第八章 立体化学.doc

第八章 立体化学一学习目的和要求：1掌握偏振光、旋光性、比旋光度。2掌握手性、对映性、非对映性，内消旋体、外消旋体和不对称性等概念。3掌握fischer投影的规则和使用，以及fischer投影式和Newman式，楔形式的转换。4掌握含有一个和二个手性碳原子的手性分子的R/S标记法。5理解对称元素和对称操作，识别指定结构的对称元素。6理解对映异构体理化性质差异及外消旋体的化学拆分原理。7了解构型的D、L标记法及手性在自然界的意义。8了解手性合成、环状化合物的立体异构。9能运用立体化学知识解释烯烃亲电加成反应历程。二本章节重点、难点：手性、对映性、非对映性，内消旋体、外消旋体和不对称性等概念, fischer投影的规则，含有一个和二个手性碳原子的手性分子的R/S标记法, fischer投影式和Newman式，楔形式的转换。引言对映异构现象的发现早在十九世纪就发现许多天然的有机化合物如樟脑、酒石酸等晶体有旋光性，而且即使溶解成溶液仍具有旋光性，这说明它们的旋光性不仅与晶体有关，而且与分子结构有关。1848年巴斯德（L.Pasteur）在研究酒石酸钠铵的晶体时发现，没有旋光性的酒石酸钠铵在一定条件下结晶时可生成外形不同的两种晶体，它们之间的关系相当于右手和左手的关系，外形相似，但不能互相重叠。巴斯德仔细地用镊子将两种晶体分开，分别溶解于水，再用旋光仪检查，发现一种溶液是右旋的，另一种是左旋的。即一种溶液使平面偏振光向右旋转，而另一个溶液以相同的度数使平面偏振光向左旋转。由于旋光度的差异是在溶液中观察到的，巴斯德推断这不是晶体的特性而是分子的特性。他提出，构成晶体的分子是互为镜象的，正像这两种晶体本身一样。他提议，存在着这样的异构体，即其结构的不同仅仅是在于互为镜象，性质的不同也仅仅是在于旋转偏振光的方向不同。对映异构现象是由于分子中的原子在空间的不同排列所引起的。巴斯德的这些观点，为对映异构现象的研究奠定了理论基础。1874年随着碳原子四面体学说的提出，范特霍夫（Vant Hoff）指出，如果一个碳原子上连有四个不同基团，这四个基团在碳原子周围可以有两种不同的排列形式，即两种不同的四面体空间构型。它们互为镜像，和左右手之间的关系一样，外形相似但不能重合。 这种与四个不同的原子或原子团相连的碳原子称为不对称碳原子。通常用“*”号标出。异构现象是有机化学中存在着的极为普遍的现象。其异构现象可归纳如下：对映异构是指分子式、构造式相同，构型不同，互呈镜像对映关系的立体异构现象。对映异构体之间的物理性质和化学性质基本相同，只是对平面偏振光的旋转方向（旋光性能）不同。例如，丁二烯水合得到两种2-丁醇在空间的排列上，可以看出它们是不相同的。可见，这两个异构体是互相对映的，互为物体与镜像关系，故称为对映异构体。对映异构体中，一个使偏振光向右旋转，另一个使偏振光向左旋转，所以对映异构体又称为旋光异构。为什么要研究对映异构呢？因：1天然有机化合物大多有旋光现象。2物质的旋光性与药物的疗效有关（如左旋维生素C可治抗坏血病，而右旋的不行）。3用于研究有机反应机理。8.1 手性和对称因素8.1.1 手性和对称因素1 手性 （以乳酸CH3C*HOHCOOH为例来讨论）乳酸有两种不同构型（空间排列）特征：（1）、不能完全重叠，（2）、呈物体与镜象关系（左右手关系）。物质分子互为实物和镜象关系（象左手和右手一样）彼此不能完全重叠的特征，称为分子的手性。（chirality）具有手性（不能与自身的镜象重叠）的分子叫做手性分子。（chiral molecules)连有四个各不相同基团的碳原子称为手性碳原子（或手性中心）用C*表示。凡是含有一个手性碳原子的有机化合物分子都具有手性，是手性分子。物质具有手性就有旋光性和对映异构现象，那么，物质具有怎样的分子结构才与镜象不能重合，具有手性呢？