第八章 立体化学v4

第八章立体化学主要内容立体异构体：对映异构体和非对映异构体手性分子和非手性分子、手性碳手性碳的构型——R型和S型，手性分子的命名；描述立体构性的D/L体系立体结构的表示方法，化合物立体结构式的变换方法手性化合物的特性——旋光性（旋光度a、比旋光，外消旋体和内消旋体）获得手性化合物的方法，外消旋体的拆分，不对称合成）立体异构

由原子或基团空间排列或取向不同所产生的异构现象。立体化学(Stereochemistry)——研究有机化合物三维空间(立体结构)，及其对化合物物理和化学性质的影响；构型异构、构象异构和本章的旋光异构都是涉及分子立体结构的概念。构象异构体（可互相转化）构型异构体（顺反异构）（不能相互转化）1.手性分子和非手性分子手性(chirality)：实物和其镜像不能重叠的现象手性分子（chiral

molecules）：有手性现象的分子两者不能重合手性分子镜像转180o手性分子8.1手性和对映体手性碳——手性分子的特征连有四个不同基团的碳原子手性碳(chiralcarbon)手性中心(Chiralcenter)手性碳标记****例：*非手性分子两者互相重合非手性分子镜像转60o非手性分子：与镜像相重合（非手性分子不含有手性碳）转180o两者完全重合非手性分子2.手性与分子的对称性判断分子有无手性——

①

最直接法：用模型来考察分子与它的镜象是否重合。②考察分子的对称性。一个分子与它的镜象是否重合，与分子的对称性有关。分子的对称因素：对称轴、对称面、对称中心，n重更替对称轴。考察分子的对称性需考虑分子的对称因素对称面：对称面对称面对称轴：对称中心：n重更替对称轴：手性与分子的对称性的关系（无手性碳）（有手性碳）若分子含有对称面或对称中心，为非手性分子如：有对称面和对称中心的非手性分子与镜像重合如果一个分子没有任何一种对称因素：对称面、对称中心或n重更替对称轴，这种分子就有手性。一般只考察对称面、对称中心即可。对称轴不能作为分子有无手性的标准.

是一类特殊的构型异构体---对映异构体(enantiomers)3.对映异构体

一对互为镜像且不互相重合的分子。它们的构造相同，立体结构不同，属构型异构体。分子的手性是存在对映异构体的必要和充分条件。构造异构constitutional立体异构Stereo-碳链异构官能团异构位置异构构型异构configurational构象异构conformational顺反异构对映、非对映异构同分异构isomerism单键旋转异构叔胺翻转异构同分异构现象小结：8.2旋光性和比旋光度偏振光偏振光----普通光在通过尼克尔(Nicol)棱镜后形成的只在一个方向振动光普通光尼可尔棱镜偏振光光学活性(opticalactivity)——物质能使偏振光振动方向发生偏转的性质叫旋光性(或称光学活性)

Opiticallyactive左旋和右旋右旋(dextrorotatory)：使偏振光向顺时针方向偏转，表示为(d)或(+)

左旋(levorotatory)

：使偏振光向逆时针方向偏转，表示为(l)或(–)左旋aa右旋入射光方向入射偏振光石英样品管旋光度,a（装有旋光性物质）a透射偏振光（已偏转）旋光能力的表示方式——比旋光[a]t[a]t

=at

lcat

:实验观察到的旋光度l:样品管长度（dm,分米）c

:样品浓度（g/cm3）t

:测试时温度:波长specificrotation手性与旋光性的关系旋光性是手性分子的特性，手性化合物对偏振光具有旋光作用。一对对映体对偏振光的作用不同，一个使偏振光向顺时针方向偏转，另一个使偏振光向逆时针方向偏转，两者偏转数值相同。例：(R,R)-(+)-酒石酸(S,S)-(-)-酒石酸旋光异构体（对映异构体）旋光仪——小结：手性，旋光活性，对映体手性是具有旋光活性的必要条件。手性是存在对映体的充分和必要条件。对映体旋光方向相反，旋光能力相同。8.3构型的表示法，构型的确定和构型的标记1.

