第3章 立体化学

1、第三章第三章 立体化学立体化学 同分异构现象同分异构现象构造异构构造异构constitutional立体异构立体异构Stereo-碳链异构碳链异构(如如: :丁烷丁烷/ /异丁烷异丁烷)官能团异构官能团异构(如如: :醚醚/ /醇醇)位置异构位置异构(如如: :辛醇辛醇/ /仲辛醇仲辛醇)构型异构构型异构configurational构象异构构象异构conformational顺反异构顺反异构对映异构（旋光对映异构（旋光异构）异构）同分异构同分异构isomerism构造异构CH3CH2CH2CH3CH3CH CH3CH3CH3CH2CH2OHCH3CHCH3OHCH3OCH3CH3CH2OHC

2、H2 = CHOHCH3CHO骨架异构官能团位置异构官能团异构互变异构一、构造异构一、构造异构(Constitution)：具有相同的分子式，而分子：具有相同的分子式，而分子 中原子的结合顺序不同。中原子的结合顺序不同。二、立体异构立体异构(Stereoisomerism)：具有相同的分子式，相：具有相同的分子式，相同的原子连接顺序，但原子在空间的排布方式不同。同的原子连接顺序，但原子在空间的排布方式不同。 对映异构对映异构(Enantiomerism) 实物与其镜像不能重叠，它们互为镜像的关系，称该实实物与其镜像不能重叠，它们互为镜像的关系，称该实物与镜像为一对对映异构体物与镜像为一对对映异

3、构体 20 世纪初，科学家在肌肉的提取物中发现了左旋肉碱，后来确认世纪初，科学家在肌肉的提取物中发现了左旋肉碱，后来确认它是一种广泛存在于人体内的一种氨基酸，参与人体的许多代谢过程，它是一种广泛存在于人体内的一种氨基酸，参与人体的许多代谢过程，是体内脂肪氧化代谢的必须物质。是体内脂肪氧化代谢的必须物质。 肉碱有两个光学异构体：左旋肉碱、右旋肉碱。在这两种构型中，肉碱有两个光学异构体：左旋肉碱、右旋肉碱。在这两种构型中，只有左旋肉碱有生物活性，通常所指的肉碱都是左旋肉碱。只有左旋肉碱有生物活性，通常所指的肉碱都是左旋肉碱。OOHON肉碱肉碱右旋肉碱右旋肉碱左旋肉碱左旋肉碱手性分子与手性生物受体之

4、间的相互作用手性分子与手性生物受体之间的相互作用 举例：举例：反应停事件：反应停事件：于于19561956年在原西德上市，主要治疗妊娠年在原西德上市，主要治疗妊娠呕吐反应，临床疗效明显，因此迅速流行于欧洲、亚洲（以日本呕吐反应，临床疗效明显，因此迅速流行于欧洲、亚洲（以日本为主）、北美、拉丁美洲的为主）、北美、拉丁美洲的1717个国家。到个国家。到19601960年左右，上述国年左右，上述国家突然发现许多新生儿的上肢、下肢特别短小，其形状酷似家突然发现许多新生儿的上肢、下肢特别短小，其形状酷似“海海豹豹”。部分新生儿还伴有心脏和消化道畸形、多发性神经炎等。部分新生儿还伴有心脏和消化道畸形、多发

5、性神经炎等。大量的流行病学调查和大量的动物实验证明这种大量的流行病学调查和大量的动物实验证明这种“海豹肢畸形海豹肢畸形”是由于患儿的母亲在妊娠期间服用反应停所引起。是由于患儿的母亲在妊娠期间服用反应停所引起。“海豹肢畸形海豹肢畸形”患儿在日本大约有患儿在日本大约有10001000名，在西德大约有名，在西德大约有80008000名！全世界超过名！全世界超过1 1万人！这就是著名的万人！这就是著名的“反应停事件反应停事件”。 (R)型型,有效，不致畸形有效，不致畸形(S)型型，致畸形，致畸形Thalidomide(反应停反应停) 镇静和止吐药物镇静和止吐药物 1848年，年，1848年，法国科学家