要判断某一物质分子是否具有手性，必须研究分子的对称性质，下面介绍分子中常见的几种对称因素：对称面（）、对称中心（i）、对称轴（Cn）、更替对称轴（Sn）。凡物质分子在结构上不具有对称面、对称中心或四重更替对称轴，这个物质就具有手性，它和镜象互为对映异构，具有旋光性。1对称面（）：假如有一个平面可以把分子分割成两部分，而一部分正好是另一部分的镜象，这个平面就是分子的对称面（）。如： 分子中有对称面，它和它的镜象就能够重合，分子就没有手性，是非手性分子（Achiral molecule），因而它没有对映异构体和旋光性。2对称中心（i）假定分子中有一点i，分子中任意一个原子以点i为对称点，都能找到与其对称的相同原子，则点i称为分子的对称中心。如：具有对称中心的化合物和它的镜象是能重合的，因此它不具有手性。3对称轴（Cn）假定分子中有一条直线，当分子以此直线为轴旋转360/n后（n为正整数），仍然可以与未转动前的原分子完全重合，这条直线即为该分子的n重对称轴。如：因此，有无对称轴不能作为判断分子有无手性的标准。4更替对称轴（Sn）如果一个分子沿一根轴旋转了360/n的角度以后，再用一面垂直于该轴的镜象将分子反射，所得的镜象如能与原物重合，此轴即为该分子的n重更替对称轴（用Sn表示）。如果旋转的角度为90（360/4），就称为四重更替对称轴（S4）。如： 具有四重更替对称轴的化合物和镜象能够重叠，因此不具旋光性。一般情况下，有机化合物中四重更替对称轴往往和对称面或对称中心是同时存在的。上述化合物就同时存在两个对称面，而且在化合物分子中只具有四重更替对称轴的例子是极少数的。因此在绝大多数情况下，分子中既没有对称面也没有对称中心，与其镜像不能互相重叠，分子便具有手性，也便具有旋光性。8.2 物质的旋光性与比旋光度8.2.1 平面偏振光和物质的旋光性1平面偏振光光波是一种电磁波，它的振动方向与前进方向垂直。在光前进的方向上放一个尼科尔（Nicol）棱晶或人造偏振片，只允许与棱晶晶轴互相平行的平面上振动的光线透过棱晶，而在其它平面上振动的光线则被挡住。这种只在一个平面上振动的光称为平面偏振光，简称偏振光或偏光。2物质的旋光性能使平面偏振光振动平面旋转的物质称为物质的旋光性，具有旋光性的物质称为旋光性物质（也称为光活性物质）。能使偏振光振动平面向右旋转的物质称右旋体，能使偏振光振动平面向左旋转的物质称左旋体，使偏振光振动平面旋转的角度称为旋光度，用表示。8.2.2 旋光仪与比旋光度1 旋光仪测定化合物的旋光度是用旋光仪，旋光仪主要是由一个光源、两个尼可尔棱晶（起偏棱晶和检偏棱晶）、一个盛液管和一个刻度盘组成。其测定原理如下图所示：若盛液管中为旋光性物质，当偏光透过该物质时会使偏光向左或右旋转一定的角度，如要使旋转一定的角度后的偏光能透过检偏镜光栅，则必须将检偏镜旋转一定的角度，目镜处视野才明亮，测其旋转的角度即为该物质的旋光度。2 比旋光度旋光性物质的旋光度的大小决定于该物质的分子结构，并与测定时溶液的浓度、盛液的长度、测定温度、所用光源波长等因素有关。为了比较各种不同旋光性物质的旋光度的大小，一般用比旋光度来表示。比旋光度与从旋光仪中读到的旋光度关系如下。当物质溶液的浓度为1g/ml，盛液管的长度为1分米时，所测物质的旋光度即为比旋光度。若所测物质为纯液体，计算比旋光度时，只要把公式中的C换成液体的密度d即可。最常用的光源是钠光（D），=589.3 nm，所测得的旋光度记为 所用溶剂不同也会影响物质的旋光度。因此在不用水为溶剂时，需注明溶剂的名称，例如，右旋的酒石酸在5%的乙醇中其比旋光度为： = +3.79 (乙醇，5%)。上面公式即可用来计算物质的比旋光度，也可用以测定物质的浓度或鉴定物质的纯度。