ukcho化學競賽-立體化學真題答案資源

本期我們一起來看看UKChO 化學學術活動，有機化學相關的另一種題型——立體化學。說到立體化學，其實就是對各種 isomers（同分異構體）的判斷。同分異構體指的是有同樣分子式但結構不同的兩個分子，在其中，又分為 constitutional (or structural) isomers（構造異構體）和 stereoisomers（立體異構體），學術活動中對立體化學的考察就是圍繞各種立體異構體展開的。

立體異構體又分為兩種，diastereomers（構型異構體）和 enantiomers（旋光異構體）。

Enantiomers 是具有軸對稱性（鏡面對稱）的異構體，比如說我們的左手和右手 ， 而diastereomers 則是不具有軸對稱性的異構體。而一個分子軸對稱后假如不能與原分子互相重疊（注意，左手和右手雙掌對合時你是翻轉了其中一只手的，這樣手心手背朝向不同，也不是互相重疊的哦），我們叫這一性質為 chirality（手性）。值得考生注意的是，所有的 enantiomers 都是 chiral 的，而 diastereomers 就不一定了。Chirality是歷年的考點之一，也是有機化學的重點。

比如說在 2020 年的這道真題中，就出到了對 chirality 的考察：兩個小問其實問的都是這幾種 Truxinates 的立體異構體是否有 enantiomers，其實問的就是這些立體異構體是否具有手性。那么如何判斷一個物質是否有手性呢？首先咱們先畫出這個物質的鏡面異構體。四個取代基都在同一個平面上的這個物質在軸對稱后，通過旋轉仍然能夠與原物質重疊，所以它沒有手性，也就沒有 enantiomer。
而三個取代基在同一平面的這兩個物質就不一樣了。這兩個物質在軸對稱后，旋轉也不能夠與原物質重疊，所以它們都是 chiral molecules，也就都有 enantiomers。

第二小問中，題目要求你自己寫出兩個取代基在同一平面上的物質，那么我們通過排列組合，得出了以下幾種：
而這幾種異構體鏡像后，通過旋轉等能夠跟原分子重疊嗎？

而對于 diastereomers，一般考察的都是碳-碳鍵周圍取代基的立體分布情況。其中，順反異構體，也就是碳-碳雙鍵周圍取代基的分布情況通常會通過命名相關的題型來考。而碳-碳單鍵（也就是 sigma bond）旋轉而產生的不同立體異構體，我們稱之為不同的conformers。

為了表達這些三維的 conformers，歷史長河中的兩位化學家提出了這兩種二維的表現方式：Newman projection & Fischer projection 。Newman projection 是把碳-碳鍵放置在垂直于平面的位置。2021年，英國化竟圍繞著不同的conformers，用 Newman projection 出了一系列題目：
首先題目中介紹了 Newman projection 的規則：咱們用圓圈代表碳-碳鍵，圓圈前面是一個碳周圍的取代基，后面是另一個碳周圍的取代基，由此我們可以觀察兩個碳上面取代基之間的 dihedral angle（二面角）。

這個(a)小問其實非常的簡單，因為只考了 eclipsed 和 staggered 的概念，而題目中也給出了 eclipsed 和 staggered 的形式都是什么樣的。而碳-碳鍵每次旋轉 60 度都是 eclipsed 到 staggered 的互相轉換，圖表中 0 度旋轉到 60 度也給出了提示。

由于 Ethane 是沒有手性的(achiral)，所以第一題只考了一個概念，Newman projection 并沒有太大的意義。而當兩個碳上有不一樣的取代基時，那 Newman projection 對二面角的直觀體現就可以幫助我們找到能量最低、最穩定的立體異構體了。
Methyl butane 就是有手性的一個分子。從上一個小問我們知道， dihedral angle 較小的時候，conformer 的形態叫做 eclipsed，反之為 staggered。eclipsed 與 staggered 形態的轉換是繞碳-碳鍵旋轉 60 度而產生，而 staggered 的能量會比 eclipsed 的能量小。

在這一小問中，從 0 度開始，這張圖中有三個較低的能量點 A、C、E，它們對應的是 staggered，剩下的就是通過旋轉 60 度所得到的能量較高的 eclipsed 形態。1-6 中，eclipsed 的形態有 4、5、6，而 staggered 有 1、2、3，所以它們分別對應 BDF 組和 ACE 組。在 A、C、E 中，A 和 C 的能量是最低的，觀察 1、2、3，不難發現 1 的結構中，C3（也就是圓圈后的碳）上的甲烷取代基與的 C2（圓圈前的碳）上的兩個甲烷都臨近，而 2 和 3 中只與一個甲烷臨近。

一個甲烷取代基有 4 個原子，所以甲烷是一個比較大的取代基，而甲烷取代基距離較近時，就會產生 steric ?repulsion（立體排斥），因此會有比較高的能量。由此，我們可以判斷 2 和 3 對應的是 A、C，而 ?1 對應的是能量較高的 E。

同理，在 eclipsed 的三個 conformers 中，4 和 5 都有臨近的甲烷取代基，而 6 的三個甲烷取代基分別錯開，所以 4 和 5 為能量較高的 D 和 F，而 6 是能量較低的 B。所以，我們以 2 和 3 其中一個 conformer 為起點，順時針或逆時針旋轉得到 6，再按照這個方向接著旋轉，得到對應的 conformer 就可以啦～

這個概念是不是看起來非常復雜？但其實，關鍵的信息，甚至包括 Newman projection 的原理，題目中都有做出解釋。其他的解題也完全可以通過等類推理得出。所以，大家遇到自己沒有學過的概念，不要害怕，認真讀題。

立體化學是有機化學里非常重要的一個部分。蛋白質的基本組成分子氨基酸是手性分子。有機反應里，反應物間的 steric hindrance（位阻）會影響到反應速率。而 stereoselective synthesis（立體選擇性合成）也一直是化學界里膾炙人口的話題。所以，學術活動里出現越來越多對于立體化學的考察也并不令人感到意外。既然去年考到了 Newman projection，那么今年會不會考到另一種常用的二維形式 Fischer projection 呢？

不知道 Fischer projection 是啥，怎么考？沒關系。想要了解更多的話記得來找我哦！考試臨近，我為大家準備了個性化刷題沖刺班，專挑你的薄弱項進行強化刷題，預測今年考試范圍，助你沖金摘銀！

想要參賽的同學們，提醒大家考試時間是 2022 年 1 月 22 日，報名截止日期是 1 月 12 日哦。同時，學術活動所涉及的知識點基本與 AP 化學/ IBHL 化學重合，備賽的同時也是在為這兩個科目做準備。

想要了解更多英國化學學術活動有關內容可以掃描二維碼，【免費領取】 UKChO 的歷年真題及解析~

翰林化學學術活動課程體系流程圖

 

翰林化學學術活動課程體系流程圖