有机化学：chapter-08 立体化学（Stereochemistry）

1、1,立体化学 研究分子三维结构以及与三维结构相联系的特殊物理性质、化学性质和生物活性的科学,同分异构现象 具有相同的分子式而拥有不同的分子结构，因而也拥有不同物理、化学性质,第八章 立体化学（Stereochemistry,2,一、同分异构体的分类,具有相同的分子式，但具有不同结构的化合物互称为异构体,对映异构 旋光异构,同分异构主要分为两大类：构造异构和立体异构,3,构造异构类型,构造异构：指具有相同的分子式而分子中原子间键合的顺序 或/和方式不同而产生的不同的分子结构,4,A. 构象异构,定义：由于单键旋转而引起的原子在空间的相对位置不同。 不同的构象异构体在稳定性上存在着差异，较稳定的构

2、象占有较大的比例，一般在室温下可互相转化； 不同的异构体在性质上存在着差异，化学反应的发生总是在某一特定的构象下进行，这是研究分子构象的意义所在,立体异构,分子中的原子或原子团互相键连的方式和连接的次序相同，但在空间的相对位置不同而引起的异构。根据引起的异构的方式不同分为构象异构和构型异构,5,B. 构型异构,定义：不是由单键旋转引起的，而是分子本身固有的或在化学反应过程中形成的原子在空间上的相对位置不同,定义：由于共价键的旋转受到阻碍而产生的原子在空间排布 的位置不同，通常是由双键或环结构引起,顺反（几何）异构,不同的异构体的转化，必须经过化学键的断裂和再生，即通过化学反应才能实现,不同的构

3、型异构体在（某些）性质上存在着差异，其形成由 所经历的特定反应途径（机理）决定,构型异构常分为: 顺反(几何)异构和光学(旋光、对映)异构,6,二. 旋光异构、手征性与分子对称性,1. 旋光异构,光是一种电磁波，朝各个方向振动且光波的振动方向与光的传播方向垂直。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,普通光经过Nicol棱镜，可产生仅在一个平面上振动的光 平面偏振光,平面偏振光,7,旋光仪、旋光度、比旋光度,旋光性物质：能使偏振光偏振面偏转的物质,旋光度：使偏振光偏振面旋转的角度，用表示,旋光性：使偏振光偏振面旋转的能力，用比旋光度表示,旋光方向：右旋（+）; 左旋（,8,光

4、学(旋光、对映)异构的发现,1848年，巴黎大学教授Lowis Pasteur从酒石酸钠铵晶体中分离得到一对互为镜像关系的晶体,光学(旋光、对映)异构 结构组成与原子间成键方式和排列顺序相同，仅是空间相对位置不同且互为不能重合的实物与镜像关系的异构现象；它们各自均可使偏振光振动平面发生偏转，且方向相反，偏转程度相同；互称为光学（旋光、对映）异构体,9,2. 手性中心与手征性,若分子中的某一原子（通常是碳）上连接有四个不同基团时，该四个基团在空间可有两种不同的相对排列位置，构成一对异构体，两个异构体互成不能重合的实物与镜像的对映关系,这样的对映异构好似人的左手和右手的关系，互为镜像但不能重合，故

5、把这种实物和镜像对映却又不能重合的现象称为手征性，简称手性；具有手（征）性的分子叫手（征）性分子；连有四个不同基团的中心原子称为手性中心，手性中心是碳原子称为手性碳。手性分子具有旋光性,注意：任一化合物都有镜像，但多数化合物的实物和它的镜像结构都是能够重合的。如果结构上的这种实物和它的镜像能够重合，则它们就是同一物质，因而是非手性的，没有对映异构，也不是对映异构体,10,对映异构体的性质差异,一个可使平面偏振光向右旋，称为右旋体；另一个可使平面偏振光向左旋，称为左旋体。二者使平面偏振光旋转角度相同。因此叫做对映异构、旋光异构或光学异构,特 点： 1 结构：镜影与实物关系； 2 能量：内能相同；

6、 3 物理性质和化学性质在非手性环境中相同，在手性环境中有区别； 4 旋光能力相同，旋光方向相反,呈现实物与镜像的不重合性是产生对映异构现象的充分必要条件,11,3. 分子的手性和对称性,对称因素,分子的手性由分子的对称性所决定,1). 对称面 ： 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像，则这个平面就是分子的对称面,12,2). 对称中心 若分子中有一点，通过该点画任何直线，如果在离此点等距离的两端有相同的原子，则该点称为分子的对称中心,13,3). 对称轴 以设想直线为轴旋转360。/ n，得到与原分子相同的分子，该直线称为n重对称轴(又称n阶对称轴,4). 四重交

