第八章立体化学

第八章立体化学5/6/20231

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)

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以三维空间研究分子结构和性质的科学构象异构体（可互相转化）构型异构体（顺反异构）（不能相互转化）5/6/20232立体异构是立体化学的主要内容之一。立体化学从立体观点研究分子的结构以及分子的立体结构对其物理性质和化学反应的影响，是化学中一个重要的研究领域。

立体异构包括构型异构和构象异构（构象异构已在第二章中讨论过）。构型异构又分为对映异构和非对映异构。第三章中讨论过的烯烃的顺反异构属于非对映异构，本章讨论对映异构。5/6/20233教学目的∶1.理解物质的旋光性和旋光性物质。2.掌握手性碳原子和手性分子。3.掌握含有一个手性碳原子分子的透视式和fischer

投影式的表示方法，及其相互转换。4.掌握D，L-命名法和R，S-命名法。5.理解对映异构体和非对映异构体的异同点。6.理解内消旋体和外消旋混合物的区别。7.掌握异构体的分类。8.运用立体化学知识解释烯烃亲电加成反应历程。5/6/20234本章教学内容第一节物质的旋光性第二节化合物的旋光性与其结构的关系第三节对映异构体的构型第四节含手性碳原子化合物的对映异构第五节手性物的制备与外消旋体的拆分第六节异构体的分类第七节立体化学在研究反应历程中的应用习题答案5/6/20235第一节物质的旋光性一、物质的旋光性1.偏振光2.旋光物质3.产生旋光性的原因二、比旋光度5/6/20236一、物质的旋光性

光波是一种电磁波，电场或磁场振动的方向与光前进的方向垂直，电场振动的平面又与振动的平面垂直。

（a）表示光波前进时电场振幅的周期性变化。（b）表示在光前进上，正对光源，电场在直线所示的平面上振动，振幅变化的范围用箭头标出。（c）表示在普遍的光束中光波在一切可能的平面上振动。1.偏振光5/6/20237

普通光的光波可在垂直于其前进方向的所有平面内振动，若使之通过一个尼科尔（Nicol）棱镜（其作用像栅栏），则只有与棱镜晶轴平行平面上振动的光线通过，这种只在一个平面上振动的光，称为平面偏振光，简称偏振光或偏光。5/6/202382.旋光物质把两个尼科尔棱晶平行放置，使普通的光射在第一个棱晶上，透出来的光就变成偏光，因为第二个棱晶与第一个互相争行，所以偏光能完全通过第二个棱晶。5/6/20239物质有两类：（1）旋光性物质能使平面偏振光振动平面旋转的物质称为物质的旋光性。具有旋光性的物质称为旋光性物质（也称为光活性物质）。（2）非旋光性物质不具有旋光性的物质，叫做非旋光性物质。5/6/202310物质旋光性物质非旋光性物质左旋物质（－）右旋物质（＋）－0＋

使偏振光振动平面向右（顺时针方向）旋转的，称为右旋物质。用“（+）”代表右旋。使偏振光振动平面向左（反时针方向）旋转的，称为左旋物质。用“（－）”代表左旋。例如，（+）-葡萄糖,（－）-乳酸5/6/202311

使偏振光振动平面旋转的角度称为旋光度，用α表示。测定化合物的旋光度是用旋光仪，旋光仪主要部分是有两个尼可尔棱晶（起偏棱晶和检偏棱晶），一个盛液管和一个刻度盘组装而成。旋光仪的原理图旋光仪与旋光度5/6/2023123.产生旋光性的原因

我们知道光是一种电磁波，其振动频率很高，形成了快速的交流电场。当光线照射到透明物质的分子上时，分子的原子核和电子都受到光的电场的影响。因电子质量较小，它容易受光的电场影响而发生振动。由于光波与电子振动之间的相互影响，光波前进的速度就被减慢，从而产生折射现象。

物质的折射率愈大，表明光在前进中受到的阻碍俞大，其速度就愈小，也就是物质分子中电子振动愈强。如果物质分子的极化度愈大，物质与光的相互作用也就愈强，折射率也就愈大。5/6/202313

平面偏振光也是电磁波，它可以看作是由两种圆偏振光合并组成的。它们都围绕着光前进方向的轴呈螺旋形向前传播，其中一种圆偏振光呈右螺旋形，称为右旋圆偏光如图（a）。而另一种是左螺旋形称为左旋圆偏光如图（b）o两种圆偏振光5/6/202314这两种光互为不能重叠的镜象关系。当偏光经过一个对称的区域时，这两种圆偏光受到分子的阻碍相等。所以它们以相同的速度经过这个区域，因此，合成光仍保持原来偏光的振动平面，不表现出旋光性，如下页图（a）。当偏光通到的是手性分子，例如，遇到右旋的乳酸分子，则由于不同基团极化度的差异，两个圆偏光的折射率就不相同。经实验测定：右旋圆偏光对右旋乳酸的折射率为1.10011。左旋圆偏光对右旋乳酸的折射率为1.10017。折射率的不同说明两个前进圆偏光成分，经过手性分子时所遇到的阻力不相等，速度减慢的程度也就不一样。这就导致合成光振动平面不能再维持在原来的方向上，而产生一定的偏转，从而表现出旋光性，如图（b）。5/6/202315偏光经过对称的和不对称区域振动平面的变化（a）经过对称区域、合成光与原偏光振动平面AA’一致（b）经过不对称区域，合成光偏为原偏光振动平面AA’右旋α度5/6/202316

