第三章 立体化学基础

1、第三章 立体化学基础一、平面偏振光及比旋光度二、对映体异构和手性三、分子的对称性和手性(一) 对称因素1 对称面2 对称中心3 对称轴（二）手性因素1手性中心2手性面3旋光性的产生四、含一个手性碳原子的化合物(一) 对映异构体的理化性质(二) 外消旋体(三) 对映异构体的表示方法(四) 对映异构体构型的命名1D、L 命名法2R、S命名法五、含两个手性碳原子的化合物1含两个不同手性碳原子的化合物2含两个相同手性碳原子的化合物六、外消旋体的拆分七、取代环烷烃的立体异构（一） 顺反异构和对映异构（二） 取代环己烷的构象分析1 单取代环己烷2 二取代环己烷（三） 二环环烷烃的构象八、构象异构和构型异构

2、九、烷烃卤代反应的立体化学第三章 立体化学基础具有相同分子式而结构不同的分子互称为异构体，这种现象称为异构现象。同分异构现象在有机化合物中较为普遍，有机化合物的异构现象可分为结构异构（构造异构）和立体异构。构造异构是指分子中原子排列顺序不同所引起的一类异构，根据不同情况可分为：碳链异构、位置异构、官能团异构三种。立体异构是指分子构造(即分子中原子相互连接的方式和次序)相同，只是立体结构(即分子中原子在三维空间的排列顺序)不同所引起的一类异构，可分为构型异构和构象异构。在第二章已讨论了顺反异构（属构型异构）和构象异构的一些内容，本章着重讨论另一种构型异构即对映异构和其他有关内容。因对映异构体可使

3、平面偏振光左旋或右旋。因此下面先讨论平面偏振光和比旋光度的有关问题。一、平面偏振光及比旋光度光是一种电磁波，光波振动的方向与其前进的方向垂直。普通光或单色光的光波是在各个不同的平面上振动，若使单色光通过尼可尔(Nicol)棱镜，一部分射线就被阻挡不能通过，只有和棱镜的晶轴平行振动的射线才能通过，这种通过棱镜的只在一个平面上振动的光称为平面偏振光，偏振光前进的方向和其质点振动的方向所构成的平面称为振动面，见图3-1。图3-1 普通光与平面偏振光(1)普通光 (2)尼可尔棱镜 (3)平面偏振光 (4)振动面自然界中很多物质如酒石酸、葡萄糖具有使平面偏振光的振动面发生旋转的性质，称为旋光性或光学活性

4、。此种物质称为旋光性物质或光学活性物质。生物体内大部分有机分子都具有旋光性，这一特性有十分重要的生理意义，一些物质由于旋光性的不同，在生理作用上往往表现出极大的差异。平面偏振光通过无旋光性物质，振动面不会改变(图3-2)；而平面偏振光通过旋光性物质后，振动面改变的角度称为旋光度(optical rotatory degree)，用a表示(图3-3)。从面对光线的入射方向观察，振动面按顺时针方向旋转的，称为右旋(dextrorotatory)，用符号“d”或“+”表示；按逆时针方向旋转的，称为左旋(levorotatory)，用符号“l”或“”表示。一个物质的旋光的方向和旋光度的大小可由旋光仪测

5、定。图3-2 平面偏振光通过无旋光性物质 图3-3 平面偏振光通过旋光性物质(1)尼可尔棱镜 (2)盛液管旋光度除与分子的结构有关外，还与测定时溶液的浓度、厚度(盛液管的长度)、温度及光源的波长等因素有关。因此，为了统一标准，通常采用比旋光度(specific rotation)a来表示。旋光度和比旋光度之间的关系如下：a为比旋光度，a为实测旋光度，c为浓度(克/毫升)，1为溶液厚度(即盛液管的长度，单位为分米)。当c=1克/毫升，11分米，则aa因此，比旋光度即是指被测物质浓度为每毫升含1克，溶液厚度为1分米时的旋光度。但是因光波波长和温度对旋光度有影响，所以应将所用光波的波长(l)和测定的

6、温度(t)表示出来。如aD25中的D表示光谱中的D线，波长相当于5890Å，即所用光源为钠光。25表示测定温度为25。比旋光度是旋光性物质的一个物理常数，例如葡萄糖：aD20+52.5º(水)氯霉素：aD25+1720.0º(无水乙醇) ， aD25-25.5º(乙酸乙酯)从氯霉素的比旋光度可以看出溶剂对旋光度也有影响。测定旋光度，可用来鉴定旋光性物质，或测定旋光物质的纯度和含量。例如：测得一个葡萄糖溶液的旋光度为+3.4º，而葡萄糖的比旋光度为+52.5º，若盛液管长度为1分米，则可计算出葡萄糖的浓度为在制糖工业上常用测定旋光度的方

7、法来控制糖液的浓度。练习题3.1 某光学物质lg，溶于10ml氯仿中后，在5厘米长的旋光管中测定其旋光度为-3.9°，试问此物质的比旋光度是多少？练习题3.2 比旋光度+40°的某物质，在1分米的旋光管中测得的旋光值为+10°。试问此物质溶液的百分浓度是多少？一个物质旋光能力的大小与分子结构有关，但因测定旋光度时的浓度是以每毫升溶液中含物质的克数(重量)为单位，而分子量不同的两个物质重量相等时，其所含分子数不等。所以当分子量不同的两个物质具有相同的比旋光度时，其分子的旋光能力却是不等的。为了明确表示某物质的旋光特性，有时采用摩尔旋光度M的概念，它与比旋光度的关系如

