有機立體化學

有機化學建立之後，科學家們先後就有機物的結構問題提出了諸多猜測，也形成了幾個很有說服力的理論。有機立體化學便是眾多有機結構理論的一個方面，它主要把有機分子中各個原子在三維空間中的排列形式作為研究對象。

有機立體化學是從人們對有機化合物旋光異構現象的認識開始建立起來的，很早以前人們就已經認識到了無機晶體的旋光性，對有機化合物的旋光性是在19世紀40年代開始研究的。

發現

對有機化合物的這一項研究是從酒石酸旋光異構現象的發現開始的。所謂酒石酸，是指存在於葡萄中的酒石在釀造過程中沉澱出之後經鹽酸酸化得到的物質。發現酒石酸的旋光性是法國化學家巴斯德。

1848年，他研究了19世紀酒石酸鹽的結晶，他發現這些晶體都表現了半個晶面，並且每種酒石酸鹽的半個晶體面都出現在同一個方向。經過分析之後，巴斯德推測酒石酸鹽的半面晶狀可能和它的旋光性有關，因為如果這一現象與旋光性無關的話，其晶態應該是對稱的。

為了弄清楚這個問題，巴斯德又進一步研究了酒石酸銨鈉和葡萄酸銨鈉，發現不僅酒石酸鹽晶體具有半個晶面，而且葡萄酸鹽也有半個晶面。又經過仔細分析，發現酒石酸鹽的半個晶面全部向右，而葡萄酸鹽的半個晶面全部向左，在旋光儀上則分別表現為右旋和左旋。在這上面的實驗中，巴斯德將一個不旋光的物質析解成了兩個旋光的部分，再將這兩個組分沉澱為鉛鹽，用硫酸酸化之後，就得到一個與天然右旋的酒石酸相同的酸，另一個卻是左旋的酒石酸。如果將等量的兩種酒石酸混合，就得到了不旋光的葡萄酸。

乳酸的旋光性

巴斯德推測，右旋酒石酸的原子是組合在一個右向的螺旋上，或者是一個不規則的四面體頂點上，或是它們具有一些其他的非對稱組合。與巴斯德研究酒石酸同時，人們也注意到了乳酸的旋光性。乳酸是從酸牛奶中分離出來的一種有機酸，是一種乳糖經細菌發酵生成的一種產物，又稱為發酵乳酸。

之後，人們又從肌肉的水提取液中得到一種酸性化合物，經過分析其化學組成與乳酸相同，稱為肌肉乳酸。但是經過研究之後，人們發現肌肉乳酸具有右旋光性，而發酵乳酸是不旋光的。從1863年起，德國人威利森努斯對乳酸進行了一系列的研究，到1873年利用合成和降解的方法，終於得到了確切的證據證明了發酵乳酸和肌肉乳酸具有相同的結構。

最後，他得到了這樣的結論，如果分子在結構上等同性質卻有所不同，這一事實是由於原子在空間上有不同的排列造成的。

碳的四面體構型學說

在酒石酸和乳酸等有機物的旋光異構性研究的基礎上，范霍夫於1874年提出了碳的四面體構型學說。范霍夫指出，如果假設組成分子的原子是處於同一平面的，則碳原子的四個從指向四個不同的方向，它們將彼此間相互垂直。依據這個假設，來看甲烷衍生物的異構體，如對於C來說則有三個，這個數目比實際已知的要多。

如果假定碳原子的四個價分別指向四面體的頂點，碳原子居於四面體中心，C的異構體數目就減少為兩個，與事實相符。這樣，范霍夫得出了結論，當碳原子的四個價鍵被四個不同的基團飽和時，所得到的四面體只可能有兩個，其中一個是另一個的鏡像，不可能重合，故而在空間有兩個異構體。

結構的張力學說

1885年，德國化學家拜爾又提出了結構的張力學說，認為在有機化合物中的碳原子位於正面體中心，四個價鍵指向四個頂點，各價鍵形成了109°28′的角度。如果這個角度偏離了則會產生張力，偏離的多少決定著張力大小。由此分析可知，各種碳環中丙烷的偏離度最大，張力亦最大，因此化學性質最活潑；環戊烷中鍵角偏離最小，其張力最小，最穩定。但是，從環已烷開始，按理論應該又有張力出現，然而事實是環已烷的性質更為穩定。可見，張力學說只能適用於三元環及四元環和五元環的有機化合物。

結構的無張力環

在張力學說之後，薩赫斯又於1890年提出了結構的無張力環的概念。他說，在環已烷中，如果成環碳原子不在同一平面上，就可以保持正常鍵角，形成了無張力環。這種無張力環形成之後，有兩種配置方式，一種是對稱的椅型，另一種是不對稱的船型。這一概念在化學中占有重要的地位，但是由於實驗條件不好，用物理方法尚不能測出環已烷確實的立體形象，所以並沒能引起人們足夠的注意。直到1918年，德國人莫爾根據X衍射法得出了金剛石的立體形象，驗證了無張力環學說，這一概念才被人們逐漸接受了下來。

環已烷的結構

挪威人哈塞爾在1943年用電子衍射的方法研究了環已烷的結構，發現環已烷的各個鍵角都非常接近109°28′，又一次從實驗上證實了無張力學說。1950年，英國化學家巴頓在哈塞爾等人的研究成果基礎上，使構象理論進一步發展，提出了甾族化合物的構象，並明確地將構象分析引入有機化學。

有機化學在今天仍然不斷地發展，對於有機化合物，揭示了其內在規律，解釋了諸多化合物的性質來源，具有不可忽視的作用。

異構體、立體構型與生物效應

由於有機物空間構象複雜，其不同的異構體對生物活性有著很大的差異，這對一些藥物及污染物的監測與生物效應評價產生重要的影響，典型的例子是六六六，有七種同分異構體：常用的有α、β、γ和δ等，其中γ和δ－六六六具有急性毒性強的特徵，而β－六六六則急性毒性不強，但慢性毒性作用則較大；α、γ－六六六對中樞神經系統有很強的興奮作用，而β、δ－六六六則對中樞神經系統有抑制作用。可見，同樣的有機物，由於存在著不同的空間構象，其理化性質與生物效應將可能存在較大的區別。一般來說，帶兩個基團的苯環化合物的毒性是：對位>鄰位>間位，分子對稱的>不對稱的。