旋光产生的根本原因：是因为入射光的左、右圆偏光成分在介质中的传播速度不同。由于旋光性是分子集合体对偏光作用的宏观统计现象，也是单个分子的性质。从理论上说，几乎所有的物质分子，都会使偏光平面旋转一个极其微小的角度，但在光路中必然会遇到与它互成重叠镜象的分子，由于取向相反，从统计的观点看，是无旋光性的。5/6/202317

如果分子是手性的，由于它的任何一分子的镜象并不与其相同，而是它的对映体，对一种旋光性物质来说，其分子引起的旋光就不会被抵消，结果就表现出有旋光性。例如：

综上所述，一种物质具有与镜象的不重合性，即手性导致了旋光性。因此，物质的手性是产生旋光性的充分和必要的条件。5/6/202318

物质的旋光度与旋光管的长度、溶液的浓度、溶剂以及测定时的温度和光源的波长均有关系。条件不同，不仅可改变旋光的度数，还可能改变旋光的方向。当旋光管的长度是1dm，被测物质的浓度是1g溶质／1mL溶剂时，测出的旋光度称为比旋光度，用［α］表示。它与旋光度的关系是：二、比旋光度[a]t=atlcat: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5/6/202319例：(R,R)-(+)-酒石酸[a]25D

=

+12o(水,20%)(钠光，D线，l=589nm)由于比旋光度未规定测定时的温度和光源的波长，故测定时需注明温度和波长，以及配制溶液时的溶剂。又由于旋光物质有的是右旋的，有的是左旋的，故表示比旋光度时，需注明旋光方向，以（+）代表右旋，（-）代表左旋。5/6/202320例如，天然葡萄糖水溶液是右旋的，20℃时用钠光灯作光源，测得的比旋光度是52.5o，应表示为：

（水）（溶剂是水时，也可不注明）

又如，在20℃时，用钠光灯测定5％的右旋酒石酸的乙醇溶液，得到比旋光度为3.79o，应表示为：

（乙醇，5％）与熔点、沸点、相对密度和折光率等一样，比旋光也是化合物的一种性质。其不同之处是，比旋光度是定量表示旋光物质旋光性的一个物理常数。5/6/202321第二节

化合物的旋光性与其结构的关系一、镜像、手性及对映异构二、手性与结构的关系三、对称元素与手性的关系四、对映异构体与非对映异构体自然界中，有的物质有旋光性，有的没有旋光性。怎样从一个化合物的结构判断其是否具有旋光性呢？5/6/202322一、镜像、手性及对映体如果将物体放在平面镜前，使之成像，并设想把物体的“像”从镜中取出，有的物体比如均匀的木棒、皮球或铁钉可与其镜像完全重合；而有的物体如蜗牛壳、剪刀或螺丝钉与其镜像不能重合，这正如人的左右手一样：左手和右手互为实物与镜像关系又不能完全重叠。5/6/202323人的左手与其镜像（右手）不能完全重合将手性的概念运用于描述分子结构，则是当一个化合物的分子与其镜像不能相互重合时，这种分子就具有手性。

如：由此，我们将实物与镜像不能重合的物体称为具有手性的（chiral）物体，能与其镜像重合的物体则是非手性的（achiral）物体。5/6/202324

左旋和右旋酒石酸钠铵晶体

两种石英晶体

5/6/202325手性(chirality)：实物和其镜像不能重叠的现象

ChiralisderivedfromtheGreekwordcheiros,meaning“hand”.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5/6/202326这种分子必然存在着一个与其镜像相应的异构体，它们的关系，就像左手和右手，相互对映。这种立体异构体称为对映异构体，简称对映体。左、右旋乳酸对映体5/6/202327左、右旋乳酸不能重叠一对对映体包括一个左旋体和一个右旋体，它们的比旋光度的绝对值相等，但旋光方向相反。左、右旋乳酸即是一对对映体，其分子结构的球棒模型如图。5/6/202328m.p./℃pKa肌肉乳酸＋3.82°533.79发酵乳酸－3.82°533.79两种乳酸的理化性质从模型可以看出，左旋乳酸和右旋乳酸的关系是实物与镜像的关系，二者不能完全重合。

