第六章立体化学

1、第六章第六章 立体化学立体化学 王亚琴主要内容主要内容n6.1 异构体的分类异构体的分类n6.2 手性和对称性手性和对称性n6.3 手性分子的性质手性分子的性质光学活性光学活性n6.4 具有一个手性中心的对映异构具有一个手性中心的对映异构 分子的构型分子的构型n6.5 具有两个手性中心的对映异构具有两个手性中心的对映异构n6.6 手性中心的产生手性中心的产生n6.7 手性合成手性合成n6.8 外消旋体的拆分外消旋体的拆分n6.9 脂环化合物的立体异构脂环化合物的立体异构n6.10 构象对映体和构象非对映体构象对映体和构象非对映体n6.11 不含手性中心化合物的对映异构不含手性中心化合物的对映异

2、构n6.12 对映异构体在研究反应机理中的应用对映异构体在研究反应机理中的应用6.1 异构体的分类异构体的分类异 构 体构 造 异 构 体（ 平 面 ）碳 架 异 构位 置官 能 团构 型 异 构顺 反 异 构旋 光 异 构对 映 异 构非 对 映 异 构构 象 异 构6.2 手性和对称性手性和对称性 一一 对映体和手性对映体和手性二二 不对称碳原子不对称碳原子三三 对称性因素对称性因素四四 判别手性分子的依据判别手性分子的依据一一 对映体和手性对映体和手性18481848年年PasteurPasteur得到的得到的酒石酸盐晶体酒石酸盐晶体生活中的镜像生活中的镜像生活中的生活中的对映体对映体

3、镜象镜象井冈山风景桂林风情左右手互为镜象左右手互为镜象在立体化学中在立体化学中, ,不能与镜象叠合的分子叫手性分子不能与镜象叠合的分子叫手性分子, ,而能叠合的叫而能叠合的叫非手性分子非手性分子. .镜象与手性的概念镜象与手性的概念 一个物体若与自身镜象不能叠合一个物体若与自身镜象不能叠合, ,叫具有叫具有手性手性.左手和右手不能叠合左手和右手不能叠合 左右手互为镜象左右手互为镜象在有机化学中在有机化学中,凡是手性分子都具有旋光性凡是手性分子都具有旋光性( (有些手有些手性分子旋光度很小性分子旋光度很小); );而非手性分子则没有旋光性而非手性分子则没有旋光性. .二二 不对称碳原子不对称碳原

4、子不对称碳原子不对称碳原子: : (asymmetric carbon atom)与与四个互不相同四个互不相同的一价的一价基团相连的碳原子叫基团相连的碳原子叫不对称碳原子不对称碳原子. .不对称碳原子是一种手性中心不对称碳原子是一种手性中心, ,但手性中心不一定是不对称碳原子但手性中心不一定是不对称碳原子. .有不对称碳的分子不一定是手性分子有不对称碳的分子不一定是手性分子.C*问题问题6.1n 饱和碳原子具有四面体结构饱和碳原子具有四面体结构. (sp. (sp3 3杂化杂化) )例例: 乳酸乳酸(2-羟基丙酸羟基丙酸CH3-CHOH-COOH) 的立体结构：的立体结构：乳酸的分子模型图乳酸

5、的分子模型图两个乳酸模型不能叠合两个乳酸模型不能叠合 乳酸的两个模型的关系象左手和右手一样乳酸的两个模型的关系象左手和右手一样, ,它们不能相互它们不能相互叠合叠合, ,但却互为但却互为镜象镜象. .1 1 对称性和对称元素对称性和对称元素三三 对称性因素对称性因素设想分子中有一条直线设想分子中有一条直线, ,当分子以此当分子以此直线为轴旋转直线为轴旋转360/n360/n后后,(n=,(n=正整数正整数), ),得到得到的分子与原来的分子相同的分子与原来的分子相同, ,这条直线就是这条直线就是n n重对称轴重对称轴. .有有2重对称轴的重对称轴的(2-丁烯丁烯)1 1 ）对称轴）对称轴( (

6、旋转轴旋转轴) Cn) Cn线型分子有线型分子有CC对称轴对称轴问题问题6.2 6.2 找出下列化合物的对称轴找出下列化合物的对称轴. .CHClClCl设想分子中有一平面设想分子中有一平面, ,它可以把分子分成互它可以把分子分成互为镜象的两半为镜象的两半, ,这个平面就是对称面这个平面就是对称面. .如如: :2 2） 对称面对称面( (镜面镜面) ) 不在对称面上的原子数一定为偶数不在对称面上的原子数一定为偶数。问题问题6.3下列化合物有几个对称面下列化合物有几个对称面?4 、3 、4 、2 、3 、2 设想分子中有一个点设想分子中有一个点, ,从分从分子中任何一个原子出发子中任何一个原子

