第二章立体化学基础

1、邓健 制作 吕以仙 审校1第一节第一节 手性分子和对映体手性分子和对映体 第二节第二节 旋光性旋光性第三节第三节 费歇尔投影式费歇尔投影式第四节第四节 构型标记法构型标记法 第五节第五节 外消旋体外消旋体 第六节第六节 非对映体和内消旋化合物非对映体和内消旋化合物 第七节第七节 无手性碳原子的对映体无手性碳原子的对映体第八节第八节 外消旋体的拆分外消旋体的拆分 第五章第五章 立体化学基础立体化学基础 教学要求：教学要求：掌握：掌握：手性和手性分子以及手性碳原子的概念。对映手性和手性分子以及手性碳原子的概念。对映体、非对映体、外消旋体和内消旋体的概念和主要性体、非对映体、外消旋体和内消旋体的概念

2、和主要性质；对映异构体命名方法（质；对映异构体命名方法（D/L,R/ S）。）。熟悉：熟悉： 费歇投影式和透视式表示立体异构体的方法。费歇投影式和透视式表示立体异构体的方法。了解：了解： 无手性碳原子的对映异构体和环状化合物的对无手性碳原子的对映异构体和环状化合物的对映异构；对映体的拆分方法和手性分子在生物中的作映异构；对映体的拆分方法和手性分子在生物中的作用。用。人民卫生电子音像出版社3构造异构构造异构立体异构立体异构(分子中原子间的排分子中原子间的排列顺序、结合方式列顺序、结合方式)(构造相同，原子在构造相同，原子在空间排布方式不同空间排布方式不同)顺反异构顺反异构对映异构对映异构构象构象

3、异构异构同分异构同分异构 对映异构对映异构又叫又叫光学异构光学异构或或旋光异构旋光异构。它。它是一类与物质的旋光性质有关的立体异构是一类与物质的旋光性质有关的立体异构。一、手性一、手性 产生对映异构现象的结构依据是手性产生对映异构现象的结构依据是手性(Chirality)。什么叫手性呢？。什么叫手性呢？人们都有人们都有这样的感受：当你将一只左手套戴在右手上就会觉得很不舒服。这就说明左右这样的感受：当你将一只左手套戴在右手上就会觉得很不舒服。这就说明左右手看上去似乎是相同，实际是不同的。那么左右手到底是什么关系呢？手看上去似乎是相同，实际是不同的。那么左右手到底是什么关系呢？左右手互为镜像与实物

4、关系左右手互为镜像与实物关系(称为称为对映关对映关系系)，彼此又不能重合的现象称为，彼此又不能重合的现象称为手性手性。 人民卫生电子音像出版社5二、手性分子和对映体二、手性分子和对映体 任何物体都有它的镜像，一个有机分子也会有它的镜像。任何物体都有它的镜像，一个有机分子也会有它的镜像。CCOOHHHCH3 若实物与其镜像能够完全重合，则实物若实物与其镜像能够完全重合，则实物与镜像所代表的两个分子为同一个分子与镜像所代表的两个分子为同一个分子。CCOOHHHCH3CCOOHHHCH3CCOOHHHCH3所有基团所有基团都重合都重合丙酸分子丙酸分子没有手性没有手性 邓健 制作 吕以仙 审校6CCO

5、OHHOHCH3CHOOCHHOH3C但有些分子如乳酸但有些分子如乳酸, 两个互为实物与镜像关系的分子不能重合。两个互为实物与镜像关系的分子不能重合。 不能与其镜像重不能与其镜像重合的分子称为合的分子称为(chiral molecule)。 它们是彼此成镜它们是彼此成镜像关系，又不能重合像关系，又不能重合的一对立体异构体，的一对立体异构体，互 称 为互 称 为(enantiomer) 。镜像。镜像的不重合性是产生对的不重合性是产生对映异构现象的充分必映异构现象的充分必要条件。要条件。人民卫生电子音像出版社7 仔细考察没有手性的丙酸分子和仔细考察没有手性的丙酸分子和有手性的乳酸分子，它们的差别在

6、哪里？有手性的乳酸分子，它们的差别在哪里？CHCH3 3HHCOCO2 2H HCCHCH3 3HHCOCO2 2H HCCHCH3 3OHOHHCOCO2 2H HCCHCH3 3OHOHHCOCO2 2H HC 乳酸分子中有一个碳原子乳酸分子中有一个碳原子(C2)所连的四个基团所连的四个基团(COOH,CH3,H) 均不相同。凡是连有均不相同。凡是连有4个不同的个不同的原子或基团的碳原子称为原子或基团的碳原子称为手性碳原子手性碳原子(chiral carbon atom), 也可称为手性中心也可称为手性中心(chiral center)。* 邓健 制作 吕以仙 审校8CH3CHCOOHOH

7、HOCH3HCOOHCCOOHCOHHCH3乳酸 * 一个手性碳原子所连的一个手性碳原子所连的4个不同原子或基团位个不同原子或基团位于四面体的四个顶角，在空间具有于四面体的四个顶角，在空间具有2种不同的排列种不同的排列方式方式(也称两种构型也称两种构型), 它们彼此构成一对对映体。它们彼此构成一对对映体。 有一个手性碳的化合物必定是手性化有一个手性碳的化合物必定是手性化合物，只有一对对映体。合物，只有一对对映体。 人民卫生电子音像出版社9l 一对对映体有相同的物理性质一对对映体有相同的物理性质l 除了与手性试剂反应外除了与手性试剂反应外,对映体的化学性质也相同对映体的化学性质也相同 l 两者还