8.2.3 产生旋光性的原因光是一种电磁波，平面偏振光也是电磁波，它可以看作是由两种圆偏振光合并组成的。它们都围绕着光前进方向的轴呈螺旋形向前传播，其中一种圆偏振光呈右螺旋行，称为右旋圆偏光，而另一种呈左螺旋形称为左旋圆偏光。这两种光互为不能重叠的镜象关系。当偏光经过一个对称的区域时，这两种圆偏光受到分子的阻碍相等，所以它们以相同的速度经过这个区域，因此，合成光仍保持原来偏光的振动平面，不表现出旋光性。一般规定若先沿OE方向传播，从E点向O点看过去，螺旋前进是顺时针时，称为右圆偏振光；反之，为左圆偏振光。倘若偏光遇到的是手性分子（手性分子在左、右圆偏振光中的折射率不同），则左、右圆偏振光通过手性分子的速度不同，因而由它们叠加产生的平面偏振光的振动方向也会改变。平面偏振光通过光学活性介质产生的旋光。由上述讨论可知，旋光产生的根本原因是因为入射光的左、右圆偏振光在手性介质中的传播速度不同。（化学通报，1984年 第6期 p29-30）。如：右旋圆偏光对右旋乳酸的折射率为1.10011，而左旋圆偏光对右旋乳酸的折射率为1.10017。8.3含一个手性碳原子化合物的对映异构8.3.1对映体1对映体互为物体与镜象关系的立体异构体。含有一个手性碳原子的化合物一定是手性分子，含有两种不同的构型，是互为物体与镜象关系的立体异构体，称为对映异构体（简称为对映体）。对映异构体都有旋光性，其中一个是左旋的，一个是右旋的。所以对映异构体又称为旋光异构体。2对映体之间的异同点（1）、物理性质和化学性质一般都相同，比旋光度的数值相等，仅旋光方向相反。（2）、在手性环境条件下，对映体会表现出某些不同的性质，如反应速度有差异，生理作用的不同等。8.3.2外消旋体等量的左旋体和右旋体的混合物称为外消旋体，一般用（）来表示。外消旋体与对映体的比较（以乳酸为例）： 旋光性 物理性质 外消旋体 不旋光 mp 18 对映体 旋光(左和右) mp 53可见，外消旋体没有旋光性，并且在物理性质上与单个的对映体有差异。8.4 对映体构型的表示方法1构型的表示方法对映体的构型可用立体结构（楔形式和透视式）和费歇尔（EFischer）投影式表示，(1)、立体结构式(2)、Fischer投影式为了便于书写和进行比较，对映体的构型常用费歇尔投影式表示：投影原则： 1 横、竖两条直线的交叉点代表手性碳原子，位于纸平面。 2 横线表示与C*相连的两个键指向纸平面的前面，竖线表示指向纸平面的后面。 3 将含有碳原子的基团写在竖线上，编号最小的碳原子写在竖线上端。 使用费歇尔投影式应注意的问题： a 基团的位置关系是“横前竖后” b 不能离开纸平面翻转180；也不能在纸平面上旋转90或270与原构型相比。 C 将投影式在纸平面上旋转180，仍为原构型。 2判断不同投影式是否同一构型的方法： （1）、 将投影式在纸平面上旋转180，仍为原构型。 （2）、任意固定一个基团不动，依次顺时针或反时针调换另三个基团的位置，不会改变原构型。 （3）、对调任意两个基团的位置，对调偶数次构型不变，对调奇数次则为原构型的对映体。例如：8.4.3 构型的标记构型的标记法有多种，过去常用的是D-L标记法，现在广泛采用的是R-S标记法。一 D-L标记法D-L标记法是以甘油醛的构型为参照标准来进行标记的。右旋甘油醛的构型被定为D型，左旋甘油醛的构型被定为L型。构型与D-甘油醛相同的化合物，都叫做D型，而构型与L-甘油醛相同的，都叫做L型。“D”和“L”只表示构型，不表示旋光方向。命名时，若既要表示构型又要表示旋光方向，则旋光方向用“(+)”和“()”分别表示右旋和左旋。如左旋乳酸的构型与右旋甘油醛（即D-甘油醛）相同，所以左旋乳酸的名称为D-()-乳酸，相应的，右旋乳酸就是L-(+)-乳酸。