7、出发, ,向这个向这个点作一直线点作一直线, ,再从这个点将直线再从这个点将直线延长出去延长出去, ,则在与该点前一线段则在与该点前一线段等距离等距离处处, ,可以遇到一个可以遇到一个同样的同样的原子原子, ,这个点就是对称中心这个点就是对称中心. .有对称中心的分子有对称中心的分子3 3） 对称中心对称中心 i iHHHHHHHHHHCH3CH3CH3H3CClClClClClClClClClClClCl.问题问题6. 4 6. 4 找出下列化合物的对称中心找出下列化合物的对称中心设想分子中有一条直线设想分子中有一条直线, ,当分子以此直线为当分子以此直线为轴旋转轴旋转360/n360/n后

8、后, ,再用一个与此直线垂直的平再用一个与此直线垂直的平面进行反映面进行反映( (即作出镜象即作出镜象), ),如果得到的镜象与原如果得到的镜象与原来的分子完全相同来的分子完全相同, ,这条直线就是交替对称轴这条直线就是交替对称轴. .4 4） 交替对称轴交替对称轴( (旋转反映轴旋转反映轴SnSn) ) CnCn+ + 有有4 4重交替对称轴的分子重交替对称轴的分子5） 甲烷及其衍生物的对称性甲烷及其衍生物的对称性HHHHC4个个C33个个C26个个 甲烷衍生物的对称性甲烷衍生物的对称性C(aaab)型型1C3+3 C(aabb)型型1C2+2 C(aabc)型型1 C(abcd)型型无对称

9、因素无对称因素Cb ba aa aa aC C3 3a aa aCb bb bC C2 2b bCa aa ac cc ca aCb bd dnA: 非手性分子非手性分子凡具有凡具有对称面、对称中心对称面、对称中心或或交替对称轴的分子交替对称轴的分子. .B: B: 手性分子手性分子既没有对称面既没有对称面, ,又没有对称中心又没有对称中心, ,也没有也没有4 4重交替对称轴的分子重交替对称轴的分子, ,都都不能与其镜象叠不能与其镜象叠合合, ,都是都是手性分子手性分子. .C:C:对称轴对称轴的有无对分子是否具有手性没有决定作的有无对分子是否具有手性没有决定作用用. . 在有机化学中在有机化

10、学中, ,绝大多数非手性分子都具有对称面或绝大多数非手性分子都具有对称面或对称中心对称中心, ,或者同时还具有或者同时还具有4 4重对称轴重对称轴. . 没有对称面或对称中心没有对称面或对称中心, ,只有只有4 4重交替对称轴的非手重交替对称轴的非手性分子是个别的性分子是个别的. . 四四 判别手性分子的依据判别手性分子的依据NHCOCH2CH2CH2CH2CONHCHClClClClS4不对称碳原子（手性碳）不是判断分子手性的依据不对称碳原子（手性碳）不是判断分子手性的依据手性中心手性中心: :如果是由于原子或原子团围绕某一如果是由于原子或原子团围绕某一 点的点的非对称排列非对称排列而产生分

11、子的手性而产生分子的手性, ,这个点就这个点就称为手性中心称为手性中心. .不对称碳是手性中心的特例。不对称碳是手性中心的特例。对称因素与分子的手性对称因素与分子的手性 n在绝大多数情况下，分子中没有对称面和在绝大多数情况下，分子中没有对称面和对称中心，与其镜象就不能叠合，分子就对称中心，与其镜象就不能叠合，分子就会有手性。会有手性。n分子中是否存在对称轴对分子是否具有手性分子中是否存在对称轴对分子是否具有手性没有决定作用。没有决定作用。n判断分子中有无对称面和对称中心在立体化判断分子中有无对称面和对称中心在立体化学中有重要意义。学中有重要意义。 6.3 手性分子的性质手性分子的性质光学活性光

12、学活性旋光性旋光性 (optical activity) 是识别是识别对映异构体对映异构体 的重要方法的重要方法 1.1.偏振光偏振光 （Plane-polarized lightPlane-polarized light）普通光通过尼科尔棱镜形成的只在一个方向上传播的平面光普通光通过尼科尔棱镜形成的只在一个方向上传播的平面光光是一种电磁波，光波的振动方向与其前进方向垂直。光是一种电磁波，光波的振动方向与其前进方向垂直。普通光在所有垂直于其前进方向的平面上振动。普通光在所有垂直于其前进方向的平面上振动。偏振光光源观察Nicol棱 镜检偏镜Nicol棱 镜起偏镜I=I Cos 20I0I为两Ni

13、col棱镜晶轴的夹角。当两当两Nicol晶轴平行时，观察到的光强度最大。晶轴平行时，观察到的光强度最大。旋光物质：具有光学活性旋光物质：具有光学活性( (旋光性旋光性) )的物质。的物质。2. 2. 旋光性（光学活性旋光性（光学活性optical activityoptical 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 3. 3. 旋光仪旋光仪polarmeterpolarmeter：定量测量液体或溶液的定量测量液体或溶液的 旋光程度的仪器旋光程度的仪器4. 4. 旋光度（旋光度（observed rotationobserved rotation） 旋光活

