如何判断分子的刚性和柔性

1、如何判断分子是否刚性所谓刚性分子就是不存在化学键振动，这是一个理想模型，实际的分子都是非刚性的（任何情况下时刻存在分子振动）。

一些情况下，如果不影响问题讨论，可以将分子看做刚性的。

例如讨论常温下双原子分子理想气体的定容热容量，可以将分子看成刚性分子，尽管事实上仍存在振动，但常温下，绝大部分分子的振动能级不会发生跃迁，对定容热容没有贡献，因此结论与考虑振动相同。

而要计算其内能的绝对值时，就必须要包括分子的振动能了。

刚性分子还有一个意思是指分子构型通常不会变化或难以变化，通常由双键、三键或环结构的稳定性表现，例如烯烃的顺反异构，一般难以互变。

非刚性分子中存在可以较自由转动的sigma键，分子的构象时时在变。

对于长链烃基，构象的变化是复杂的，分子可以呈现多种很不同的形状。

分子的形象、刚柔性和对称性分子的形象、刚柔性和对称性；一、分子的形象；分子的形象是分子结构体现的一种表观现象；分子的几何形象对于其化学及物理性质的影响，有时是；大多数的生命及生理化学过程，是受分子几何形象控制；二、分子的刚柔性；刚、柔是两个通俗用的形容词，但对分子几何学定性的；顺反异构体只在有足够的能量时，才可以使这两者互变；在乙烷中，多种可能的旋转异构体(构象)，如果是稳；(i)，分子的形象、刚柔性和对称性一、分子的形象分子的形象是分子结构体现的一种表观现象。

研究有这种现象的物质所具有的特殊物理性质和化学性质的科学，统称为立体化学。

少数简单的分子具有二维形象，而大多数有机分子都具有三维形象，也就是呈现立体的形象，因此有机化学习惯使用“立体化学”这一名词。

有些化学家建议称这门科学为分子几何学或空间化学等，以扩展研究的对象至整个化学学科，其实“立体化学”这一名称早已用于无机化学和生物化学等其它化学学科。

碳原子是一个三维的正四面体结构，当它和四个相同的原子结合时(如甲烷)，四个键的键长以及它们之间的键角都是均等的，为109.5°，但当它结合的原子不同时，键角就偏离了这一正常的角度。

键长即使对两个相同的原子，在不同的化合物中，也有所不同。

但碳碳单键的键长，除特殊情形外，一般可以保持接近一个常数。

键长、键角的变化可以影响分子的其它性质。

分子的几何形象对于其化学及物理性质的影响，有时是非常惊人的。

以碳原子本身来说，它可以彼此结合形成不同的同素异形体。

如无定形炭、石墨、金刚石和近来发现的足球烯，它们的外观分别为黑色粉末至块状、暗灰色片状、无色透明和黄色的晶体。

这四个同素异形体，具有完全不同的几何形象，因此也具有完全不同的性质。

炭、石墨和金刚石的性质差别是人们熟悉的，足球烯是新发现的，是目前已知最纯的碳，它是一个球状分子，由于它具有特殊的几何形象，已显示出许多特殊的性能，在理论上及工业上都具有重要的前景。

分子几何形象的微细差别对自然界及生命现象都起着难以估计的影响。

在一个由成千上万个碳原子组成的巨大分子中，有时只要某一个碳原子上的两个原子调换一下，就可能失去它的功能。

再以一个不含碳原子的水分子来看分子的几何形象，就更会感到惊奇，如果水分子是一个线形分子，而不是一个具有偶极矩的三个原子成为104°的分子，那末江湖河海在冬季都将成为巨大的冰块，所有水生动植物就会变成镶在冰块中的标本！因此可以毫不夸大地说，绝大多数的生命及生理化学过程，是受分子几何形象控制着的，因此它不仅是有机化学而且也是许多其它有关科学的研究对象。