8、有十分重要的不同性质：两者还有十分重要的不同性质： 对偏振光的作用不同对偏振光的作用不同; 生理作用上有着显著的不同生理作用上有着显著的不同 前者具有葛缕子籽中的刺鼻气味，后者则具前者具有葛缕子籽中的刺鼻气味，后者则具有薄荷油的芳香有薄荷油的芳香 抗青光眼药物抗青光眼药物左旋噻吗洛尔（左旋噻吗洛尔（L-timolol）降眼压作）降眼压作用明显，眼部副作用发生率低，然而却导致严重的全身副作用明显，眼部副作用发生率低，然而却导致严重的全身副作用，如心血管抑制、中枢神经系统抑制及诱发哮喘等。用，如心血管抑制、中枢神经系统抑制及诱发哮喘等。1981年，科学家发现噻吗洛尔的右旋异构体可抑制猫眼房水形成年

9、，科学家发现噻吗洛尔的右旋异构体可抑制猫眼房水形成而不影响房水流出。随后的动物试验及临床单次滴药观察均而不影响房水流出。随后的动物试验及临床单次滴药观察均证实，右旋噻吗洛尔（证实，右旋噻吗洛尔（D-timolol）具有降眼压的作用，对）具有降眼压的作用，对-受体的阻滞效应仅为左旋噻吗洛尔的受体的阻滞效应仅为左旋噻吗洛尔的3%，而且对血压、心，而且对血压、心率无显著影响。动物试验进一步显示，右旋噻吗洛尔可增加率无显著影响。动物试验进一步显示，右旋噻吗洛尔可增加视网膜、脉络膜血流。因此，右旋噻吗洛尔有可能成为理想视网膜、脉络膜血流。因此，右旋噻吗洛尔有可能成为理想的抗青光眼药物。的抗青光眼药物。邓

10、健 制作 吕以仙 审校12HCH3CH3-CH-CH2CH3CH2CH3CH3-CH-CH2CH3CH2CH34.5.CH3-CH-CH-CH2CH3OH OHCH3-CH-CH-CH2CH3OH OHCH3CH3OCH3H3CCH31. CH2Cl22. CHCl33.CH3CHClCH2CH36.7.8.小结小结：手性分子：手性分子：不能与其镜像重合的分子。不能与其镜像重合的分子。 对映体：对映体：彼此成镜像关系，又不能重彼此成镜像关系，又不能重合的一对立体异构体互为对映体。合的一对立体异构体互为对映体。 手性碳原子：手性碳原子：连有四个不同原子或基连有四个不同原子或基团的碳原子。团的碳原

11、子。三、对称面和非手性分子对称面和非手性分子 1 1、对称面、对称面符号：符号：邓健 制作 吕以仙 审校15存在对称面的分子无手性存在对称面的分子无手性 2 2、对称中心、对称中心有对称中心，分子无手性有对称中心，分子无手性四、判断对映体（手性分子）的方法四、判断对映体（手性分子）的方法第一：第一： 建造一个分子和它的镜像的模型。建造一个分子和它的镜像的模型。如果两者不如果两者不能重合，就是手性分子。能重合，就是手性分子。第二第二 ：寻找有无对称面。寻找有无对称面。有对称面，它就不存在对映有对称面，它就不存在对映体，为非手性分子。体，为非手性分子。第三第三 ：寻找手性碳原子寻找手性碳原子( (

12、或手性中心或手性中心) )。只要有一个手只要有一个手性碳原子，就是手性分子，有一对对映体（两个以上性碳原子，就是手性分子，有一对对映体（两个以上C C有例外。）有例外。）邓健 制作 吕以仙 审校18ClFFHHHHCl3ClFFHHHHCl3CH3ClCH3Cl7CH3ClCH3Cl7CH3HCH3HCH3HCH3H56CH3HCH3HCH3HCH3H56CH3ClCH3Cl7CH3ClCH3Cl7CH3HCH3HCH3HCH3H56CH3HCH3HCH3HCH3H56CH3CH3C C HHCH3CH3C C HHBrCH3CH3Br第三节第三节 旋光性旋光性 一、偏振光和旋光性一、偏振光和

13、旋光性 1、偏振光和偏振面、偏振光和偏振面只在一个平面上振动的光称为只在一个平面上振动的光称为平面偏振光平面偏振光(plane-polarized light)，简称，简称偏振光偏振光。偏振光的振动平面习惯称为。偏振光的振动平面习惯称为偏振面偏振面。平 面 偏 振 光2 2、旋光性、旋光性旋光性：旋光性：也称也称光学活性光学活性 ( optical activity ) 物质能使偏振光发生偏转的性质。物质能使偏振光发生偏转的性质。 化合物能使偏振光的偏振面旋转的性能称为化合物能使偏振光的偏振面旋转的性能称为旋光性旋光性(optical activity)。手性化合物都具有旋光性。手性化合物都具

14、有旋光性。 结论：结论： 物质有两类：物质有两类： （1）旋光性物质）旋光性物质能使偏振光振动面旋转能使偏振光振动面旋转的性质，的性质， 叫做旋光性；具有旋光性的物质，叫做旋叫做旋光性；具有旋光性的物质，叫做旋光性物质。光性物质。 （2）非旋光性物质）非旋光性物质不具有旋光性的物质，不具有旋光性的物质，叫做非旋光性物质。叫做非旋光性物质。二、旋光度与比旋光度二、旋光度与比旋光度 旋光度旋光度旋光仪旋光仪通常用通常用旋光仪旋光仪测定物质的旋光性测定物质的旋光性 1、右旋和左旋、右旋和左旋 ( dextrorotatory and levorotatory ) 使偏振光振动平面使偏振光振动平面向右