14、性物质使偏振光振动平面旋转的角度，旋光活性物质使偏振光振动平面旋转的角度， 用用“ ”表示表示左旋：使偏振光平面向左旋称左旋，左旋：使偏振光平面向左旋称左旋，用用 “l” 或或“”右旋：使偏振光平面向右旋称右旋，用右旋：使偏振光平面向右旋称右旋，用“d”“d”“”影响旋光度的因素影响旋光度的因素:(a):(a)被测物质被测物质; (b) ; (b) 溶液的浓度溶液的浓度; ; (c) (c) 盛液管长度盛液管长度; (d) ; (d) 测定温度测定温度; (e) ; (e) 所用光的波长所用光的波长对映体对映体是一对相互对映的手性分子是一对相互对映的手性分子, ,它们都有旋光它们都有旋光性性,

15、 ,两者的旋光方向相反两者的旋光方向相反, ,但旋光能力是相同的但旋光能力是相同的. .5.5.比旋光度比旋光度 （specific rotationspecific rotation） 在一定温度和波长条件下，样品管长度为在一定温度和波长条件下，样品管长度为1 1dm, dm, 样品浓度为样品浓度为1g.ml1g.ml-1-1时测得的旋光度。时测得的旋光度。比旋光度只决定于物质的结构比旋光度只决定于物质的结构. .各种化合物的各种化合物的比旋光度是它们各自特有的物理常数比旋光度是它们各自特有的物理常数. . T =Dc lD-D-钠光源，波长为钠光源，波长为589nm589nmT-T-测定温

16、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，单位为样品池的长度，单位为dmc-为样品的浓度，单位为为样品的浓度，单位为gml-1 表示比旋光度时，需要标明测量时的温度、表示比旋光度时，需要标明测量时的温度、光源的波长以及所使用的溶剂。光源的波长以及所使用的溶剂。 例如，在温度为例如，在温度为20C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52.2,应记为：应记为：D20=+52.2（水）（水） “D”代表钠光波长。钠光波长代表钠光波长。钠光波长589nm相当相当于太阳光谱中的于太阳光谱中的D线。线。 比旋

17、光度是旋光性物质的一个物理常数。比旋光度是旋光性物质的一个物理常数。1.1.手性碳原子手性碳原子: :与四个互不相同一价基团与四个互不相同一价基团( (chiralchiral carbon atom carbon atom) ) 连接的碳原子连接的碳原子C C* *6.4 具有一个手性中心的对映异构具有一个手性中心的对映异构 分子的构型分子的构型具有镜像与实物关系的一对旋光异构体。具有镜像与实物关系的一对旋光异构体。2. 2. 对映异构体对映异构体 ( (S S)-(+)-)-(+)-乳酸乳酸 ( (R R)-(-)-)-(-)-乳酸乳酸 ( ( )- )-乳酸乳酸 mp 53mp 53o

18、oC mp 53C mp 53o oC mp 18C mp 18o oC C DD=+3.82 =+3.82 D D=-3.82 =-3.82 D D=0=0 p pK Ka a=3.79(25=3.79(25o oC) pC) pK Ka a=3.83(25=3.83(25o oC) pC) pK Ka a=3.86(25=3.86(25o oC)C)CCOOHCH3HOHCCOOHCH3HOH151515外消旋乳酸外消旋乳酸 特特 点点 *1 结构：镜影与实物关系结构：镜影与实物关系*2 内能：内能相同。内能：内能相同。*3 物理性质和化学性质在非手性环境中相同，在手物理性质和化学性质在非

19、手性环境中相同，在手性环境中有区别。性环境中有区别。*4 旋光能力相同，旋光方向相反。旋光能力相同，旋光方向相反。* 5 对映体的生理性质不同。对映体的生理性质不同。 外消旋体与纯对映体的物理性质外消旋体与纯对映体的物理性质不同，旋光必然为零。不同，旋光必然为零。（i）外消旋混合物）外消旋混合物（ii）外消旋化合物）外消旋化合物（iii）固体溶液）固体溶液3 3 外消旋体外消旋体一对对映体等量混合，得到外消旋体。一对对映体等量混合，得到外消旋体。立体结构立体结构锲形式锲形式投影式投影式Fischer投影式投影式4.4.对映体的表达式对映体的表达式 4.1 透视式和透视式和 Fischer投影式

20、投影式HOOCH3CHOHCHOHCOOHCH3COHHCOOHCH3OHHCOOHCH3CCOOHCH3HOH两个竖立的键两个竖立的键向纸面背后伸去的键向纸面背后伸去的键; ; 两个横在两边的键两个横在两边的键向纸面前方伸出的键向纸面前方伸出的键. .书写费歇尔投影式的规则书写费歇尔投影式的规则 注意事项：注意事项： 1. 不能在纸面上旋转不能在纸面上旋转9090o o , ,或或9090o o的奇数倍的奇数倍. .2. 2. 不能离开纸面翻转不能离开纸面翻转180180o o（不能翻身不能翻身）3. 3. 基团基团两两交换两两交换次数不能为奇数次，但可以是次数不能为奇数次，但可以是偶数次偶