二、分子的刚柔性刚、柔是两个通俗用的形容词，但对分子几何学定性的了解，很有帮助。

所谓刚性，并不是分子中各原子彼此之间没有振动，而是它们在分子中的平均位置以及彼此所保持的关系在一般条件下不随意改变。

例如乙烷和乙烯在刚柔性上就有很大的差别。

乙烷的两个碳原子可以彼此扭转(有时称为‘自由’旋转)，理论上应有无数的构象异构体，但是由于它们彼此间的能垒很低，因此到目前为止，还没有分离出它的构象异构体。

乙烯的两个碳原子之间的扭转受到了限制，在适当的温度下，分子可能发生微弱的扭转，但总的说来，四个氢原子保持着大致不变的几何关系，否则就不会有顺、反二氯乙烯这两个不同的分子存在。

顺反异构体只在有足够的能量时，才可以使这两者互变。

单键和双键之间的旋转能垒差别很大，前者大约是12～36kJ·mol-1，而后者大约是263 kJ·mol-1，因此从能量上讲，前者是“柔性”的，后者是“刚性”的。

从分子中各原子间的次序和彼此间的空间关系，同样也可以看到刚柔性的问题。

在顺、反二氯乙烯中，两个氢和两个氯在空间保持着下列关系，而且不会改变，因此分子是“刚性”的。

在乙烷中，多种可能的旋转异构体(构象)，如果是稳定的话，它们也同样保持着一定的空间关系。

但是它们彼此间转换的能垒很低，因此分子中各原子间的关系，很不固定，也可以说分子比较“柔软”。

为了描述一个分子中各原子的互相关系和形象，我们为这种关系起了两个名字，叫做“构型”和“构象”，所谓构型和构象，都是指分子中各原子和基团在空间的相对位置。

一般地讲，构象是同一个分子由于单键的旋转而改变的该分子的各种立体形象，所以一个分子，只要它有可旋转(全旋转或部分旋转)的单键，它就有不同的构象存在。

因此，一个分子如果它的形象改变只单纯地包含着单键的这种旋转，则无论如何它的构型是不改变的，这好比人的左右手，在活动时，其形象可以有很大的差别，但无论手怎样改变形象，右手总归是右手，左手总归是左手一样。

但是，有一些化合物，由于外界条件的缘故，例如升高温度(提供能量)，使分子中的某个或某些单键能越过一些障碍而“超常”旋转，就像含双键的顺、反异构体那样，也能发生“构型”的改变。

所以说，在某些特定的情况下，构型和构象没有一个明显的分界线。

在深冷的条件下某一化合物的优势构象也具有颇大的刚性，即失去旋转的能力，这种刚性的构象也可以称它具有一定的“构型”。

讨论下面的四个分子可以进一步帮助了解“分子的刚柔性”这个概念。

(i)，(ii)，(iii)都是六碳原子化合物，但刚性具有很大的差别。

(i)在室温下，应有无数个构象异构体，只有当它固化后，以能量最低的交叉型构象排列成一锯齿形的链。

当这一分子去掉两个氢变为环己烷(ii)后，它的刚性升高，扭转的自由度(柔性)降低。

在室温下，绝大部分是以能量最低的椅型存在，其它的几个可能的构象体，如船型及扭船型等，能量均较高，仅有极少量以过渡态的形式存在。

苯(iii)是环己烷去掉六个氢的产物，六个碳和六个氢在同一平面上，碳碳之间不能扭转，它是一个很“僵硬”的结构。

去甲莰烷(iv)是环己烷的1，4两位去掉两个氢原子后，用一个——CH2——的桥连接起来的分子，更增加了分子的刚性，其中环己烷部分只能以内能较高的船型存在，整个分子仅有这一种刚性很大的构象，同时也可以认为只有这一种构型。

