立体化学是化学的一个分支，研究分子及其他化学物种中原子的三维排列，以及这种排列所带来的影响。它探讨原子连接方式相同的结构如何在空间上有所不同、分子形状如何变化，以及空间关系如何影响化学行为。其术语适用于有机化学、无机化学和高分子化学。(old.goldbook.iupac.org)
构造、构型与构象
分子的构造规定了哪些原子彼此相连，以及它们之间的键级。立体异构体具有相同的构造，但空间排列不同。因此，它们不同于原子连接方式有别的构造异构体。立体异构现象是同分异构现象的主要形式之一。(old.goldbook.iupac.org)
描述空间结构时，有两个相互补充的概念：
- **分子构型**用于区分差异并非仅在于构象的立体异构体。例如，四面体碳原子上的相反构型，以及碳碳双键周围的不同排列。
- 分子构象描述通过形式上的单键旋转可以实现的空间排列。一个构象异构体对应于分子势能面上一个独立的极小值。(goldbook.iupac.org)
构型常被介绍为不打断化学键就无法改变的排列，但这并不是普遍适用的定义。不同空间形式之间的相互转化可以涉及锥形反转或受限的键旋转等过程。尤其是，阻转异构中的异构体属于构象异构体，由于单键旋转受到足够强的阻碍，可以作为不同的化学物种分离出来。因此，不同空间形式能否在实验中保持可区分，也取决于它们的相互转化速率和观测条件。(iupac.qmul.ac.uk)
手性与立体异构体之间的关系
**手性**是指物体不能与其镜像重合的性质。在判断能否重合时，允许平移和刚体旋转，但不允许镜面反射。互为镜像且不能重合的两种分子形式称为对映异构体。不具有镜像关系的立体异构体称为非对映异构体。这些术语描述的是结构之间的关系，而不是可相互替换、用于指称单个化合物的名称。(iupac.qmul.ac.uk)
一种常见的手性来源，是与四个可区分取代基相连的四面体碳原子。这样的碳原子是一个立体生成中心：交换其中两个取代基，就会产生不同的立体异构体。不过，手性并不限于碳中心。它也可以源于立体生成轴、立体生成面或螺旋排列，以及由其他元素构成的立体生成中心。(publications.iupac.org)
反过来，存在立体生成中心并不保证整个分子具有手性。内消旋化合物是一个同时包含手性成员的立体异构体集合中的非手性成员。即使存在立体生成中心，分子的对称性也可能使其与镜像重合。(iupac.qmul.ac.uk)
在非手性环境中，除了与偏振光的相互作用方向相反之外，对映异构体具有相同的常规物理性质和化学反应性。它们与手性物质的相互作用则可能不同。相比之下，非对映异构体的物理性质和反应性不一定相同，因此，无论在合成还是分离中，区分它们都很重要。(publications.iupac.org)
外消旋体含有等量的两种对映异构体。它不表现出净旋光，是因为两者的旋光贡献相互抵消；这并不意味着其中的分子没有手性。内消旋化合物则不同：其分子结构本身就是非手性的。(iupac.qmul.ac.uk)
表示方法与命名
立体化学结构图能表达普通连接关系图可能遗漏的信息。在楔线表示法中，普通实线表示大致位于绘图平面内的键，实心楔线表示朝向观察者伸出的键，虚线楔线表示背向观察者伸出的键。波浪线键可用于表示未知构型。这些约定必须一致使用，以免无意中指定了错误的立体异构体。(iupac.qmul.ac.uk)
费歇尔投影式用相交的水平线和竖直线表示四面体排列：水平键朝向观察者，竖直键背向观察者。纽曼投影式则沿相邻原子之间的化学键观察分子，特别适合用来比较构象。这些都是三维结构的投影，而不是平面分子的图示。(iupac.qmul.ac.uk)
R/S 与 CIP 体系
卡恩—英戈尔德—普雷洛格规则通常简称为 CIP 规则，为排列取代基的优先次序和指定立体化学描述符提供了一套系统方法。对于简单的四面体中心，首先根据原子序数确定优先次序；若相同，则需沿取代基向外逐层比较，而同位素按质量数排序。当优先次序最低的取代基背向观察者时，从第一优先级到第二、再到第三的顺序若为顺时针，则指定为 R；若为逆时针，则指定为 S。更复杂的结构需要使用扩展的顺序规则。(iupac.qmul.ac.uk)
R 和 S 描述的是构型，而不是物质使偏振光旋转的方向。旋光方向需通过实验测定，并在规定条件下用 (+) 或 (−) 表示。R/S 与这些正负符号之间不存在普遍的对应关系。(iupac.qmul.ac.uk)
E/Z、顺/反与 D/L
对于双键两端的每个碳原子都连有两个可区分取代基的烯烃，Z 表示优先级较高的取代基位于同侧，E 表示它们位于相对的两侧。优先次序由 CIP 体系确定。**顺（cis）与反（trans）**用于描述适用的双键、环状和配位结构中基团的同侧或异侧关系，但其含义取决于所比较的是哪些基团。E/Z 描述符不用于表示环上取代基之间的关系。(iupac.qmul.ac.uk)
D/L 体系尤其常用于糖类和氨基酸，表示相对于甘油醛衍生的参照结构的构型关系。D 和 L 不分别等同于右旋和左旋，也不能普遍替代 R 和 S。(iupac.qmul.ac.uk)
构象分析
**构象分析**研究构象异构体的结构、相对稳定性、相互转化和化学行为。分子通常并不只有一种固定不变的形状：键的旋转以及键角的协同变化可以产生多种能够达到的排列。吸引和排斥相互作用有助于决定哪些排列更有利。(nobelprize.org)
常见的构象描述包括相邻原子周围的交叉式和重叠式排列，以及环的椅式、船式或扭曲式构象。环己烷的椅式翻转展示了构象与构型之间的区别：环翻转会使取代基的直立键位置和平伏键位置互换，但不一定改变其构型。(iupac.qmul.ac.uk)