这两种乳酸的构造式都是CH3CH(OH)COOH，它们除旋光性不同（旋光方向相反，比旋光度的绝对值相同）外，其他大部分理化性质都一样。5/6/202329从旋光性上看，左旋体和右旋体的旋光性不同；从结构上看，它们的分子中各原子或原子团在空间的排布方式不同，即立体结构不同。所以，把这种旋光性不同的立体异构体称为旋光异构体，这种现象称为旋光异构现象。既然物质的分子与镜像不能重合，分子就有手性，这种物质就有旋光性，那么物质具有怎样的分子结构才能与镜像不重合而有手性呢？5/6/202330二、手性与结构的关系两个四面体之间的虚线表示镜子所在的平面。1874年,荷兰化学家范霍夫发现当时已知的旋光的有机化合物,含有一个与四个互不相同的一价原子或原子团相连接的碳原子有关。把此碳原子称“不对称碳原子”或“手性碳原子”、他假定碳原子的四个价指向以碳为中心的四面体的四个顶点，如与碳原子连接的四个一价基团互不相同，它们在碳原子周围就有两种不同的排列方式。范特霍夫用四面体模型显示这两种排列方式之间的关系相当于物体和镜象，并不能互相叠合：5/6/202331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：*①不对称碳原子手性分子5/6/202332课堂问题请指出下列各化合物中的手性碳原子。5/6/202333

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5/6/202334②对称元素

存在对映异构的必要和充分的条件是分子结构缺乏某些对称元素，以致与其镜象不能互相叠合。分子与其镜象是否能互相叠合决定于它本身的对称性，即是否缺少某些对称元素，因此，要对分子有无手性作出正确的判断，必须先了解对称元素的涵义。本节先讨论对称轴、对称面和对称中心三种对称元素。5/6/202335（l）对称轴（旋转轴）

设想分子中有一条直线，当分子以此直线为轴旋转360°/n（n＝正整数），得到的分子与原来的相同，这条直线就是n重对称轴。

例如：有2重对称轴的分子5/6/202336对称轴的符号为Cn，字母n表示轴的阶。水分子有一个二重轴C2，水分子围绕C2轴转动180°后，分子中每一个原子都与未转动前分子中的等价原子相应叠合；也就是说（1)和(2）是两个等价构型，去掉氢原子上的人为编号，彼此无法区别。5/6/2023372.对称面（镜面）有对称面的分子

对称面的符号为σ，其对称操作为反映，就是照镜子。分子中每个原子通过对称面的反映后得到的新构型与原来的构型是符价的。有对称面的分子中不在对称面上的原子一定是成对的，在对称面的两边等距离处各有一个。如果某一种原子的数目为奇数，则其中至少有一个在对称面上。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。例如：5/6/2023385/6/2023393.对称中心有对称中心的分子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，可以通到一个同样的原子，就是对称中心。例如：5/6/2023404.交替对称轴（旋转反映轴）（Ⅰ）旋转90°后得（Ⅱ），（Ⅱ）以垂直于旋转轴的平面反映后得（Ⅲ），（Ⅲ）＝（Ⅰ）设想分子中有一条直线，当分子以此直线为轴旋转360°/n后，再用一个与此直线垂直的平面进行反映（即以此平面为镜面，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。例如：5/6/2023415/6/202342三、对称元素与手性的关系

凡具有对称面、对称中心或交替对称轴的分子，都能与其镜象叠合，都是非手性分子。而既没有对称面，又没有对称中心，也没有4重交替对称轴的分子，都不能与其镜象叠合，都是手性分子。对称轴的有无对分子是否具有手性没有决定作用。在有机化合物中，绝大多数非手性分子都具有对称面或对称中心，或者同时还具有4重对称轴。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是很个别的。因此，只要一个分子既没有对称面，又没有对称中心，一般就可以初步断定它是个手性分子。思考题5/6/202343例：2,3-丁二醇（有三个立体异构体，各含有两个手性碳）转180o

I

与

II

互为镜像，且不重合，均为手性分子

I

与

II

互为对映异构体对映异构体(enantiomers)

：一对互为镜像且不互相重合的分子（一类特殊的立体异构体）对映关系四、对映异构体与非对映异构体5/6/202344转180oIII为非手性分子（与其镜像

III’可完全重合）I

与

III,或

II

与

III

不成镜像，互为非对映异构体非对映异构体

(diastereoisomers)：相互不为镜像的立体异构体5/6/202345

乳酸对映体思考题

分子中原子的连接次序和连接方式是分子的构造。而原子的空间排列方式是分子的构型。构造一定的分子，可能有不止一种构型。

例如：烯烃类所讨论的顺反异构体，即是构造相同而构型不同的化合物。凡是手性分子，必有互为镜象的构型。互为镜象的两种构型的异构体叫做对映体。

分子的手性是存在对映体的必要的和充分的条件。乳酸是手性分子，故有对映体存在。乳酸的一对对映体可用两个互为镜象的模型代表：5/6/202346一对对映体的构造相同，只是立体结构不同，因此它们是立体异构体。这种立体异构就叫做对映异构。

对映异构和顺反异构一样，都是构型异构。要把一种异构体变成它的构型异构体，必须断裂分子中的两个键，然后对换两个基团的空间位置。而构象异构则不同，只要通过键的扭转，一种构象异构体就可以转变成另一种构象异构体。5/6/202347第三节对映异构体的构型一、对映异构体构型表示方法二、对映异构体的相对构型和绝对构型三、对映异构体的命名四、对映体的性质五、外消旋体5/6/202348一、构型的表示方法

表示分子立体形象的方法，即表示分子构型的方法最常用的有：模型、透视式和费歇尔（Fischer）投影式。

（1）模型用模型表示化合物分子，是一种既简单又直观的方法。但它不能明确地表示出分子内原子的大小和键长，而且在纸面上表示时很难书写。乳酸对映体模型5/6/202349（2）透视式