15、旋转向右旋转称称右旋右旋，“ + ” 使偏振光振动平面使偏振光振动平面向左旋转向左旋转称称左旋左旋，“ - ”2、旋光度（、旋光度（observed rotation) 旋光活性物质使偏振光振动平面旋转的角度，用旋光活性物质使偏振光振动平面旋转的角度，用“a ”表示。表示。 旋光度与溶液的浓度成正比旋光度与溶液的浓度成正比 它不仅是由它不仅是由物质的旋光性物质的旋光性（与物质的结构有关）（与物质的结构有关）决定的，决定的，也与测定的条件有关。也与测定的条件有关。旋光度大小的影响因素：旋光度大小的影响因素：1、温度、温度 2、波长、波长 3、溶剂的性质、溶剂的性质 4、旋光管的长度、旋光管的长度

16、 5、旋光管中物质浓度、旋光管中物质浓度3. 比旋光度（比旋光度（specific rotation) 为了便于比较，就要使其成为一个常量，故用比旋光为了便于比较，就要使其成为一个常量，故用比旋光度度来表示：来表示： 在一定温度和波长（通常为钠光灯，波长为在一定温度和波长（通常为钠光灯，波长为589 nm）条件下，条件下，样品管长度为样品管长度为1dm，样品浓度为，样品浓度为1gml-1时测得的时测得的旋光度旋光度。是一物理常数。是一物理常数。 clDD - 钠光源，波长为钠光源，波长为589nm；T - 测定温度，单位为测定温度，单位为 - 实测的旋光度；实测的旋光度；l - 样品池的长度，

17、单位为样品池的长度，单位为dm；c - 为样品的浓度，单位为为样品的浓度，单位为gml-1。 T人民卫生电子音像出版社26第二节第二节 费歇尔投影式费歇尔投影式 对映异构体的结构可以用模型、透视式对映异构体的结构可以用模型、透视式(立体结构式立体结构式) 或费歇尔或费歇尔(Fischer)投影式表示。投影式表示。(一一) 三维模型三维模型 邓健 制作 吕以仙 审校27(二二) 立体结构式立体结构式 CCO2HH3COHHCCO2HCH3HOHCIBrClHCBrIClHCOOHCH3OHHCOOHCH3OHHCCCOOHCOOHCH3H3CHOOHHH-优点：形象生动，一目了然优点：形象生动，

18、一目了然缺点：书写不方便缺点：书写不方便u 写写Fischer投影式的要点：投影式的要点： (1) 水平线和垂直线的交叉点代表手性碳，位于纸平面上。水平线和垂直线的交叉点代表手性碳，位于纸平面上。 (2) 连于手性碳的横键代表朝向纸平面前方的键。连于手性碳的横键代表朝向纸平面前方的键。 (3) 连于手性碳的竖键代表朝向纸平面后方的键。连于手性碳的竖键代表朝向纸平面后方的键。(三三) 费歇尔投影式费歇尔投影式CCO2HCH3HHO123CO2H CH3HO H人民卫生电子音像出版社30 一般将主碳链放在竖直线上，把命名时一般将主碳链放在竖直线上，把命名时编号最小的碳原子放在上端编号最小的碳原子放

19、在上端 ( ) 。CHOCH2OHOHHCHOCH2OHHOHCHOHOCH2OHHOHCCH2OHOHHCHOCH2OHOHHCHOCH2OHOHHCHOCH2OHHOHCHOCH2OHHOHCHOHOCH2OHHCHOHOCH2OHHOHCCH2OHOHHOHCCH2OHOHH 按此方式得到的投影式为最按此方式得到的投影式为最, 用用D/L法命名时必须用这种法命名时必须用这种Fischer式。式。邓健 制作 吕以仙 审校31 表示含两个或两个以上手性碳原子表示含两个或两个以上手性碳原子的化合物时，的化合物时，Fischer投影式显示的立体投影式显示的立体结构全是重叠式构象！结构全是重叠式构

20、象！ HCOOHCOHCCOOHHOHHCOOHCOHCCOOHHOHTartaric acid(carboxyl group at top)Perspective projection Fischer projection重叠式构象重叠式构象 交叉式构象交叉式构象 人民卫生电子音像出版社32 同一个异构体可以用几种不同的方法表示同一个异构体可以用几种不同的方法表示其立体结构。如：其立体结构。如：2R,3S-2,3,4-三羟基丁醛：三羟基丁醛：Fischer投影式投影式 立体结构式立体结构式 锯架式锯架式 HOHCCH2OHHHOOHHOHCHOCH2OHHOHCCOHHCHOCH2OHHOH

21、HOHCHOHOCH2OHHNewman投影式投影式 每一种表示立体结构的方法，都各有千秋。每一种表示立体结构的方法，都各有千秋。 使用使用费歇尔投影式应注意的问题：费歇尔投影式应注意的问题： a 基团的位置关系是基团的位置关系是“横前竖后横前竖后” b 不能离开纸平面翻转不能离开纸平面翻转180；也不能在纸平面上旋转；也不能在纸平面上旋转90或或270与原构型相比。与原构型相比。 C C 将投影式在纸平面上旋转将投影式在纸平面上旋转180，仍为原构型。，仍为原构型。判断不同投影式是否同一构型的方法：判断不同投影式是否同一构型的方法：（1 1）、）、 将投影式在纸平面上旋转将投影式在纸平面上旋