6、巴斯德（年，法国科学家巴斯德（Louis pasteur）为了获得酒）为了获得酒石酸盐结晶方面的数据，石酸盐结晶方面的数据， 发现了物质的手性，具有手性发现了物质的手性，具有手性的的分子叫分子叫手性分子手性分子。凡具有。凡具有手性手性的分子都有的分子都有旋光性旋光性。没有手。没有手性的分子没有旋光性，因此，物质的手性是判断其是否具性的分子没有旋光性，因此，物质的手性是判断其是否具有旋光性的必要条件有旋光性的必要条件。Pasteur：法国化学家和微生物学家。法国化学家和微生物学家。他在牛奶消毒（巴氏消毒法）他在牛奶消毒（巴氏消毒法）及食品保存方面作出的贡献永及食品保存方面作出的贡献永远造福人类。

7、远造福人类。分子构造完全相同，实物与镜象互相对映，分子构造完全相同，实物与镜象互相对映，却不能叠合。却不能叠合。实物镜子镜象CHOHCOOHH3CCHCOOHCH3HO对映异构体对映异构体乳酸分子的一对对映体乳酸分子的一对对映体 C四面体碳四面体碳连接四个不同原子连接四个不同原子( (团团) )平面偏振光平面偏振光：通过通过Nicol棱镜后，只在一个方向上振动的光棱镜后，只在一个方向上振动的光旋光性旋光性(光学活性光学活性, optical activity)：物质使平面偏振光发生旋物质使平面偏振光发生旋 转的性质转的性质 旋光度：旋光度：a a3.2 偏振光和分子的旋光性偏振光和分子的旋光性

8、(P61)旋光性旋光性能使偏振光的振动方向旋转一定角度的性质能使偏振光的振动方向旋转一定角度的性质 右旋右旋 (+) (+) ； 左旋左旋 ( () )一对对映体对偏振光的作用不同，一个使偏振光向顺时针方向一对对映体对偏振光的作用不同，一个使偏振光向顺时针方向偏转，另一个使偏振光向逆时针方向偏转，偏转，另一个使偏振光向逆时针方向偏转，两者偏转数值相同两者偏转数值相同。据此可把化合物分成两类据此可把化合物分成两类: :一类有旋光性另一类没有旋光性一类有旋光性另一类没有旋光性亮丙 酸亮暗乳 酸有旋光性有旋光性没有旋光性没有旋光性 ta a t a ac l 式中：式中： 测量时所采用的光波波长测量

9、时所采用的光波波长; ; t t 测量时的温测量时的温度度;由仪器测得的溶液的旋光度；由仪器测得的溶液的旋光度；l l 盛液管的长度盛液管的长度, ,单单位为位为dm(1dm=10cm);dm(1dm=10cm); C C 溶液的浓度溶液的浓度, ,单位为单位为g.mLg.mL-1-1。为了表示、比较不同物质旋光能力，引入比旋光度为了表示、比较不同物质旋光能力，引入比旋光度比旋光度比旋光度（教材（教材3.5 3.5 ） 例如，在温度为例如，在温度为2020C C时，用钠光灯为光源时，用钠光灯为光源测得的葡萄糖水溶液的比旋光度为右旋测得的葡萄糖水溶液的比旋光度为右旋52.252.2, ,应记为：

10、应记为：D D2020=+52.2=+52.2（水）（水） 比比旋光度的旋光度的符号符号和和大小大小是旋光性物质的一个物理常数是旋光性物质的一个物理常数。3.3 3.3 对称元素和手性对称元素和手性如何依据结构判断分子是否有旋光性？如何依据结构判断分子是否有旋光性？与分子的对称性有关与分子的对称性有关需需( (甲甲) ) 对称轴（对称轴（CnCn） 以设想直线为轴旋转以设想直线为轴旋转360。/ n，得到与原分子相同的分子，该直，得到与原分子相同的分子，该直线称为线称为n重对称轴重对称轴axis symmetry （又称（又称Cn阶对称轴）阶对称轴） 水分子水分子有有C2 对称轴对称轴氨分子有

