Question

化学竞赛题，求化学高手解答

已知每个手性碳原子具有一对旋光异构体，也称对映异构体，化合物环氧丙烷，分子中有a中化学环境不同的氢原子如果用氯取代分子中的氢原子，生成的一氯代物可能有b种，那么a、b分别是？
答案是4和8，怎么看？
环氧丙烷结构

Answer 1

1、考虑到环氧丙烷有一个手性碳有一对映体，因此氢原子有四种，如图1框

2、氯原子取代在2位的氢，此时分子只有一个手性碳，因此有两种结构（一对映体）如图2框

3、氯原子取代在3位的氢，此时分子只有一个手性碳，因此有两种结构（一对映体）如图3框

4、氯原子取代在1位的氢，此时分子只有2个手性碳，因此有四种结构（2对映体）如图4框

追问

非常感谢你的回答，有图很好说明问题。
一个用虚线表示在平面里，一个用实线表示在平面外，是不是到中心氧的化学位移不同，因而亚甲基上的氢不等效？
那我想请问化学位移怎么看？你那说的对映异构是顺反异构吧，怪不得我一直以为是手性异构。
满意我加到100分。

追答

化学位移的产生源于不同的原子核在不同的化学环境下能在核磁共振实验检测中检测出不同的吸收峰,而所谓的吸收峰产生的原因在于不同环境下的氢质子受到的屏蔽效应不同
影响化学位移大小的本质原因在于能够激发氢原子所需最低能量的不同，凡是能够改变激发最低能量大小的因素都可以影响化学位移，通常有：空间化学环境、溶液环境、电磁环境等重要因素。其中化学空间环境的不同是最主要因素，经常被用来测定有机化学物质的结构（通过测定不同化学环境的氢质子的数量，能排除某些可疑的异构体，从而得到更真实的测量结果）。

追问

那等效氢是不是化学位移相同的氢？

追答

等效氢化学位移相同的氢，但立体异构(diastereotopic)氢。它们的化学环境不同,核磁化学位移不同
具体参考：http://wenku.baidu.com/view/7e0ef7d026fff705cc170a28.html

追问

解答我明白了，最后再问一道题目本身的问题：为什么每有一个手性碳原子，就有一对旋光异构体？

追答

一个手性碳有一对旋光异构体，一个分子有n个手性碳有2^n个旋光异构体
一个手性碳原子，与它相连接的原子或原子团两个互换偶数次，就能产生两种不同的物质，就象物体照镜子一样，旋光度数值相反

追问

那不是顺反异构吗？

追答

顺反异构产生的原因是因为双键的刚性，无法转动导致的，或者是由于环的两侧导致的。由于双键中π键的存在使得双键无法像单键那样沿着轴旋转，所以两种构型不能通过分子自身运动而互相转变，所以它们是两种物质。事实上这两种物质都是可以被分离出来，而且物理性质和部分化学性质也有所不同。
旋光异构现象主要是由于有机物中存在手性碳原子，典型的手性碳原子就是就是连接有四个不同官能团的碳。比如乳酸分子就存在一个连接有羧基、羟基、甲基和氢的碳。所以乳酸具有一个手性碳原子，也就有两个旋光异构体，两个旋光异构体是互为镜像，但是无法重叠，好比你的左右手完全相同但是无法重叠。旋光异构体还可能存在很多情况，没有手性碳原子也可能存在旋光异构体。
两者并没有严格的界限，有点物质两者都有，有的只有一种

Answer 2

你看可以这么理解题意么——
每个分子中有4种H，
取代后的一氯代物乘2共8种

……只能这样

Answer 3

三元环上的CH上1种H，甲基上有1种H，注意三元环上的CH2上有2种H，因为环平面是不能转动的，所以就有4种H了。
一取代就是4种，但是这4个都有一对旋光异构，所以一共是8种了。

追问

和环上的碳相连的氢与环上的碳形成的键不能旋转吗？

追答

是的，因为环平面固定了，就限制了这2个H一个在环平面的上面，一个在下面。
如果是环氧乙烷，没有那个甲基，那么这个平面是对称的，这2个H是相同的，但是现在多了1个甲基，所以这个平面就不对称了。
再简单讲，就是，一个是顺式的，一个是反式的。

追问

好，4个位置的氢懂了。

那下面如果我用氯取代这个碳上的氢，岂不是又多了一个手性碳，那这样的话就不知两个旋光异构体了吧？

见图，

追答

不需要这样考虑，这样就会出现2个手性碳，会对你的分析带来干扰，有可能出现重复的结构。

你可以这样分析，当一取代之后，所得到的分子没有对称面，因此就是手性分子，就会有1个对映异构体。
这样就简单了，你得到的4个取代产物都没有对称面，所以各自存在一个对映异构体，也就是旋光异构体，所以一共就是8个了。

Answer 4

甲基中的碳原子在四面体的中心，而三个氢原子在底面的等边三角形的三个顶点上，所以这三个氢是一样的，在环状结构中，右边的碳有一个氢，左边的碳上有两个氢，这两个氢的空间位置不一样，所以一共有四种不同的氢。
在氯取代氢以后，会有原子间的相互作用，使氯原子处在每一个氢的位置上的时候都有前后两种构象，所以有8种

追问

为什么左边碳上两个氢空间位置不一样
？

追答

左边的碳原子与氧原子和右边的碳原子链接，因为氧和碳的核电子数不同，电子排列顺序也不一样，它们与碳原子结合的化学键长度不相同，而左边碳原子上的两个氢离这两个原子距离不相同，所以这两个氢原子在空间上的位置不同

Answer 5

我补充你追问的问题，八种应该是空间立体化学中，不同构型。一般分两种，l型和e型，两个是能量不同扭转变化的，就如e型是取代基与环氧键不在一个平面内，其能量较低。不过如果其他人有不同意见也可以听听，介个是我的个人理解