第七章立体化学

第八章立体化学教材:徐寿昌主编高等教育出版社有机化学OrganicChemistry席海涛江苏工业学院化学工程系作业（P176）1

(1、2、3、4)要求改为用*标出手性碳原子.3、7、10、11、(倒数第2行的C7H16改为C7H10)，提示：此题参考184～185页消除反应的有关内容，注意空间效应的影响，结合反应的结果看消除方向是否符合查依采夫规则？第八章立体化学立体化学是有机化学的重要组成部分.它的主要内容是研究有机化合物分子的三度空间结构(立体结构),及其对化合物的物理性质和化学反应的影响.立体异构体——分子的构造(即分子中原子相互联结的方式和次序)相同,只是立体结构(即分子中原子在空间的排列方式)不同的化合物是立体异构体.

本章主要讨论立体化学中的对映异构.第八章立体化学同分异构现象构造异构constitutional立体异构Stereo-碳链异构(如:丁烷/异丁烷)官能团异构(如:醚/醇)位置异构(如:辛醇/仲辛醇)构型异构configurational构象异构conformational顺反,Z、E异构对映非对映异构同分异构isomerism对称非对称魅力诺基亚7270多数寄居蟹(如Dardanus属和Calcinus属)的蟹钳(第一胸足，也叫螯足)左右是不对称的，一大一小，为什么左边(头朝前背面向上看)的长得大？

贝壳的手性。注意，从开口向内是右旋的。自然界中也存在左旋的贝壳，但极少，我至今还没有见到。我个人的一个猜测是，因为它所居住的螺壳一般都是右旋的，出于活动方便，寄居蟹的左螯足就长得大些!这正如它的腹部也是不对称的右旋体一样，是为了适应居住在右旋的贝壳中的缘故。这是不是目的论的解释？不是。这可用进化论说明。也许一开始，左右螯足大小都差不多，但在进化长河中，左螯足大者获得优势(由竞争或者环境压力造成)，在自然选择过程中左螯足大者就存续下来，并且不断经历这种选择。这不是说当初根本没有右螯足大的寄居蟹，只是它们不适应环境，才被淘汰。当然，事情决非如此简单。人们也许看过印度主神毗湿奴(Vishinu)的造像，女神左手托着一只奇怪的螺壳，此螺壳竟然是左旋的。据说这种左旋的螺壳在自然界中极少见，出现概率不足百万分之一。(据《化学与工程新闻》)长期以来这种左旋的螺壳被视为珍宝。一位十分关注手性(包括兰花手性)的立体化学家威尔策(ChristopherJ.Welch)指出：“毗湿奴造像具有罕见的对映体形象，确凿无疑地表明当初设计此造像的人，非常欣赏手性。”

毗湿奴造像，女神左手托着一只左手性的螺壳。这种左手性贝壳出现的概率是百万分之一。在印度人的观念中左手性的螺壳仍然是“right-handed”(“正确的”，也有“右手的”之意)，仍然代表珍贵、正确(right)、完美。这种价值观在中国也有很好的体现，曾经右派总是错误，而左派总是正确的，而且越左越好，达到极左。在那个时代“左”(left)=“正确”(right)。

在北京出售的一种右手性美女骨螺（MurexaduncospinosusSowerby,1841），

作者摄于北京西三旗花卉市场8.1手性和对映体生活中的对映体(1)-镜象沙漠胡杨生活中的对映体(2)-镜象井冈山风景桂林风情左右手互为镜象

现代科学对物质分子左右特性的研究，正式开始于路易·巴斯德（LouisPasteur）。

巴斯德发现，酒石酸拥有一种镜像物质，它们彼此的旋光性相反，他在1848年、年仅26岁的时候，发表了有关的论文。此后有许多科学家对此进行了研究，得到了好几个诺贝尔奖。开尔文勋爵（LordKelvin）将物质的这种特性命名为“手性”（chirality，源自希腊语的“手”）。我们通常把物质的两种形式分别称为“左手性的”和“右手性的”，也称“左旋的”和“右旋的”，它们互为“对映体”（源自希腊语“相反的形状”）。