构象分析将分子几何结构与反应性联系起来。某种空间排列可能有利于或阻碍反应物接近反应位点，而电子轨道的相对取向可能有利于特定的转化。这些立体电子效应不能仅归结为取代基的大小；它们取决于原子核几何排列与电子结构之间的关系。(nobelprize.org)
反应与合成中的立体化学
以下两个术语区分了化学反应的不同方面：
- **立体选择性**是指一种立体异构体比另一种更优先生成。对不同对映异构体的生成偏好称为对映选择性；对不同非对映异构体的生成偏好称为非对映选择性。
- **立体专一性**描述这样一类反应：仅在构型上不同的起始物，生成互为立体异构体的产物。它关注的是反应物与产物构型之间的关系，而不只是某种产物占比很高。(iupac.qmul.ac.uk)
**不对称催化**利用手性催化剂，使某一种对映异构体优先生成。由于催化剂能够连续影响多次反应过程，这种方法可用相对少量的手性催化剂，制得相当数量的对映体富集产物。它是制备具有明确立体化学结构的化合物的重要方法。(nobelprize.org)
拆分则是将已有外消旋体中的对映异构体分离开来。它在概念上不同于选择性合成，后者是在产物形成过程中就使各产物的比例不相等。(iupac.qmul.ac.uk)
对映异构体混合物的组成可以用对映体过量表示：
其中， 和 是两种对映异构体的物质的量。外消旋体的 ee 为 0%，只含一种对映异构体的样品，其 ee 为 100%。这个数值本身并不能说明哪一种对映异构体占优势。(old.goldbook.iupac.org)
生物化学、无机化学与高分子化学
生物系统中存在手性分子和手性结合环境。因此，即使两种对映异构体在非手性环境中的常规性质相同，它们与细胞组分的相互作用也可能不同。这使立体化学成为分子识别和药物化合物表征的核心内容；仅凭分子的连接关系，无法推断其生物活性。(nobelprize.org)
在配位化学中，中心原子周围配体的排列可以产生几何异构和光学异构。在适用的平面正方形和八面体结构中会出现顺/反关系，而 Δ 和 Λ 则用于区分适用配位络合物中方向相反的螺旋排列。(old.iupac.org)
对于聚合物，立体化学包括沿分子链排列的构型序列。**立构规整性**用于区分等规、间规和无规等序列排列。在聚丙烯中，具有立构规整性的等规和间规形式比无规形式具有更高的结晶性，说明构型的有序程度能够影响材料的宏观性质。(media.iupac.org)
实验证据与解释的局限
旋光测量能够提供样品与偏振光相互作用的证据，但不能单独确定绝对构型。光学纯度，即样品旋光度与纯对映异构体旋光度的比值，在概念上也不同于根据组成计算的对映体过量。(iupac.qmul.ac.uk)
X射线晶体学能够确定分子的几何结构；在获得适当的反常散射信息时，还能确定绝对结构，并为绝对构型的指认提供依据。不过，对一块晶体进行的测定所表征的是该晶体本身：要将这一指认推广到整批样品，必须有证据证明该晶体能够代表整体材料。(journals.iucr.org)
同样，立体化学标记也不能完整描述分子的行为。构型描述符标明的是一种空间关系，而不是相互转化速率、构象分布或生物活性。可分离的阻转异构体和快速相互转化的构象异构体说明，必须区分结构与分子动力学行为。(iupac.qmul.ac.uk)
历史发展
1848 年，路易·巴斯德分离出两种互为镜像的酒石酸盐晶体，并发现它们的溶液使偏振光向相反方向旋转。这一发现将晶体的手性与溶解状态下化学物质的行为联系起来，成为立体化学的一项奠基性观察。(cen.acs.org)
1874 年，雅各布斯·亨里克斯·范特霍夫提出，碳的四个价键指向四面体的顶点。这一空间模型为理解不对称碳原子提供了结构基础，并成为有机化学的基础之一。(nobelprize.org)
1951 年，约翰内斯·马丁·拜voet及其同事利用 X 射线反常散射确定了绝对构型，取得了一项重大实验进展。这使人们能够将分子的手性与实验确定的空间排列联系起来，而不再仅仅依赖约定的参照指认。(journals.iucr.org)
20 世纪的发展使立体化学从构型分类扩展到构象行为和立体控制合成。德里克·巴顿和奥德·哈塞尔因构象研究获得了 1969 年诺贝尔化学奖；2001 年的该奖则表彰了威廉·诺尔斯、野依良治和 K. 巴里·夏普莱斯开发的催化不对称氢化与氧化方法。(nobelprize.org)
参考来源
- Basic Terminology of Stereochemistry — Introductioniupac.qmul.ac.uk
- Basic Terminology of Stereochemistry — R and Siupac.qmul.ac.uk
- Basic Terminology of Stereochemistry — D and Eiupac.qmul.ac.uk
- Basic Terminology of Stereochemistry — F to Miupac.qmul.ac.uk
- Basic Terminology of Stereochemistry — N to Qiupac.qmul.ac.uk
- Nomenclature of Organic Chemistry — Chapter P-9iupac.qmul.ac.uk