透视式是在纸面上的立体表达式。书写时首先确定观察方向，然后按分子呈现的形状直接画出。

表示方法：用透视式表示时，将手性碳原子置于纸面，与手性碳原子相连的四个键，两个处于纸面上，用实线表示；一个伸向纸面前方，用粗实线或楔形实钱表示；一个伸向纸面后方，用虚线表示。

例如，乳酸的一对对映体可表示如下：5/6/202350

（3）费歇尔投影式

投影的规定是：a.将手性碳原子置于纸面，在投影式中横竖两线的支点代表手性碳原子；b.将碳链竖着摆放，令两个竖的含碳基团一上一下处于纸面下方，且将命名时编号最小的碳原子（一般是氧化态较高的碳原子）放在上端；c.横的两个基一左一右呈水平状处于纸面上方。

例如，乳酸对映体的费歇尔投影式如图所示。5/6/2023515/6/202352

在使用费歇尔投影式时，应注意以下四点：a.投影式可以在纸面上旋转180o，（仍为原构型）而不能旋转90o或270o；5/6/202353b.投影式不能离开纸面翻转180o。因为这两点违反了模型投影时的规定，无论在纸面上旋转90o或270o，还是离开纸面翻转180o，其结果都不再是投影的化合物，而得到的是它的对映体。5/6/202354

c.在投影式中如果使一个基团保持固定，而把另外三个某团顺时针或逆时针地调换位置，不会改变原化合物的构型。5/6/202355

d.对调任意两个基团的位置，对调偶数次构型不变，对调奇数次则为原构型的对映体。

例如：5/6/202356二、相对构型与绝对构型不对称分子的绝对构型的问题一直都无法决定。为了解决这个问题，只能采取关联的方法，来决定一系列具有光活性化合物的相对构型以求达到统一的国的。费歇尔选择了（+）甘油醛作为许多光活性化合物的标准，并且通过许多实践经验，肯定地知道当一个光活性化合物在发生反应时，只要不对称中心的共价键不发生断裂，分子的空间构型就保持不变。按这个原则处理，就可以通过化学方法，把许多光活性化合物异构体的相对构型关联起来而确定其构型。5/6/202357描述立体构性的D/L

体系（相对构型）基准物D-(+)-甘油醛L-(-)-甘油醛D-(+)-葡萄糖D-(-)-乳酸L-(+)-乳酸5/6/202358从以上化学反应的结果可以看出，手性中心之四个共价键未断裂，分子的空间构型就保持不变，是D型或L型，但旋光方向发生了变化。其原因：

构型保持不变----是手性中心连接的四个不相同的原子团在空间未变，与此较标一致。

旋光方向发生了变化----经化学反应后虽手性中心之四个共价键未断裂，但四个不相同的原子团大小发生变化，分子的非对称性发生了变化。由于用D-L系表示构型是以人为标准作基础,不一定与真实构型相符,故叫作相对构型。5/6/202359绝对构型的问题一直到1951年才得到解决,魏沃用X光衍射法测定了(+)-酒石酸钠铷的真实构型,即绝对构型。有意思的是费歇尔当年任意选择的标准（+）甘油醛与现代实验测定构型（绝对构型）一样。5/6/202360

三、构型的命名法

构型的命名法也叫构型标记法，常有两种方法：①D，L命名法，或D，L-标记法。适合含一个手性碳的当光活性化合物构型的标记。常用的如：氨基酸，糖类。属于相对构型的标记。②R，S命名法，或R，S标记法。适合所有光活性化合物构型的标记。属于绝对构型的标记。5/6/202361（1）D，L-命名法由于有些化合物不易与甘油醛相关联，或因采用不同方法关联所得构型不同，因此D，L命名法有一定局限性，使用受到限制。但目前氨基酸和糖的构型仍采用D，L-命名法（将在后面有关章节中介绍）。利用上述关联的方法所确定的化合物是D型还是L型，只说明该化合物的构型，而与其旋光方向无关。即D型化合物不一定是右旋的，L型也不一定是左旋的。5/6/202362（2）R，S命名法

利用R，S命名法确定化合物的构型时，采用化合物的模型或透视式或费歇尔投影式均可。

采用模型或透视式时，确定构型的方法是：①根据次序规则将手性碳原子所连接的四个不同原子或基团按优先顺序排列。②将优先顺序中编号最小的原子或基团（通常是氢原子）放在距离眼睛最远处，并使最小原子或基团、手性碳原子和眼睛三者成一条直线，其他三个原子或基团距离眼睛最近，并在同一平面上。5/6/202363

③观察其他三个原子或基团的排列位次，若优先顺序编号由大到小是按顺时针排列，则该化合物的构型是R型（R来自拉丁文Rectus，“右”之意），若是反时针排列，则为S型（S来自拉丁文Sinister，“左”之意）。例如，2-丁醇的一对对映体的命名。在2-丁醇分子中，C2是手性碳原子，它连接的四个不同原子或基的优先顺序为：