同一物质的左手和右手形式，化学性质也可能不同。一个典型的例子是现代医学史上最大的灾难：防止孕妇呕吐的药物反应停。它行销数十个国家，导致成千上万的畸形婴儿出生。最终发现，它的成分酞胺哌啶酮具有手性，其中左手形式有镇静剂作用，右手形式则会造成畸胎，而在销售的药物中，左手与右手形式含量各占一半。也有甜蜜可爱或芬芳宜人的例子：某种物质的左手形式是比蔗糖甜百倍的低热量甜味剂阿斯巴甜，右手形式却是苦的；左手性的薄荷醇有好闻的香味，右手性的则没有。

例如：抗妊娠反应的镇静药—(R)-酞胺哌啶酮(“反应停”)非麻醉性的消炎镇痛药—(S)-酮咯酸利尿药：(S)-(-)-依托唑啉减肥药—(S)-(+)-氟苯丙胺

人类喜欢认为对称表示完美，不对称的东西即使好看也要称为“缺憾美”。我们还觉得许多自然现象“应该”是对称的，如果发现了不对称，就管它叫“对称破缺”。生命对左手型氨基酸和右手型糖的偏爱、DNA固执地右旋，被称为生命的对称破缺。一些科学家认为这种对称破缺的起源是物理上的，比如宇称不守恒导致左右分子的稳定性有差别。另一些人则提出，生命左右倾向性的起源，是由于某些天文事件发出的偏振光，有选择地毁坏了“生命种子”中的某一部分。

紫杉醇系美国布迈施贵宝公司（BMS）从太平洋紫杉树皮中提取分离并开发的一种天然抗肿瘤新药。其作用机制是在细胞分裂时能与细胞微管蛋白结合，使细胞内形成稳定的微管束，以干扰细胞周期的Ｇ－2有丝分裂，从而抑制肿瘤细胞的生长。美国1992年来将该药开始应用于卵巢癌的治疗后，又应用于乳腺癌的治疗，收到良好的效果。故有人认为紫杉醇的第一适应症是转移性卵巢癌，而第二适应症是难治性的转移性乳腺癌。

目前，国产紫杉醇的纯度在95%以上，已用于临床，并获新药证书。紫杉醇独特的抗癌机制使之成为全球抗癌药物研究热点。预测在今后10-15年内，紫杉醇是最畅销的植物药之一，年销售额将达10亿美元。然而红豆杉生长极其缓慢，紫杉醇含量又相当低，1kg树皮仅能获得50-100mg紫杉醇，加之植物资源破坏严重，更加剧了紫杉醇供应危机。在立体化学中,不能与镜象叠合的分子叫手性分子,而能叠合的叫非手性分子.镜象与手性的概念一个物体若与自身镜象不能叠合,叫具有手性.左手和右手不能叠合

左右手互为镜象

如果您将您右手的手套戴在左手上，您就会发现您的双手的关系以及目前应用在药物上的活性试剂的特殊性能。在很多情况下，只有一种或两种螺旋结构能够对我们的身体有帮助。如果我们幸运的话，其他的结构不起任何作用，但是他们中的某些结构可能有很大的副作用。由于美国和欧洲调整结构的压力，越来越多的制药公司选择了在含有手性结构时，只提供有生物活性结构。根据市场专家的调查研究，光学活性成分的比例已经从1985年的7％上升到了2000年的33％。目前大约80％的药物都发展为具有光学活性。在Wacker的研究人员拥有必须的经验和足够的技术来为药物应用的分子有效和经济地生产合适的结构。制药市场的竞争在最近几年中变得越来越激烈，因此在漫长的研发过程中每缩短一个月都对市场有重要的意义。基因工程以及对活性结构的研究正在导致新结构的不断发现。这些物质的制备需要长期，多步骤的合成。这些物质与复杂的自然界物质越来越接近。

据美国TechnologyCatalysts公司统计，

1993年世界手性药物制剂市场为356亿美元

1994年世界手性药物制剂市场为452亿美元

1995年世界手性药物制剂市场为556亿美元

1995年世界药物市场总额为2858亿美元

2000年世界手性药物制剂市场为900亿美元饱和碳原子具有四面体结构.(sp3杂化)例:乳酸(2-羟基丙酸CH3-CHOH-COOH)