21、数次。4.4. 保持一个基团不变，顺时针或逆时针保持一个基团不变，顺时针或逆时针交换三个基团交换三个基团 构构 型不变型不变问题问题6.76.7C CH H3 3C CO OO OH HH HO OH HO OH HH HC CO OO OH HC CH H3 3O OH HH HC CO OO OH HC CH H3 34.2 4.2 对映体的命名对映体的命名 RSRS命名原则命名原则（1）按次序规则排出各取代基的顺序）按次序规则排出各取代基的顺序ABCDa. 原子序数大小规则原子序数大小规则序数大的原子优先序数大的原子优先b. 同位素规则同位素规则原子量大优先原子量大优先c.外推规则外推规

22、则层层外推，先比较最大的层层外推，先比较最大的d. 相当规则相当规则重键看作多个单键如：重键看作多个单键如：C=C2 等等（2）方向盘法）方向盘法 最小基团最小基团D放在操作杆上，放在操作杆上， 从从D的对面看，顺时针为的对面看，顺时针为R,反时针为反时针为S. R-SR-S标记法标记法RS顺时针顺时针反时针反时针基团次序为：基团次序为：abcd（3）三角形法三角形法 按大小顺序画三角按大小顺序画三角 形，形， 最小基团在竖线上，顺最小基团在竖线上，顺R R反反S S 最小基团在横线上，顺最小基团在横线上，顺S S反反R R (右旋右旋): S-(+)-乳酸乳酸(左旋左旋): R-(-)-乳酸

23、乳酸例如：乳酸手性碳原子的四个基团排队：例如：乳酸手性碳原子的四个基团排队：OH COOH CH3 H.OH COOH CH3 H.因此乳酸的两种构型可分别如下识别和标记：因此乳酸的两种构型可分别如下识别和标记：R R、S S只表示构型，而不表示旋光方向。只表示构型，而不表示旋光方向。 旋光方向以旋光方向以“+”+”( (右旋右旋) )、“-”-”( (左旋左旋) )表示。表示。问题问题6.8 6.8 判断下列化合物的构型是判断下列化合物的构型是R R还是还是S.S.CH3HCH2OHCH3CH2CH2FOHCH=CH2C COHOOHC CCH=CH2OHCH3CH2HCH3C CC CC

24、CC CHHCH3CH3HHCH3CH2CH3CH3CH2CSSSRRS费歇尔投影式是重叠式构象费歇尔投影式是重叠式构象D-(+)-甘油醛甘油醛L-(-)-甘油醛甘油醛D-(-)-乳酸乳酸HOHCHOCH2OHHOHCHOCH2OHHOHCOOHCH35.5.相对构型（相对构型（D,LD,L标记法）和绝对构标记法）和绝对构型（法）型（法）绝对构型绝对构型能能真实真实代表某一代表某一光活性化合物的光活性化合物的构型（构型（R、S）与与假定的假定的D、L甘油甘油醛相关联而确定的醛相关联而确定的构型。构型。相对构型相对构型HOHCOOHCH2OHH O以甘油醛这种人为的构型为标准，以甘油醛这种人为的

25、构型为标准，再确定其他化合物的相对构型再确定其他化合物的相对构型关联比较法。关联比较法。注注 意意：RS标记法与标记法与DL标记法的依据不同。标记法的依据不同。 RS法依据与C相连的四个原子或原子团的大小顺序； DL法依据与D甘油醛的构型是否相同。 无论是无论是D,L还是还是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。因为旋光方向使化标记的构型来判断旋光方向。因为旋光方向使化合物的固有性质，而对化合物的构型标记只是人合物的固有性质，而对化合物的构型标记只是人为的规定。为的规定。 目前从一个化合物的构型还无法准确地判断目前从一个化合物的构型还无法准确地判断其旋光方

26、向，还是依靠测定。其旋光方向，还是依靠测定。一一 具有两个不同手性碳原子的对映异构具有两个不同手性碳原子的对映异构 2羟基羟基3氯丁二酸总共有四种旋光异构体：氯丁二酸总共有四种旋光异构体： 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对映体的混合物。等量对映体的混合物。非对映体非对映体不对映的立体异构体。不对映的立体异构体。 (I)与与 (III)或或(IV)、(II)与与(III)或或(IV) 、 (

27、III)与与(I)或或(II) 、(IV)与与(I)或或(II) 分别分别构成非对映体；构成非对映体； (I)和和(II)的等量混的等量混合物是外消旋体；合物是外消旋体； (III)和和(IV)的等的等量混合物也是外消量混合物也是外消旋体。旋体。 6.5 具有两个手性中心的对映异构具有两个手性中心的对映异构 对映体的物理性质相同，旋光度数相对映体的物理性质相同，旋光度数相同，方向相反。在手性条件下，对映体同，方向相反。在手性条件下，对映体的性质不同。的性质不同。 非对映体的物理性质不相同，旋光度非对映体的物理性质不相同，旋光度数和方向都有可能不同。数和方向都有可能不同。 对含有对含有n个个C的

28、化合物：的化合物： n 光学异构体数目=2n n 外消旋体数目=2n-1 (n为不同手性碳的数目)例如例如：含3个C，最多有238个旋光异构体。 含4个C，最多有2416个旋光异构体。 苏式构型和赤式构型：苏式构型和赤式构型： (自学自学) 与苏阿糖构型相似者为苏式构型；与苏阿糖构型相似者为苏式构型； 与赤藓糖构型相似者为赤式构型。例：与赤藓糖构型相似者为赤式构型。例： CH2OHHCHOHOHOHOHCH3CH3HHClHOCH2OHCHOHHOHClCH3CH3HHOH赤藓糖苏阿糖赤式苏式相同的原子在同侧相同的原子不在同侧 沿沿CC键轴观看，相同或相似的原子或基键轴观看，相同或相似的原子或

