Materials Studio学习笔记（十八）——同分异构体建模

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月只蓝的视频内容较为基础，适合初学者入门。

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1 同分异构体的概念和分类

• 基本定义：分子式相同，而结构不同的化合物互称为同分异构体。
• 种类：（1）构造异构体（2）立体异构体

具体分类如下所示：

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1、构造异构体

（1）碳架异构体

碳架异构体主要是分子中的碳骨架不同，例如正丁烷和异丁烷。

（2）位置异构体

位置异构体主要是功能团的位置不同，例如正丁醇和2-丁醇。、

（3）官能团异构体

主要是官能团种类不同，例如甲醚和乙醇。

（4）价键异构体

主要是因为价键分布、几何形状不同。例如苯和杜瓦苯。

2、立体异构体

基本定义：分子中官能团连接次序、键合物质相同，但是空间排布不同的异构体。

（1）构象异构体

主要原因是单键的旋转。

（2）构型异构体

构型异构体又可以分为两类，分别是顺反异构体和旋光异构体。

• 顺反异构体：有双键或环存在，不能自由旋转。
• 旋光异构体：没有反轴（没有S1、S2、S4反轴）

例如：

2 旋光异构体

首先介绍旋光性和手性。

• 旋光性：能使平面偏振光旋转一定角度，该角度即旋光度（但内/外消旋光度为0）。记号：右旋（+）、左旋（-）、外消旋（±）、内消旋：meso。
• 手性：物质与其镜像不能重合的特征，即手性。
• 手性分子：具有手性的分子，即手性分子。手性分子具有旋光性。
• 手性碳：与四个不同集团连接的碳原子，即手性碳原子。

例如下面就是手性碳结构图（图片来源：https://wenwen.sogou.com/z/q143373172.htm）：

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其中实线表示放在屏幕上的键，虚楔线表示屏幕里面的键，实楔线表示伸向屏幕外面的键。

下面介绍绝对构型（R-S构型）

确定方法：（1）将手性碳上四个基团按照顺序从大到小排列标记：R1>R2>R3>R4。（2）将R4放在离眼睛最远的地方，其余三个集团按从大到小方向旋转。（3）根据旋转反向，顺时针：R构型（rectus）‘逆时针：S构型（sinister）。

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顺序规则：按照一定规则对于官能团排出大小次序。

2.1 R-S构型、D-L构型

绝对构型：R-S构型，定义方法：根据手性碳上的四个基团在顺序规则中的先后次序。

相对构型：D-L构型，定义方法：以甘油醛的构型以参照标准来确定的，弊端：无法完全反映官能团的空间排布。

R-S构型、D-L构型和旋光性三者的关系：

旋光性是左旋(-)还是右旋(+)，与其是R构型还是S构型无关；

旋光性是左旋(-)还是右旋(+)，与其是D构型还是L构型无关；

旋光性是左旋(-)还是右旋(+)，实际测试之后才能确定；

绝对构型是R构型还是S构型，与其是D构型还是L构型无关，反之亦然。

建议：使用MS绘制旋光异构体时，根据绝对构型来绘制。

3 绘制同分异构体的思路和步骤

基本思路：照着正确的分子结构式来绘制。

基本步骤：

（1）查询并获取正确的分子结构式。（注意：旋光异构体需获取绝对构型）

（2）比照结构式绘制，对于旋光异构体先绘制实线键、再绘制楔形键；

（3）检查构型正确性。

3 实例演示

（1）第一个实例是构建乙烷分子的重叠构型和交叉构型。

首先再MS软件中绘制乙烷分子，绘制碳骨架，加氢，这是不要点击Clean，此时就是甲烷分子的重叠构型：

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这里将选中右边的甲基，然后点击Display Style，然后将Colong选项栏中间Custom改为蓝色：

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点击home键，然后点击键盘中上下左右键的左键调整为下面的视角，可以看到效果为：

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在这种情况下，可以看到分子是重叠构象。

下面开始做第二种构象，首先选择蓝色部分的原子，然后点击Movement：

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将角度设置为30°：

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点击两下，最终效果如下所示：

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（2） 绘制顺-2-丁烯和反-2-丁烯

首先在屏幕上绘制顺-2-丁烯：

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效果如下所示：

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接着绘制反-2-丁烯，分子式如下所示：

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在MS软件上绘制效果如下所示：

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将这两种同分异构体放置在同一平面上的效果如下所示：

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（3）绘制(S)-(+)-乳酸和(R)-(0)-乳酸

 (S)-(+)-乳酸和(R)-(0)-乳酸的分子式分别如下所示：

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对于实线键来说，可以按照常规放置直接绘制出来，不需要旋转。对于虚楔形键，首先旋转，让键伸向屏幕里面。

首先绘制 (S)-(+)-乳酸的实线：

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首先，点击Movement选项卡，然后将角度设置为Angle为45°：

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 按住左键两次，将画笔换位氢原子：

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选择对应的碳原子，绘制垂直向屏幕内测的H原子，效果如下所示：

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再点击Home键，查看效果：

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  按住左键两次，将画笔换位氧原子，绘制同一个碳原子上绘制氧原子：

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然后加氢，Clean，最终效果为：

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现在要验证(S)-(+)-乳酸的实线是否绘制正确。将中间的碳原子作为中心碳原子。选中中心碳原子，然后点击鼠标右键，点击Label，将羟基设置为R1，这里颜色设置为绿色：

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然后点击Apply，之后将COOH设置为R2，将设置为R3，将H设置为R4：

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点击中心的碳原子，点击Edit选项栏中Atom & Selection，然后将Select  by Properly：

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再点击中心碳原子，加上四个以及选择的原子，点击鼠标右键，然后选择Show only，效果如下所示：

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然后将R4键的朝向调整为指向屏幕内测：

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可以看到从R1、R2和R3是逆时针旋转，说明这个是S构型。

然后开始绘制R构型，可以将上面的R4和R3进行互换，将上面的分子复制到另一个文件中，先删除R3中的C原子：

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然后修改R3和R4的原子：

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最后加氢，Clean。最终效果如下所示：

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 然后需要更改编号，其中甲基的编号要改为R3，氢原子的编号要改为R4。选中原子，然后右击鼠标，点击Label即可。更改之后效果如下所示：

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点击中心碳原子，然后点击Edit选项栏中Atom Selection，然后将将Select in Properly改为Connected，点击Select，之后将中心碳原子也点上，点击鼠标右键，然后选择Show only，最终效果如下所示：

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 将R4移动到指向屏幕内测：

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可以看到R1->R2->R3，可以看出来是顺时针，所以这种类型是R构型。