立体化学教程

1、第七章第七章立体化学立体化学立体化学立体化学(stereochemistry)是从三维空间来研究分子是从三维空间来研究分子的结构和性质的科学，是近代有机化学的重要组成的结构和性质的科学，是近代有机化学的重要组成部分。部分。立体化学立体化学研究的重要内容是研究的重要内容是立体异构立体异构，包括，包括顺反异顺反异构、构象异构和对映异构。构、构象异构和对映异构。顺反异构是由于双键顺反异构是由于双键(或环或环)的存在使分子中某些原子的存在使分子中某些原子或基团在空间的位置不同引起的，不同异构体具有或基团在空间的位置不同引起的，不同异构体具有不同的物理性质不同的物理性质(不同的熔点、沸点、折射率、溶解不

2、同的熔点、沸点、折射率、溶解度、密度等度、密度等)。立体异构体可分为对映异构体和非对映异构体。其立体异构体可分为对映异构体和非对映异构体。其中两个分子彼此为物与像的关系，且彼此不能完全中两个分子彼此为物与像的关系，且彼此不能完全重合的立体异构体，称为重合的立体异构体，称为对映异构体对映异构体(enantiomers)。构象异构构象异构是分子内绕键旋转造成原子在空间具有各是分子内绕键旋转造成原子在空间具有各种不同的排列。种不同的排列。本章主要讨论对映异构本章主要讨论对映异构 立体化学（对映异构）立体化学（对映异构）一、手性和对映体一、手性和对映体二、手性分子的命名二、手性分子的命名三、含有多个手

3、性三、含有多个手性C的手性分子的手性分子四、不含手性四、不含手性C的手性化合物的手性化合物五、对映异构体的化学性质五、对映异构体的化学性质一、手性和对映体一、手性和对映体 我们的左手和右手非常相似，互为镜像，但不能我们的左手和右手非常相似，互为镜像，但不能重合，人们将这种性质叫手性。重合，人们将这种性质叫手性。（一）手性碳原子与手性分子（一）手性碳原子与手性分子（二）手性和对称性（二）手性和对称性（三）手性分子的性质（三）手性分子的性质（四）手性分子的表达（四）手性分子的表达（一）手性碳原子与手性分子（一）手性碳原子与手性分子1848年，年，Lowis Pasteur在研究酒石酸钠铵时发现对映

4、异构体。在研究酒石酸钠铵时发现对映异构体。他发现无旋光性的酒石酸钠铵是两种不同结晶的混合物，两他发现无旋光性的酒石酸钠铵是两种不同结晶的混合物，两种结晶互为镜像。溶于水，均有旋光性，且两个溶液的旋光种结晶互为镜像。溶于水，均有旋光性，且两个溶液的旋光度相等，但方向相反。度相等，但方向相反。Pasteur的发现导致了的发现导致了1874年年Vant Hoff提出提出碳的四面体学碳的四面体学说，说，从理论上解释了对映异构现象的存在。按照该学说，当一个从理论上解释了对映异构现象的存在。按照该学说，当一个碳原子和四个其他原子相连时，这四个原子占据一个四面体碳原子和四个其他原子相连时，这四个原子占据一个

5、四面体的四个角，而碳原子则在中央。这样，四个基团在空间的不的四个角，而碳原子则在中央。这样，四个基团在空间的不同排列方式有两种，即存在两种不同的构型，互为对映体的同排列方式有两种，即存在两种不同的构型，互为对映体的关系。关系。把实物与其镜象不能重合的现象称为把实物与其镜象不能重合的现象称为手性手性(chirality)，具有，具有手性的分子称为手性分子手性的分子称为手性分子(chiral molecule)。手性与手性与直接办法是看分子的结构模型和其镜像能否重叠，如不能重直接办法是看分子的结构模型和其镜像能否重叠，如不能重叠则是手性的；能重叠，则无手性。此乃是物质具有旋光性叠则是手性的；能重叠