-OH＞-CH2CH3＞-CH3＞-H，按照上述确定构型的方法，如图所示，则可确定其一是R-2-丁醇，另一个是S-2-丁醇：5/6/202364

5/6/2023655/6/202366

当化合物以费歇尔投影式表示时，确定构型的方法是：与手性碳原子所连接的四个不同原子或基团，当按优先顺序编号最小的原子或基团处于投影式的上方或下方，其他三个原子或基的编号由大到小按顺时针排列，则该化合物的构型是R型；反之，其他三个原子或基团按反时针排列，则是S型。

例如：

5/6/202367

当按优先顺序编号最小的原子或基团处于投影式的左面或右面时，若其他三个原子或基团的编号由大到小按顺时针排列，该化合物的构型是S型；反之，按反时针排列，则为R型。

例如：

R，S命名法是一种普遍应用的方法，这是它的最大优点。5/6/202368(S)-1-氯-1-溴-1-碘甲烷费歇尔投影式与楔形透视式相互转换S5/6/202369［问题1］用R，S命名法命名下列手性化合物：［问题2］写出下列化合物的透视式和费歇尔投影式：（1）(R)-氟氯溴甲烷（2）(R)-2-氯丁烷（3）(S)-2-丁醇（4）(S)-2-羟基丙醛5/6/2023705/6/2023715/6/202372

分子中含有多个手性碳原子的化合物命名

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所连四个基团的次序是：

OH＞CHOHCH2CH3＞CH3＞HC-3所连四个基团的次序是：

OH＞CHOHCH3＞CH2CH3＞H12342S3R（2S，3R）-2,3-戊二醇思考题5/6/202373R和S是手性碳原子的构型根据其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转化了，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，产物的手性碳上所连基团与反应物的不一样了，产物和反应物的相应基团的排列顺序却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：5/6/202374还原SROH＞CH2Br＞CH2CH3＞HOH＞CH2CH3＞CH3＞H

在还原时，手性碳原子的键未发生断裂，故反应后构型保持不变，但是还原后CH2Br变成了CH3。在反应物分子中，CH2Br排在CH2CH3之前；而在产物分子中，与CH2Br相应的CH3却排在CH2CH3之后。所以反应物构型的标记是R，产物构型的标记却是S。5/6/202375

例：用R／S标记下列化合物。2S,3R2R,3R2S,3RR1R,2R5/6/202376立体异构体之间的一般物理、化学性质比较例：酒石酸(tartaricacid),（2,3-二羟基丁二酸）有2个组成相同的手性碳,有3个立体异构体(R,R)-酒石酸(S,S)-酒石酸(R,S)-酒石酸一对对映体四、对映体的性质

5/6/202377相同非对映体之间性质有明显差别酒石酸立体异构体性质比较在非手性环境中，对映体的性质是相同的。5/6/2023782.对映体之间的性质差别：物理性质：对偏振光的作用不同——有旋光性化学性质：对手性试剂的作用不同

手性化合物对偏振光的作用——旋光性（或称光学活性）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）Opiticallyactive5/6/202379在手性环境中，它们的性质则不相同。在手性环境中进行化学反应时，与手性试剂反应或在手性催化剂或手性溶剂中的反应速度则不相同。生物体内的酶和各种底物是有手性的，因此，对映体的生理性质往往有很大的差异。

例如：(-)-氯霉素有疗效，而(+)-氯霉素没有疗效，(-)-尼古丁的毒性比(+)-尼古丁大得多，(+)-香芹酮与(-)-香芹酮的香气不同。对映体在生物体内代谢的速度也不一样。

例如：青霉菌在含有外消旋酒石酸的培养液中生长，右旋酒石酸被消耗掉，溶液慢慢由不旋光变成左旋。5/6/202380

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

左旋(levorotatory)：使偏振光向逆时针方向偏转，表示为(–)(R,R)-(+)-酒石酸(S,S)-(-)-酒石酸旋光异构体（对映异构体）左旋aa右旋入射光方向5/6/202381五、外消旋体

由于一对对映体的旋光方向相反，比旋光度的数值相等，因此将等量的左旋体和右旋体混合，所得混合物则无旋光性，这种混合物称为外消旋体。

外消旋体可以拆分为左旋体和右旋体。

外消旋体的物理性质与左旋体和右旋体不同。熔点［α］15D（+）-乳酸52℃+2.6°（－）-乳酸53℃－2.6°（±）-乳酸18℃无旋光性乳酸的左旋体、右旋体、外消旋体的物理性质5/6/202382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5/6/202383合成有手性的化合物时，在非手性条件下(原料、试剂、溶剂、催化剂等都没有手性)都得到外消旋体，因为对映异构体分子中各原子之间的距离相同，用非手性原料和试剂进行合成时，生成右旋体和左旋体的过渡状态能量相同，反应速度相同，反应产物，两个对映体的量也应当相同。

旋光化合物在物理因素或化学试剂作用下变成两个对映体的平衡混合物，因而失去旋光性的过程叫做外消旋化。5/6/202384

例：下列各对化合物，哪些是构象异构体，哪些是构型异构体，哪些可以组成外消旋体？构象异构体、构型异构体构象异构体5/6/202385构型异构体构型异构体、顺反异构（1）、（3）可以组成外消旋体。5/6/202386第四节