22、转180180，仍为原构型。，仍为原构型。HOHCOOHCH3HHOCOOHCH3在纸平面180（2）、任意固定一个基团不动，依次顺时针或反时针调）、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。换另三个基团的位置，不会改变原构型。HCH3OHC2H5HOHCH3HOHCHH3COHHC2H5C2H5C2H5=（3）、对调任意两个基团的位置，对调偶数次构型）、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：不变，对调奇数次则为原构型的对映体。例如：HOCHOCH2OHHHOHCH2OHCHOHOCHOCH2OHHHCHOCH2OH

23、OHOH与H对调一次CHO与 对调一次OH与H对调一次同一构型对映体CH2OH人民卫生电子音像出版社36第六节第六节 构型标记法构型标记法 构型是指一个特定立体异构分子中的原子或基团在空间的构型是指一个特定立体异构分子中的原子或基团在空间的排列方式。对映异构体的构型一般指手性中心所连的四个不同排列方式。对映异构体的构型一般指手性中心所连的四个不同原子或原子团在空间排列的顺序。一个化合物的绝对构型通常原子或原子团在空间排列的顺序。一个化合物的绝对构型通常指键合在手性中心的四个原子或基团在空间的真实排列方式。指键合在手性中心的四个原子或基团在空间的真实排列方式。一、一、D/L 构型标记法构型标记法

24、 在无法测知化合物真实构型的情况下，在无法测知化合物真实构型的情况下，Fischer 当年人为地当年人为地规定规定 ()-甘油醛为甘油醛为D-构型构型，其对映体，其对映体()-甘油醛为甘油醛为L-构型构型。 CHOCH2OHHOHCHOCH2OHHHO- - (+)-甘油醛甘油醛 ()-甘油醛甘油醛邓健 制作 吕以仙 审校37H 以甘油醛为基础以甘油醛为基础, 通过化学方法合成其它化合物通过化学方法合成其它化合物, 如果与如果与手性原子相连的键没有断裂手性原子相连的键没有断裂, 则仍保持甘油醛的原有构型。则仍保持甘油醛的原有构型。D-(+)-甘油醛甘油醛 D-(-)-乳酸乳酸HOHCHOCH2

25、OHHOHCOOHCH3HOHCOOHCH2OHO D-(-)-甘油酸甘油酸 1951年，年，J.M.Bijvoet 用用X-衍射技术测定了衍射技术测定了()-酒石酒石酸铷钾盐的绝对构型之后，确定了原来人为规定的酸铷钾盐的绝对构型之后，确定了原来人为规定的D-()-甘油醛的构型甘油醛的构型(相对构型相对构型)刚巧就是它的真实构型刚巧就是它的真实构型(绝绝对构型对构型)。这样以甘油醛为标准物，确定的其它化合物的这样以甘油醛为标准物，确定的其它化合物的构型，自然也是绝对构型了。构型，自然也是绝对构型了。 D/L构型和左旋构型和左旋右旋有没有对右旋有没有对应关系应关系 无论是无论是 D/L 还是还是

26、 R/S 标记方法，都不能通过其标记方法，都不能通过其标记的构型来判断旋光方向。因为旋光方向是化合标记的构型来判断旋光方向。因为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物的固有性质，而对化合物的构型标记只是人为的规定。规定。 目前从一个化合物的构型还无法准确地判断其目前从一个化合物的构型还无法准确地判断其旋光方向，只能依靠其它方法测定。旋光方向，只能依靠其它方法测定。 D-()-甘油醛与氧化汞甘油醛与氧化汞(HgO)反应，醛基被氧化反应，醛基被氧化成羧基成羧基(-COOH)，生成甘油酸。由于与手性中心，生成甘油酸。由于与手性中心(C2)直接相连的键没有发生断裂，因此甘油酸的构

27、型应与直接相连的键没有发生断裂，因此甘油酸的构型应与D-甘油醛相同，也是甘油醛相同，也是D构型。但甘油酸的旋光方向却构型。但甘油酸的旋光方向却为左旋。这一事实说明为左旋。这一事实说明化合物的构型与旋光方向没有化合物的构型与旋光方向没有直接的对应关系直接的对应关系。化合物的。化合物的旋光方向只是通过旋光仪旋光方向只是通过旋光仪直接测定的。直接测定的。 实验事实：实验事实： 但是但是D.L命名法的使用有一定的局限性，它只适命名法的使用有一定的局限性，它只适用与甘油醛结构类似的化合物。如果化合物中不含有用与甘油醛结构类似的化合物。如果化合物中不含有-OH基团怎么办？基团怎么办？ 二、二、R/S 构型

28、命名法构型命名法R/S命名规则：命名规则：1 按次序规则将手性碳原子上的四个基团排序。按次序规则将手性碳原子上的四个基团排序。2 把排序把排序最小最小的基团放在离观察者眼睛的基团放在离观察者眼睛最远的位置最远的位置，观察，观察其余三个基团由其余三个基团由大大中中小小的顺序，若是的顺序，若是顺时针方向，则顺时针方向，则其构型为其构型为R（R是拉丁文是拉丁文Rectus的字头，是右的意思），若的字头，是右的意思），若是是反时针方向，则构型为反时针方向，则构型为S（Sinister,左的意思）。左的意思）。 R. S.Cahn-R. S. Ingold-V. Prelog Rules 于 1964年

