第八章 立体化学

第八章立体化学

Stereochemistry

构造异构碳链异构官能团异构位置异构互变异构立体异构构象异构顺反异构（几何异构）对映异构（旋光异构）构型同分异构

1.构造异构

Constitutionalisomerism

——由于分子中原子或基团的连接顺序或方式不同而产生的异构。

2.立体异构

Stereoisomerism

——分子中原子或基团的连接顺序和方式相同，但是在空间的排布不同而产生的异构。（1）构象异构(2)构型异构体──顺反异构

同分异构的多层次性构造异构、构型异构和构象异构是不同层次的异构。其中构造异构属较低层次的异构形式，其次为构型异构，而构象异构是较高层次的异构形式。其中低层次异构形式通常包含有较高层次的异构形式。Example普通光尼可尔棱镜偏振光

光波在各个方向振动光波在一个方向振动一、几个重要概念

1.旋光性（opticalactivity）旋光仪示意图

能使偏振光的振动方向发生旋转的特性叫旋光性，具有旋光性的物质叫光学活性物质或旋光活性物质。

2.比旋光度（specificrotation)使偏振光顺时针方向转动，称为右旋物质，用（+）或d表示；使偏振光逆时针方向旋转，称为左旋物质，用（-）或l

表示。α与测定时的条件密切相关，物质的旋光性通常用比旋光度表示：

比旋光度的定义：溶液的浓度规定为1g/1mL，盛液管的长度规定为1dm，在这种条件下测得的旋光度。常用钠光灯为光源（波长为589nm，相当于太阳光谱中的D线），测定时温度一般为20℃；比旋光度通常这样表示：[]20aD

比旋光度按规定是指在上述特定条件下所测得的旋光度。实际上，可用任一浓度的溶液，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[]:α─旋光仪上测得的旋光度ρB─质量浓度（g·mL-1）l─盛液管的长度（dm）t─测定时的温度λ─所用光源的波长

例如，在10mL水中，加入某旋光物质1g，在1dm长的盛液管内，用钠灯做光源，温度为20℃时测得它的旋光度α为-4.64o，则该物质的比旋光度为：=[]20aD-4.64o

110×1=-46.4o(水)

3.手性（chirality）

“实物”与其“镜像”不能重合，实物的这种特性称为“手性”。

左右手互为镜象锤1锤1镜像锤1&锤1镜像可以完全重合

Somechiralobjectsinourlife

手性不仅是某些宏观物体的特征，某些微观的分子同样也具有“手性”，我们称这类分子为“手性分子”。大量的天然有机物，如脂类、糖类、氨基酸、生物碱以及在生物体内起重要作用的酶等，大多是手性分子。手性分子非手性分子

判断一个分子是否有手性，可用做一对实物与镜像的分子模型，观察它们是否能够完全重合，如果不能重合就是手性分子。但是要判断判断一个分子是否有手性，并非一定要用模型。一个分子是否能否与其镜像重合，与分子的对称因素有关，对称因素主要有对称面、对称中心、对称轴等。

手性的判断

4.对称因素（symmetryfactor）

(1)对称面

假设一个平面可以把分子分成两半，而这两半互为镜像关系，这个平面就是这个分子的对称面

。

有对称面有对称面

（2）对称中心

设想分子中有一中心点P，任何的直线通过分子的中心，在离中心等距离处遇到完全相同的原子，此点即为该分子的对称中心。

（3）对称轴Cn

设想分子中有一条直线，以这条直线为轴旋转360°/n后(n为正整数)，得到分子和原来的完全相同，即绕轴一周，有n个形象与原形象相同，这条直线称为n重对称轴，用Cn表示。对称轴不作为判别分子手性的依据。

*（4）交替对称轴Sn（反轴）

设想分子中有一条直线，以这条直线为轴旋转360°/n后，再用一个与此直线垂直的平面作为镜面进行反映，若所得到的镜像与原来的分子完全相同，这条直线就是交替对称轴Sn。（需要进行两次操作）(I)=(Ⅲ)，(I)有4重交替对称轴S4(I)是手性分子吗？旋转90°(I)(Ⅱ)(Ⅲ)反映

（5）如何根据对称因素判断手性①如果一个分子中有对称面、对称中心，这种分子是非手性分子。②若既没有对称面，又没有对称中心，一般可断定这种分子是手性分子。凡是手性分子,都具有旋光性，而非手性分子则都没有旋光性。*在有机化合物中，大多数非手性分子都有对称面、对称中心，或4重交替对称轴。没有对称面或对称中心，只有4重交替对称轴的非手性分子很少。因此，只要一个分子中既没有对称面，又没有对称中心，一般可以断定它是手性分子。Question：判定下列分子是否具有手性二、含一个手性碳原子的化合物