8、下： 二、对映体异构和手性“右旋酸中的原子是排列在一个右螺旋上或是排列在一个不规则四面体的顶点上，或是有其它的非对称排列方式，我们尚不能回答这些问题。但是存在着一种非对称的(dissymmetric)排列方式，并不能与其镜像相重合，这是没有疑问的”。路易斯·巴斯德（ Louis Pasteur,1822-1895） 伟大的法国化学家。最初他只是一名普通的艺术系学生，曾一度想成为一名专业画家。在听过Dumas 和 Balard的讲座之后，他开始转向化学研究，并最终成为这一领域最杰出的学者之一。他的化学研究使外消旋酒石酸的分离成为可能。他和 Biot同时提出分子自身的不对称性是旋光性的形

9、成原因，这一理论在范德霍夫和勒贝尔（Van't Hoff ，Lebel ）的研究之后得到进一步的发展。他发现一种依赖酒石酸的植物霉菌只利用两对映体之一，这在现在看来当然是一普通的现象，在当时却是一个里程碑式的发现。尽管他在化学上的成就巨大，但人们了解更多的却是他在生物学及医学上所做出的贡献。他首先提出了发酵作用需要有微生物的参与才能发生，而非仅仅是一个自发的化学反应，在此理论的基础上他提出了巴氏消毒法。他建议在丝绸业中采取杀灭传染性丝绸蠕虫，由此挽救了面临困境的法国丝绸业。他将同样的理论应用于炭疽病，发明了一种痘苗来对付这种一直危害法国牲畜的疾病。他研究的狂犬病减毒疫苗是第一个有效的治

10、疗该病的疫苗。1888年，巴斯德研究所成立，如今它已成为世界上最好的生物研究中心之一，世界上第一例爱滋病病毒即在此发现。一个化合物的分子与其镜像不能互相重合，必然存在着一个与镜像相应的化合物，这两个化合物的关系，相当于右手和左手，即互相对映，这种异构体称为对映异构体(enantiomers，来自希腊文enantio“相反的”及meros“部分”)。简称对映体,因它们的旋光性不同，所以又称为旋光异构体。旋光性是识别对映异构体的重要手段。如果借助小球棒制作某一化合物及其镜像的模型，可以发现有些分子的实物和镜像是可重合的。例如，图3-4中的两个乙醇分子模型，它们互为实物和镜像，也可以说，它们具有对映

11、关系。但是当我们将两个分子中连有羟基的碳原子相互重叠，然后再将连在碳原子上的任何两对基团(图中为羟基和甲基)重叠时，那么剩下的两个基团(图中为氢原子)一定也是重合的。所以这两个分子模型代表同一化合物。图3-4 乙醇模型的重叠操作但对某些分子来说，两个互为实物与镜像关系的分子是不能重合的，如图3-5中的两个2-丁醇对映分子模型。当将二者连有羟基的碳原子(C2)和连在此碳原子上的乙基和羟基分别相应重叠时，剩下的两个甲基并不能重合(这里是甲基与氢原子相遇)。因此，这两个分子模型具有对映而不能重合的关系，彼此互称为对映异构体(enantiomers)。图3-5 2-丁醇模型的重叠操作有对映异构体的分子

12、被称为手性分子(chiral molecule)，或称分子具有手征性或手性(chirality，来自希腊文cheir“手”)，因为这一对对映异构体就像人的左、右手一样：是对映的，又是不能重合的(可以用右手不能戴左手套；左手不能戴右手套来说明左、右手的不重合性)，如上述的2-丁醇的一对对映体。另一类是非手性的（achiral），即不分左右，分子与其镜像能够互相重合。非手性的小分子化合物在液态下或溶液中是没有旋光性的，如乙醇。三、分子的对称性和手性分子与其镜像是否能互相重合取决于分子本身是否具有对称性，因此，我们先简单介绍有关分子对称的一些基本概念。（一）对称因素判断一个分子的对称性，要将分子进行

13、某一项对称操作，看结果是否与它原来的立体形象完全一致。如通过某种对称操作后，和原来的立体形象完全重合时，就说该分子具有某种对称因素，它们可以是一个点、一个轴或一个面。1 对称面假如一个分子能被一个假想的平面切分为互为具有实物与镜像关系的两半，此平面即称为对称面(symmetric plane ,符号s)。相应的对称操作是将物体部分所有的点移到对应于此平面的对称位置上去。如顺-1,2-二氯乙烯具有两个对称面，一个是6个原子所在的平面，另一个是通过双键垂直于分子平面的平面，见1。顺-1,2-二甲基环丙烷有一个通过亚甲基垂直于环平面的对称面，见2。2 对称中心当分子中的任一个原子到某一假想点(1)的