29、提出了一个最有效的方法来标记手性化年提出了一个最有效的方法来标记手性化合物的构型，合物的构型， 1979年被年被 IUPAC 建议采用。建议采用。 邓健 制作 吕以仙 审校41R/S 构型标记法分为两步：构型标记法分为两步： (1) 按按次序规则次序规则确定与手性碳相连的四个原子确定与手性碳相连的四个原子或基团的或基团的优先次序优先次序（或称为（或称为“大小大小” 次序次序）BrH( a )( b )IClBrHClI例如例如 氯溴碘甲烷氯溴碘甲烷： I Br Cl H 人民卫生电子音像出版社42HCl BrBrIHCl (2) 将手性碳上的将手性碳上的4个原子或基团中优先次序最小的一个置个原

30、子或基团中优先次序最小的一个置于远离视线的方向于远离视线的方向, 然后观察朝向自己的其余然后观察朝向自己的其余3个基团的优先个基团的优先次序。次序。顺时针方向排列为顺时针方向排列为R构型；反时针方向排列为构型；反时针方向排列为S构型构型。 IBrCl顺顺时时针针旋旋转转IBrCl反反时时针针旋旋转转R-氯溴碘甲烷氯溴碘甲烷 S-氯溴碘甲烷氯溴碘甲烷 邓健 制作 吕以仙 审校43HOHCH3C2H5A A B B D D e e要点要点: : 次序规则排次序，方向盘上定构型。次序规则排次序，方向盘上定构型。C2H5HCH3OH人民卫生电子音像出版社44CH3CH2CH3OHHCH3C2H5HOH

31、HHOC2H5CH3转动使转动使H远离视线远离视线R/S 构型命名法举例构型命名法举例: CHOHOHHOHCH2OHCCHOHHOHCHOCH2OH2S,3R-2,3-二羟基丁醛二羟基丁醛 S R H HO OH HC C2 2H H5 5C CH H3 3H HO OH HC C2 2H H5 5C CH H3 3R RS SCOOHHOHCH3按 次 序 规 则反 时 针 排 列 S 型O H C O O H C H3 HCHCH3OHCOOH反 时 针 排 列 S 型oo 快速判断法：快速判断法：1、最小基团在、最小基团在竖竖键，按照次序规则得出结论；键，按照次序规则得出结论；2、最小

32、基团在、最小基团在横横键，按照次序规则得出键，按照次序规则得出反反结结论。论。 CHOHOHCH2OHBrHClCH3HH2NCOOHCH3CH3ClCH(CH3)2ClCH2基团次序位于横线位于竖线构型OHCHOCH2OH最小基团（ ）HR-S-构型基团次序Br Cl CH3 H位于横线最小基团（ ）H基团次序NH2 COOH CH3 H最小基团（ ）H构型R-基团次序Cl CH2 CH-CH3 CH3ClCH3位于竖线最小基团（ ）CH3S-构型HCH3O HCH2CH3HO H1234HOCH3HCH2CH3HOH1234SRSR(2S, 3R) - 2, 3 - 戊二醇戊二醇(2R,

33、3S) - 2, 3 - 戊二醇戊二醇注意：注意：R或或S构型，它标志着手性分子的绝对构型。构型，它标志着手性分子的绝对构型。至今尚不知道化合物的旋光方向与构型的关系。不能至今尚不知道化合物的旋光方向与构型的关系。不能把两者混为一谈。把两者混为一谈。 邓健 制作 吕以仙 审校50HOCH2ClCH2ClHHOHCO2HCH3HOCH2ClHCH2ClHOHCO2HCH32#1#3#2#1#3#CHBrHCH3CH2+ HBr ( )*例例1：解答：解答： HCH3BrHBrCH3BrCH3HHBrCH3+中间体碳正离子为平面结构，产物各占中间体碳正离子为平面结构，产物各占50%。 (S)- C

34、H2CHCH2CH3CH3Cl2hv( )Fischer例例2：解答：解答： HClHCH3C2H5ClHHCH3C2H5+此反应为芳烃侧链此反应为芳烃侧链-H卤代。中间体碳自由基卤代。中间体碳自由基为平面结构，产物各占为平面结构，产物各占50%。思考题：各写出一个能满足下列条件的开链化合物：思考题：各写出一个能满足下列条件的开链化合物：(1) 具有手性碳原子的炔烃具有手性碳原子的炔烃C6H10； (2) 具有手性碳原子的羧酸具有手性碳原子的羧酸C5H10O2 (羧酸的通式是羧酸的通式是CnH2n+1COOH)。解：解：CH3 Cl ClCH3H H CH3 Cl HCH3Cl H CH3 C

35、l CH2CH3H 光照Cl2S-2-氯丁烷氯丁烷2S,3S-2,3-二氯丁烷二氯丁烷(29%)2S,3R,-2,3-二氯丁烷二氯丁烷(71%)第四节第四节 外消旋体外消旋体 一、乳酸的三种不同的旋光现象一、乳酸的三种不同的旋光现象: 乳酸是人们知道的第一个旋光性化合物，它的旋光乳酸是人们知道的第一个旋光性化合物，它的旋光性现象有三种不同的情况：性现象有三种不同的情况： 右旋乳酸右旋乳酸 从肌肉组织中分离出的乳酸从肌肉组织中分离出的乳酸 左旋乳酸左旋乳酸 葡萄糖发酵产生的乳酸葡萄糖发酵产生的乳酸 无旋光性乳酸无旋光性乳酸 一般化学合成的乳酸一般化学合成的乳酸二、外消旋体二、外消旋体 等量的左旋