6、，则无手性。此乃是物质具有旋光性和产生对映异构现象的必要条件。和产生对映异构现象的必要条件。ACBDADBC如图为分子的结构模型和其镜像，可以看出，当如图为分子的结构模型和其镜像，可以看出，当A、B、C、D各取代基不相同时，分子实物与其镜像是各取代基不相同时，分子实物与其镜像是不能完全重合的，二者互为不能完全重合的，二者互为判断是否有手性还可以看分子是否有对称因素，有判断是否有手性还可以看分子是否有对称因素，有对称因素，分子能与其镜像重叠，无手性；反之，对称因素，分子能与其镜像重叠，无手性；反之，无对称因素，则有手性。无对称因素，则有手性。（二）手性和对称性（二）手性和对称性对称因素包括对称因

7、素包括对称对称、对称面、对称中心和、对称面、对称中心和n重交重交替对称替对称如下分子具有如下分子具有：若某分子的所有原子都在同一平面上，或有一平面能将该若某分子的所有原子都在同一平面上，或有一平面能将该分子分成完全相同的两部分，则该平面就是这个分子的对分子分成完全相同的两部分，则该平面就是这个分子的对称面。如：称面。如：对称面的对称操作是反映，即所谓的照镜子。对称面的对称操作是反映，即所谓的照镜子。ClCl的对称操作是的对称操作是反演反演，即假定，即假定反演操反演操作变为作变为结结 论论（三）手性分子的性质（三）手性分子的性质手性分子必然存在对映异构体，对映异构体之间的差异是分手性分子必然存在

8、对映异构体，对映异构体之间的差异是分子中原子在空间的排列方式不同，而构造式、原子或原子团子中原子在空间的排列方式不同，而构造式、原子或原子团在空间的相对关系是相同的，因此，分子之间的相互作用相在空间的相对关系是相同的，因此，分子之间的相互作用相同，所以，对映异构体的一般物理性质是相同的。同，所以，对映异构体的一般物理性质是相同的。除一般物理性质外，对映异构体对非手性试剂也表现出完除一般物理性质外，对映异构体对非手性试剂也表现出完全相同的化学性质和化学反应。全相同的化学性质和化学反应。那么，如何分析判断对映异构体？那么，如何分析判断对映异构体？人们发现不同的对映异构体对平面偏振光的旋转方人们发现

9、不同的对映异构体对平面偏振光的旋转方向不同。向不同。如，从肌肉中得到的乳酸使偏振光平面向右旋，称为右旋乳如，从肌肉中得到的乳酸使偏振光平面向右旋，称为右旋乳酸。从乳糖发酵得到的乳酸使偏振光平面向左旋，称为左旋酸。从乳糖发酵得到的乳酸使偏振光平面向左旋，称为左旋乳酸。由于对映异构体具有以相反方向转动偏振光平面的物乳酸。由于对映异构体具有以相反方向转动偏振光平面的物理性质，也称其为理性质，也称其为“旋光异构体旋光异构体”(optical isomer)。又因其。又因其对偏振光平面有旋转作用，也有称其为对偏振光平面有旋转作用，也有称其为光活性光活性(optical activity)物质。物质。平面

10、偏振光：使普通光通过尼克尔棱镜，则通过棱镜的光线平面偏振光：使普通光通过尼克尔棱镜，则通过棱镜的光线只在一个平面上振动，这样的光叫只在一个平面上振动，这样的光叫平面偏振光平面偏振光(plane-polarized light)，简称偏振光。，简称偏振光。光活性物质与平面偏振光的作用原理光活性物质与平面偏振光的作用原理尼克尔棱镜组成。其作用尼克尔棱镜组成。其作用若被测物是纯液体若被测物是纯液体液体的密度液体的密度注意，注意， （四）手性分子的表达（四）手性分子的表达 Fischer投影式投影式手性碳原子、两个基团手性碳原子、两个基团(-OH,-COOH)处于平面上，以实线与处于平面上，以实线与碳

11、连接。其余两个，一个伸向纸面前方，以实楔与碳相连；碳连接。其余两个，一个伸向纸面前方，以实楔与碳相连；另一个伸向纸面后方，以虚楔连接。另一个伸向纸面后方，以虚楔连接。习惯上把含碳原子的基放在竖键的方向，并把命名最小习惯上把含碳原子的基放在竖键的方向，并把命名最小的碳原子放在上端。的碳原子放在上端。HOHCOOHCH3OHHCOOHCH3HOHCOOHCH3二、手性分子的命名二、手性分子的命名（一）、（一）、D-L标记法（标记法（习惯命名习惯命名）（二）、（二）、R-S标标记法（记法（系统命名系统命名） （一）（一）D-L标记法（习惯命名）标记法（习惯命名）对映体的构型和它们对偏振光的旋转方向之