14、连线，再延长到等距离处，遇到一个相同的原子时，这个假想的点就称为对称中心(symmetric center , 符号i)。如下图列出的化合物均有一个对称中心。 凡有对称面和对称中心的分子，一定是非手性的，无对映异构体，无旋光性。3对称轴当分子环绕通过该分子中心的轴旋转一定的角度，得到的分子形象与原来的完全重合时，此轴即称为对称轴（symmetric axis,符号C）。当旋转360/n角度后，此轴即称为n重对称轴(符号Cn)。如氯仿3有一个三重对称轴(C3)，即通过C-H键的那个轴，当分子绕此轴旋转120°(360/3)与原来的分子重合，苯4有一个六重对称轴(C6)，六个二重对称轴(

15、C2)。C6轴为通过分子中心垂直于苯环平面的轴，分子绕此轴旋转60°(360/6)，即与原来的形象重合。C2轴垂直于C6轴。练习3.3 判断下列分子是否具有对称中心、对称轴或对称面?(1) 反1,2-二甲基环丙烷 (2) 环己烷的船式构象 (3) 乙烷的交叉式构象(4) 丁烷的对位交叉式构象 (5) 乙烷的重叠式构象 （二）手性因素分子的手性常常与处于手性部分的一个或一个以上的特定原子有关，使分子具有手性的几何因素有手性中心和手性面（手性轴内容在第八章中讨论）。1手性中心能引起分子具有手性的一个特定原子或分子骨架的中心称为手性中心(chiral center)。最常见的手性中心为手性

16、碳原子（chiral carbon），即连接四个不同原子或基团的碳原子(与不对称碳原子的含义相同。)其它多价杂原子如N、P等等也可形成手性中心。例如下式中标有“*”号者为手性原子。 2手性面分子的手性由于某些基团对分子中某一平面的不同分布而引起，此平面即称手性面(chiral plane)。例如下列化合物，由于苯环上的取代原子和基团在空间的排列不同而具手性，故苯环即为手性面。一个手性分子必然具有手性中心、手性轴或手性面，最常见的是具有手性碳原子的化合物。但是具有手性碳原子的化合物，不一定都是手性分子和具有旋光性。这将在本章的有关部分中讨论。3旋光性的产生手性分子能使偏振光发生旋转的原因可简单解

17、释如下：任何一种光线通过透明物质时，因与物质分子的作用而使光速减慢，这种现象通常引起光的折射，光速的减小与光的折射率成正比。平面偏振光可看作是由两个周期和振幅相同而旋转方向相反的圆偏振光叠加组成。圆偏振光是绕光轴运动呈螺旋状前进的。从入射光方向观察，螺旋按顺时针方向前进的为右旋圆偏振光，按逆时针方向前进的为左旋圆偏振光，见图3-6。图3-6 右旋及左旋圆偏振光如果两种圆偏振光进行叠加，则可产生平面偏振光，如图3-7。当平面偏振光通过一个具有对称性的物质时，两种圆偏振光以同一速度前进，在时间t内，弧AB和AC是相等的，所以得到平面AA'，如图3-8中的(a)所示，结果振动面不改变，若平面

18、偏振光通过一个具有手性的物质，此时两种圆偏振光以不同的速度前进，如图3-8中的(b)所示，由于右旋圆偏振光的速度较快(此处假定)，所以弧AB和AC不等，结果引起振动面向右旋转a角度。图3-7 两种圆偏振光叠加产生平面偏振光图3-8 通过无旋光性或旋光性物质时两种圆偏振光的叠加四、含一个手性碳原子的化合物乳酸(2-羟基丙酸)最初是从酸奶中分离出来的，自然界中的微生物使葡萄糖或乳糖发酵分解产生乳酸时，用不同的菌种，可得到两种不同的乳酸，一种使偏振光的振动面向右旋转3.82°，称右旋乳酸；另一种则使偏振光振动面向左旋转3.82°，称左旋乳酸。分析乳酸分子的结构，可知其含有一个手性

19、碳原子，它分别连接CH3、OH、COOH和H四个不同的基团，这些基团在空间有两种不同的排列方式(即两种不同的构型)，可用图3-9所示的模型表示。图3-9 两种乳酸分子的模型由图3-9可以看出，两种乳酸的立体结构之间存在着实物和镜像的关系，有如左右手那样，相互对映而不能相互重叠，互为对映异构体。含有一个手性碳的化合物和乳酸一样，都具有一对对映异构体。(一) 对映异构体的理化性质对映体的旋光度相同而旋光方向相反，其它的物理性质和化学性质在一般条件下都相同，如(+)-乳酸和(-)-乳酸的熔点都是53，pKa都是3.79。但在手性条件下会表现出某些不同的性质。例如用左旋圆偏光时，左旋乳酸的折射率为1.

