簡介
互變異構又稱為平衡異構現象,一種特殊的官能團異構,不同官能團異構體能相互快速轉化,處於化學動態平衡。我們有機化合物分子相互快速轉化的現象(或過程)叫做互變異構化。在有機化學研究中是一個非常普遍的現象。一般含有雜原子(如氮、氧或硫原子)的兩個
同分異構體,其結構差異僅在於
質子和相應的雙鍵的遷移。
酮-烯醇互變異構(Keto-Enol Tautomerism)是指因
酮或
醛和
烯醇之間的
化學平衡。酮或醛和烯醇稱為
互變異構體。
酮式-烯醇式互變
酮式-烯醇式互變是指因
酮或
醛和
烯醇之間的
化學平衡。在有機化學中,
酮-烯醇互變異構(Keto-Enol Tautomerism)是指因
酮或
醛和
烯醇之間的
化學平衡。酮或醛和烯醇稱為互變異構體。此平衡出現的原因是,酮和醛等
羰基化合物具有酸性的α-質子,在不同的PH值下進行質子的轉移,形成酮式和烯醇式。所以,烯醇式是酮和醛的一種存在形式,不同的酮在溶液中,有不同的烯醇式含量,可以經由H
核磁共振所測定。一般烯醇式的含量由5%至95%不等,視乎羰基化合物的結構、溫度、溶劑和pH值等。
某些有機化合物的結構以兩種
官能團異構體互相迅速變換而處於動態平衡的現象。例如,乙醯
乙酸乙酯是酮式和
烯醇式的平衡混合物:在
乙醯乙酸乙酯中加入能與酮作用的足夠試劑後,乙醯乙酸乙酯將全部以酮式起反應;同樣,加入足夠量的烯醇試劑後,則能全部以烯醇式起反應。酮式中的活潑
亞甲基由於同時受兩個吸電子的
羰基影響,其氫原子變得很活潑,容易作為
氫離子離開,同時使活潑亞甲基的
碳原子上的電子對發生共軛轉移,負電荷落在內氧原
子上。分子中的兩個羰基的親電子性能不同,酮的羰基親電性較強,氧上容易帶有負電荷,形成
烯醇式結構。酮式和烯醇式迅速互相變換,互為變異構體。這兩種異構體在低溫(-78℃)時互變速率很慢,可將它們分開。此外,還有
環已酮的酮式和烯醇式的互變
異構現象等。
乙醯乙酸乙酯的兩種互變異構體硝基化合物的互變異構
在脂肪族硝基化合物中,由於硝基化合物的強吸電子誘導效應的影響,使α-位上的氫原子變得活潑,因此也存在著與酮-烯醇類似的互變異構現象,即硝基式
假酸式,假酸式也可以看成是烯醇式。如圖所示:
硝基化合物的互變異構對於沒有α-H的硝基式化合物是不能發生互變異構的。
具有α-H的脂肪族硝基化合物,發生互變異物的依據是根據他們既能以硝基化合物進行反應,又可以溶於鹼生成互變異構體的鹽。例如硝基甲烷可以提供α-H與甲醛在鹼性介質中發生羥醛縮合類型的反應:
三羥基硝基甲烷合成的方程式硝基甲烷也可以溶於鹼生成鹽。硝基化合物的互變異構,異構體之間也是以很快的速度互相轉化,一般烯醇化的比例很小,如在硝基甲烷中烯醇式只占1.1×10-7%。
糖的互變異構
D-葡萄糖由開鏈形式形成半縮醛式的環狀結構後,可以得到α和β型葡萄糖兩種構型。當其溶於水時,會發生變旋現象。這種變旋現象是由於α氧環式和β氧環式中間經過開鏈式形成一個互變平衡體系而引起的。如下圖所示:
糖的互變異構新配製的α-D-葡萄糖溶液比旋光度為+112°,而新配製的β-D-葡萄糖溶液比旋光度為+19°,這兩種溶液當他們達到平衡時,都含有約37%的α-D-葡萄糖和約63%的β-D-葡萄糖,因此,他們的平衡時的比旋光度都等於+52°。
其他常見的互變異構化反應
烯胺 - 亞胺烯胺 - 烯胺,例:
磷酸吡哆醛催化的酶反應。
質子轉移互變異構(Prototropic tautomerism)可以看作
酸鹼反應的一種,涉及質子的轉移。
環內互變異構(Intra-annular tautomerism)是質子轉移互變異構的一種,其中質子可以占雜環中的兩個或多個位置,例如:1H-和3H-
咪唑;1H-、2H-和4H-1,2,4-三唑;1H-和2H-異吲哚。