所谓手性碳原子（亦称“不对称碳原子”）是指与四个不同的原子或基团相连接的碳原子，通常用星号“*”标出。乳酸酒石酸思考题：指出下列化合物中的手性碳原子。***

1．对映体和外消旋体最早发现的含一个手性碳的化合物是乳酸，手性碳上四个不同的基团在空间有两种不同的排列方式，也就是有两种不同的构型：

乳酸运动中肌肉分泌[α]D=+3.82°

牛奶发酵得到[α]D=-3.82°

乳酸的两个分子模型，无论将它们怎样翻转，都不能使之完全重合。所以二者分别代表两个不同分子。它们呈实物与镜像的关系，叫做对映异构体，简称对映体。这一对对映体都是手性分子，所以都有旋光活性。

对映体性质的比较：

（1）物理；（2）化学；（3）生理作用

等量的左旋体和右旋体组成的体系叫做外消旋体，常用“（±）”或“dl”表示，外消旋体没有旋光活性，[α]D=0。化合物

熔点／℃

[])OH(D220a

pKa（25℃）

（＋）-乳酸

53

＋3.82

3.79

（－）-乳酸

53

－3.82

3.79

（±）-乳酸

18

0

3.79

对映体：具有实物与镜像的关系的两个异构体。Ibuprofen直接止痛

由上可知，Ibuproven尽管原子组成相同，但互为对映异构体，构型不同，药效不同，说明生命体对异构体具有偏爱，这是一种不对称行为。R型在体内转化成左式发挥止痛作用S型

2．费歇尔（Fischer）投影式

旋光异构体结构表示法：（1）透视式乳酸的一对对映体的球棒模型和透视式为：

球棒模型透视式CCCOOHCOOHOHHHCH3HOH3C（2）费歇尔（Fischer）投影式Fescher投影式球棒模型Fescher投影式OHCH3CH3COOHCOOHHOHH

注意问题:

a.要以立体的观点看待费歇尔投影式(横前竖后），

b.主链竖向，C-1在上，c.不能将费歇尔投影式离开纸面翻转180°，不能在纸面上旋转90o，但可沿纸面旋转180°及其整数倍（n个180°)。离开纸面翻转180°（Ⅰ）

（Ⅱ）(Ⅰ)≠(Ⅱ)（Ⅰ）

（Ⅱ）

(Ⅰ)＝(Ⅱ)沿纸面旋转180°思考题：代表下列哪种构型？

三、构型的命名法（标记法）对映异构体的差别就在于构型不同，对它们命名时，不同的构型要进行标记。构型的标记有两种方法：

1．D，L-命名法

选取甘油醛为标准，甘油醛两种构型的投影式如下：

D-(＋)-甘油醛L-(-)-甘油醛

标准物质的构型确定之后，其它旋光物质可以通过构型关联法确定其构型。凡是可以从右旋甘油醛通过化学反应得到的化合物，或者可以转变成右旋甘油醛的化合物，都是D型，反之L-型。(+)-甘油醛

(-)-乳酸D-(+)-甘油醛D-(-)-乳酸

D-α-氨基丙酸L-α-氨基丙酸

由于这样确定的构型是相对于标准物质而言，所以叫做相对构型。

应当注意的是：D，L-是表示构型的。(＋)和(-)或d-和l-表示的是旋光方向，这只能由旋光仪测得，而与化合物的构型没有固定的关系。D构型的化合物可以是左旋的，也可以是右旋的。如果一个化合物是(＋)，它的对映体一定是(-)；如果它是D构型，它的对映体一定是L构型。

D，L-命名法在使用上有一定的局限性，因为有些化合物不易同甘油醛相联系。例如：不能用D，L-命名法。自1970年以来，国际上根据IUPAC的建议，逐渐采用了另一种标记构型的办法，即R，S-命名法。

