结构异构体

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简介

结构异构是重要的有机分子特征之一。最早观察到异构现象的是弗里德里希·维勒，在1827年。有机分子中的异构现象决定了有机反应过程中生成产物的性质。异构的概念构成了有机化学的基础，在学习复杂的 有机反应之前必须理解它。异构现象有各种类别。结构异构是异构现象的两大类之一。另一类是立体异构体，它们有专门的化学分支来研究（称为立体化学）。结构异构体是各种重要反应的产物。通常，遵循马尔科夫尼科夫规则、反马尔科夫尼科夫规则或哈拉什效应或过氧化物效应的反应会产生结构异构体的混合物。

什么是结构异构体？

具有相同化学式但原子组成和排列方式不同的异构体称为结构异构体。结构异构的概念有助于构建分子之间的关系。这是为了识别分子性质的差异和相似之处。结构异构体的三维结构有助于理解某些重要反应的区域选择性机制。例如，将氯化氢、溴化氢或碘化氢加到烯烃上可以生成结构异构体作为产物。反应过程中氢键的组成可以帮助确定加成反应的机理。如果卤素原子连接到取代程度更高的位点（或氢连接到氢原子数量更多的碳上），则反应按照马尔科夫尼科夫规则进行。如果卤素原子连接到取代程度较低的位点（或氢连接到氢原子数量较少的碳上），则反应按照过氧化物效应或哈拉什效应进行。

这里，卤素原子连接到取代程度更高的碳上，从而生成 A

这里，卤素原子连接到取代程度较低的碳上，从而生成 B。

A 和 B 是结构异构体。

分子可以具有不同的官能团、官能团位置的差异以及不同的链长。

链异构体或骨架异构体

在比较构成分子框架或骨架的两个分子的键和原子的排列方式时，如果不同，则该异构体被识别为骨架异构。骨架异构是结构异构的一个子类。这种类型的异构现象在较简单的分子（如烷烃）中最为常见。例如，戊烷分子可以有 3 种骨架异构体。正戊烷是戊烷的直链异构体，而异戊烷是戊烷的支链异构体。新戊烷是戊烷的另一种异构体，它有一个碳原子连接到 4 个甲基上。对于无环体系，骨架异构体称为链异构体。

环状体系中骨架异构的一个例子是环戊烷。环戊烷有 5 种环状异构体，它们具有不同的环尺寸。包括环戊烷，环戊烷的骨架异构体是 1-甲基环丁烷、1,2-二甲基环丙烷、1,1-二甲基环丙烷，最后是 1-乙基-1-甲基环丙烷。这种类型的异构体常见于涉及环扩张和环收缩反应的产物中。它也可以在重排反应中观察到，在重排反应中，取代基自身重排以生成更稳定的中间体。

位置异构体或区域异构体

表现出这种类型异构现象的分子通常具有等价的母体框架。化学和物理性质的差异是由于官能团或取代基位置的差异造成的。几乎每种官能团都会表现出位置异构。在庞大的官能团或受限的官能团中可能无法实现。这种异构现象的一个例子可以在戊醇中观察到。戊醇有 3 种位置异构体，即戊-1-醇、戊-2-醇和戊-3-醇。这里存在的官能团是羟基。这三种异构体中羟基的位置不同。在戊-1-醇中，羟基存在于第一个碳原子上。类似地，在戊-2-醇中，羟基存在于第二个碳原子上，而在戊-3-醇中，羟基存在于第一个碳原子上。

位置异构的另一个例子是丁烯。在丁烯中，官能团是双键或 π 键。丁烯有 2 种位置异构体，即 1-丁烯和 2-丁烯。在 1-丁烯中，双键存在于母链的第一个和第二个碳原子之间。在 2-丁烯中，双键存在于母链的第二个和第三个碳原子之间。

官能团异构体

结构异构的这个子类是最重要的。官能团异构经常与位置异构混淆。但需要注意的是，表现出这种类型异构现象的分子与任何其他结构异构体相比，差异最大。这是因为在这种异构现象中，分子中存在的官能团不同。分子的母链的整个框架也可能不同。通常，醛和酮经常作为官能团异构体存在。这种现象的一个例子是丙酮 CH3COCH3，它是一种具有酮官能团的分子。

它是丙醛 (CH3CH2CHO) 的官能团异构体，丙醛是一种具有醛官能团的分子。这两个分子具有相同的分子式，但结构和碳链框架截然不同。这两个分子的物理和化学性质存在明显的差异。通常表现出位置异构现象的另一对官能团是醚和醇。如在醛和酮中观察到的那样，异构体的分子式相同。物理和化学性质的差异是由于存在不同的官能团造成的。乙醇 (CH3CH2OH)，醇是名为二甲醚 (CH3OCH3) 的醚的官能团异构体。

结论

简而言之，结构异构的概念对于理解有机分子的化学和物理性质是必要的。这种实践有助于更好地在工业和研发中应用结构异构体的概念，从而开发出具有实际意义的分子。结构异构分为骨架异构、位置异构和官能团异构。这些子类别中的每一个对于识别某些试剂和分子的区域选择性都很重要，这将有助于开发更好、更安全、更少产生废物的产物合成方法。结构异构是构建有机化学基础知识的基础部分之一。因此，要理解有机化学，就需要对结构异构有深入的了解。

常见问题

1. 分子中的官能团异构可以通过哪种物理方法识别？

分子中的官能团异构可以通过红外 (IR) 光谱法识别。红外光谱法基于分子和原子的振动频率。官能团具有不同的振动模式，因为它们具有由不同连接方式连接的不同原子组。

2. 哪一类异构现象具有相同的原子间连接方式？

与结构异构体不同，立体异构体具有相同的原子间连接方式。它们被细分为对映异构体和非对映异构体。

3. 命名环己烷的结构异构体？

除了环己烷外，其他结构异构体还有 1-己烯、2-己烯、3-甲基-1-戊烯和 1-乙基-2-甲基环丙烷。

4. 如何确定结构异构体？

确定分子中结构异构现象的最佳方法是计算存在的碳原子数和不饱和度。

5. C3H6O 代表结构异构的哪一子类？

C3H6O 代表官能团异构。化学式代表醛和酮。醛是丙醛 (C3CH2CHO)，酮是丙酮 (CH3COCH3)。