的立体结构：乳酸的分子模型图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,它们不能相互叠合,但却互为镜象.考察分子的对称性,要考察的对称因素有以下四种——设想分子中有一条直线,当分子以此直线为轴旋转360º/n后,(n=正整数),得到的分子与原来的分子相同,这条直线就是n重对称轴.有2重对称轴的分子(2-丁烯)(一)分子的对称性与手性的关系(1)对称轴(旋转轴)——设想分子中有一平面,它可以把分子分成互为镜象的两半,这个平面就是对称面.如:有对称面的分子(氯乙烷)(2)对称面(镜面)——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,则在与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.有对称中心的分子(3)对称中心——设想分子中有一条直线,当分子以此直线为轴旋转360º/n后,再用一个与此直线垂直的平面进行反映(即作出镜象),如果得到的镜象与原来的分子完全相同,这条直线就是交替对称轴.(Ⅰ)旋转90º后得(Ⅱ),(Ⅱ)作镜象得(Ⅲ),(Ⅲ)等于(Ⅰ)有4重交替对称轴的分子(4)交替对称轴(旋转反映轴)4A:非手性分子—凡具有对称面、对称中心的分子.B:手性分子—既没有对称面,又没有对称中心,的分子,都不能与其镜象叠合,都是手性分子.C:对称轴的有无对分子是否具有手性没有决定作用.

在有机化学中,绝大多数非手性分子都具有对称面或对称中心.对称性与手性的关系:手性分子的一般判断:只要一个分子既没有对称面,又没有对称中心,就可以初步判断它是手性分子.凡是手性分子,必有互为镜象的构型.分子的手性是存在对映体的必要和充分条件.

互为镜象的两种构型的异构体叫做对映体.

一对对映体的构造相同,只是立体结构不同,这种立体异构就叫对映异构.如乳酸是手性分子,故有对映体存在:乳酸的对映体(二)对映异构体

对映体的一般物理性质(熔点,沸点,相对密度...,以及光谱)都相同,只有对偏振光的作用不同.8.2旋光性和比旋光度8.2.1旋光性偏正光的形成偏正光的旋转旋光性--能旋转偏正光的振动方向的性质叫旋光性

旋光性物质(或叫光活性物质)--具有旋光性的物质.

右旋物质--能使偏正光的振动方向向右旋的物质.通常用“d”或“+”表示右旋.

左旋物质--能使偏正光的振动方向向左旋的物质.通常用“”或“-”表示左旋.

旋光度--偏正光振动方向的旋转角度.用“”表示.对映体是一对相互对映的手性分子,它们都有旋光性,两者的旋光方向相反,但旋光能力是相同的.旋光性的表示方法:在有机化学中,凡是手性分子都具有旋光性(有些手性分子旋光度很小);而非手性分子则没有旋光性.由旋光仪测得的旋光度,甚至旋光方向,不仅与物质的结构有关,而且与测定的条件(样品浓度,盛放样品管的长度,偏正光的波长及测定温度等)有关.8.2.2比旋光度(1)比旋光度--通常把溶液的浓度规定为1g/mL,盛液管的长度规定为1dm,并把这种条件下测得的旋光度叫比旋光度.一般用[]表示.

比旋光度只决定于物质的结构.各种化合物的比旋光度是它们各自特有的物理常数.旋光仪(polarimeter)用任一浓度的溶液,在任一长度的盛液管中进行测定,然后将实际测得的旋光度,按下式换算成比旋光度[]:式中:C--溶液浓度(g/mL);--管长(dm)

若被测得物质是纯液体,则按下式换算:式中:--液体的密度(g/cm3).(2)比旋光度的测定与换算通常将测定时的温度和偏正光的波长标出:

溶剂对比旋光度也有影响,所以也要注明溶剂.例:在20℃时,以钠光灯为光源测得葡萄糖水溶液的比旋光度为右旋52.5°,记为:

“D”代表钠光波长.因钠光波长589nm相当于太阳光谱中的D线.(3)比旋光度的表示方法手性碳原子的概念—在有机化合物中，手性分子大都含有与四个互不相同的基团相连的碳原子。这种碳原子没有任何对称因素,故叫不对称碳原子,或叫手性碳原子,在结构式中通常用*标出手性碳原子。一个手性碳原子可以有两种构型。具有手性的物质和分子中有无手性碳原子无关.