构型的表示法——菲舍尔投影式,锲形式

透视式—(用透视式表示基团在空间的排列顺序)锲形实线表示伸向平面前方的键。

锲形虚线表示伸向平面后方的键费歇尔投影式国际命名原则：将碳链放在垂直线上，氧化态较高的碳原子或主链上第一号碳原子在上．以垂直线相连的基团表示伸向纸后，即远离读者；以水平线相连的基团表示伸出纸前即伸向读者．注意：投影式是用平面式来代表三度空间的立体结构．不能任意翻转．费歇尔(Fischer)投影式——实例：乳酸分子楔形透视式转换为费歇尔(Fischer)投影式横向基团位于平面的前方竖向基团位于平面的后方锲形实线表示伸向平面前方的键。

锲形虚线表示伸向平面后方的键巩固练习：锲形式Fischer投影式键的方向？复习构象的表示方法：纽曼投影式透视式纽曼式Newman）透视式（锯架式）实例：纽曼投影式和锯架透视式2.构型的确定—手性碳的相对构型(D-L标记)(Ⅰ)(Ⅱ)D-（+）-甘油醛L-（-）-甘油醛人为地规定右旋甘油醛的构型以(Ⅰ)式表示(即手性碳原子上的羟基的投影在右边)，叫做D型；左旋甘油醛的构型就是(Ⅱ)式，羟基的投影在左边，叫做L型。

1951年以前，还没有实验方法可以测定分子中基团在空间的排列状况，便以甘油醛为标准做了人为的规定。旋光方向与D,L(构型)之间没有固定的关系，一个D型的化合物，可以是左旋的，也可以是右旋的。D：人为规定

-：仪器测定D-（+）-甘油醛D-（-）-乳酸用这种旋光化合物之间相互转化的方法确定构型时，必须不发生与手性碳原于相连的键的断裂。构型的确定

相对构型

(Relativeconfiguration)——theconfigurationofacompoundrelativetotheconfigurationofanothercompound——人为规定,并不是实际测出来的。化学关联法：以人为规定的甘油醛构型为基础，用一定的化学方法，将其它旋光化合物构型与甘油醛联系起来，以确定其它旋光化合物的构型，即相对构型。实例：

用D，L表示构型，对于碳水化合物及氨基酸非常方便，因此这两类化合物的构型仍用D，L表示。基准物D-(+)-甘油醛L-(-)-甘油醛D-(+)-葡萄糖D-(-)-乳酸L-(+)-乳酸绝对构型(AbsoluteConfiguration)——theactualthree-dimensionalstructureofachiralcompound绝对构型的测定

——X-射线单晶衍射(1950年）。1951年，用x射线衍射的方法可以测定分子中基团在空间的排列状况，R、S标定，

——化学关联法相对构型(Relativeconfiguration)——theconfigurationofacompoundrelativetotheconfigurationofanothercompound——人为规定,并不是实际测出来的。（+）和（-）并不对应于（R）和（S）相对构型和绝对构型3.手性碳的绝对构型——R/S标记方法，手性化合物的命名例：2-丁醇选择优先顺序最小的原子或基团远离观察者，其余原子或基团依优先顺序排列(S)-2-丁醇(R)-2-丁醇有一个手性碳沿C-H方向S型（逆时针方向）R型（顺时针方向）基团的优先顺序（Cohn-Ingold-Prelog定序规则）（1）原子序数大者优先，同位素质量大者优先如：I>Br>Cl>S>P>F>O>N>C>D>H（2）基团的第一个原子相同时，比较与其相连的下一个原子如：-CH2CH3>-CH3-CH2Cl>-CH2F

-CH2OCH3>-CH2OH

-CH(CH3)2>-CH2CH(CH3)2（3）对不饱和基团，可认为与同一原子连接2或3次如：例:例:比较以下基团的优先顺序12例:2,3-丁二醇的三个立体异构体的命名非手性分子S型S型(2S,3S)-2,3-丁二醇

手性化合物的命名R型R型S型S型(2S,3R)-2,3-丁二醇或(2R,3S)-2,3-丁二醇(2R,3R)-2,3-丁二醇非手性分子R/S标记方法也可直接用于Fischer投影式

烯烃顺反标记：Z,E顺-1,3-二甲基环戊烷反-1,3-二甲基环戊烷cis环烷的顺反标记：cis,transtrans复习烯烃、环烷顺反构型的标记法要求：R,S命名、楔形式、纽曼式、费歇尔式相互转换能直接从纽曼投影式、楔形透视式、锯架透视式或费歇尔式标定R、S构型。交叉式重叠式Newman投影式锯架式到Newman投影式转化锯架式到Fisher投影式的转化Fisher投影式实例：

(1)

(2)

(3)

巩固练习：写出下列化合物的费歇尔投影式。

(2)

(3)

巩固练习：用费歇尔投影式画出下列化合物的构型

(1)

(2)2-氯－（4S）－2-（E）－2-戊烯

巩固练习：将下列化合物的费歇尔投影式画成扭曼投影式(顺叠和反叠)，并画出它们的对映体的相应式子。⑴分子只含有一个手性碳，8.4有机化合物的对映异构体含有一个手性碳原子的化合物即Cabcd型的化合物都有两个对映异构体(R、S)