含手性碳原子化合物的对映异构一、具有一个手性碳原子化合物的对映异构二、具有两个不相同手性碳原子化合物的对映异构三、具有两个相同手性碳原子化合物的对映异构四、不合手性碳原子的化合物的旋光异构现象五、环状化合物的立体异构5/6/202387

一个手性碳原子可以有两种构型，所以含有一个手性碳原子的化合物有构型不同的两种分子。

例如，含有一个手性碳原子的乳酸就有两种。它们都有旋光性（一个右旋，一个左旋），是互为对映体的立体异构体。CH3CHOHCOOH*一、含有一个不对称碳原子的

分子及其构型含有一个手性碳原子的分子一定是个手性分子。乳酸：5/6/202388熔点［α］15D（+）-乳酸52℃+2.6°（－）-乳酸53℃－2.6°（±）-乳酸18℃无旋光性乳酸的左旋体、右旋体、外消旋体的物理性质它们可以分别由葡萄糖在不同的菌种作用下经发酵制得。5/6/202389用化学合成的方法也能制得乳酸，但合成得到的乳酸和用发酵法得到的乳酸，性质上有差异。前者没有旋光性，熔点只有18℃。因为由合成得到的乳酸不是单纯的化合物，而是等量的右旋乳酸和左旋乳酸的混合物（外消旋体）。外消旋体用一般的物理方法，例如分馏、重结晶等方法，不能把它们分开。要达到拆开分离的目的，必须采用其他特殊的方法。5/6/202390二、具有两个不相同手性碳原子化合物的对映异构

在自然界中有许多化合物含有不止一个手性碳原子，如碳水化合物、生物碱和多肽等，因此，了解含有多个手性碳原子化合物的对映异构是必要的。己知具有一个手性碳原子的化合物有一对对映体，即两个构型异构体。若分子中具有不止一个手性碳原子，则其构型异构体就不止两个。事实表明，分子中含有n（n＝1，2，3…）个不相同手性碳原子的化合物，具有2n个构型异构体。

5/6/202391旋光异构体的数目可按下式计算：

旋光异构体数目＝2n

n＝不相同的不对称碳原子数注意书写多个不对称碳原子异构体的费歇尔式和纽曼式.5/6/202392

（Ⅰ）（Ⅱ）（Ⅲ）（Ⅳ）（2R,3R）（2S,3S）（2R,3S）（2S,3R）这四种构型异构体中，（I）与（Ⅱ）、（Ⅲ）与（IV）分别是对映体。对映体的等量混合物构成外消旋体。思考题具有两个不相同手性碳原子的化合物，根据2n可知，n为2应具有四个构型异构体。

例如，2-羟基-3-氯丁二酸有如下四个构型异构体，如图所示。5/6/202393

但（I）与（Ⅲ）或（IV）、（Ⅱ）与（Ⅲ）或（Ⅳ）则分别不是物像关系，这种不互为物像关系的构型异构体，称为非对映异构体，简称非对映体。非对映体与对映体不同，非对映体之间的熔点、沸点、相对密度、折光率以及比旋光度等物理性质均不相同。非对映体混合在一起，可以用一般物理方法进行分离。构型熔点/℃［α］（Ⅰ）(2R,3S)-(-)（Ⅱ）(2S,3S)-(+)（Ⅲ）(2R,3S)-(-)（Ⅳ）（2S,3R)-(+)173173167167－31.3°(乙酸乙酯)＋31.3°(乙酸乙酯)－9.4°(水)＋9.4°(水)外消旋体146外消旋体1462-羟基-3-氯丁二酸的物理性质5/6/202394

不呈物体与镜象关系的立体异构体叫做非对映体。分子中有两个以上手性中心时，就有非对映异构现象。

非对映异构体的特征：a.物理性质不同（熔点、沸点、溶解度等）。b.比旋光度不同。c.旋光方向可能相同也可能不同。d.化学性质相似，但反应速度有差异。5/6/2023953-苯基-2-丁醇(2S,3S)(2R,3R)(2R,3S)(2S,3R)5/6/202396三、具有两个相同手性碳原子化合物的对映异构

分子中具有两个相同手性碳原子的化合物的对映异构，与两个不相同手性碳原子不完全相同。

例如，2,3-二羟基丁二酸（酒石酸），分子中也有两个（C2和C3）手性碳原子，似应与2-羟基-3-氯丁二酸相同，也存在着如下四个构型异构体，如图所示。2R,3R2S,3S2R,3S5/6/202397(Ⅰ)的名称是（2R,3R）-2，3-二羟基丁二酸；（Ⅱ）的名称是（2S,3S）-2,3-二羟基丁二酸。（Ⅲ）和（IV）与（Ⅰ）和（Ⅱ）不同，（Ⅲ）的C2是R型，C3是S型，两者构型相反，旋光能力抵消，而无旋光性。（Ⅲ）和（Ⅳ）相同。这样的分子称为内消旋体，通常用m表示，其名称为（2R,3S）-m-2,3-二羟基丁二酸。（I）和（Ⅱ）与内消旋体不是物像关系，它们是非对映体。