12、间没有明显的对对映体的构型和它们对偏振光的旋转方向之间没有明显的对应关系，应关系，D型的化合物不一定是右旋的，也可以是左旋的，型的化合物不一定是右旋的，也可以是左旋的，如如D-(+)-甘油醛和甘油醛和D-(-)-乳酸有相同的构型，但旋光方向相反。乳酸有相同的构型，但旋光方向相反。D型只是说明某化合物分子中手性碳原子的空间排列与型只是说明某化合物分子中手性碳原子的空间排列与D-(+)-甘油醛是同一类型，而旋光方向是用旋光仪测定的。甘油醛是同一类型，而旋光方向是用旋光仪测定的。1951年，年，Bijroet使用使用x-射线衍射的特殊技术射线衍射的特殊技术(反常散射法反常散射法)确确定了定了(+)-

13、酒石酸分子中原子在空间的实际排列酒石酸分子中原子在空间的实际排列(绝对构型绝对构型)为为L型。型。COOHOHHOHHCOOHL-(+)-L-(+)-酒石酸酒石酸该式正好与甘油醛为标准该式正好与甘油醛为标准确定的相对构型相同确定的相对构型相同其它手性化合物的构型是在不破坏手性碳原子的前提下其它手性化合物的构型是在不破坏手性碳原子的前提下通过各种化学方法，将甘油醛转化过去来确定其构型。通过各种化学方法，将甘油醛转化过去来确定其构型。如右旋乳酸与右旋甘油醛构型相同，左旋乳酸与左旋甘如右旋乳酸与右旋甘油醛构型相同，左旋乳酸与左旋甘油醛相同。油醛相同。 说说 明明1、人为指定的构型称相对构型，用、人为

14、指定的构型称相对构型，用X衍射测定出的真实构衍射测定出的真实构型叫绝对构型，现在已不存在相对与绝对之分。型叫绝对构型，现在已不存在相对与绝对之分。2、D-L标记只表示构型，不表示旋光性，直到现在手性化标记只表示构型，不表示旋光性，直到现在手性化合物的旋光性只能靠测定，不能从构型推测出来。合物的旋光性只能靠测定，不能从构型推测出来。3、D-L标记非常简单，因而现在还在使用，但对于含多个标记非常简单，因而现在还在使用，但对于含多个手性碳原子的化合物以及其它复杂的手性化合物都无法手性碳原子的化合物以及其它复杂的手性化合物都无法命名。命名。4、D/L构型命名法的另一局限是只适用于如下结构的化构型命名法

15、的另一局限是只适用于如下结构的化合物合物(a)，而对于其他的如，而对于其他的如(b)则不适合。则不适合。(a) (b)（二）（二）R-S标记法标记法(系统命名系统命名)为克服为克服D-L标记法的不足，标记法的不足，Ingold等人提出等人提出R-S命名法。命名法。R和和S是拉丁文是拉丁文Rectus和和Sinister的简写，分别表示的简写，分别表示“右右”和和“左左”。开始开始CHOCH2OHHOHC3）外消旋体则表示为）外消旋体则表示为(DL)-()-或或(RS)-()-，如：如： (RS)-()-乳酸。乳酸。R-S命名法已广泛采用，但还没有完全代替命名法已广泛采用，但还没有完全代替D-L

16、命名法。在糖类、氨基酸类化合物中仍采用命名法。在糖类、氨基酸类化合物中仍采用D-L命名法。命名法。三、含有多个手性三、含有多个手性C的手性分子的手性分子手性碳原子。手性碳原子。许多有机分子，尤其是在生物体内有重要作用的有机分许多有机分子，尤其是在生物体内有重要作用的有机分子，往往含有一个以上的手性碳原子。如胆固醇有子，往往含有一个以上的手性碳原子。如胆固醇有8个手个手性碳原子。性碳原子。按照一个手性碳原子有两种不同的构型，则应有两对对按照一个手性碳原子有两种不同的构型，则应有两对对映体。实际情况如何？映体。实际情况如何？(I)与与(II) 互为对映体。互为对映体。 (III)和和()为同一构型