2．R，S-命名法

①首先按次序规则，将手性碳原子所连的四个原子或基团由大到小排列成序。设a＞b＞c＞d。

②然后把次序最小的原子或基团d放在离观察者眼睛最远的地方，③最后观察a→b→c的排列次序。

顺时针方向排列为R型；逆时针方向排列为S型

－OH＞－COOH＞－CH3＞－H（R）-乳酸（S）-乳酸

(S)-2-氯丁烷

—Cl＞—CH2CH3＞—CH3＞—H

－I＞－Br＞－Cl＞－H

建议用左右手法。最小的基团在左边，用左手，最小的基团在右边，用右手。（2S,3S)-2-羟基-3-氯丁二酸（2S,3R)-酒石酸

为什么费歇尔投影式可沿纸面旋转180°及其整数倍？

（R）-乳酸（R）-乳酸沿纸面旋转180°

根据模型和透视式比较容易确定R，S-构型，而直接使用费歇尔投影式，则判断较困难。为此人们根据投影规则和R，S-命名法的规定，提出下述简易方法：(1)最小基团如果连在竖键上（不论在上或在下）其它三个基团从大→小顺时针为R型，逆时针为S型。我们将这一情况总结为“小上下，同向”。－I＞－Br＞－Cl＞－H－Br＞－Cl＞－F＞－H

(2)最小基团如果连在横键上（不论在左或在右），其它三个基团从大→小顺时针为S型，逆时针为R型。我们总结为“小左右，反向”。例如：－OH＞－COOH＞－CH3＞－H－OH＞－CHO＞－CH2OH＞－H

必须了解，这里所说的顺、逆时针方向，是对投影式而言，而R，S-命名法规定的顺、逆时针方向是对立体分子模型而言，但其结果是一致的。建议用纸面分析法。思考题:判别以下两式是为同一化合物，还是对映异构体？四、含多个手性碳原子的化合物1．含两个不相同手性碳原子的化合物

（1）旋光异构体的数目

当有n个手性碳原子时，其旋光异构体的最高数目应是2n个，也就是2n-1对对映体。

（2）非对映体

不呈镜像关系的旋光异构体叫非对映体，非对映体具有不同的物理性质和不同的化学性质。

（3）差向异构体如果只有一个手性碳原子的构型不同，而其它手性碳原子的构型都相同，这样的非对映体称为差向异构体。2-羟基-3-氯丁二酸(ⅰ)(ⅱ)(ⅲ)(ⅳ)mp173℃173℃167℃167℃[α]-31.3°+31.3°+9.4°-9.4°

(ⅰ)和(ⅲ)为C-3差向异构体，(ⅰ)和(ⅳ)为C-2差向异构体。CH2OHOHHOHHHOHCHOCH2OHHHOHHOHOHCHO(i)(ii)CH2OHOHHHHOHOHCHOCH2OHHHOOHHHOHCHO(v)(vi)CH2OHOHHOHHHOHCHOCH2OHHHOHHOHOHCHO(iii)(iv)CH2OHOHHHHOHOHCHOCH2OHHHOOHHHOHCHO(vii)(viii)

2．含两个相同手性碳原子的化合物

酒石酸（2，3-二羟基丁二酸）

(ⅰ)(ⅱ)(ⅲ)(ⅳ)

(ⅰ)和(ⅱ)是对映体，(ⅲ)

=(ⅳ)

这种虽含有手性碳原子，但同时存在对称因素，因而不显旋光活性的化合物称为内消旋体。常用meso-表示，命名为meso-酒石酸。

mp[]D(水)溶解度(g/100ml)pKa1pKa2(+)-酒石酸170℃+12.01392.934.23(-)-酒石酸170℃-12.01392.934.23()-酒石酸206℃020.62.964.24meso-酒石酸140℃01253.114.80酒石酸的物理性质

五、环状化合物的立体异构

环状化合物的立体异构现象比链状化合物复杂，旋光异构与顺反异构往往同时存在。

1.二取代环己烷的立体异构顺1,4-环己烷二甲酸反1,4-环己烷二甲酸

1,4-环己烷二甲酸(1R,2R)-1,2-环己烷二甲酸(1S,2S)-1,2-环己烷二甲酸

1,2-环己烷二甲酸

当环上有两个或两个以上取代基时，如果分子有对称性，构型用顺反表示，如果分子没有对称性，构型用R，S表示。

2.含手性碳原子的单环化合物

——判别单环化合物旋光性的方法

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。无旋光（对称面）有旋光无旋光（对称中心）无旋光(对称面)无旋光（对称面）有旋光无旋光（对称面）有旋光无旋光（对称面）有旋光六、不含手性碳原子的旋光异构1．丙二烯型化合物

sp杂化sp2杂化sp2杂化

丙二烯分子中的三个碳原子由两个双键相连，这两个双键互相垂直。因此第一个碳原子与两个氢原子所在的平面，与第三个碳原子与两个氢原子所在的平面，正好互相垂直。

当C1

和C3分别连有不同基团时，这个分子就有一个手性轴，就是一个手性分子（没有对称面、对称中心），因而有对映体存在。手性轴

例如：

CH3CH=C=CHCH3

思考题:下列哪些化合物是手性分子?