从内消旋酒石酸可以看出，含个手性碳原子的化合物，分子不一定是手性的。故不能说含手性碳原子的分子一定有手性。5/6/202398例：内消旋体——有手性碳，但分子有对称面(2R,3S)-m-

2,3-二羟基丁二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)

内消旋体与外消旋体的异同相同点：都不旋光不同点：内消旋体是一种纯物质，外消旋体是两个对映体的等量混合物，可拆分开来。它们的性质也不同。

5/6/202399

旋光纯、外消旋体和内消旋体性质的比较5/6/2023100就有如下八种构型：含有三个手性碳原子的化合物最多可能有23＝8种立体异构体。

例如：戊醛糖（2,3,4,5-四羟基戊醛)5/6/20231012,3,4,5-四羟基戊醛5/6/2023102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。5/6/2023103

（I）和（Ⅱ）是一对对映体，可以组成外消旋体。（I）、（Ⅱ）的C-2和C-4所连基团构造相同，构型也相同，因此（I）和（Ⅱ）的C-3不是手性碳原子。（Ⅲ）、（IV）与（I）、（Ⅱ）不同。（Ⅲ）、（IV）的C-2和C-4所连基团虽然构造相同，但是构型不同。因此（Ⅲ）和（IV）的C-3是手性碳原子。（Ⅲ）、（Ⅳ）虽然有手性碳原子，却是非手性分子。因为它们都有一个通过C3及其所连的H和OH的对称面，都是内消旋体。像（Ⅲ）、（IV）分子中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。5/6/2023104（Ⅰ）（Ⅱ）（Ⅲ）（Ⅳ）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，又叫做差向异构体。内消旋酒石酸与有旋光性的酒石酸只有一个手性碳原子的构型相同，所以它们是差向异构体。又如下列化合物中，（I）和（Ⅱ），（I）和（Ⅲ），（I）和（Ⅳ）也都是差向异构体。5/6/2023105四、不含手性碳原子的化合物的旋光异构现象

手性碳原子只是使分子产生手性的因素之一。内消旋酒石酸分子虽然含有手性碳原子，但整个分子不具手性。

另一方面，具有手性的分子，也不一定含手性碳原子。

5/6/2023106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5/6/2023107螺环型与镜像无法重合，是手性分子联苯型(位阻型)大基团使单键旋转受阻5/6/2023108构象型（构象转换受阻）反-环辛烯螺旋型5/6/2023109五、环状化合物的立体异构

环状化合物的立体化学与其相应的开链化合物类似。环烷烃只要在环上有两个碳原子各连有一个取代基，就有顺反异构现象。

如环上有手性碳原子，则还有对映异构现象。

例如：2-羟甲基环丙烷-1-羧酸有下列四种立体异构体。5/6/2023110（I）和（Ⅱ）是顺式异构体，它们是一对对映体。（Ⅲ）和（IV）是反式异构体，它们是又一对对映体。顺式和反式是非对映体。将2-羟甲基环丙烷-1-羧酸氧化成环丙烷二羧酸后，分子中的两个手性碳原子所连基团都是相同的了。立体异构体中有一个内消旋体。于是，立体异构体就只有三个了。（I）是顺式，（Ⅱ）和（Ⅲ）是反式。5/6/2023111（Ⅰ）虽有两个手性碳原子，但分子中有一个对称面，故是非手性分子，它是一个内消旋体。（刀）和（皿）是一对对映体，（I）和（刀）或（皿）是非对映体。二元取代环丁烷的立体异构体的数目与取代基的位置有关。例如环丁烷一1，2一二投酸像环丙烷二颗酸一样，有一个顺式的内消旋体和一对反式的对快体。但是环丁烷一1，3一二波酸只有顺式和反式两种立体异构体。它们是非对映体，并且都是内消族体。顺-1，2-环丙烷二甲酸反-1，2-环丙烷二甲酸无手性有手性5/6/20231125/6/2023113第五节手性物的制备与

外消旋体的拆分一、手性物的制备二、外消旋体的拆分三、立体异构体与生物活性5/6/2023114手性分子的获得获得手性分子的重要意义——药物与人类的关系构成生命体系的生物大分子的主要部分大多数是以一种对映体形式存在的。故药物与其作用也是以手性的方式进行的，生物体的酶和细胞表面受体是手性的,故对外消旋药物的识别、消化和降解过程也是不同的。手性分子的来源自然界:糖类、氨基酸、生物碱、萜类、甾体化合物外消旋体的拆分不对称有机合成反应5/6/2023115(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5/6/2023116(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5/6/2023117一、手性物的制备1.一般手性物的制备许多手性化合物是从自然界生物体中分离获得的，这是因为生物体往往只产生一对对映体中的一个，例如肌肉收缩时只产生（+）-乳酸，苹果汁中只有（-)-苹果酸。当用合成方法制备具有手性碳原子的化合物时，在非手性条件下，得到的产物通常为外消旋体。