含有一个手性碳原子的分子一定是手性分子；8.3含有一个手性碳原子的化合物的对映异构例：乳酸CH3CHOHCOOH*

右旋乳酸-熔点=53℃

左旋乳酸-熔点=53℃外消旋体不仅没有旋光性，且其他物理性质也往往与单纯的旋光体不同。例如：外消旋体乳酸熔点为18℃.外消旋体—由等量的对映体相混合而成的混合物.乳酸乳酸的分子模型和投影式

菲舍尔投影式:两个竖立的键—向纸面背后伸去的键;

两个横在两边的键—向纸面前方伸出的键.8.4构型的表示法，构型的确定和构型的标记8.4.1构型的表示法（1）菲舍尔投影式在纸面上旋转180º—不变；旋转90º或270º或翻身—镜象不能离开纸面翻转。翻转180。，变成其对映体。在纸面上转动90。,270。，变成其对映体。在纸面上转动180。构型不变。保持1个基团固定，而把其它三个基团顺时针或逆时针地调换位置，构型不变。任意两个基团调换偶数次，构型不变。6.任意两个基团调换奇数次，构型改变。总结:Fischer投影式的转换规则举例（对照模型）任意两个基团调换偶数次，构型不变。相当与一个固定，另3个顺时针调换位置。将手性碳原子表示在纸面上，用实线表示在纸面上的键，虚线表示伸向纸后方的键，用锲形实线表示伸向纸前方的键。（2）锲形式——比较直观8.4.2构型的确定

——菲舍尔投影式、锲形式看不出左、右旋；旋光仪可测，但不能判断构型。甘油醛

现指定（Ⅰ）为右旋甘油醛的构型，（Ⅱ）则为左旋甘油醛的构型。以甘油醛这种人为的构型为标准，再确定其他化合物的相对构型——关联比较法。利用反应过程中与手性碳原子直接相连的键不发生断裂，以保证手性碳原子在构型不发生变化。右旋甘油醛左旋乳酸指定右旋的甘油醛为此构型。得出此相对构型的乳酸为左旋（测）D-D-例：

两种甘油醛的绝对构型：—右旋酒石酸铷钠的绝对构型：（1）关联比较法得出此构型，测得结果为右旋。（2）X光衍射直接确定右旋酒石酸铷钠与此推出的构型一致。（3）所以人为指定的甘油醛的构型也是其绝对构型。以此为标准确定的其它相对构型也是绝对构型。注意：从构型上不能判定物质是否是左右旋；本节内容只表明左右旋某物质是什么形式的构型（分子中各原子或基团在空间的排列方式）。构造相同，构型不同的异构体在命名时，有必要对它们的构型给以一定的标记。如乳酸：CH3CHOHCOOH有两种构型。构型的标记方法有两种：（以甘油醛为对照标准）：右旋甘油醛的构型定为D型，左旋甘油醛的构型定为L型。凡通过实验证明其构型与D-相同的化合物，都叫D型，在命名时标以“D”。而构型与L-甘油醛相同的，都叫L型，在命名时标以“L”。

例：左旋乳酸：D-(-)-乳酸;右旋乳酸:L-(+)-乳酸8.4.3构型的标记（1）过去常用D—L法

D、L只表示构型，而不表示旋光方向。旋光方向以“+”(右旋)、“-”(左旋)表示。D-L标记法只表示出分子中只有一个手性碳原子的构型，对含有多个手性碳原子的化合物，这种标记不合适，有时甚至会产生名称上的混乱。R-S标记法—是根据手性碳原子所连接的四个基团在空间的排列来标记的：(1)先把手性碳原子所连接的四个基团设为：a,b,c,d。并将它们按次序（3.3节次序规则）排队。(2)若a,b,c,d四个基团的顺序是a在先，b其次，c再次，d最后。将该手性碳原子在空间作如下安排：(2)R-S标记法