*2．螺环型化合物螺环化合物可以看成是丙二烯型的分子，如果两个环上都连有不同基团时，即成为手性分子。3．联苯型化合物

如果每个苯环上的两个取代基都不一样，这个分子就一个手性轴，因而有对映体存在。例如6，6'-二硝基-2，2'-联苯二甲酸的对映体如下表示：

阻转异构体（atropisomer）

——由于单键旋转受阻而形成的手性分子。

七、外消旋体的拆分

合成具有手性碳原子的化合物时，一般得到的是外消旋体，例如丙酸进行氯化，得到的是(+)-2-氯丙酸和(-)-2-氯丙酸的等量混合物（外消旋体）。

这是因为丙酸的两个α-氢原子被氯取代的概率是均等的。

将外消旋体拆分成左旋体和右旋体，称为外消旋体的拆分。

由于对映体的一般物理性质是相同的，所以用一般的分离方法，例如分馏、重结晶等不能把它们分离。要把它们分离，必须用其它特殊方法。

1．化学法原理：让对映体与手性试剂反应，变成非对映体，由于非对映体具有不同的物理性质，可用一般方法如结晶法将它们分开，然后再分解为原来的左旋体和右旋体。化学法最适用酸或碱外消旋体的拆分。例如：酸的外消旋体可用旋光性碱来拆分。(±)酸＋(＋)碱(＋)酸(＋)碱(－)酸(＋)碱重结晶(＋)酸(＋)碱HCl(－)酸(＋)碱HCl(＋)酸(－)酸

（非对映体）

同样，碱的外消旋体可用旋光性酸来拆分。

2．生物化学法

有些微生物或酶对于对映体中的一种异构体有选择性的分解作用。而对另一种异构体不起作用，结果留下另一种异构体。例如青霉菌在含有外消旋酒石酸的培养液中，能分解右旋体，留下了左旋体。

3．诱导结晶法

在外消旋体的过饱和溶液中加入少量左旋体或右旋体的晶体作为晶种，与晶种相同的异构体便先析出，这种方法已经在工业生产中应用。例如氯霉素的生产中，就是用这种诱导结晶法拆分中间体。

4．柱色谱法利用具有光学活性的吸附剂，用柱色谱的方法，也可以把一对对映体拆分开。

*八、不对称合成

由非手性分子合成手性分子时，产物是外消旋体，没有旋光性。例如：（±）-乳酸必须进行拆分，才能得到旋光性的物质。但是，一个手性分子在反应过程中产生第二个手性中心时，两种构型生成的机会不一定相等，最后得到的产物有旋光性。这样，可以不经过拆分直接合成有旋光性的物质，这种方法叫不对称合成或手性合成。反应物+试剂产物催化剂溶剂1.不对称合成常采用的方法*1.手性反应物*2.手性试剂*3.手性溶剂*4.手性催化剂*5.在反应物中引入手性例如：不等量的非对映体（左旋体过量，有旋光性）（-)薄荷醇（手性试剂）*2.光学纯度（OP）反应物1+反应物2产物1(R)+产物2(S)

若(R)>(S)若(R)<(S)[][]PO纯R实测aa=.%[][]PO纯S实测aa=.%

例如：某2-丁醇试样经测定其比旋光度为+6.76°，而纯品（S)-(+)-2-丁醇为+13.52°，可以计算出该2-丁醇试样的光学纯度为：[][]PO纯S实测aa=.%

*3.对映体过量(ee)

是指一个对映体超过另一个对映体的百分数。

若产物是一对对映体，当R构型的产物大于S型的产物时，%ee为：当S构型的产物大于R构型的产物时，%ee为：

例如：R和S两个异构体的质量分别为60和40，则对映体过量为20%。

op值理论上等于ee，但实际上由于测定方法不同，两者可能不同。随着色谱技术的发展，目前ee值更常用，也更准确。

*九、对映异构在研究反应机理中的应用

亲电加成反应的立体化学

烯烃亲电加成反应的历程可通过立体化学实验事实来证明，下面以2-丁烯与溴的加成为例进行讨论。

实验事实：外消旋体(苏型)内消旋体