D-L标记法使用已久，对具有一个手性碳原子的分子表示比较方便，但对含有多个手性碳原子的化合物该方法却并不合适。二 R-S命名规则根据IUPAC的建议，对映体中手性中心的构型采用R、S法的命名。判断某一指定构型是R或S，要用到次序规则，在此先做以介绍。次序规则1如果连在手性中心的四个原子都是不相同的，先后次序取决于原子序数，原子序数较大的原子优先，如果两个原子是同一元素的同位素，则质量数较高的原子优先。2如果两个基团的相对次序不能由规则1决定时，可用类似的方法进行第二轮比较，即如果连在手性中心上的几个原子相同时，我们就比较与这几个原子相连的下一级原子，直到所有基团的先后次序都确定为止。在-CH3中下一级原子是H、H、H，-CH2CH3中下一级原子是C、H、H，由于碳原子序数比氢大，因此-CH2CH3较-CH3优先。-CH2Cl的Cl、H、H优先于异丙基的C、C、H。一方虽有两个碳原子而另一方只有一个氯原子，但只要下一级原子中有一个的原子序数大，如氯原子序数大于碳，则次序优先，依次类推。3如果原子团含有双键或叁键时，则当作两个或叁个单键看待，可以认为连有两个或三个相同原子。 R、S命名规则：1 按次序规则将手性碳原子上的四个基团排序。2 把排序最小的基团放在离观察者眼睛最远的位置，观察其余三个基团由大中小的顺序，若是顺时针方向，则其构型为R（R是拉丁文Rectus的字头，是右的意思），若是反时针方向，则构型为S（Sinister，左的意思）。实例：快速判断Fischer投影式构型的方法：1当最小基团位于横线时，若其余三个基团由大中小为顺时针方向，则此投影式的构型为S，反之为R。2当最小基团位于竖线时，若其余三个基团由大中小为顺时针方向，则此投影式的构型为R，反之为S。实例：含两个以上C*化合物的构型或投影式，也用同样方法对每一个C*进行R、S标记，然后注明各标记的是哪一个手性碳原子。例如：8.5 含两个手性碳原子化合物的对映异构从上面的讨论已知，含一个手性碳原子的化合物有一对对映体，那么含有两个手性碳原子的化合物有多少个对映异构体呢？8.5.1 含两个不同手性碳原子的化合物这类化合物中两个手性碳原子所连的四个基团不完全相同。例如： 我们以氯代苹果酸为例来讨论1 对映异构体的数目其Fischer投影式如下：含n个不同手性碳原子的化合物，对映体的数目有2 n个，外消旋体的数目2 n-1个。2 非对映体不呈物体与镜象关系的立体异构体叫做非对映体。分子中有两个以上手性中心时，就有非对映异构现象。非对映异构体的特征：1 物理性质不同（熔点、沸点、溶解度等）。2 比旋光度不同。3 旋光方向可能相同也可能不同。4 化学性质相似，但反应速度有差异。8.5.2 含两个相同手性碳原子的化合物酒石酸、2，3-二氯丁烷等分子中含有两个相同的手性碳原子。同上讨论，酒石酸也可以写出四种对映异构体（3）、（4）为同一物质，因将（3）在纸平面旋转180即为（4）。因此，含两个相同手性碳原子的化合物只有三个立体异构体，少于2 n个，外消旋体数目也少于2 n-1个。内消旋体与外消旋体的异同相同点：都不旋光不同点：内消旋体是一种纯物质，外消旋体是两个对映体的等量混合物，可拆分开来。酒石酸的三种异构体的物理性质见P170表8-2。从内消旋酒石酸可以看出，含手性碳原子的化合物，分子不一定是手性的。故不能说含手性碳原子的分子一定有手性。8.6 外消旋体的拆分 P172173（自学）许多旋光物质是从自然界生物体中获得的。如在实验室中用非旋光物质合成旋光物质（除了用特殊方法-不对称合成Asymmetric synthesis 以外）常得到的多是外消旋体，即左旋体和右旋体各50%的混合物，因此，要获得旋光纯的异构体需要经过拆分（Resolution）。由于对映体的一般物理性质和化学性质都相同（除对旋光性试剂作用外）。