36、体和右旋体的等量的左旋体和右旋体的混合物混合物称为外消旋体称为外消旋体(racemic mixture 或或 racemate)。通常用。通常用() 或或 dl 表表示。示。外消旋体是混合物外消旋体是混合物，无旋光性无旋光性。（。（）-乳酸即乳酸即外消旋乳酸。外消旋乳酸。 外消旋体外消旋体可分离可分离成左旋体与右旋体。成左旋体与右旋体。名名 称称熔点熔点 CpKa溶解度溶解度(g/100 mL H2O)D-(+)-乳酸乳酸L-(-)-乳酸乳酸( )-乳酸乳酸262618+3.8-3.803.763.763.76 20D二、外消旋体的物理性质二、外消旋体的物理性质 一对对映体具有相同的熔点、沸点

37、、密度、一对对映体具有相同的熔点、沸点、密度、pKa, 两者的比旋光度大小相等，方向相反。外消两者的比旋光度大小相等，方向相反。外消旋体的物理性质与单一对映体有些不同，它不具旋体的物理性质与单一对映体有些不同，它不具有旋光性，熔点、密度和溶解度等常有差异。但有旋光性，熔点、密度和溶解度等常有差异。但沸点与纯对映体相同。沸点与纯对映体相同。 一、一、 含两个不同手性碳原子化合物的对映异构含两个不同手性碳原子化合物的对映异构 结论结论： 异构体数目异构体数目 2n = 22 = 4 （n：手性碳原子数目）：手性碳原子数目） 对映体数目对映体数目 2n 1 = 2（2 1）= 2（对）（对） HOH

38、HClHOHClHHOHClHHOHHClCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOH(1)(2)(3)(4)对映体对映体m.p173173167167D20 -7.1+7.1-9.3+9.3( )m.p145m.p157外消旋体外消旋体非对映体氯代苹果酸氯代苹果酸第五节第五节 非对映体和内消旋化合物非对映体和内消旋化合物 邓健 制作 吕以仙 审校59HCHOClCH3HClClCHOHCH3ClHHCHOClCH3ClHClCHOHCH3HCl( a ) ( b ) ( c ) ( d ) (a)和和(c)是彼此不成镜像关系的光学异构体是彼此不成镜像关系的光学异构体, 叫

39、作叫作非非对映体对映体(diastereomers); 同样同样, (a)和和(d)之间也是非对映之间也是非对映体。体。彼此不成镜像关系的立体异构体叫非对映体彼此不成镜像关系的立体异构体叫非对映体。 二、非对映体二、非对映体 HOHClHCOOHCOOHCOOHHOHHClCOOHHOHHClCOOHCOOHHOHClHCOOHCOOH 2R3R 2S3S 2R3S 2S3R dl-dl- 分子中有两个以上手性中心时，就有非分子中有两个以上手性中心时，就有非对映异构现象。对映异构现象。非对映异构体的特征：非对映异构体的特征：1、 物理性质不同（熔点、沸点、溶解度等）。物理性质不同（熔点、沸点、

40、溶解度等）。2、 比旋光度不同。比旋光度不同。3、 旋光方向可能相同也可能不同。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。化学性质相似，但反应速度有差异。 人民卫生电子音像出版社62三三、内消旋化合物内消旋化合物 酒石酸分子中有酒石酸分子中有2个相同手性碳。如果按照个相同手性碳。如果按照 2n 规则规则, 可有可有 4个立体异构体。但实际上酒石酸分子只有个立体异构体。但实际上酒石酸分子只有3个立体异构体。个立体异构体。HCOOHOHCOOHHOHHOCOOHHCOOHHOHHCOOHOHCOOHHOHHOCOOHHCOOHHOH( a ) ( b ) ( c ) ( d

41、 )(a) 和和 (b) 是对映体是对映体 (a) 和和 (c) 是非对映体是非对映体 (b) 与与 (c) 是非对映体是非对映体 2R 3R 2S 3S 2R 3S 2S 3R 邓健 制作 吕以仙 审校63HCOOHOHCOOHHOHHOCOOHHCOOHHOHHCOOHOHCOOHHOHHOCOOHHCOOHHOH( a ) ( b ) ( c ) ( d )将将 (d) 在纸平面上旋转在纸平面上旋转180 ，就和，就和 (c) 完全相同。完全相同。 象象 这种构型的分子这种构型的分子, 虽然有两个手性中心虽然有两个手性中心, 但作为分子整体来说是非手性的。但作为分子整体来说是非手性的。

42、称为称为 (meso compound)。 内消旋化合物是纯净物，不具有旋光性。内消旋化合物是纯净物，不具有旋光性。 HCOOHOHCOOHHOHHOCOOHHCOOHHOHHCOOHOHCOOHHOHHOCOOHHCOOHHOH人民卫生电子音像出版社64 有一个简单的方法可以辨认内消旋有一个简单的方法可以辨认内消旋化合物。就是它具有对称面。化合物。就是它具有对称面。 OHHCCHOHCOOHCOOH 对称面的上半部分是下半部分的镜像。对称面的上半部分是下半部分的镜像。因此分子的上下两部分对偏振光的影响相互因此分子的上下两部分对偏振光的影响相互抵消，使整个分子不表现旋光性。抵消，使整个分子不表

43、现旋光性。 内消旋酒石酸内消旋酒石酸分子中的分子中的对称面对称面邓健 制作 吕以仙 审校65熔点（熔点（）溶解度溶解度(g/100mLH2O) ()-酒石酸酒石酸170139.0-12 ()-酒石酸酒石酸170139.0 +12 内消旋酒石酸内消旋酒石酸140125.00 ()-酒石酸酒石酸20620.00 由于内消旋体的存在，酒石酸只有三种立体由于内消旋体的存在，酒石酸只有三种立体异构体异构体, 其数目少于按照其数目少于按照 2n 规则所预测的数目。规则所预测的数目。 酒石酸立体异构体的物理性质酒石酸立体异构体的物理性质 20D四、四、 含两个相同手性碳原子化合物的对映异构含两个相同手性碳原