11、氨分子有C3 对称轴对称轴 (1)有一个穿过分子并能把它分成互为物体和镜像有一个穿过分子并能把它分成互为物体和镜像两部分的平面。两部分的平面。( (乙乙) ) 对称面（对称面（）(2)一个分子的所有原子都处在该平面上一个分子的所有原子都处在该平面上(平面分子平面分子)；结论：结论：具有对称面的具有对称面的分子，分子，其实物与镜像其实物与镜像能完全重合，能完全重合，分子无分子无手性，没有旋光性手性，没有旋光性。 设想分子中有一个点，从分子中任何一个原子出设想分子中有一个点，从分子中任何一个原子出发，向这个点作一直线，再从这个点将直线延长出去，发，向这个点作一直线，再从这个点将直线延长出去，则在该

12、点前一线段等距离处，可以遇到一个同样的原则在该点前一线段等距离处，可以遇到一个同样的原子，这个点就是对称中心子，这个点就是对称中心HClHFClHFH( (丙）对称中心丙）对称中心判断旋光性判断旋光性: : 反之反之, ,当分子中没有对称面当分子中没有对称面或或对称中心时，对称中心时，( (在绝在绝大多大多数数情况下情况下) )其实物与镜象就不能叠合，产生对映异构现象其实物与镜象就不能叠合，产生对映异构现象, ,如同左右手的关系如同左右手的关系, ,故又称为故又称为手性手性。手性分子手性分子 旋光性旋光性判断下列化合物是否有手性碳？是否是手性分子判断下列化合物是否有手性碳？是否是手性分子?CH

13、CH3BrBr对称面BrBrCH3HBrCH3HClBrCH3HCl* *没有手性碳没有手性碳,有对称面有对称面,不是手性分子！不是手性分子！有一个手性碳，无对有一个手性碳，无对称元素称元素,是手性分子！是手性分子！3.4 3.4 手性分子和手性碳手性分子和手性碳 NHCH2CH2CH3*Locating a Stereocenter (Chiral Carbon)标出手性碳毒芹碱判断下列化合物是否有手性碳？判断下列化合物是否有手性碳？是否是手性分子是否是手性分子?有两个手性碳却不是手性分子！有两个手性碳却不是手性分子！w含一个手性碳原子的分子一定是个手性分子。含一个手性碳原子的分子一定是个手

14、性分子。w含多个手性碳原子的分子含多个手性碳原子的分子不不一定是个手性分子一定是个手性分子不能仅从分子中有无手性原子来判断其是否为手性分子不能仅从分子中有无手性原子来判断其是否为手性分子l 构成生命体系的生物大分子的主要部分大多数是以一种构成生命体系的生物大分子的主要部分大多数是以一种对映体形式存在的。故药物与其作用也是以手性的方式进行对映体形式存在的。故药物与其作用也是以手性的方式进行的。的。1. 手性分子的来源手性分子的来源l自然界自然界: 糖类、氨基酸、生物碱、萜类、甾体化合物糖类、氨基酸、生物碱、萜类、甾体化合物l不对称有机合成反应不对称有机合成反应球棍模型不方便球棍模型不方便透视式透

15、视式 锯架式锯架式 ( (从斜侧面看分子模型的形象从斜侧面看分子模型的形象) )和纽曼投影式和纽曼投影式( (从碳碳键轴的延长线上来观察从碳碳键轴的延长线上来观察) )一、一、 手性分子的表示方法手性分子的表示方法3.6 3.6 含一个手性碳原子的化合物含一个手性碳原子的化合物 透视式HHHHHHH锯架式Newman投影式HHHHHHHHHHHCCHHHHHHCCHHHHHHHHHHHH 乙烷重叠式和交叉式构象的透视式、锯架式和乙烷重叠式和交叉式构象的透视式、锯架式和NewmanNewman投影式投影式 CCH3C2H5 Br HCCH3C2H5 Br H 手性分子的表示法手性分子的表示法一对