7、替对称轴(旋转反映轴) 如果一个分子沿轴旋转90，再用一面垂直于该轴的镜子将分子反射，所得的镜像如能与原物重合，此轴即为该分子的四重交替对称轴(用S4表示)。（交替有时也称之为更迭,C2,镜面,14,结 论： A.有对称面、对称中心、交替对称轴的分子均可与 其镜象重叠，是非手性分子；反之，为手性分子； B. 对称轴并不能作为分子是否具有手性的判据； C.大多数非手性分子都有对称轴或对称中心，只有 交替对称轴而无对称面或对称中心的化合物是少数； D.手性分子具有光学活性,所以，对于那些既无对称面也没有对称中心的分子，一般可判定为是手性分子,15,判别手性分子的依据,有更迭对称轴 无手性,旋转+反

8、射,更迭对称轴(Sn) (或旋转反射轴,有对称中心 无手性,倒反 （反演,对称中心(i) （或反演中心,不能作为区别 手性的依据,旋转,对称轴(Cn,有对称面 无手性,反映（射,对称面（,判别手性的依据,对称操作,对称元素,16,三、含手性碳原子的旋光异构,乳酸含有一个手性碳原子，有手性，具有旋光性，有一对对映体； 发酵得到的乳酸是左旋的，其比旋光度为3.8o； 肌肉运动产生的乳酸是右旋的，其比旋光度为 + 3.8o； 从酸奶中得到的乳酸无旋光性，它是等量的左旋乳酸和右旋乳酸的 混合物，称外消旋体(常用或dl表示)。外消旋体是混合物,1. 含一个手性碳原子的旋光异构,等量混合 （外消旋乳酸,1

9、7,立体结构,锲形式,投影式,Fischer投影式,构型的表示法 Fischer 投影式,约定 在投影时，与手性碳原子横向相连的两个键伸向前方，而竖向的两个键伸向后方，交叉点为手性碳原子,18,Fischer 投影式的操作： (1) 不能离开纸面翻转。可以沿纸面旋转180，但不能旋转90或270； (2) 基团两两交换次数不能为奇数次，但可以是偶数次,19,旋 转,旋转180o则构型保持不变,旋转90o则构型改变,20,将投影式中与手性碳相连的任意两个基团对调, 对调一次或奇数次则转变成它的对映体；对调二次或偶数次则构型保持不变,如果固定某一个基团，而依次改变另三个基团的位置，则构型不变,两个

10、基团,两个基团,21,手性中心构型标记,构型是指立体异构体中心原子周围四个不同取代基在空间排列的相对位置。可给手性中心原子一特殊符号来标记取代在空间的相对位置构型标记,Fisher选择甘油醛为标准，约定羟基在右边的为右旋，定为D构型，羟基在左边的为左旋的甘油醛，定为L构型。 以甘油醛为基础，通过化学方法合成其它化合物，如果与手性碳原子相连的键没有断裂，则仍保持甘油醛的原有构型,D / L标记法,22,R / S标记法,1. 将与手性碳原子相连的四个原子或原子团按优先顺序规则排序，如 a b c d,2. 把最小的基团d放在最远离观察者的位置，其余三个基团指向观察者，沿着C*d的方向、按从大到小

11、的优先顺序观察a、b、c三个基团的排列方式，顺时针排列则构型为R（rectus），逆时针排列构型为S（sinister,R/S标记分为两步,R,S,23,基于Fisher投影式判断R、S构型,顺序最小的原子(或基团)在竖线上, 顺时针排列为R构型, 逆时针排列为S构型。 顺序最小的原子(或基团)在横线上, 顺时针排列为S构型, 逆时针排列为R构型,24,D,L标记的是相对构型，R,S标记的是绝对构型,无论是D,L还是R,S标记方法，都不能通过其标记的构型来判断旋光方向； 旋光方向是化合物的固有性质，而对化合物的构型标记只是人为的规定； 仅从化合物的构型还无法确定其旋光方向，必须通过实验来确定,

12、R/S标记用来表示手性中心原子的构型比较明确，符合系统命名的要求，缺点是不能反映异构体之间的联系，同时在许多情况下，即使保持手性中心构型不变的情况下进行反应，其产物的R和S构型也可能发生了改变,R-1-溴-2-丁醇 S-2-丁醇,注意,25,2.含两个手性碳原子化合物的对映异构,异构体数目 2n = 22 = 4 （n：手性碳原子数目,对映关系： 与 ； 与IV； 对映异构（体） 非对映关系： 与、 与、与 、与； 非对映异构（体,优先顺序,26,1和2，3和4互为对映关系，呈镜影关系的旋光异构体为对映异构（体）； 1和3或4不能重合，也不是镜像关系，但相互间是立体异构，这种不是实物与镜像关系

