立体异构现象

在立体化学中，原子和官能团在三维空间中具有特定的排列方式，这决定了分子的结构和空间取向。尽管立体异构体具有相同的分子式、结构式以及官能团，但它们之间的区别在于分子内部原子和官能团的三维排列。由于官能团的位置以及分子的几何结构不同，立体异构体在物理性质、化学性质、物理化学性质和生化性质上也存在差异。根据对称性和能量特性，立体异构体可以被分为三类。

构象异构体

几何异构体

马来酸（熔点130°C）和富马酸（熔点287°C）的分子式相同，但它们在官能团的排列方式上有所不同。这两种物质在物理和化学性质上也存在差异。这种类型的异构现象被称为几何异构。

在碳-碳结构中的双键周围，旋转是受到限制的。如果两个原子或基团位于同一侧，它们被称为“顺式”（cis，源自拉丁语“same”）；如果它们位于相对的一侧，则被称为“反式”（trans，源自拉丁语“across”）。在含有双键的环状骨架中，这种立体异构现象被称为“π-立体异构”（π-diastereoisomerism）；而在不含双键的非环状化合物中，则称为“σ-立体异构”（σ-diastereoisomerism）。

光学异构体

根据 Biot 的研究，许多有机和无机化合物在溶液中能够以相反的方向旋转偏振光，但旋转幅度相同。能够旋转偏振光的化合物表现出光学异构性。当分子中至少存在一个不对称碳原子时，就会产生光学异构性。手性碳指的是与四个化学性质不同的官能团相连的碳原子。一个含有一个不对称碳原子的分子可以有两种光学活性异构体。右旋光（拉丁语“dexter”意为“右”）是指使偏振光向右旋转的异构体，而左旋光（拉丁语“leves”意为“左”）则是指使偏振光向左旋转的异构体。尽管这两种异构体是彼此的镜像，但它们不能重叠。对映体是一对彼此对应的结构，被称为对映异构体。对映体没有对称中心或对称平面。例如：



在一个两种对映体以相等浓度存在的混合物中，来自左旋对映体的旋转平面偏振光会被右旋对映体所抵消，因此该混合物没有光学活性。这种混合物被称为外消旋混合物。外消旋形式是通过将一个对映体转化为外消旋形式而获得的。分离是对映体混合物的过程。在一个含有多个不对称碳原子的分子中，该分子的结构式表示可能生成的光学活性对映体的最大数量。

N = 2n

N - 光学活性异构体的数值表示

n - 不对称的碳原子。

在沸点、熔点、溶解度以及平面偏振光的旋转方向方面，对映体是相同的。从化学性质上看，这些试剂、溶剂和反应条件与非手性试剂是相似的。然而，对映体与手性试剂、溶剂及催化剂反应的速率存在差异。由于酒石酸含有两个不对称碳原子，因此它会有四种光学活性形式。



存在形式（I）和（II），它们是完全相同且对称的。这些形式的上半部分是下半部分的镜像。由于内部结构的补偿作用，该分子在光学上是不可见的（即没有光学活性）。中间异构体（Meso-isomers）是性质相同且对称的立体异构体。然而，尽管（III）和（IV）是镜像关系，它们无法重叠。这些形式属于对映异构体（enantiomeric forms）。

如果你将（III）与（I）进行比较，或将（IV）与（I）进行比较，实际上你并没有在比较对映体对。镜像分子是无法重叠的；每个分子都由一个完全相同的部分和另外两个镜像部分组成。立体异构体（如非对映体）彼此之间没有镜像关系，也无法重叠。在物理和化学性质上，它们存在差异，无论是非手性试剂还是手性试剂都是如此。此外，反应速率以及生成的产品也会有所不同。