29、基按相同方向出现者为赤型，以相反方向出现时按相同方向出现者为赤型，以相反方向出现时为苏型。例如：为苏型。例如： “苏式苏式”、“赤式赤式”的概念在研究有机反应的立体的概念在研究有机反应的立体化学关系和反应机理时常会遇到。化学关系和反应机理时常会遇到。 赤式苏式赤式ClH3CHHOHHH3CCH3ClHHOClHCH3HCH3苏式后前后碳旋转方向不同前后碳旋转方向相同后前前后CH3OHClHHCH3OHH3C前后前二二 具有两个相同手性碳原子的对映异构具有两个相同手性碳原子的对映异构 酒石酸分子中含有2个C，可能的异构体有： (2R,3S) (2S,3R)I I II IV VCOOHCOOHO

30、HHHHOCOOHCOOHHOHHOHOHCOOHCOOHHHOHHHCOOHHOCOOHHOI I(2R,3R)(2S,3S)I I I I (III)与与(IV)是同一种分子是同一种分子内消旋酒石酸，其分子内消旋酒石酸，其分子内有一对称面。内有一对称面。 (I)与与(II)是对映体；是对映体； (I)与与(III) 、(II)与与(III)是非对映体；是非对映体； 内消旋体内消旋体 分子内含有平面对称性因素的没有旋光性的分子内含有平面对称性因素的没有旋光性的立体异构体称为内消旋体。是非手性分子。立体异构体称为内消旋体。是非手性分子。 mp D(水水) 溶解度溶解度(g/100ml) pKa

31、1 pKa(+)-酒石酸酒石酸 170oc +12.0 139 2.98 4.23(-)-酒石酸酒石酸 170oc -12.0 139 2.98 4.23( )-酒石酸酒石酸 (dl) 206oc 0 20.6 2.96 4.24meso-酒石酸酒石酸 140oc 0 125 3.11 4.80COOHCOOHOHOHHHCOOHCOOHHOHOHHCOOHCOOHOHHOHHCOOHCOOHOHHOHH(I)(I)(2)(3)(+)-酒石酸酒石酸(-)-酒石酸酒石酸(R)(R)(R)(R)(S)(S)(S)(S)HOCH2CHCHCH2OHOHHO酒石酸的情况分析酒石酸的情况分析 化合物的化

32、合物的旋光性旋光性与熔点、沸点一样，是许与熔点、沸点一样，是许多分子所组成多分子所组成 的集体性质。的集体性质。 只要分子中只要分子中任何一种构象有对称面或对称中任何一种构象有对称面或对称中心心，其他有手性的构象都会成对地出现。由于，其他有手性的构象都会成对地出现。由于有手性的构象对旋光的影响相互抵消，所以分有手性的构象对旋光的影响相互抵消，所以分子没有旋光性。子没有旋光性。内消旋酒石酸的对称性分析内消旋酒石酸的对称性分析旋光性与构象旋光性与构象HOOCCOOHHOHHHOHOOCHOHCOOHHOHHOOCHOHOHCOOHHCOOHHHOHOOCHHO旋转旋转180oC3右旋右旋60oC2

33、左旋左旋60o交叉式交叉式(I)有对称中心有对称中心交叉式交叉式(II)交叉式交叉式(III)交叉式交叉式(II)(II)与与(III)(III)是一对对映体，其内能相等，是一对对映体，其内能相等，在构象平衡中所占的百分含量相等在构象平衡中所占的百分含量相等对称碳原子对称碳原子假不对称碳原子假不对称碳原子(2R,4R)-2,3,4- 三羟基戊二酸三羟基戊二酸(2S,4S)-2,3,4- 三羟基戊二酸三羟基戊二酸(2R,3s,4S)-2,3,4-三羟基戊三羟基戊二酸二酸(2R,3r,4S)-2,3,4-三羟基戊三羟基戊二酸二酸三羟基戊二酸三羟基戊二酸HOOCCHCHCHCOOHOHOHOHCOO

34、HHHOHHOHOHCOOHRRCOOHHHOHHOHOHCOOHSSCOOHOHHHHOHOHCOOHRSCOOHOHHOHHHOHCOOHRS. . 假不对称碳原子假不对称碳原子 一个碳原子（一个碳原子（A A）若和两个相同取代的不对称碳原）若和两个相同取代的不对称碳原子相连而且当这两个取代基构型相同时，该碳原子为子相连而且当这两个取代基构型相同时，该碳原子为对称碳原子，而若这两个取代基构型不同时，则该碳对称碳原子，而若这两个取代基构型不同时，则该碳原子为不对称碳原子，则（原子为不对称碳原子，则（A A）为假不对称碳原子。）为假不对称碳原子。假不对称碳原子的构型用小假不对称碳原子的构型用小