20、10011，右旋乳酸为1.10071；用右旋圆偏振光时，左旋乳酸为1.10071，右旋乳酸为1.10011。当它们与手性试剂反应时，两种对映体的反应活性不同，生理活性亦有不同的情况，如一些旋光性药物，有的一对对映体的生理活性相同，有的只有其中一种对映体有治疗效果，而另一种则无疗效或疗效甚小。如左旋氯霉素有抗菌作用，其对映体则无效。（二）外消旋体在实验室中合成乳酸时，得到的产品为等量的左旋体和右旋体的混合物，无旋光性。这种由等量的对映体所组成的物质称为外消旋体(racemic compound)。由于两种组分的旋光度相同，旋光方向相反，旋光性恰好互相抵消，所以外消旋体不显旋光性。外消旋体常用符号

21、(±)或dl表示。外消旋体的化学性质一般与旋光对映体相同，而物理性质则有差异(见表3-1)。表3-1 乳酸的物理性质熔点() D20水 pKa25°(+)-乳酸 53 +3.82° 3.79(-)-乳酸 53 -3.82° 3.79(±)-乳酸 18 - 3.79练习题3.4 下列化合物哪些是手性的？指出它们所含的手性碳原子？(用*表示)(1) CH3Cl (2) CHCl3 (3)(4)(5)(6)（三）对映异构体的表示方法表示对映异构体的最好方法是前面所画的乙醇和2-丁醇的伞形式(图3-5)以及上述乳酸的模型图式(图3-9)。但在描述多原子

22、的分子时，立体图式很不方便。因此，多数情况下都采用平面投影式，最常用的是费歇尔(E.Fischer)投影式。该法(图3-10a所示)是将与手性碳原子相连的四个不同基团(U，V，S，T)中的两个(U，V)处于水平方面、朝向观察者；另两个(S，T)处于垂直方向、朝后，然后朝纸面投影。这样，在纸面上的横线是连接向前(水平方向)的基团；竖线连接向后(垂直方向)的基团。手性碳原子处于两条直线交叉点，不用写出。所以，这种投影式也可称为十字型投影式。对于含多个手性碳的分子，可将分子处于重叠式构象，然后按上法逐个进行投影(如图3-10b所示)。图3-10 费歇尔投影式(a)一个手性碳分子的费歇尔投影操作 (b

23、)含两个手性碳分子投影操作由于可以随意指定四个不同基团中的两个处于水平或垂直方向，因此，同一分子就会得到几个费歇尔投影式。它们可以互换，但分子中四个基团的相对位置必须遵守下列规则，以免在互换时改变原来的空间关系。1费歇尔投影式可不离开纸面旋转180°或其整数倍，得到的另一投影式仍代表原分子结构；若旋转90°或其奇数倍，得到的另一投影式是其对映异构体。例如(可用模型验证)：2在判断不同的费歇尔投影式是否代表同一物质时，可用投影式是否重合来判断。但重合时投影式不能离开纸面，而只能在纸面内平移。例如，下面一对2-氯丁烷的投影式,平移重叠时不能重合，是代表一对对映体；若但将其中之一

24、离开纸平面翻180°，再与另一投影式重叠时，两者能完全重合，这样就成了同一物质了。3一个投影式中的基团也可经交换转成另一个投影式，但交换时不能改变原有的空间关系。例如，将手性碳原子上的一个取代基保持不变，另外三个基团按顺时针或逆时针方向旋转时，原有的空间关系不变：以上规定都是与费歇尔投影式代表特定的立体形态有关，不能简单地以平面图处理。练习题3.5 指出下列各结构表示式之间的相互关系(同一化合物？对映异构体？)(1)(2)(3)(4)（四）对映异构体构型的命名1D、L命名法在X-光衍射法尚未问世以前，费歇尔选择甘油醛作为标准，将主链竖向排列，氧化态高的碳原子放在上方，氧化态低的碳原子

25、在下方，写出甘油醛的费歇尔投影式。并人为规定羟基在碳链右边者为右旋甘油醛，称为D型，在左边者为左旋甘油醛，称为L型。 D- (+)-甘油醛 L-()-甘油醛某些旋光性化合物的构型用化学方法将其与甘油醛联系而确定。例如右旋甘油酸的构型是用如下的方法确定的。 L-()-甘油醛 L-(+)-甘油酸因右旋甘油酸可通过L-()-甘油醛用溴水氧化制得。在这反应中手性碳上的键未断裂，可认为其几个键的空间排列（构型）未变，因此推知(+)-甘油酸的构型和L-(-)-甘油醛是一样的，亦是L-型。即按上面的写法，(+)-甘油酸的羟基应在费歇尔投影式的左边。从这个例子还可看出旋光方向与构型间没有必然的联系。亦就是(+

26、)体不一定是D-型，()体不一定是L-型。这种与人为规定的标准物相联系而得出的构型称为相对构型（relative configuration）。1951年用X-光衍射法测定了(+)-酒石酸钠铷的绝对构型（真实的三维空间的立体关系），也就确定了酒石酸的绝对构型（absolute configuration），恰好与人为规定的构型相一致。早先酒石酸或甘油醛与其它旋光性化合物相联系，确定的相对构型都成为了它们的绝对构型。D、L命名法有其局限性，如2,3-二羟基-2-甲基丙醛这样的化合物就不适用；又如在含多个碳原子如糖的分子中，D或L仅表示其中一个手性碳原子的构型。但由于习惯的原因，此种命名法目前在糖