16、对映体的透视式表示法一对对映体的透视式表示法直观，但书写麻烦直观，但书写麻烦二、二、 FischerFischer投影式投影式i i） 十字线交叉点表示手性碳原子；十字线交叉点表示手性碳原子；iiii）主链碳放在垂直方向，氧化态高的在上端；）主链碳放在垂直方向，氧化态高的在上端；iiiiii）横前，竖后（左右朝前，上下朝后）。）横前，竖后（左右朝前，上下朝后）。CH3CC2H5OHH-由四面体进行投影而得到由四面体进行投影而得到 Fischer Fischer投影式描述的立体结构全是重投影式描述的立体结构全是重叠式结构。所以，叠式结构。所以，FischerFischer式是式是Newman式的

17、重叠式加以平板化。式的重叠式加以平板化。Rules:(1) 如将投影式在纸平面上旋转如将投影式在纸平面上旋转90o，则得到它的对映体。，则得到它的对映体。 (2) 在纸平面上旋转在纸平面上旋转180o，则构型保持不变。，则构型保持不变。 (3) 固定一个基团，依次旋转其余三个，投影式的构型不变。固定一个基团，依次旋转其余三个，投影式的构型不变。 一般将含碳的基团放一般将含碳的基团放在竖直线上，且把氧在竖直线上，且把氧化数高的放在上面化数高的放在上面 (3).R/S.R/S构型标记法构型标记法 R R拉丁字拉丁字RectusRectus（右）；（右）； S S 拉丁字拉丁字SinisterSin

18、ister（左）（左）R/SR/S标记法是根据手性碳原子上所连的四个原子或原子标记法是根据手性碳原子上所连的四个原子或原子团在空间的实际排列方式来标记的。团在空间的实际排列方式来标记的。 三、三、R/SR/S命名和次序规则命名和次序规则( (重要）重要） 1) 1) 排序排序 2) 2) 观察观察 3) 3) 定构型定构型C dab c abcd 吖吖顺时针：顺时针： R-构型构型 ！ 1) 1) 排序：排序：将手性碳原子上所连的将手性碳原子上所连的4 4个原子或原子团按照原个原子或原子团按照原子序数子序数( (次序规则次序规则) )排列，确定大小次序。排列，确定大小次序。 2) 2) 观察：

19、观察：眼眼- -手性碳手性碳- -最小原子（团）成一线，并将最小最小原子（团）成一线，并将最小基团放在后边，按优先次序依次轮看其余三个基团。基团放在后边，按优先次序依次轮看其余三个基团。 3) 3) 定构型：定构型：顺时针顺时针（右）（右）为为 R R，逆时针为，逆时针为S S。R/SR/S构构型型标标记记法法C dac b 嗷嗷 逆时针，逆时针， S-构型！构型！、 次序规则次序规则：（1 1） 原子序数较大的为优先基团原子序数较大的为优先基团 I I Br Br ClCl S S O O N N C C（2 2） 同位素较重的为优先基团同位素较重的为优先基团 D D H H CH(CH3)

20、2C(CH3)3CHCCCCCCCH2CH3CHHCCH2ClC ClHHCH2OHCHHOCH2NH2CHHN（3 3） 第一个原子相同，则比较第二个，依次外推第一个原子相同，则比较第二个，依次外推C(CH3)3 CH(CH3)2 CH2CH3 CH3CH2Cl CH2OH CH2NH2CCC)H(CHCH2C CHCCC)C)(（4 4） 双键或三键相当于两个或三个相同的原子双键或三键相当于两个或三个相同的原子CHCH3CH3CHCH2CHCCCCH(C )12122CHCH3CH3122CHCH2123. 3. 次序规则的应用次序规则的应用标记构型标记构型COOHBrClH1) 1) 排

