺序，即黑橄榄、绿橄榄和洋葱片。可见，当碳键所连接的4个原子（或原子团）都不相同时，总是得到两种不同的、互为镜像的结构。读者不妨试试看。

范托夫和勒贝尔就这样揭开了旋光性物质不对称性的秘密。原来使光向相反方向转动的镜像物质的碳原子，其价键连接着4个不同的原子或原子团。这4个原子或原子团有两种可能的排列方式，一种使偏振光右旋，另一种使偏振光左旋。越来越多的证据有力地支持了范托夫和勒贝尔的碳原子正四面体模型。到1885年，他们的理论已得到普遍承认。1

性质1、旋光性：分子的化学结构决定其是否有手性。在有机化合物中，手性分子大多数都含有手性碳原子，所以，一般来说，可以通过判断分子是否有手性碳原子来断定分子是否有手性。含有一个手性碳原子的分子一定是个手性分子，但是含有手性碳原子不一定是一个手性分子。一个手性碳原子可以有两种构型，所以，含有一个手性碳原子的化合物有两种构型不同的分子，它们组成一对对映异构体，一个使偏振光右旋，另一个使偏振光左旋。因有手性碳原子的存在而存在光学异构体。

手性碳的旋光性:为什么有*C原子就可能具有旋光性 这是因为:

(1)一个*C就有两种不同的构型；

(2)二者的关系:互为镜象(实物与镜象关系,或者说左,右手关系).二者无论如何也不能完全重叠。

与镜象不能重叠的分子,称为手性分子。分子的构造相同,但构型不同,形成实物与镜象的两种分子,称为对映异构体(简称:对映体)。

对映体:成对存在,旋光能力相同,但旋光方向相反。二者能量相同(分子中任何两原子的距离相同)。

判断一个化合物是不是手性分子,一般可考查它是否有对称面或对称中心等对称因素。

而判断一个化合物是否有旋光性,则要看该化合物是否是手性分子.如果是手性分子,则该化合物一定有旋光性。如果是非手性分子,则没有旋光性.所以化合物分子的手性是产生旋光性的充分和必要的条件。2

2、对称性:

(1)对称面

把分子分成互为实物和镜像关系两半的假想平面,称为对称面。

(2)对称中心

分子中任意原子或原子团与P点连线的延长线上等距离处,仍是相同的原子或原子团时,P点就称为对称中心。

(3)对称轴

以设想直线为轴旋转360./ n,得到与原分子相同的分子,该直线称为n重对称轴(又称n阶对称轴)。

(4)交替对称轴(旋转反映轴)。

结论:

A有对称面,对称中心,交替对称轴的分子均可与其镜象重叠,是非手性分子;反之,为手性分子至于对称轴并不能作为分子是否具有手性的判据。

B大多数非手性分子都有对称轴或对称中心,只有交替对称轴而无对称面或对称中心的化合物是少数，因此，既无对称面也没有对称中心的,一般可判定为是手性分子。3

应用手性碳原子存在于许多有机化合物中特别是和生命现象有关的有机化合物中。例如：葡萄糖、果糖、乳酸等。3

本词条内容贡献者为:

唐浩宇 - 教授 - 湘潭大学