27、类化合物和氨基酸中应用仍较普遍。2R、S命名法含一个手性碳的分子如2-氯丁烷,有两个对映异构体。命名这类具有立体特征的化合物时，应标出分子中连在手性碳上各个基团在空间的排列顺序(即构型)。目前广泛采用的是由凯恩(Cahn)-英果尔德(Ingold)-普瑞洛格(Prelog)提出的命名法则。其原则是：(1) 将连在手性碳上的四个基团(a、b、c、d)按次序规则(见下)较优先的排在前面，(假设优先顺序为a>b>c>d)；(2)将最小基团(d)远离观察者，然后观察其他三个基团的关系。若观察者的眼睛由abc依顺时针方向行进时，此手性碳具有R-构型(R来自拉丁文Rectus的词头，意为

28、“右”)；若以逆时针方向行进时，则S-构型(拉丁文Sinister的词头，意为“左”)。如图3-11所示：图3-11 构型的标定确定基团排列先后的次序规则如下： （1）连在手性碳上的四个原子不相同时，可以原子序数大小为序排列，大的优先，小的在后。同位素原子以质量较高者优先。例如在化合物(1)中，基团优先次序是Cl，S，C，H；化合物(2)中，基团优先次序是S，C，D，H；按上面的命名规则，（1）和（2）分别称（R）-a-氯代乙磺酸和（R）-a-氘代乙磺酸中的基团优先顺序为S，C，D，H。（R）-a-氯代乙磺酸（R）-a-氘代乙磺酸（2）若手性碳原子相连的两个原子相同时，可比较连在这两个原子上的

29、其他原子，原子序数较大者优先。例如化合物(3)中的甲基和乙基都碳原子与手性碳相连，但在甲基中其他原子均为碳原子(即H、H、H)，而在乙基中C、H、H，所以乙基较优先。这样四个基团的优先顺序是氯原子(a)、乙基(b)、甲基(c)氢原子(d)，沿a|、b、c的顺序是顺时针的，为R型，称为（R）-2-氯丁烷。（R）-2-氯丁烷（R）-2-氯-3-甲基-1-丁醇又如在化合物（4）中，羟甲基的碳原子连有O、H、H；异丙基碳原子连有C、C、H。虽然异丙基碳原子后有两个碳原子，但羟甲基碳原子所连的氧原子具有较高原子序数，因此羟甲基优先，称为（R）-2-氯-3-甲基-1-丁醇。（3）具有双键或叁键时，可将其看

30、作是连接两个或三个相同的原子，如：；因此，在4-甲基-3-氨基-3-苯基-1-戊烯中的基团优先顺序为：氨基>苯基>乙烯基>异丙基。4-甲基-3-氨基-3-苯基-1-戊烯（4）取代基互为对映异构体时，R-构型先于S-构型；取代基互为几何异构体时，顺（Z）式先于反(E)式。当采用费歇尔投影式表示分子结构并进行构型命名时也有一些规律：若最小基团已处于垂直方向的竖线上时，可直接将其他三个基团在平面内按大小顺序确定其构型。因为此时最小基团已处于离观察者最远的位置。例如，对下面几个2-氯丁烷的费歇尔投影式，可按上述方法标出它们的构型：S-构型R-构型S-构型S-构型若最小基团处于水平方向

31、的横线上时，可有几种方法确定构型：1) 用手当模型。手臂代表最小基团的方向，最小基团处横线左方时用左臂，处横线右方时用右臂；拇指代表横线上另一个方向；食指朝上，代表垂直上方；中指朝下，代表垂直下方。然后将手臂转到离观察者最远的方向。此时，拇指、食指和中指都面向观察者。最后按三指所连基团的大小顺序确定构型。 2) 直接用平面的投影式，通过基团交换位置的原则，将原水平方向的最小基团换至垂直方向，然后按平面内的顺序确定构型。例如，可将下列2-氯-丁烷投影式(5)中的甲基固定，使其他基团按顺时针旋转成投影式(6)，然后在平面内按氯、乙基、甲基顺序确定其构型为R。(5) (6)3) 也可将最小基团处于水

32、平方向的投影式先在平面内确定构型，而实际构型是与其相反。因为此时在平面内观察基团大小顺序时，最小基团是离观察者最近，而原规定是最小基团离观察者最远，因此结果相反，如下面这两个化合物（7）和（8）的平面构型分别是（S）-型和(R)-型,而实际（7）是(R)-型, （8）是（S）-型, （7）称为(R)-2-氯丁烷,（8）称（S）-2-甲基-1-戊烯。不论用什么方法确定构型，都要牢记投影式代表的是分子的立体形态。（7） （8） 练习题3.6 (1) 指出以下化合物中手性碳的构型：(a)(e)(b)(f)(c)(g)(d)(h)(2) 练习题3.5中哪些是R型,哪些是S型？五、含两个手性碳原子的化合

33、物1含两个不同手性碳原子的化合物一般地说，分子中含手性碳原子的数目越多，对映异构体也越多。如分子中含有两个不相同的手性碳原子时，与它们相连的原子或基团，可有四种不同的空间排列，即存在四个对映异构体。例如氯代苹果酸(2-氯-3-羟基丁二酸)分子中有两个不相同的手性碳原子，一个手性碳原子连接-H、-OH、-COOH、和-CHClCOOH四个不同基团，而另一个手性碳原子则与-H、-Cl、-COOH、和-CHOHCOOH四个基团相连，它们的四个旋光异构体的费歇尔投影式如下：D -7.1° +7.1°（1） （2） -9.3° +9.3° （3） （4）其中（1）