35、r r, , 小小s s表示。表示。在判别构型时，在判别构型时，R R S S，顺，顺 反。反。 差向异构体差向异构体在立体化学中，含有多个手性碳原在立体化学中，含有多个手性碳原子的立体异构体中，子的立体异构体中，只有一个手性碳原子的构型不只有一个手性碳原子的构型不相同相同，其余的构型都相同的非对映体，又叫差向异，其余的构型都相同的非对映体，又叫差向异构体。构体。 例：例：内消旋酒石酸与有旋光性的酒石酸只有一个碳内消旋酒石酸与有旋光性的酒石酸只有一个碳原子的构型相同，所以它们是差向异构体：原子的构型相同，所以它们是差向异构体： I II III IV (2R,3R) (2S,3S) (2R,3

36、S) (2S,3R) 内消旋内消旋研究表明：研究表明： 一个含有一个含有n n个不对称碳原子的直链化个不对称碳原子的直链化合物，合物，如果它有可能出现内消旋型的旋光异构体，那如果它有可能出现内消旋型的旋光异构体，那么它的旋光异构体的数目将少于么它的旋光异构体的数目将少于2 2n n个。个。如果如果n n为偶数，为偶数，将可能存在将可能存在2 2n-1n-1个旋光异构体和个旋光异构体和 个内消旋型的个内消旋型的异构体。如果异构体。如果n n为奇数，则可以存在总共个为奇数，则可以存在总共个2 2n-1n-1立体立体异构体，其中异构体，其中 个为内消旋型异构体。个为内消旋型异构体。21n有内消旋体时

37、旋光异构体的计算有内消旋体时旋光异构体的计算n2注注 意意n外消旋体与内消旋体都没有旋光性，但它外消旋体与内消旋体都没有旋光性，但它们有本质的不同：们有本质的不同：n外消旋体是等量左旋体和右旋体的混合物，外消旋体是等量左旋体和右旋体的混合物，可拆分；可拆分；n内消旋体是分子内有对称面的单一化合物，内消旋体是分子内有对称面的单一化合物，不可拆分。不可拆分。 6.6 手性中心的产生手性中心的产生 手性中心的产生与手性合成有密切关系。手性中心的产生与手性合成有密切关系。 CH3CH2CH2CH3CH3CHCH2CH3ClCl2+ 其他产物产生第一手性碳前手性碳*外消旋体 当产生第一个手性中心时，两个

38、氢原子被取代的概当产生第一个手性中心时，两个氢原子被取代的概率均等，生成的对映体的量相等，产物没有旋光性，率均等，生成的对映体的量相等，产物没有旋光性，是一个外消旋体。即从非手性反应物合成手性产物时是一个外消旋体。即从非手性反应物合成手性产物时常得到外消旋体。常得到外消旋体。 一一 第一个手性中心的产生第一个手性中心的产生 (自学) 二二 第二个手性中的产生第二个手性中的产生 如果在一个旋光体分子里生成第二个手如果在一个旋光体分子里生成第二个手性碳原子，生成非对映体的量是不相等的。性碳原子，生成非对映体的量是不相等的。例如：例如： 手性环境(2S,3S)-二氯丁烷(2S,3R)-二氯丁烷29%

39、71%非对映体，产量不等+HClCH3CH3HHHClCH3CH3ClHHClCH3CH3HClCl2(2S)-氯丁烷6.7 手性合成手性合成 反应物分子中一个对称结构单元，用一个试反应物分子中一个对称结构单元，用一个试剂转化为一个不对称的结构单元，产生不等量剂转化为一个不对称的结构单元，产生不等量对映异构体的反应称为不对称合成。对映异构体的反应称为不对称合成。例：例： (羰基处于非手性环境,a方式与b方式机会相等)abCH3CHCOOHOH(外消旋体)2-羟基丙酸NaBH4C=OHOOCH3C但：CH3-C-COOHOH2NC6H5HCH3+COCOCH3HNC6H5HCH3NaBH4手性胺

40、(羰基处于手性环境,a方式与b方式机会不等)abC CONH CC6H5CH3HCH3HHO+含量不等的非对映体C CONH CHCH3HCH3C6H5HO水解 分离CH3HHOC COOH+(+)-2-羟基丙酸(-)-2-羟基丙酸CH3HOHHOOC C不对称合成不对称合成对称的反应（选向率为对称的反应（选向率为0）不对称不对称的反应的反应立体选向性反应立体选向性反应0选向率选向率 (S)若若 (R) (S) RPO纯实测.% SPO纯实测.%关于不对称合成的几个基本概念关于不对称合成的几个基本概念若产物是一对对映体，当若产物是一对对映体，当R R构型的产物大于构型的产物大于S S构型构型的

41、产物时，的产物时，%ee%ee 为为 %ee = S - RR + S 100%当当S S构型的产物大于构型的产物大于R R构型的产物时，构型的产物时，%ee%ee 为为%ee = R - SR + S 100% （2 2）对映体过量百分率）对映体过量百分率(%ee(%ee); ); 简称简称eeee值值反应物反应物 +试剂试剂* *1.1.手性反应物手性反应物 * *2.2.手性试剂手性试剂 * *3.3.手性溶剂手性溶剂 * *4.4.手性催化剂手性催化剂 * *5.5.在反应物中引入手性在反应物中引入手性产物产物催化剂催化剂溶剂溶剂不对称合成常采用的方法不对称合成常采用的方法非手性分子非