三、对称性及对称因素在宏观世界里，无论是自然界产生的或人为的，都体现出对称性这个重要法则。

宇宙中的天体，都是球形的，是高度的对称体。

许多动植物在表面上看，也是对称的，人体就是一个对称形象，一片树叶、一朵花或一片花瓣，都表现出一种粗略的对称形象。

至于人为的事物及各种创造，也都经常表示出某种的对称，对称思想似乎是一种本能，存在于各个领域内，如建筑、诗文、音韵等，都表现得非常突出。

我国的对联是被对称性控制着的一种创造，上下联要求字数及词类相同(对称)，但不能有相同的字在联中出现，声韵一高一低恰恰相反，这似乎是反对称的。

自然界里有很多与上述情况类似的形象，我们的左右手、足、耳等都有这个特点。

把这些概念用到微观世界的各种分子中，考察它们的对称性以及由此而产生的一系列的物化性质，是非常有意思的问题。

为了表达一个实体或分子的对称性，就需要归纳和辨别对称性的性质和类别。

下面简单介绍与有机化学关系比较密切的对称因素。

1.平面对称因素一个球面形分子，虽和一个宏观的球体不完全一样，但它也具有很高度的对称性，如用一个通过球心的平面把球体分子分成两半，这个平面好象一面镜子，镜外及镜内的(实体与镜象)可以彼此重叠(重叠这一词非常重要，以后要经常使用)，或者说，球的这一半和另一半是完全相同的，球体这一半上的任何一个点都与球体另一半上的某点相对应。

这种能把分子切成实体和镜象两部分的平面称为分子的对称面。

即通过一个镜面的反映操作，检查出了球体的一个对称因素——平面对称因素，用希腊字母б表示。

不难看出，球体有无数个通过球心的平面，而球形分子，如已知的“足球烯”，因受到碳原子结合的方式的限制，其平面对称因素的数目就大大地降低了。

把反映操作运用到其它分子中去，将可看到，许多分子也具有这种平面对称因素。

如水分子就有两个平面对称因素，即通过H，O，H三个原子所在的平面以及通过氧原子并垂直于分子平面的平面。

习题3——1下列化合物有几个对称面？2.简单轴对称因素许多物体或分子还有一种叫做简单轴的对称因素。

这种轴是通过物体或分子的一条直线，以这条线为旋转轴旋转一定的角度，得到的物体或分子的形象和原来物体或分子的形象无法区别。

如球体(不是球体分子)就有无数个通过圆心彼此交叉着的这种轴。

现在一般用Cn代表这种简单对称轴，n表示轴的级，称n重轴。

以这一直线为轴旋转的度数为2π/n。

球体有一个C∞简单对称轴，转任何一个度数都得到和原来无法区分的实体；水分子有一个二重轴，即绕C2轴转动180°(2π；习题3－2下列化合物有无简单对称轴？；3.反射对称因素；另一种对称因素称为反射对称因素，检查是否存在这种；经过两个操作：首先是通过一个轴，将它旋转2π/n；因此分子(i)具有一个n=2(S2)的反射对称轴；具有2级反射对称轴S2的分子都有一个中心对称因素；(v)经旋转转任何一个度数都得到和原来无法区分的实体。

水分子有一个二重轴，即绕C2轴转动180°(2π/n=180°，n=2)，分子的形象与未转动前的形象完全重合，氨分子有一个三重轴，即绕C3轴转120°，分子的形象与未转动前的形象完全重合，有Cn简单对称轴的分子，绕轴转动一周，就有n个形象与原形象无法区分，水有两个，氨有三个，球体有∞个。

如果分子中不含其它对称因素，只有Cn简单旋转轴因素，它们就必定和其镜象不能重叠，因此它们也是手性分子。

许多手性分子都有C2旋转轴，例如L-酒石酸有一个C2旋转轴，它是一个手性分子。

习题3－2下列化合物有无简单对称轴？3.反射对称因素另一种对称因素称为反射对称因素，检查是否存在这种因素时，一般需要经过两个操作：首先是通过一个轴，将它旋转2π/n度，然后用一个垂直于这个轴的镜面反射，如果镜内的镜象和镜外未旋转前的原来实体完全重叠，这个实体或分子就具有一个旋转反射轴，用Sn表示。

下面反应式中，化合物(i)就有一个旋转反射轴S2。