因此它们的混合物很难用一般的方法来拆分。最早拆分外消旋体的方法是根据晶体的不同在显微镜下慢慢地用镊子挑选，这个方法不但麻烦，而且亦不能用于液态的化合物，所以被淘汰。后来人们还用过以微生物或酶来破坏外消旋体中的一种对映异构体而达到提纯的目的。但这种方法也不理想。第一，至少要损失一半原料；第二，要加入培养微生物或酶的原料使之后的纯化困难，所以也不大使用了。目前最常用的方法是将外消旋体与一个有旋光性的拆分剂作用，生成非对映异构体，然后利用非对映异构体物理性质上的不同（特别是沸点和溶解度的不同），而将两个非对映异构体分开（通过分馏或分步结晶），最后除去拆分剂恢复到纯粹的左旋体和右旋体。如果外消旋体是碱，则可用旋光性酸如（+）酒石酸，樟脑磺酸等使它变成盐，然后用分步结晶法将它们分开。随着分离技术的进展，近来发现外消旋体可以用播种结晶法和层析法来拆分，前者是利用溶液中对映异构体之间的晶间力不同而达到拆分。后者是利用对映异构体吸附能力的不同而进行分离。尤田耙 编著 手性化合物的现代研究方法 中国科技大学出版社（1993）工业上有些产品用晶种的方法拆分，这是最经济的方法。这个方法是在外消旋体的过饱和溶液中，加入一定量的一种对映体的纯晶体做为晶种，使溶液中该种对映体含量较多，且在晶种的诱导下优先结晶析出。过滤后，滤液就含有过量的另一个对映体，再加入外消旋体制成过饱和溶液，于是过量的另一个对映体就会优先结晶析出。如此反复结晶，就可以将一对对映体，即外消旋体拆分开。例如，100克的DL氯霉素碱和1克的D碱在80C时溶于100毫升水中，冷却到20C，沉淀出1.9克的D碱，过滤后，再加入2克的DL碱到滤液中，加热到80C，冷却后，2.1克的L碱就沉淀出来了。 利用具有光活性的吸附剂，有时用柱层析的方法，也可以把一对光活对映体拆分。一对光活对映体和一个光活吸附剂形成两个非对映的吸附物，它们的稳定性不同，也就是说，它们被吸附剂吸附的强弱不同，从而就可以分别地把它们冲洗出。如，光活性的D-乳糖作为吸附剂可拆分特勒格碱。（邢其毅 上册 p263-264）用生化的方法有时也可以拆分外消旋体。有机体的酶对它的底物具有非常严格的空间专一反应性能。如：合成的DL（外消旋）丙氨酸经乙酰化后，通过一个由猪肾内取得的一个酶，水解L型丙氨酸的乙酰化物的速度要比D型的快得多。因此就可以把DL乙酰化物变为L-（+）-丙氨酸和D-（-）-乙酰丙氨酸，由于二者在乙醇中的溶解度区别很大，可以很容易地分开。（邢其毅 p264）经过拆分后得到某一旋光体的纯度，一般可用对映体过量百分率（%e.e 即percent enantiomeric excess）来计算。8.7 手性合成（不对称合成）（自学）有机合成是对有机化学家创造能力的一种检验。近年来，各种天然产物的复杂结构（多至数十个手性中心）和各种有理论意义化合物的特殊结构都向有机合成化学家提出了新的挑战。对于有机合成，除了在反应条件上要求尽量温和外，在选择性上也要求有化学选择性，区域选择性，立体选择性等。手性合成或不对称合成是指通过一些特殊的合成方法直接得到具有旋光性物质的方法。需要指出的是，手性合成中得到的旋光性物质不一定是单纯的一种手性化合物，在绝大多数情况下都是某个对映体过量（或多或少）的对映体的混合物。一般来说，实现不对称合成的途径有五个：手性底物的诱导 通过底物原有手性的诱导，在产物中形成新的手性中心。很多天然产物的立体控制的全合成，往往选择一个手性的原料出发。如：青蒿素的全合成就是从手性的香茅醛或是手性的异胡薄荷醇开始的。目前常选用的手性起始物有萜类，氨基酸，糖类等。 手性辅助的诱导 在合成的某一个阶段，引入一个手性辅助物，形成局部的诱导，产生一个新的手性中心。如利用手性醇来生成酯或是缩醛、酮，或是利用手性的胺来生成酰胺。