42、手性分子有一个有一个手手性中心性中心外消旋体外消旋体CH3CHO + HCNCH3CHCNOHOHHCOOHCH3CH3HHOCOOH（少）（少）（多）（多）反应物有一个反应物有一个手性中心手性中心C2H5HH3CCHO+HCNC2H5HH3CHHOCNC2H5HH3COHHCNH2OC2H5HH3CHHOCOOHC2H5HH3COHHCOOH产物有二个手性中心，非对映体。产物有二个手性中心，非对映体。大量的实验事实证明：大量的实验事实证明：一个非手性分子在反应过程中产生一个非手性分子在反应过程中产生一个手性一个手性中心中心时，产物为外消旋体；但一个手性分子时，产物为外消旋体；但一个手性分子在

43、反应过程中产生在反应过程中产生第二个手性中心第二个手性中心时，将会时，将会产生二个产生二个不等量的非对映体不等量的非对映体。 某一对映体的过量百分数越高，不对称合成的某一对映体的过量百分数越高，不对称合成的反应效率越高。使用合适的反应条件，可使产物反应效率越高。使用合适的反应条件，可使产物光学纯度达光学纯度达95%以上。以上。 不对称合成又称为手性合成，广泛用于有机物不对称合成又称为手性合成，广泛用于有机物构型测定、有机反应机理研究、酶催化活性研究构型测定、有机反应机理研究、酶催化活性研究等领域，是目前有机化学的研究热点之一。等领域，是目前有机化学的研究热点之一。 2001年年Nobel化学奖

44、授于美国化学家和日本化化学奖授于美国化学家和日本化学家，由于他们在不对称合成领域内的杰出工作。学家，由于他们在不对称合成领域内的杰出工作。 一一 外消旋化外消旋化 一个纯的光活性物质，如果体系中一个纯的光活性物质，如果体系中的一半量发生构型转化，就得外消旋体，的一半量发生构型转化，就得外消旋体，这种由这种由纯的光活性物质纯的光活性物质转变为转变为外消旋体外消旋体的过程称为的过程称为外消旋化外消旋化。如果构型转化未。如果构型转化未达到半量，达到半量，就叫就叫部分外消旋化。部分外消旋化。6.8 外消旋体的拆分外消旋体的拆分 含手性碳的化合物，若手性碳上的氢含手性碳的化合物，若手性碳上的氢在酸或碱的

45、催化作用下，易发生烯醇化，在酸或碱的催化作用下，易发生烯醇化，在烯醇化的过程中常会发生外消旋化。在烯醇化的过程中常会发生外消旋化。经烯醇化发生外经烯醇化发生外消旋化。消旋化。CCH3OHHOHOCCH3OHHOHHOCH3COHOHHOCCH3HOHOHOCCH3HHOOHHO-H+H+H+OH-H+H+-H+H+烯醇化+D-(-)-乳酸乳酸L-(+)-乳酸乳酸 D-(-)-麻黄素麻黄素有生理活性，易有生理活性，易结晶结晶 L-(+)-假麻黄素假麻黄素生理活性只有麻黄生理活性只有麻黄素的素的1/5。碳正离子碳正离子OHC6H5HCH3NHCH3HH+H2OH2OH+HC6H5HOCH3NHCH

46、3HHC6H5CH3NHCH3H经形成正碳离子、负经形成正碳离子、负碳离子、自由基等中碳离子、自由基等中间体发生外消旋化。间体发生外消旋化。含有手性碳原子的化合物，若手性含有手性碳原子的化合物，若手性碳很容易形成正碳离子、负碳离子、自碳很容易形成正碳离子、负碳离子、自由基等中间体时，常会发生外消旋化。由基等中间体时，常会发生外消旋化。n 外消旋体是由一对对映体等量混合而成，对映体除旋光外消旋体是由一对对映体等量混合而成，对映体除旋光方向外，其它物理性质均相同。方向外，其它物理性质均相同。n 用一般的物理方法（分馏、分步结晶等）不能把一对对用一般的物理方法（分馏、分步结晶等）不能把一对对映体分离

47、开来。必须用特殊方法。映体分离开来。必须用特殊方法。n 拆分拆分将外消旋体分离成旋光体的过程叫将外消旋体分离成旋光体的过程叫“拆分拆分”。 拆分的方法一般有以下几种：拆分的方法一般有以下几种：（1 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，而的差异，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。把两种结晶体挑捡分开。( (目前很少用目前很少用) )（2 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

48、解作用。对对映体中的一种异构体有选择的分解作用。二二 外消旋体的拆分外消旋体的拆分（3 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（形成两个非对映的吸附物）。成两个非对映的吸附物）。（4 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（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，于是溶液中该旋光体含量多，在晶种的诱导为晶种，于是溶液中该旋光体含量多，在晶种的诱导下优先结