17、，且在此分子为同一构型，且在此分子中，有一对称面，没有旋光性，此乃内消旋体。因此，酒石中，有一对称面，没有旋光性，此乃内消旋体。因此，酒石酸有三个立体异构体，一对对映体和一内消旋体。酸有三个立体异构体，一对对映体和一内消旋体。 (I) (II) (III) (IV)(2R,3R)-(2S,3S)-(2R,3S)-内消旋体和外消旋体虽都没有旋光性，却有着本质的不同。内消旋体和外消旋体虽都没有旋光性，却有着本质的不同。内消旋体是一个纯化合物。而外消旋体是一个混合物，由内消旋体是一个纯化合物。而外消旋体是一个混合物，由等摩尔的对映体组成，可以把它们分离成左旋体和右旋体。等摩尔的对映体组成，可以把它们

18、分离成左旋体和右旋体。但外消旋体也不同于任意两种物质的混合物，它具有固定但外消旋体也不同于任意两种物质的混合物，它具有固定的熔点，且熔点范围很窄，如酒石酸的的三个异构体的物的熔点，且熔点范围很窄，如酒石酸的的三个异构体的物理性质：理性质：酒石酸酒石酸m.p.( C)25D溶解度溶解度pKa1pKa2右旋右旋左旋左旋外消旋外消旋内消旋内消旋170170204140+12 -12 0 0 13913920.61252.962.962.963.114.164.164.164.80(I) (II) (III) (IV)上式中，上式中， (I) 和和(II) ， (III) 和和(IV)互为对映体。而互

19、为对映体。而(I) 和和(III) 、(IV)以及以及(II)和和(III) ，(IV)；它们不是实物与镜像的关系，称；它们不是实物与镜像的关系，称为非对映体，非对映体的物理性质如熔点、沸点、溶解度、为非对映体，非对映体的物理性质如熔点、沸点、溶解度、密度、旋光度都不相同。密度、旋光度都不相同。凡含有两个或两个以上不相同的手性碳原子的对映凡含有两个或两个以上不相同的手性碳原子的对映异构体，其中只有一个手性碳原子的构型相反，其异构体，其中只有一个手性碳原子的构型相反，其他手性碳原子构型相同，叫他手性碳原子构型相同，叫差向异构体差向异构体。四、不含手性四、不含手性C的手性化合物的手性化合物COOH

20、NO2HOOCO2NHOOCO2NCOOHNO2内消旋内消旋 对映体对映体1,2-环丁烷二羧酸的立体异构现象与环丁烷二羧酸的立体异构现象与1,2-环丙烷相似，但环丙烷相似，但1,3-环丁烷二羧酸无论顺、反式异构体都没有光活性对映体存在，环丁烷二羧酸无论顺、反式异构体都没有光活性对映体存在，因为其分子中都有一个对称面。因为其分子中都有一个对称面。五、对映异构体的化学性质五、对映异构体的化学性质通常，两个对映体与非手性试剂作用时，反应速率完全一样，通常，两个对映体与非手性试剂作用时，反应速率完全一样，这是因为对映体和进攻试剂反应活性完全相同。可是，当旋这是因为对映体和进攻试剂反应活性完全相同。可是

21、，当旋光性试剂进攻两个对映体时，反应速率却不同，有时差别很光性试剂进攻两个对映体时，反应速率却不同，有时差别很大，以致和其中一个反应，而和另一个完全不作用。如大，以致和其中一个反应，而和另一个完全不作用。如(+)葡葡萄糖是动物的重要营养物质，而萄糖是动物的重要营养物质，而(-)葡萄糖却没有营养价值。葡萄糖却没有营养价值。过渡态方法分析反应活性差异：过渡态方法分析反应活性差异：若两对映体和一无旋光性试剂反应，两组反应物的能量完全若两对映体和一无旋光性试剂反应，两组反应物的能量完全相等，到达过渡态时（是对映异构的关系），能量也完全相相等，到达过渡态时（是对映异构的关系），能量也完全相等。所以两者的