34、和（2），（3）和（4），均存在实物和镜象关系，各构成一对对映体；（1）和（3）或（4），（2）和（3）或（4），均不是实物和镜象关系，称为非对映异构体(diastereomer)。麻黄碱分子中也有两个不相同的手性碳原子，所以也有四个旋光异构体。它们的费歇尔投影式如下：()-麻黄碱（5）(+)-麻黄碱（6）()-伪麻黄碱（7）(+)-伪麻黄碱（8）麻黄碱和伪麻黄碱各有一对对映体，即上式中的（5）和（6），（7）和（8），麻黄碱与伪麻黄碱之间则为非对映体。非对映体的旋光性不同，其它物理和化学性质也有差异(表3-2)。表3-2 麻黄碱及伪麻黄碱的物理性质熔点() D20 溶解性(-)-麻黄碱 38

35、 -6.3°(乙醇) 溶于水、乙醇和乙醚盐酸盐 -34.9° (+)-麻黄碱 40 +13.4°(4%水) 同上盐酸盐+34.4°(±)-麻黄碱 77 同上(-)-伪麻黄碱 118 -52.5° 难溶于水，溶于乙醇和乙醚(+)-伪麻黄碱 118 +51.24° 同上(±)-伪麻黄碱 118 难溶于水，易溶于乙醇、溶于乙醚由上可知，含一个手性碳原子的化合物有两个旋光异构体；含两个不相同手性碳原子的化合物有四个旋光异构体。依此类推，含有不相同手性碳原子的旋光异构体数目应为2n个(n为不相同手性碳原子的数目)；而对映体则

36、有2n-1对。含两个手性碳原子的旋光异构体可用R、S法分别表示手性碳原子的构型。其中RC*abC*adR'的化合物通常将其与丁醛糖(三羟基丁醛)的四种异构体作比较来表示其构型。若a、a两个相同基团在费歇尔投影式中处于同侧而与赤藓糖构型相似者，称为赤型或赤式(Erythro-)；a、a处于异侧而与苏阿糖构型相似者，称为苏型或苏式(Threo-)。丁醛糖四种异构体的费歇尔投影式及名称如下：D-(-)-赤藓糖L-(-)-赤藓糖L-(+)-苏阿糖D-(-)-苏阿糖赤藓糖型(赤型)苏阿糖型(苏型)2含两个相同手性碳原子的化合物分子中含有两个相同手性碳原子(两个手性碳原子上连有同样的四个不同基团)

37、的化合物，如酒石酸分子中两个手性碳原子上都连有-OH、-H、-COOH和-CH(OH)COOH，则只有三个旋光异构体。左旋酒石酸(1)右旋酒石酸(2)内消旋酒石酸(3) (4)(1)和(2)互为对映体，(3)和(4)代表同一化合物。即(3)不离开纸面旋转180°就是(4)。（3）或（4）中的两个手性碳原子一为S构型，一为R构型，它们所引起的旋光度相同而方向相反，恰好在分子内抵消，故不显旋光性，称为内消旋(meso-)体, 用“i”或“meso”表示。内消旋体与左旋体或右旋体互为非对映体，故物理和化学性质都不相同(参见表3-3)。内消旋酒石酸不显旋光性的原因，还可由构象分析来说明。在内

38、消旋酒石酸的三种典型构象中，对位交叉式有一个对称中心，全重叠式有一个对称面，都不具旋光性；邻位交叉式理论上应具有手性，但其两种对映体之间可迅速互变而以等量存在，故也不显旋光性。因此，内消旋酒石酸实际上是各种具有对称因素的构象以及各种外消旋构象所组成的动态平衡体系，故没有旋光性，通常用具有对称面的构象表示。对位交叉式全重叠式邻位交叉式内消旋体和外消旋体有什么差别呢？内消旋体(如内消旋酒石酸)为旋光异构体之一，由于分子内部旋光性互相抵消而不具旋光性，不能拆分得到对映体。外消旋体(racemate)由等量的一对对映体(如左旋酒石酸和右旋酒石酸)所组成，也不具旋光性，但可以拆分为具有旋光性的左旋体和右

39、旋体。两者都无旋光性，但本质不同。如酒石酸的外消旋体的熔点和溶解度与两种对映体的情况如下：表3-3 酒石酸的物理性质熔点()D2520%水溶解度g/100gH2OpKa1pKa2(-)-酒石酸170-12°1392.934.23(+)-酒石酸170+12°1392.934.23(±)-酒石酸20620.62.964.24i-酒石酸1401253.114.80对于含有三个手性碳的化合物，如手性碳都不同，则有四对对映异构体，如其中有两个是相同的，则只有四个构型异构体，其中一对对映体和两个内消旋体。如2,3,4-三羟基戊二酸有四个构型异构体（5）（6）（7）和（8），在