44、子化合物的对映异构 COOHHOHHOHHOHHOHHOHHOHHOHHOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOH(1)(2)(3)(4)对映体同一物质 20+12-1200 D（ ）酒石酸（m）酒石酸外消旋体内消旋体（分子中有对称面） 立体异构体总数立体异构体总数 = 2 n 1 n为奇数：为奇数： 内消旋体的数目内消旋体的数目 = 2 ( n 1 ) / 2 结论结论：异构体数目：异构体数目 旋光异构体的数目旋光异构体的数目 = 2 n - 1 n为偶数：为偶数： 内消旋体的数目内消旋体的数目 = 2 n / 2 - 1 立体异构体总数立体异构体总数 = 2 n 1 +

45、2 n / 2 1外消旋体与内消旋体：外消旋体与内消旋体： 外消旋体：外消旋体：是混合物是混合物，可拆分出一对对映体。，可拆分出一对对映体。 内消旋体：内消旋体：是化合物是化合物，不能拆分。，不能拆分。 外消旋体与内消旋体的共同之处是：外消旋体与内消旋体的共同之处是：二者均无旋二者均无旋光性光性，但本质不同。，但本质不同。 v例如例如：戊醛糖（：戊醛糖（2,3,4,5-四羟基戊醛）四羟基戊醛）:含有三个手性碳原子的化合物最多可能有含有三个手性碳原子的化合物最多可能有23=8种立体异构。种立体异构。如果把戊醛糖的两端氧化成羧基如果把戊醛糖的两端氧化成羧基,就只有四种立体异构体了：就只有四种立体异

46、构体了： 像像(III)、(IV)虽然有手性碳原子，却非手性分子虽然有手性碳原子，却非手性分子 :所以所以C-3这这样的不能对分子的手性起作用的手性碳原子，叫做样的不能对分子的手性起作用的手性碳原子，叫做假手性假手性碳原子碳原子. (III)、(IV) 中中C-3是手性原子（是手性原子（C-2和和C-4所连基团虽构造相所连基团虽构造相同，但构型不同）。同，但构型不同）。第七节第七节 无手性碳原子的对映异构体无手性碳原子的对映异构体 一、联苯型分子的对映异构：一、联苯型分子的对映异构： 联苯分子中两个苯环是在同一平面上。但当每个苯环的邻联苯分子中两个苯环是在同一平面上。但当每个苯环的邻位两个氢原

47、子被两个不同的较大的基团取代位两个氢原子被两个不同的较大的基团取代(如如-CO2H, -NO2等等)。 两个苯环若继续处于同一个平面上，取代基空间位阻就两个苯环若继续处于同一个平面上，取代基空间位阻就太大。只有两个苯环处于互相垂直的位置，才能排除这种空太大。只有两个苯环处于互相垂直的位置，才能排除这种空间位阻，形成一种稳定的分子构象间位阻，形成一种稳定的分子构象,产生互不重合的镜像异构产生互不重合的镜像异构体体(对映体对映体)。a ab bc cd da ab bc cd d( ( + + ) )或或 ( ( + + ) )a ac cb bd d0 0. .2 29 9 n nm m6, 6

48、-二硝基二硝基-2, 2-联苯二甲酸就是一对已经分离出的对映体。联苯二甲酸就是一对已经分离出的对映体。 二、丙二烯类化合物的对映异构：二、丙二烯类化合物的对映异构： 丙二烯类化合物丙二烯类化合物(C=C=C) 的结构特点是两个的结构特点是两个p键的平面相互垂直键的平面相互垂直(中心碳原子为中心碳原子为SP杂化杂化)。 当第一和第三个碳原子分别连有不同基团时当第一和第三个碳原子分别连有不同基团时,整个分子就整个分子就是一个手性分子是一个手性分子,因而有对映体存在因而有对映体存在:（补充）（补充）.两个相互垂直的四元环也可构成手性轴两个相互垂直的四元环也可构成手性轴! 螺环化合物螺环化合物 类似于

49、丙二烯型化合物类似于丙二烯型化合物cda ba b c d,时，存在对映体2,6-二甲基螺二甲基螺3,3庚烷庚烷CH3HHCH3CH3HHCH3第八节第八节 外消旋体的拆分外消旋体的拆分 对外消旋体化合物进行制备性分离具有巨大的潜力。对外对外消旋体化合物进行制备性分离具有巨大的潜力。对外消旋体化合物进行拆分研究目前主要有消旋体化合物进行拆分研究目前主要有机械拆分法、晶体接种机械拆分法、晶体接种拆分法、生物拆分法、化学拆分法以及色谱拆分法拆分法、生物拆分法、化学拆分法以及色谱拆分法。基本原则：基本原则：提供手性环境和条件，使对映异构体表现出不同提供手性环境和条件，使对映异构体表现出不同的性质从而

50、得以拆分。的性质从而得以拆分。（1）机械拆分法：机械拆分法： 利用外消旋体中对映体的结晶形态上的利用外消旋体中对映体的结晶形态上的差异，借肉眼直接辨认，或通过放大镜进行辨认，而把两种差异，借肉眼直接辨认，或通过放大镜进行辨认，而把两种结晶体挑捡分开。结晶体挑捡分开。(目前很少用目前很少用)如如 巴斯德（巴斯德（Pasteur， 1848 年法国化学家），拆分酒石酸年法国化学家），拆分酒石酸钠铵。钠铵。（2）微生物拆分法：微生物拆分法： 利用某些微生物或它们所产生的酶，利用某些微生物或它们所产生的酶，对对映体中的一种异构体有选择的分解作用。对对映体中的一种异构体有选择的分解作用。CH2CHCOO