，其中一个是右旋体，一个是左旋体。外消旋体：外消旋体——等量的左旋体和右旋体的混合物例：（旋光性相互抵消——消旋）产物无旋光性外消旋体性(racemicmixture)（）()-2-溴丁烷外消旋体表示方式如何拆分？p1642,3-戊二醇⑵

分子含有二个手性碳——二个不同手性碳原子2,3-戊二醇的两对对映体非对映异构体：

p169非对映异构体可以用一般的物理方法将它们分离开来。(3)分子含有二个手性碳——二个相同手性碳原子：酒石酸只有三种异构体，右旋体，左旋体和内消旋体

例：内消旋体——有手性碳，但分子有对称面(p170)(R,S)-meso-酒石酸内消旋体表示方法分子有对称面，无旋光性。一个手性碳的旋光性正好被分子内另一构型相反的手性碳所抵消内消旋体(mesocompounds)不能说凡是含有手性碳原子的分子是手性分子。手性碳与立体异构体数目的关系：

若分子有n

个手性碳，理论上有

2n

个立体异构体（2n/2对对映体。若手性碳组成相同，数目有所减少。(4)分子含有二个以上手性碳，情况较为复杂非手性分子,内消旋体（有对称面）手性分子(为对映体)相同组成的手性碳优先顺序：R型>S型假手性碳的构型（用r/s表示）差向异构体:

(p171)小结：外消旋体非对映异构体内消旋体差向异构体连二烯型（含有两个互相垂直的平面）比较：与镜像无法重合，是手性分子有对称面，为非手性分子(5)一些不含手性碳的手性分子联苯型(位阻型)大基团使单键旋转受阻螺环等其它不含手性碳化合物的对映异构(6)

环状化合物的立体异构现象比链状化合物复杂，往往顺、反异构和对映异构同时存在。在研究环己烷衍生物的立体异构时，对构象引起的手性现象可以不予考虑，而只要考虑顺、反异构和对映异构，并可以直接用平面六角形来观察，这样仍可得到同样正确的。环己烷衍生物分子在不断热运动中，由于构象转变如此迅速，且它不是以造成化学键的断裂，∴不影响分子的R、S构型。(7)季铵阳离子和季鏻阳离子8.5对映异构体的性质外消旋体的拆分

旋光方向相反，其他物理性质如：熔点、沸点、相对密度、比旋光度以及在非手性试剂的作用是完全相同的。生物生理性质——手性分子与手性生物受体之间的相互作用

一对对映体只有其中一个适合进入一个特定受体靶位，产生生理效应。对于生物体，一对对映异构体的作用可能正好相反。1.

对映异构体的性质例如：(S)-天冬酰胺苦味(R)-天冬酰胺甜味麻醉剂致痉挛巴比吐酸衍生物(R)型,有效，不致畸形(S)型，致畸形Thalidomide(反应停)——镇静和止吐药物(-)-L-DOPA

治疗帕金森氏病(+)-D-DOPA在体内集聚，不能被代谢2.

外消旋体的拆分（Resolution）巴斯德，L.LouisPasteur(1822～1895)1848年，巴斯德借助放大镜拆分外消旋的酒石酸钠铵仪器拆分（GC,HPLC…）HPLC用手性柱GC用手性柱化学法拆分常用拆分试剂天然手性生物碱：(-)-马钱子碱、(-)-奎宁、(-)-番木鳖碱、

(+)-

辛可宁手性酸：酒石酸、樟脑磺酸例:外消旋a-苯乙胺的化学拆分接下页在甲醇中溶解性差接上页化学法拆分最适合于酸或碱的外消旋体的拆分。酶解法拆分（利用酶的选择性反应进行拆分）例:DL-丙氨酸的酶解拆分选择性去乙酰基8.6不对称合成，立体选择反应与立体专一反应

一卤代物为等量的对映体混合物无光学活性？由非手性化合物合成手性化合物时产物是外消旋体p173用自由基反应的立体化学解释——

若在反应时存在某种手性条件，则手性碳原子形成时，两种构型的生成机会不一定相等，即该手性中心的形成有立体选择性。p173例1：手性底物控制选择性在已有一个手性中心的分子中引入第二个手性中心时，得到不等量的非对映异构体，第二个手性中心形成有立体选择性。例2：手性底物例3：前手性分子手性试剂(催化剂)控制选择性WilliamS.KnowlesRyojiNoyoriK.BarrySharplessTheNobelPrizeinChemistry2001"fortheirworkonchirallycatalysedhydrogenationreactions""forhisworkonchirally