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手性分子不一定含有手性碳原子。 判断分子是否具有手性的黄金标准是看它是否与其镜像不能完全重叠(即不具有任何形式的反射对称性),而不是简单地检查是否存在手性碳。手性碳只是一个充分但不必要条件。
当氮原子形成季铵盐(或季铵碱)时,它通过四个σ键与四个不同的基团相连,并且自身带有一个正电荷(N⁺)。此时,氮原子是sp³杂化,具有标准的四面体几何结构。如果它所连接的四个基团互不相同,那么这个氮原子本身就是一个手性中心,整个分子就是手性分子。 这与手性碳原子(C*)的原理完全一致。
值得注意的是,普通的叔胺(R₃N:)不是手性的,因为氮上的孤对电子可以快速翻转,导致分子与其镜像可以相互转换。但一旦形成季铵盐,四个键被固定,这种翻转就被阻止了,手性得以稳定存在。
以下是几个具体例子:
1. 经典简单例子:不对称四烷基铵盐
这是最直接类比于手性碳的例子。氮原子上连接四个不同的烷基。
结构: [CH₃ — N⁺ — C₂H₅ — n-C₃H₇ — i-C₃H₇] X⁻ (X⁻为反离子,如Cl⁻, I⁻等)
手性中心: 氮原子(N⁺) 四个不同基团: 甲基(-CH₃)、乙基(-C₂H₅)、正丙基(-n-C₃H₇)、异丙基(-i-C₃H₇)。
说明: 该分子没有对称面和对称中心,存在一对对映异构体。
2. 与生物分子相关的例子:胆碱衍生物
胆碱 [HO-CH₂-CH₂-N⁺(CH₃)₃] 本身不是手性的,因为氮上三个甲基相同。但通过改造,可以轻易得到手性季铵盐。
结构: [CH₃ — N⁺ — C₂H₅ — CH₂-CH₂-OH — CH(CH₃)-CH₂-OH] X⁻ (可以看作一个甲基、一个乙基、一个羟乙基(-CH₂CH₂OH)和一个手性的2-羟丙基(-CH(CH₃)CH₂OH)连接到氮上。
注意,这里的2-羟丙基本身含有一个手性碳,但即使不考虑这个手性碳,仅凭氮原子上连接的四个不同基团,该氮原子本身也构成了一个独立的手性中心。这种分子可能含有多个手性中心。)
更纯粹的例子: 设计一个分子,其氮原子上连接的四个基团都不含手性碳,但彼此不同,例如:[CH₃ — N⁺ — C₂H₅ — CH₂-CH₂-O-CH₃ — CH₂-CH₂-CN] X⁻。 四个不同基团: 甲基、乙基、2-甲氧基乙基、2-氰基乙基。
3. 含芳香环的例子
季铵盐的基团可以包含芳基,使得结构更多样。
结构: [C₆H₅-CH₂ — N⁺ — CH₃ — C₂H₅ — CH₂-C₆H₅] X⁻ (苄基 — N⁺ — 甲基 — 乙基 — 苯乙基) 说明: 这里两个含芳环的基团(苄基 -CH₂Ph 和苯乙基 -CH₂CH₂Ph)在结构上是不同的,因此氮原子仍然是手性中心。
重要概念:不含手性碳的手性季铵盐 最有趣、最能说明问题的是那些分子中完全没有手性碳原子,但氮原子是手性中心的季铵盐。这完美地回答了“手性分子不一定含有手性碳”的命题。
结构示例:

分析: 这四个基团(-CH₃, -C₂H₅, -CH₂-C≡CH, -CH₂-CH=CH₂)彼此完全不同。整个分子中没有一个碳原子连接了四个不同的基团(即没有手性碳),但是氮原子连接了四个不同的基团。因此,该分子是手性的,且手性中心是氮原子。
总结
是的,氮的季铵盐可以具有手性,条件是氮原子上连接四个不同的取代基。
这些取代基可以是烷基、带官能团的烷基、芳烷基等。
存在一类特殊的分子,其不含任何手性碳原子,但含有手性氮原子(季铵盐),这是证明“手性分子不一定含有手性碳原子”的绝佳例证。
这类手性铵盐的对映体拆分和立体化学研究,在不对称合成、药物化学和化学生物学中具有重要意义。
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