21、序排序2) 2) 观察观察3) 3) 定构型定构型和(a)(b)CHCOOHCH3HOCHOHCOOHH3C标记：标记： 的构型。的构型。 根据次序规则：根据次序规则：OHOHCOOHCOOHCHCH3 3H H 直接从直接从FischerFischer投影式判断投影式判断R/SR/S构型构型概括地说：概括地说：OHClHCH3HCOOH 锯架透视式锯架透视式补充：各构型式间转换补充：各构型式间转换: (1)透视式或纽曼投影式改写成费歇尔投影式时，先把交叉式构象透视式或纽曼投影式改写成费歇尔投影式时，先把交叉式构象旋转成旋转成重叠式重叠式构象，然后按投影要求写出相应的费歇尔投影式。构象，然后按

22、投影要求写出相应的费歇尔投影式。(2)判断每一个手性碳的判断每一个手性碳的R,S构型。构型。OHCOOHHCH3HCl 费歇尔投影式费歇尔投影式COOHHOHClCH3H 纽曼投影式纽曼投影式一、命名手性化合物一、命名手性化合物（2S，3S）-2，3-二溴丁烷二溴丁烷无论是无论是N,F,N,F,还是透视式还是透视式, ,都要会判断其都要会判断其R/SR/S构型构型. .BrCH3HCH3BrH课堂习题课堂习题CH3BrHCH3HBrCHCH2OHCHOOH 顺时针方向为R型CH2OHOHCHO观察SCH3CHCH2OHH四、四、 从从FischerFischer投影式判断构型投影式判断构型如果

23、不知道原子团在空间的实际排列方式来标记？如果不知道原子团在空间的实际排列方式来标记？答：根据手性碳原子上所连的四个原子或答：根据手性碳原子上所连的四个原子或原子团在空间的实际排列方式来标记的。原子团在空间的实际排列方式来标记的。复习：复习：R/SR/S标记法是根据什么来标记的标记法是根据什么来标记的? ?3.7 3.7 相对构型和绝对构型相对构型和绝对构型 D/LD/L构型标记法构型标记法 绝对构型相对构型相对构型D DL L标记法是以甘油醛的构型为对照标准来进行的。标记法是以甘油醛的构型为对照标准来进行的。人为指定 先指定一个标准构型，然后通过已知反应进行先指定一个标准构型，然后通过已知反应

24、进行关联关联：实验证明其构型与右旋甘油醛相同的化合：实验证明其构型与右旋甘油醛相同的化合物都为物都为D D型，与左旋构型相同的为型，与左旋构型相同的为L L型。型。D-型右旋右旋 这样许多分子的相对够型就可以通过化学反应与甘油醛联系起来而得到确定，即构型关联。D-型D-型注注 意意R RS S标记法与标记法与D DL L标记法的依据不同：标记法的依据不同：R RS S法依据与法依据与C C相连的四个原子或原子团相连的四个原子或原子团的大小顺序；的大小顺序；D DL L法依据与法依据与D D甘油醛的构型是否相同；甘油醛的构型是否相同； R/SR/S构型是绝对构型，构型是绝对构型，D DL L标记

25、一个手性碳标记一个手性碳的相对构型。的相对构型。构型与旋光方向是两个不同的概念，无必然联系。构型与旋光方向是两个不同的概念，无必然联系。一、一、 含两个取代不同手性碳原子的对映异构含两个取代不同手性碳原子的对映异构 C O O HH OHC lC O O HH( )I( 2 R , 3 R ) 3.8 3.8 含两个手性中心的对映异构含两个手性中心的对映异构 COOHCOOHOHHHClCOOHHOHClCOOHHOHCOOHCOOHHHClCOOHCOOHHOHHCl( )I( )I I( )I I I( )IV(2R,3R) (2S,3S)(2R,3S) (2S,3R)外消旋体外消旋体：等量的对映体相混合而构成的等量的对映体相混合而构成的混合物。混合物。 (I)(I)与与 (III)(III)或或(IV)(IV)、(II)(II)与与(III)(III)或或(IV) (IV) 等分别构成等分别构成非对映体非对映体：即：即不对映的立体异构体。不对映的立体异构体。（I)I)与与(II) (II) ，(III)(III)和和(IV)(IV)是对映体是对映体二、含两个取代相同手