22、反应速率相同。等。所以两者的反应速率相同。若两个对映体和一旋光性试剂反应，反应物的能量仍是相若两个对映体和一旋光性试剂反应，反应物的能量仍是相同的，但两个过渡态不是互为镜像（二者是非对映异构同的，但两个过渡态不是互为镜像（二者是非对映异构体），因此具有不同的能量，两者的体），因此具有不同的能量，两者的E活化是不同的，于是活化是不同的，于是反应速率也不相同。反应速率也不相同。手性分子的反应手性分子的反应一类是反应不涉及手性碳原子键的断裂，该类反应简单，同一类是反应不涉及手性碳原子键的断裂，该类反应简单，同时分子的构型可以保持不变。另一类反应涉及手性碳原子键时分子的构型可以保持不变。另一类反应涉及

23、手性碳原子键的断裂，这类反应较复杂，包括三种情况：的断裂，这类反应较复杂，包括三种情况：(1)构型转化；构型转化；(2)外消旋化；外消旋化；(3)构型保持。构型保持。外消旋化反应外消旋化反应：某光活性物质（左旋体或右旋体）在一定条：某光活性物质（左旋体或右旋体）在一定条件下被转化（件下被转化（50%的构型转化）成外消旋体的过程，叫外消的构型转化）成外消旋体的过程，叫外消旋化。旋化。通常在手性碳原子上同时连有氢和吸电基（如羰基、羧基等）通常在手性碳原子上同时连有氢和吸电基（如羰基、羧基等）的光活性物质容易发生外消旋化。的光活性物质容易发生外消旋化。此乃因与羰基或羧基相连的此乃因与羰基或羧基相连的

24、 -H比较活泼，分子可通过酮式比较活泼，分子可通过酮式-烯烯醇式互变来实现外消旋化。醇式互变来实现外消旋化。-C-C=OH*C-C=OH*C=COH烯醇式烯醇式外消旋体的拆分外消旋体的拆分实际应用中常需要通过一定的方法把外消旋体拆分成左旋体实际应用中常需要通过一定的方法把外消旋体拆分成左旋体和右旋体，此操作叫外消旋体的拆分。和右旋体，此操作叫外消旋体的拆分。用于外消旋体拆分的主要方法有：用于外消旋体拆分的主要方法有：(a)化学拆分法；化学拆分法；(b)生物拆分生物拆分法；法；(c)晶种结晶法等。晶种结晶法等。化学拆分法是通过旋光的试剂与外消旋体进行化学反应，使化学拆分法是通过旋光的试剂与外消旋

25、体进行化学反应，使它们变成非对映体。利用非对映体具有不同的物理性质可以它们变成非对映体。利用非对映体具有不同的物理性质可以方便地将它们分开。如：方便地将它们分开。如：(+)-R-COOH(-)-R-COOH+ (-)-R-NH2(+)-R-COO (-)-R-NH3(-)-R-COO (-)-R-NH3+-+-生物拆分法生物拆分法是利用酶具有旋光性，且进行反应的专一性，可是利用酶具有旋光性，且进行反应的专一性，可选择适当的酶作为外消旋体的拆分试剂。该法的缺点是对映选择适当的酶作为外消旋体的拆分试剂。该法的缺点是对映体之一被消耗掉。如以体之一被消耗掉。如以L-氨基酸氧化酶拆分氨基酸氧化酶拆分()

26、-丙氨酸时，丙氨酸时，L-氨基酸氧化酶能将氨基酸氧化酶能将L-(+)-丙氨酸氧化为丙酮酸而消耗掉，丙氨酸氧化为丙酮酸而消耗掉，留下留下D-(-)-丙氨酸。丙氨酸。晶种结晶法晶种结晶法是在外消旋体的过饱和溶液中加入一定量的左旋是在外消旋体的过饱和溶液中加入一定量的左旋体或右旋体晶种，则与晶种相同的异构体便优先析出。体或右旋体晶种，则与晶种相同的异构体便优先析出。如向某一外消旋体如向某一外消旋体()-A的过饱和溶液中加入的过饱和溶液中加入(+)-A晶种，晶种，则则(+)-A优先析出一部分，过滤析出的优先析出一部分，过滤析出的(+)-A，再向滤液中加，再向滤液中加入入(-)-A晶种，又可析出一部分晶种，又可析出一部分(-)-A结晶，过滤，如此反复结晶，过滤，