40、（5）和（6）中，C3上连有两个构造和构型 (2R,4R)或(2S,4S) 完全相同的碳原子，因此C3是非手性的。但C2和C4两个手性碳原子不呈镜像关系，整个分子没有对称面和对称中心，所以它们都是手性分子，（5）和（6）互为对映异构体。而在（7）和（8）中，沿C3、OH和H有一个对称面，C2和C4又呈镜像关系，因此（7）和（8）都是内消旋体。对（7）和（8）的C3来说，它连有构造相同、构型不同的碳原子；C3是手性碳，但整个分子是非手性的，所以称其为假手性碳原子。（5）（6）（7）（8）对映体熔点 127 127内消旋体170内消旋体190 六、外消旋体的拆分在由非手性分子合成手性分子时常得等量

41、的对映体。但在很多情况下只需要其中某一种光学活性物质，所以常需设法将由合成得到的外消旋体中的两个对映体分离开。此过程称为外消旋体的拆分(或拆解)。任何混合物的分离都是基于这些成分的不同性质(主要是物理性质)。但是，外消旋体中的两个对映体除了旋光性不同外，其它物理性质都相同，所以它们的分离需用特殊的方法。外消旋体拆分的方法很多，其主要原则是设法将一对对映体转成一对非对映体。由于后者具有不同的物理性质，便可采用常规分离手段分开。当非对映异构体分离后，再经一定方法处理使其转回成原来的对映体。目前，大多数拆分工作靠有光学活性的手性拆分试剂。这些试剂有的是人工合成的，但很多是自然界存在的天然产物，它们是

42、经酶催化的的生物合成获得的。这些拆分试剂都是光学纯度为100%的物质。下面以最常见的外消旋酸(或碱)的拆分为例，说明拆分剂的作用及拆分的一般过程。例如，外消旋的有机酸可用碱性拆分剂(假设用d-旋光的)与其反应。这样，先形成两种物理性质不同的非对映异构的dd-盐或dl-盐。这时，可用合适的溶媒经重结晶法进行分离。然后再用无机酸将有光学活性的有机酸分别从盐中置换出来。拆分过程表示如下：以上过程需经多次重结晶才能完成全部拆分工作。选择的拆分剂及重结晶溶剂要合适。常用的碱性拆分剂有人工合成的，如a-苯基乙胺，及来自植物体的生物碱如()-番木鳖碱、()-马钱子碱、(+)-辛可宁碱、()-吗啡碱、()-喹

43、宁碱、()-麻黄碱等。外消旋有机碱的拆分原理是相同的，可用酸性拆分剂与其成盐。常用的酸性拆分剂有(+)-酒石酸、()-二乙酰酒石酸、()-二苯甲酰酒石酸、(+)-樟脑磺酸、()-苹果酸等。酶作用下的生物拆分法以及手性吸附剂的色谱分离法，也已成为常用的拆分方法，这里作一简介：酶是由光学活性的氨基酸组成的手性大分子。它与外消旋体的化合物作用时，可选择性地作用于一种对映体而对另一对映体不作用。例如，外消旋酒石酸铵盐在酵母(一种酶)作用下发酵，天然的右旋酒石酸铵盐可逐渐被消耗(与酵母作用生成其它产物)，发酵液中最后可分离出纯的左旋酒石酸铵盐。色谱分离法的原理同酸、碱拆分法。用手性的物质如淀粉、蔗糖粉或

44、某些人工合成的手性大分子作为柱层析的吸附剂。当外消旋的被拆分物质通过层析柱时，可与吸附剂产生非对映异构的两种物质，它们在层析柱中被吸附的程度不同，因此在用溶剂洗脱时，有的先被洗脱下来，从而达到分离目的。 七、取代环烷烃的立体异构(一) 顺反异构和对映异构在前一章已介绍了取代环烷烃的顺反异构，如1,3-二甲基环丁烷和1,2-环丙烷二甲酸的顺反异构体如下：1,3-二甲基环丁烷顺式(1)反式(2)1,2-环丙烷二甲酸顺式(3)非手性分子(内消旋体)熔点 135反式(4)手性分子175上述化合物是否有对映异构体呢？判断的方法与链状化合物类似，一般根据它们是否有对称中心或对称面。化合物(1)有对称面，(

45、2)有对称面外，还有对称中心，(3)有对称面，它们都是非手性分子，无对映异构体，无旋光性。而(4)没有对称中心和对称面，是手性分子，有对映异构体(5)，有旋光性。反-1,2-二甲基环丙烷二甲酸(4)(1R,2R)-1,2-环丙烷二甲酸熔点 175(5)(1S,2S)-1,2-环丙烷二甲酸175(4)和(5)都是反-1,2-二甲基环丙烷二甲酸，要区别它们需用R、S命名这两个化合物中手性碳的构型，(4)称(1R,2R)-1,2-环丙烷二甲酸，(5)称(1S,2S)-1,2-环丙烷二甲酸。从上述讨论可见：取代环烷烃化合物的构型异构较复杂，有时只有顺反异构体，有时顺反异构和对映异构同时存在。练习题 3