把排在最后的基团d放在离观察者最远的位置，然后按先后次序观察其他三个基团。几即从最先的a开始，经过b，再到c轮转看。若轮转方向是顺时针的，则该手性碳原子的构型标记为“R”-（“右”的意思）；反之，标记为“S”例如：R-S标记法RS顺时针反时针基团次序为：a>b>c>d（1）先将次序排在最后的基团d放在一个竖立的（即指向后方的）键上。然后依次轮看a、b、c。（2）如果是顺时针方向轮转的，则该投影式代表的构型为R型；如果是逆时针方向轮转的，则为S型。c菲舍尔投影式中R-S标记法：基团次序为：a>b>c>d最小的基团d放在竖键上.顺时针逆时针(一)若标记分子的菲舍尔投影式中的d是在竖键上—顺时针方向轮转的，则该投影式代表的构型为S型；如果是逆时针方向轮转的，则为R型。基团次序为：a>b>c>d(二)若标记分子的菲舍尔投影式中的d是在横键上最小的基团d放在竖键上.最小的基团d放在横键上.顺时针逆时针例如：乳酸CH3CHCOOH手性碳原子的四个基团排队：

OHOH>COOH>CH3>H.因此乳酸的两种构型可分别如下识别和标记：

(右旋):S-(+)-乳酸(左旋):R-(-)-乳酸分子中有多个手性碳原子的化合物,命名时可用R-S标记法将每个手性碳原子的构型一一标出。例如：C-2所连接的四个基团的次序:

OH>CHOHCH2CH3>CH3>HC-3所连接的四个基团的次序:

OH>CHOHCH3>CH2CH3>HRS(2S,3R)-2,3-戊二醇命名：—将手性碳原子的位次连同构型写在括号里：注意:R和S是手性碳原子的构型根据所连基团的排列顺序所作的标记.在一个化学反应中,如果手性碳原子构型保持不变,产物的构型与反应物的相同,但它的R或S标记却不一定与反应物的相同.反之,如果反应后手性碳原子的构型发生了转化,产物构型的R或S标记也不一定与反应物的不同.因为经过化学反应,产物的手性碳原子上所连接的基团与反应物的不样了,产物和反应物的相应基团的排列顺序可能相同,也可能不同。产物构型的R或S标记,决定于它本身四个基团的排列顺序,与反应时构型是否保持不变无关。例如：RS含有一个手性碳原子的化合物有一对对映体。分子中若有多个手性碳原子，立体异构的数目就要多些：若含有n个手性碳原子的化合物，最多可以有2n种立体异构。有些分子的立体异构数目少于2n这个最大数。8.5含有多个手性碳原子化合物的立体异构例:2-羟基-3-氯丁二酸HOOC-CH-CH-COOH的立体异构

OHCl**

这四种异构体中(I)和(II)是对映体;(III)和(IV)是对映体.(I)和(II)等量混合物是外消旋体；(III)和(IV)等量混合物也是外消旋体。非对映体—(I)和(III)或(IV)以及(II)和(III)或(IV)也是立体异构，但它们不是互为镜象，不是对映体，这种不对映的立体异构体叫做非对映体.非对映体旋光度不相同,而旋光方向则可能相同,也可能不同,其它物理性质都不相同:非对映体混合在一起,可以用一般的物理方法将它们分离出来.2-羟基-3-氯丁二酸的物理性质例:酒石酸HOOC-CH-CH-COOH的立体异构

OHOH**这四种异构体中(I)和(II)是对映体;(III)和(IV)是同一种物质(它们可以相互叠合).

