第八章立体化学

1、一、课时：2学时二、教学课型：理论课三、题目：立体化学四、教学目的、要求（1）掌握手性、对映体、旋光性、比旋光度、手性化合物构型的表示法、构型的确定和标记（2）掌握含有一个和多个手性碳原子化合物的立体异构。（3）了解外消旋体的拆分、手性合成和环状化合物的立体异构。五、教学重点：（1）手性、对映体、旋光性、比旋光度。（2）手性化合物构型的表示法、构型的确定和标记。六、教学难点：手性化合物构型的表示法、构型的确定和标记。七、教学手段：多媒体教学方法：讲授八、教学内容：引言20世纪60年代的“反应停”事件，是一个典型的药物导致胎儿畸形的例子。当时一家西德药厂生产了一种治疗早期妊娠反应的新药，有很好的

2、止吐作用。许多有呕吐反应的早期妊娠妇女，服用此药后，可迅速把妊娠反应性呕吐停住，因而取名为“反应停”。由于止吐效果显著，颇受早孕妇女的欢迎。在很短的时间里便风靡全世界。特别是在十几个经济比较发达的国家内，成为非常畅销的药。但是随后不久，这些国家内不断出生了许多没有胳膊也没有腿的海豹样新生婴儿。仅在生产此药的西德，10个月中，就有5500多个这样的怪胎出生。在英国也在短时间内，登记到的这种怪胎就有8000多个。日本也发现300多个。镇静作用强烈致畸作用反应停（halidomide，-苯肽茂二酰亚胺，塞利多米）后来经研究发现，反应停是消旋体，其右旋体有镇静作用，而左旋体对胚胎有很强的致畸作用。手性

3、药物疗效的极大差异促进了手性药物的研究开发与及分离分析的发展。目前普遍使用的2000多种合成药物中有600余种为手性药物，而活性的单一对映体药物不足100种，其余的500余种都是左右旋混在一起的消旋体药物。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，可以看出他们是不相同的。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

4、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。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

5、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。    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（）

6、。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）    若分子中有一点P，通过P点画任何直线，两端有相同的原子，则点P称为分子的对称中心（用i表示）。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（

7、Cn）    如果穿过分子画一直线，分子以它为轴，旋转一定角度后，可以获得与原来分子相同的形象，此直线即为对称轴（Cn表示）。    当分子沿轴旋转360°/n，得到的构型与原来的分子相重合，这个轴即为该分子的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

8、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：         4    具有四重更替对称轴。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。    在一般情况下要判断一个化合物的分子有没有手性，一般只要考虑它有没有对称面和对称中心就可以了。有对称中心的分子没有手性。物质分子在结构上具有对称面或

9、对称中心的，就无手性，因而没有旋光性。物质分子在结构上即无对称面，也无对称中心的，就具有手性，因而有旋光性。物质的旋光性与比旋光度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（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

10、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，旋光仪主要部分是有两个尼可尔棱晶（起偏棱晶和检偏棱晶），一个盛液管和一个刻度盘组织装而成。其测定原理见P120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。如下图所示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

11、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），=589.3nm,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。含一个手性碳原子化合物的对映异构对映体1对映体互为物体与镜象关系的立体异构体。含有

12、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P128。（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。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。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（E·Fischer

13、）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

14、。 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。8.4.3 构型的标记R、S命名规则1970年国际上根据IUPAC的建议，构型的命名采用R、S法，这种命名法根据化合物的实际构型或投影式就可命名。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Re

15、ctus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：顺时针 R反时针 S基团次序为：a>b>c>d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反时针方向，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：   次序规则1.如果连在手征性中心的四个原子都是

16、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。       次序规则2.如果两个基团的相对次序不能由规则1.决定，可用类似的方法比较基团中第二个原子（如有必要，可以从手征性中心再逐步向外推）就是说，如果两个连在手征性中心的原子相同时，我们就比较在这两个原子上的下一个原子。     次序规则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。    &

17、#160;3.根据Fischer投影式，确定R或S构型  如：         （若让判断n个构型式，其手性原子所连四个基团相同时，则先判断其R、S构型，若构型相同为同一化合物。）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？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

18、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。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，

19、少于2 n个，外消旋体数目也少于2 n-1个。外消旋体的拆分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。   将外消旋体分离成旋光体的过程叫做“拆分”。 拆分的方法很多，其中化学拆分法应用最广，其原理是将对映体转化为非对映体，然后用一般方法分离。例如，一种酸的外消旋体的分离：例2：外消旋醇的拆分     经过拆分后得到某一旋光体的纯度，一般可用对映体过量酚率（%e.e 即percent enantiomeric excess）来计算。  

20、60;          手性合成不对称合成不对称合成是指在一个反应中使非手性的分子转变为手性分子，在产生的手性分子中，对映异构体的含量是不等量的。一般来说，实现不对称合成的途径有五个：手性底物的诱导手性辅助的诱导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 ex

21、cess % %e.e=(R-S) / (R+S)×100%=%R-%S 越高，说明产物光学纯度越高，不对称合成选择性越好。8.8环状化合物的立体异构  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                    

22、;   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。                    

23、 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°。      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

24、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：                

25、  都有对称面，所以都没有对映异构体。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。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

26、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。         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