51、HNHCOCH3()-N-乙酰基苯丙氨酸乙酰水解酶(+)-苯丙氨酸(-)-N-乙酰基苯丙氨酸（3）选择吸附拆分法：选择吸附拆分法： 用某种旋光性物质作为吸附剂，用某种旋光性物质作为吸附剂，使之选择性地吸附外消旋体中的一种异构体（形成两个非使之选择性地吸附外消旋体中的一种异构体（形成两个非对映的吸附物）。对映的吸附物）。（4）诱导结晶拆分法诱导结晶拆分法（晶种结晶法）：在外消旋体的过饱（晶种结晶法）：在外消旋体的过饱和溶液中，加入一定量的一种旋光体的纯晶体作为晶种，和溶液中，加入一定量的一种旋光体的纯晶体作为晶种，于是溶液中该旋光体含量多，在晶种的诱导下优先结晶析于是溶液中该旋光体含量多，在晶种

52、的诱导下优先结晶析出。出。()-A（+）-A(+)-A：结晶(-)-A：溶液（过饱和溶液）()-A(-)-A：结晶(+)-A：溶液（5）化学拆分法：化学拆分法： 将外消旋体与旋光性物质作用，得到将外消旋体与旋光性物质作用，得到非对映体的混合物，根据非对映体不同的物理性质，用非对映体的混合物，根据非对映体不同的物理性质，用一般的分离方法将它们分离。一般的分离方法将它们分离。外消旋体（）-酸(-)-碱（+）-酸(-)-碱（-）-酸(-)-碱非对映体分离酸化（+）-酸（-）-酸第九节第九节 手性分子的形成和生物作用手性分子的形成和生物作用 不对称分子对生命的意义不对称分子对生命的意义1、不对称分子是

53、生命的物质基础。、不对称分子是生命的物质基础。 生命的基本物质是核酸和蛋白质。核酸和蛋白质以及糖元、淀粉、纤维生命的基本物质是核酸和蛋白质。核酸和蛋白质以及糖元、淀粉、纤维素、磷脂等都有右螺旋结构，螺旋型分子均是不对称分子，而它们的单体如素、磷脂等都有右螺旋结构，螺旋型分子均是不对称分子，而它们的单体如核苷酸、氨基酸等，也都是不对称分子。核苷酸、氨基酸等，也都是不对称分子。2、光学活性是生命有序性和组织化的基础、光学活性是生命有序性和组织化的基础 生命是一个非常高度组织化了并高度有序的体系。为了生成这样的体系，生命是一个非常高度组织化了并高度有序的体系。为了生成这样的体系，就只能有一种对映体作

54、为形成生物分子的空间结构，如组成生命蛋白质的氨就只能有一种对映体作为形成生物分子的空间结构，如组成生命蛋白质的氨基酸都是基酸都是L 型，组成核酸的核糖和脱氧核糖分子都是型，组成核酸的核糖和脱氧核糖分子都是D 型。试想如果没有这型。试想如果没有这种光学活性，会怎样呢？例如由种光学活性，会怎样呢？例如由100 个谷氨酸组成的个谷氨酸组成的一聚谷氨酸大分子，一聚谷氨酸大分子，组成单元具有同一旋光性的，就只能生成一种组成单元具有同一旋光性的，就只能生成一种一聚谷氨酸。相反，若这一聚谷氨酸。相反，若这100 个氨基酸分子是个氨基酸分子是L 型和型和D 型的混合物，则这型的混合物，则这100 个氨基酸组成

55、的聚合分子的个氨基酸组成的聚合分子的异构体将有异构体将有2100 个之多，这样的分子根本构不成高度有序的生命分子。个之多，这样的分子根本构不成高度有序的生命分子。3、生物大分子手性是识别生命与非生命的探针、生物大分子手性是识别生命与非生命的探针 在地球上的生命组织的蛋白质中，氨基酸都是在地球上的生命组织的蛋白质中，氨基酸都是L 型；核酸中，核糖和脱氧型；核酸中，核糖和脱氧核糖总是核糖总是D型，这叫生命现象的手性对称性破缺。而非生命世界，所有事物常常型，这叫生命现象的手性对称性破缺。而非生命世界，所有事物常常是消旋的，即是消旋的，即L、D 型分子的数量相等或手性对称。型分子的数量相等或手性对称。

56、1860 年年Pasteur 说：分子的说：分子的旋光性也许是生命的唯一判据，因为天然有机物分子的不对称性，是至今在死的旋光性也许是生命的唯一判据，因为天然有机物分子的不对称性，是至今在死的化学和活的化学之间唯一的分界线。生物体内有机物的旋光特点，从低等生物到化学和活的化学之间唯一的分界线。生物体内有机物的旋光特点，从低等生物到高等哺乳动物都普遍存在。因而这一特征成为区分生物与非生物的显著标准。也高等哺乳动物都普遍存在。因而这一特征成为区分生物与非生物的显著标准。也以此来判断陨石上的氨基酸是来自生命体的，还是非生命体的。以此来判断陨石上的氨基酸是来自生命体的，还是非生命体的。肾上腺素被酶的手性识别肾上腺素被酶的手性识别 2