46、.7 写出下列化合物构型异构体，如有对映异构体，试命名手性碳的构型。(1)(2)(3)(二) 取代环己烷的构象分析在前一章已介绍了环己烷的椅式、船式和扭船式构象，其中椅式构象是优势构象；椅式构象中有两种CH键即横键(e键)和竖键(a键)以及椅式构象的翻环作用等。下面将介绍取代环己烷的构象。1单取代环己烷 甲基环己烷能以两种不同的椅式构象存在，一个甲基在竖键上(1) 另一个在横键上(2)， (图3-12 ) (1)和(2)可以通过翻环互相转变，两者成平衡体系。根据结构研究表明(1)占5%，(2)占95%，这显示了甲基处于横键(2)的能量较低，为优势构象。从图3-12中C1-C2键的纽曼投影式可见

47、，（2）中横键甲基与环上的3-位CH2成对位交叉式构象，而（1）中竖键甲基与3-位CH2成邻位交叉式；且甲基上的氢与3-位及5-位上的竖键氢非常接近，存在范德华斥力，这种空间拥挤引起的斥力，常称为1,3-效应(也称1,3-双竖键效应，其中阿拉伯数字是指相互作用的二个竖键基团的相对位置)，每一个1,3-效应相当于存在一个邻位交叉引起的张力。(1) (2)5% 95%图3-12 甲基环己烷的构象由于这些因素的存在，使甲基是横键为优势构象。随着取代基的增大，占竖键的比例更少。如异丙基和叔丁基，占竖键分别为4%和小于0.01%，叔丁基尤其明显，因其体积很大，1,3-相互作用更显著。<0.01%

48、接近100%练习题3 .8 推测取代基为氟的一元取代环己烷两种构象的比例会发生什么变化？2二取代环己烷 测定1,2、1,3和1,4二甲基环己烷顺反异构体的燃烧热，它们的顺反异构体的燃烧热有差别，其数字如下：化合物燃烧热的差别(KJ/mol)较稳定的异构体1,2-二甲基环己烷反式比顺式低6反式1,3-二甲基环己烷反式比顺式高7顺式1,4-二甲基环己烷反式比顺式低6反式两种异构体稳定性差别与它们的构象有关，如顺和反1,4-二甲基环己烷的两种椅式构象如下： 顺式 反式ea构象 ae构象 ee构象 aa构象优势构象在顺式的两种构象中都是一个甲基占横键，另一个甲基占竖键，简称为ae构象，它们具有相同能量

49、，在平衡体系中两者各占50%。而在反式异构体中，一个是两个甲基都称横键(ee构象)，另一个是两个甲基都占竖键(aa构象)，很显然，ee构象为优势构象。由于反式异构体有能量较低的ee构象，而顺式异构体只有ea构象，因此反式比顺式稳定，又如1,3-二甲基环己烷，顺式和反式的构象如下：顺式 反式ee构象 aa构象 ea构象 ae构象 优势构象在顺式中有ee构象，而反式中只有ea构象，因此顺式比反式稳定。练习题3.9 试用上述方法分析在1,2-二甲基环己烷的顺反异构体中为什么稳定性反式大于顺式？1-甲基-2-叔丁基环己烷的顺反异构体中，反式异构体的优势构象是ee构象，而在顺式异构体中体积大的叔丁基处于

50、横键的为优势构象。反式 顺式ee构象 aa构象， ae构象 ea构象 优势构象 优势构象至此讨论了环己烷和取代环烷的优势构象，从取代基的体积大小考虑可总结出如下规律：椅式构象为稳定构象。取代环己烷中取代基占横键多的为优势构象。含不同取代基时，体积较大的处于横键为优势构象。体积大的基团如叔丁基，则它处于横键的构象为优势构象，叔丁基被称为控制构象的基团，如(1R,2R,4S)-1,2-二甲基-4-叔丁基环己烷(3)为优势构象。(3) (4) 优势构象练习题3.10 写出下列化合物的两种构象，并指出哪一个是优势构象。(1)(2)(3)环己烷一般处于椅式构象，有些取代环己烷的椅式构象可能引起分子的手性

51、，例如顺-1,2-二甲基环己烷，从平面结构看有对称面是非手性的，但它的椅式构象是手性的，有对映异构体(5)和(6)。但(5)和(6)间在室温下可通过翻环互变，不能分离，(5)翻环变成(6')，(6')与(6)是相同的即将(6')环上的对称轴旋转120°即得(6)。(5)和(6)都是ae构象，能量相同，在平衡体系中量相等，可抵消对平面偏振光的影响，因此无旋光性，这与从平面结构分析的结果是一致的。以上对于优势构象的讨论，只是从取代基的空间效应进行分析，这对于烷基这类非极性基团来说是正确的。但除体积的影响外，有时非键合原子间的其它作用力，如氢键和偶极-偶极间的电效应也会影响分子的优势构象。如反式1,2-二氯环己烷，由于二个碳氯键的排斥作用，使二个氯处于反式双竖键的构象成为优势构象。ea构象 aa构象(优势构象)(三) 二环环烷烃的构象 顺式 反式平面结构式(1)(2)构象式 (3)(4)沸点187.3195.7当两个环己烷相骈时，因为环己烷的椅式构象较稳定，相互连接的环都采取椅式构象，(1)和(2)的构象分别为(3)和(4)。因顺式十氢萘的二个六元环相互以ae键骈合，而反式十氢萘的二个六元环相互以ee键骈合，因此燃烧热顺式十氢萘比反式十氢萘大(分别为5286K