13、的旋光异构称为非对映异构（体）； 非对映异构体具有不同的旋光能力，不同的物理性质和不同的化学性质,对映异构（体） 、非对映异构（体,内消旋体(meso)、外消旋体（dl,1) (2) (3) (+)-酒石酸 (4) (-)-酒石酸,对映异构等量混合得到没有旋光的混合物，称外消旋体,分子内含有手性中心但又具有平面对称性因素的没有旋光性的立体异构体称为内消旋体,27,差向异构体,两个含有多个不对称碳原子的异构体，如果其中只有一个不对称碳原子的构型不同，则这两个旋光异构体称为差向异构体；如果构型不同的不对称碳原子在链端，称为端基差向异构体；其它情况，分别根据C原子的位置编号称为Cn差向异构体,i)和

14、(iii), (ii)和(iv)是 C2差向异构体。 (i)和(vii), (ii)和(viii)是C3差向异构体。 (i)和(vi), (ii)和(v)是C4差向异构体,28,含两个不对称碳原子的分子，在Fischer投影式中，若两个 H在同一侧，称为赤式；在不同侧，称为苏式,i,ii,iii,iv,2R,3R)-(-)-赤藓糖 (2S,3S)-(+)-赤藓糖 (2S,3R)-(+)-苏阿糖 (2R,3S)-(-)-苏阿糖,赤式和苏式,i)(ii)对映体，(iii)(iv)对映体,i)(iii)、(i)(iv)、(ii)(iii)、(ii)(iv)为非对映体,HOCH2-CH(OH)-CH(

15、OH)-CHO,29,3. 含手性碳原子的单环化合物 判别单环化合物旋光性的方法,实验表明：单环化合物有否旋光性可以通过其平面结构式的对称性来判别，凡是具有对称中心和/或对称平面的单环化合物无旋光性，反之则有旋光性,30,无旋光（对称面,有旋光,无旋光（对称面,有旋光,无旋光(对称面,无旋光（对称面,31,对于具有手性的环状化合物的命名，仅用顺、反标记不能充分表明其构型，必须采用R/S标记表明手性中心构型,该顺式化合物与上面的两个反式异构体互为非对映异构体,例如,有没有手性中心,32,取代环己烷的旋光性分析,例一：顺-1,2-二甲基环己烷,1)和(2)既是构象转换体，又是对映体，能量相等，两种

16、构象的分布为 (1) : (2) = 1 : 1,结论：用平面结构式分析，化合物是内消旋体； 用构象式分析，化合物是外消旋体,33,结论：用平面式分析，(1R,2R)-1,2-二甲基环己烷 或(1S,2S)-1,2-二甲基环己烷 是有旋光性的化合物。 用构象式分析， (1R,2R)-1,2-二甲基环己烷 或(1S,2S)-1,2-二甲基环己烷 是无数种有旋光的构象式组合而成的混合物,例二,1R，2R）-1,2-二甲基环己烷,1S，2S）-1,2-二甲基环己烷,34,1. 有手性中心的旋光异构体,除 C 外，N、S、P、As 等也能构成 手性中心,四、不含手性碳原子的手性分子,35,1）丙二烯型

17、的旋光异构体,A）两个双键同碳相连,2. 有手性轴的旋光异构体,36,B) 一个双键与一个环相连（1909年拆分,D = 81.4o ( 乙醇,25,C) 螺环结构,37,2）联苯型的旋光异构体,一些原子或基团的范德华半径,由于位阻太大引起的旋光异构体称为位阻异构体,38,反应温度：118,X = CH3 NO2 COOH OCH3,消旋化 t1/2,1.73 1.92 1.56 1.45 179分 125分 91分 9.4分,半衰期越短，说明旋转的阻力越小,联苯型的旋光异构体在适当的条件下会发生消旋,例如,39,n=8，可拆分，光学活性体稳定。 n=9，可拆分， 95.5oC时，半衰期为44

18、4分钟。 n=10，不可拆分,3）把手型旋光异构体,40,蒄（无手性,六螺并苯（有手性,3.有手性面的旋光异构体,反-环辛烯,41,将外消旋体拆分成左旋体和右旋体，称为外消旋体的拆分,五、外消旋体的拆分,1.化学拆分法形成和分离非对映体异构体的拆分法,42,1g R 氨基醇,分去晶体，剩下母液,2g S氨基醇析出,2.晶种接种结晶析解法 一个实例,43,3.微生物或酶作用下的析解 生物体中的酶或细菌等具有旋光性，当它们与外消旋体作用时，具有较强的选择性。例如，在外消旋酒石酸中培养青霉素，只消耗右旋酒石酸，留下左旋酒石酸,对映体过量百分率与光学纯度百分率,4.色谱分离法 选择光活性物质作柱色谱的吸附剂-手性固定相（手性柱,5. 机械分离法,44,六. 旋光异构体的性质,在非手性环境下，旋光异构体的物理性质与化