这种手性辅助物往往要在反应后除去。 手性试剂的控制 手性催化剂的控制 手性环境的影响 手性环境包括溶剂，相转移催化剂等。 以上各种途径都是利用底物或辅助物的手性，试剂或催化剂的手性。与反应物结合时，形成非对映异构的过渡态。于是对不同面的进攻产生差异，从而产生了反应的对映选择性。 对映体过量百分数（%e.e.） 即enantiomeric excess % %e.e=(R-S) / (R+S)100%=%R-%S %e.e越高，说明产物光学纯度越高，不对称合成选择性越好。 例铑催化的不对称氢化反应 这是美国孟山都公司用以制取治疗帕金森综合的特效药物LDopa的方法。 例钛催化的不对称环氧化反应 这是Baker公司用以制备千毒蛾性引发剂的方法。1980年这种性引发剂每克售价高达一千英镑。而采用不对称合成法后，价格降至每克一百英镑。千毒蛾性引发剂（dispalure）的结构式为： 林国强等从C11端开始利用sharpless不对称环氧化，同时进行了动力学拆分，而后直接利用铜锂试剂进行开环： 参考书：黄耀曾，钱延龙金属有机化学进展化学工业出版社（1987） P28（戴立信）8.8 环状化合物的立体异构 （自学）环状化合物的立体异构现象比链状化合物复杂，往往顺、反异构和对映异构同时存在。如：1,2-环丙烷二甲酸反-1,2-环己二甲酸 两个COOH，可以都在直立键上，也可以都在平伏键上，不论是ee型还是aa型，由于构象转变时未涉及键的断裂，因此它们都是反式，属同一构型。两者比较起来ee型因有较小的空间位阻，所以在平衡中，ee构象占优势，ee型的反式化合物，在分子中无对称面，它和镜象不能重合，因此为手性分子，存在一对对映体。实际上反-1，2-环己二甲酸已拆开成对映体，它们的比旋光度分别为+18.2和-18.2。上面讨论的是环己烷衍生物的构象问题，它是分子在不断热运动中出现的情况。由于构象转变如此迅速，且它不是以造成化学键的断裂，并不影响分子的R、S构型。因此在研究环己烷衍生物的立体异构时，对构象引起的手性现象可以不予考虑，而只要考虑顺、反异构和对映异构，并可以直接用平面六角形来观察，这样仍可得到同样正确的结果。如：顺式和反式1，2-环己二甲酸可用下式表示：存在一对称面，相当于内消旋体，因此不具旋光性。不存在对称面，与其镜象不能重叠，有一对映体，为手性分子，有旋光性。再如：都有对称面，所以都没有对映异构体。8.9 不含手性碳原子化合物的对映异构在有机化合物中，大部分旋光物质都含有一个或多个手性碳原子，但在有些旋光物质的分子中，并不含手性碳原子，如丙二烯型化合物，单键旋转受阻碍的联苯型旋光化合物等。8.9.1 丙二烯型化合物如果丙二烯两端原子上各连接两个不同的基团时：由于所连四个取代基两两各在相互垂直的平面上，整个分子没有对称面和对称中心，具有手性，如： 2，3-戊二烯的对映异构体如果在任何一端或两端的碳原子上连有相同的取代基，这些化合物都具有对称面，因此不具旋光性。8.9.2 单键旋转受阻碍的联苯型化合物在联苯分子中，两个苯环可以围绕中间单键旋转，如果在苯环中的邻位上，即2,2,6,6位置上引入体积相当大的取代基（-NO2，-COOH等），则两个苯环绕单键旋转就要受到阻碍，以至它们不能处在同一平面上，而必须互成一定的角度。整个分子就没有对称面或对称中心，就可能有手性。8.9.4 螺环等其它不含手性碳化合物的对映异构分子不具有对称面和对称中心，（螺环类）有手性，有对映体。分子扭曲类型化合物，分子不具有对称面和对称中心，有手性，有对映体。多个苯环组成的螺芳烃由于环的拥挤导致A环和B环不能共平面，其中之一必然向外跷起来，这种情况也会产生互不重合的镜象异构体。（蔡孟深 p43）下边化合物中，整个分子中不具有对称面和对称中心，为手性分子。（邢其毅 p260）8.