IIIIIIIV

(2R,3R)(2S,3S)(2R,3S)(2S,3R)有些分子的立体异构数目少于2n这个最大数(III)通过C(2)-C(3)键中心点的垂直线为轴旋转180°,就可以看出它可以与(IV)是叠合的:以黑点为中心在纸面上旋转180°在它的全重叠式构象中可以找到一个对称面。在它的对位交叉式构象中可以找到一个对称中心。所以,(III)和(IV)是同一种分子。

(III)既然能与其镜象叠合，它就不是手性分子。因此也没有旋光性。—这种物质叫。内消旋体内消旋体与外消旋体均无旋光性，但它们的本质不同.酒石酸之所以有内消旋体，是由于它的两个手性碳原子所连接基团的构造完全相同。当这两个手性碳原子的构型相反时，它们在分子内可以互相对映，因此，整个分子不再具有手性。含有多个手性碳原子的分子却不一定都有手性.所以:不能说凡是含有手性碳原子的分子都是手性分子.内消旋酒石酸(III)和有旋光性的酒石酸(I)或(II)是非对映体,它不仅没有旋光性,并且物理性质也相差很大：小结酒石酸的物理性质酒石酸熔点/℃[α]（Ⅰ）右旋（Ⅱ）左旋（Ⅲ）内消旋

170170146+12°-12°0°外消旋体206例如：戊醛糖（2,3,4,5-四羟基戊醛）: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。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：像(III)、(IV)虽然有手性碳原子，却非手性分子:所以C-3这样的不能对分子的手性起作用的手性碳原子，叫做假手性碳原子.(III)、(IV)中C-3是手性原子（C-2和C-4所连基团虽构造相同，但构型不同）。RR*？*？RS

——在立体化学中，含有多个手性碳原子的立体异构体中，只有一个手性碳原子的构型不相同，其余的构型都相同的非对映体，又叫差向异构体。例1：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：IIIIIIIV

(2R,3R)(2S,3S)(2R,3S)(2S,3R)内消旋差向异构体例2：(I)和(II)、(I)和(III)、(I)和(IV)也都是差向异构体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。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开来。必须用特殊方法。拆分—将外消旋体分离成旋光体的过程叫“拆分”。拆分的方法一般有以下几种：（1）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，而把两种结晶体挑捡分开。(目前很少用)（2）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。8.6外消旋体的拆分机械拆分法：微生物拆分法：（3）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（形成两个非对映的吸附物）。（4）（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，于是溶液中该旋光体含量多，在晶种的诱导下优先结晶析出。（5）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，用一般的分离方法将它们分离。如酸：选择吸附拆分法：诱导结晶拆分法化学拆分法：

对于酸，拆分步骤可用下列通式表示：拆分酸时，常用的旋光性碱主要是生物碱，如：（-）-奎宁、（-）-马钱子碱、（-）-番木鳖碱；拆分碱时，常用的旋光性酸是酒石酸、樟脑--磺酸等。*对非酸非碱的外消旋体，可以设法在分子中引入酸性基团，然后按拆分酸的方法拆分；也可以选适当的旋光性物质与外消旋体作用而生成非对映体的混合物，然后分离。例如：拆分醇时（方法1）先使醇与丁二酸酐或邻苯二甲酸酐作用生成酸性酯：然后再将这种含有羧基的酯与旋光性碱作用生成非对映体后分离。（方法2）：或者使醇与如下的旋光性酰氯作用，形成非对映体的酯的混合物，然后分离：

拆分醛、酮时，可使醛、酮与如下的旋光性的肼作用，然后分离：(-)通过化学反应,可以在非手性分子中形成手性碳原子:例1:烷烃氯化例2:丙酮酸还原2-氯丁烷2-羟基丙酸

这两个反应的产物并不具有旋光性。——外消旋体。8.7手性合成由非手性分子合成手性分子时，产物是外消旋体。若在反应时存在某种手性条件，则新的手性碳原子形成时，两种构型生成的机会不一定相等（对映体之一的含量稍多些）。——这种不经过拆分直接合成出具有旋光性的物质的方法，叫手性合成（或不对称合成）。例：-酮酸直接还原，只能得到外消旋的-羟基酸；若将酮酸先与旋光性的醇作用，生成旋光性的酮酸酯后再还原，最后水解，则得到具有旋光性的羟基酸：

在手性基团的影响下，新的手性碳原子两种构型的生成机会不是均等的。而是左