49、晶析出。下优先结晶析出。（5 5）化学拆分法：化学拆分法： 将外消旋体与旋光性物质作用，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得到非对映体的混合物，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。如酸：质，用一般的分离方法将它们分离。如酸：例：化学析解法例：化学析解法形成和分离非对映体异构体的析解法形成和分离非对映体异构体的析解法+ (-)-R3N(+)-RCOOH(-)-RCOOH(-)-R3N(-)-R3N(+)-RCOOH(-)-RCOOH外消旋体溶解度相同重结晶不能分离非对映体混合物溶解度不同重结晶可分离旋光性生物碱1g R氨基醇氨基醇5g

50、S +5g R 氨基氨基醇饱和液醇饱和液（80，100ml）析出析出2g R 氨基醇氨基醇（余下（余下4g R,5g S）分去晶体，剩下母液分去晶体，剩下母液过滤过滤加水至加水至100ml冷却至冷却至2080加加2g消旋消旋体体冷却至冷却至202g S 氨基氨基醇醇析出析出接种结晶析解法接种结晶析解法(+)-RCOOH(-)-RCOOH(-)-R3N(-)-R3N(+)-RCOOH(-)-R3N(-)-RCOOH (-)-R3N(+)-RCOOH(-)-R3N+HCl(-)-RCOOH(-)-R3N+HCl重结晶HClHCl例例2：外消旋醇的拆分：外消旋醇的拆分 (-)-R3N非对映体COOH

51、COOR-(+)R3N-(-)COOR-(-)COOH R3N-(-)分离水解水解(-)-ROH(+)-ROH(+)-ROH(-)-ROH+OOOCOOHCOOR-(+)COOR-(-)COOH外消旋体外消旋体6.9 脂环化合物的立体异构脂环化合物的立体异构实验证明：单环化合物有否旋光性可以通过其实验证明：单环化合物有否旋光性可以通过其平面式的对称性平面式的对称性来判别，凡是有对称中心和对称平来判别，凡是有对称中心和对称平面的单环化合物无旋光性，反之则有旋光性。面的单环化合物无旋光性，反之则有旋光性。AAAA无旋光（对称面）无旋光（对称面）有旋光有旋光顺式和反式互为非对映异构体顺式和反式互为非

52、对映异构体AAAAAAAAAA无旋光（对称面）无旋光（对称面）有旋光有旋光无旋光（对称面）无旋光（对称面）有旋光有旋光1 1 奇数环奇数环当当ABAB不同时，顺式和反式都有手性。不同时，顺式和反式都有手性。AAAAAAAA无旋光（对称中心）无旋光（对称中心）有旋光有旋光无旋光无旋光(对称面对称面)无旋光（对称面）无旋光（对称面）2 2 偶数环偶数环例1： 2羟甲基1环丙烷羧酸的立体异构 HHCOOHHOH2CHHCH2OHHOOCHHCOOHHOH2CHHCH2OHHOOC( )I( )I I( )I I I( )IV顺式对映体顺式反式反式对映体例2：环丙烷1，2羧酸的立体异构 对映体反式反式

53、HHCOOHHHHOOCCOOHHOOC( )I I( )I I I顺式HHCOOH( )IHOOC内消旋体COOHCO2HHHCOOHHOOCHHHOOCCOOHHH顺式反式对映体内消旋体反式(有 )例3：环丁烷羧酸的立体异构 思考：当思考：当ABAB相同和不同时有什么区别？相同和不同时有什么区别？取代环己烷旋光性的情况分析取代环己烷旋光性的情况分析例一：顺例一：顺-1,2-二甲基环己烷二甲基环己烷旋转旋转120o(1)(2)(1)的构象转换体的构象转换体(1)和和(2)既是构既是构象转换体，又象转换体，又是对映体。能是对映体。能量相等，所以量相等，所以构象分布为构象分布为(1):(2)=1

54、:1。结论：用平面式分析，化合物是内消旋体。结论：用平面式分析，化合物是内消旋体。 用构象式分析，化合物是外消旋体。用构象式分析，化合物是外消旋体。 是非手性分子。是非手性分子。SS结论：用平面式分析，结论：用平面式分析，(1R,2R)-1,2-二甲基环己烷或二甲基环己烷或(1S,2S)-1,2-二甲基二甲基 环己烷是一种有旋光的化合物。环己烷是一种有旋光的化合物。 用构象式分析，用构象式分析， (1R,2R)-1,2-二甲基环己烷或二甲基环己烷或(1S,2S)-1,2-二甲基二甲基 环己烷是无数种有旋光的构象式环己烷是无数种有旋光的构象式 组合而成的混组合而成的混 合物。合物。例三例三: （1S，2S）反）反-1,2-二甲基环己烷二甲基环己烷例二：（例二：（1R，2R）反）反-1,2-二甲基环己烷二甲基环己烷RR6.10 构象对映体和构象非对映体构象对映体和构象非对映体n构象异构体的能垒低，室温下可相互转换；因此，构象异构体的能垒低，室温下可相互转换；因此，构象异构体中的对映体与构型异构体中的对映体构象异构体中的对映体与构型异构体中的对映体不同，不能