例如：5/6/2023118

如果要获得其中的一个对映体，就需要将外消族体分开为左旋体和右旋体。将外消旋体分离成单一对映体的过程称为外消旋体的拆分或解析。5/6/20231192.不对称合成前面已经讲到，在一个无手性的分子中引入一个手性中心时，产物总是外消旋体。若要从合成产品中得到所需的光学活性物质，必须通过拆分，但这样就只有一半的产品可用，很不经济，最好的办法是在合成时使所需的旋光异构体产量较高，这就要采用不对称合成法。

不对称合成是指分子中的前手性单元，通过反应，转化成手性单元，并产生不等量的旋光异构体的过程。如前面提到的丙酮酸还原为乳酸的反应中丙酮酸的羰基反应后成为手性单元，所以羰基碳原子就是前手性单元。5/6/2023120但上述反应是在非手性条件下进行的，所以得到的是外消旋体；若反应在手性条件（如手性试剂、手性溶剂。手性催化剂或偏振光等物理因素）下进行，则两种对映体可按不同的比例生成，从而使产物具有旋光性，这就是不对称合成。

例如：乙酰乙酸甲酯在手性催化剂存在下发生如下氢化反应，生成3-羟基丁酸甲酯，R型产物过量。5/6/2023121二、外消旋体的拆分外消旋体是由一对对映体等量混合而组成的。对映体除旋光方向相反外，其他物理性质都相同，因此，虽然外消旋体是由两种化合物组成，但用一般的物理方法（例如分馏、分步结晶等）不能把一对对映体分离开来，必须用特殊的方法才能把它们拆开。将外消旋体分离成旋光体的过程通常叫做“拆分”。拆分的方法很多，一般有下列几种：（1）机械拆分法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，而把两种结晶体挑检分开。此法要求结晶形态有明显的不对称性，且结晶大小适宜。此法比较原始，目前极少应用，只在实验室中少量制备时偶然采用。5/6/2023122（2）微生物拆分法某些微生物或它们所产生的酶，对于对映体中的一种异构体有选择性的分解作用。利用微生物或酶的这种性质可以从外消旋体中把一种旋光体拆分出来。此法缺点是在分离过程中，外消旋体至少有一半被消耗掉了。（3）选择吸附拆分法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，这样就可以达到拆分的目的。5/6/2023123（4）诱导结晶拆分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，于是溶液中该种旋光体含量较多，且在晶种的诱导下优先结晶析出。将这种结晶滤出后，则另一种旋光体在滤液中相对较多。再加入外消旋体制成过饱和溶液，于是另一种旋光体优先结晶析出。如此反复进行结晶，就可以把一对对映体完全分开。（5）化学拆分法这种方法应用最广。

化学拆分法原理是将对映体转变成非对映体，然后用一般方法分离。外消旋体与无旋光性的物质作用并结合后，得到的仍是外消旋体。但若使外消旋体与旋光性物质作用，得到的就是非对映体的混合物了。5/6/2023124非对映体具有不同的物理性质，可以用一般的分离方法把它们分开。最后再把分离所得的两种衍生物分别变回原来的旋光化合物，即达到了拆分的目的。用来拆分对映体的旋光性物质，通常称为拆分剂。不少拆分剂是由天然产物中分离提取获得的。化学拆分法最适用于酸或碱的外消旋体的拆分。例如，对于酸，拆分的步骤可用通式表示如下：5/6/2023125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。拆分酸时，常用的旋光性碱主要是生物碱，如（-）-奎宁、（-）-马钱子碱、（-）-番木鳖碱等。拆分碱时，常用的旋光性酸是酒石酸、樟脑-β-磺酸等。拆分既非酸又非碱的外消旋体时，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之。也可选用适当的旋光性物质与外消旋体作用形成非对映体的混合物，然后分离。

例如：拆分醇时，可使醇先与丁二酸酐或邻苯二甲酸酐作用生成酸性酯：5/6/2023126

又如拆分醛、酮时，可使醛、酮与如下的旋光性的肼作用，然后分离。或者使酸与如下的旋光性酰氯作用，形成非对映的酯的混合物，然后分离。5/6/2023127三、立体异构体与生物活性在生物体中具有重要生理意义的有机化合物绝大多数都是手性的。

例如，在生物体中普遍存在的α-氨基酸主要是L型，从天然产物中得到的糖类多为D型；机体代谢和调控过程所涉及到的物质如酶和受体等都具有手性。因此，含手性的药物，其对映体间的生物活性存在很大差异，往往只有其中的一个具有较强的生理效应，其对映体或无活性，或活性很低，有些甚至产生相反的生理作用。

例如：①作为血浆代用品的葡萄糖酐一定要用右旋糖酐，因为其左旋体对人体有较大的危害。②左旋肾上腺素升高血压的效果是右旋体的二十多倍。5/6/2023128③左旋氯霉素是抗生素，但右旋氯霉素几乎无抗菌作用。④左旋多巴胺可用于治疗帕金森氏症，而它的右旋体不仅无生理活性，而且有毒。由于有的旋光性物质的左、右旋体具有不同的生理作用，所以在临床上有不同的应用。

例如：①右旋四咪唑是抗忧郁药，而其左旋体则为治疗肿瘤的辅助药物。②右旋苯丙胺是精神振奋药，其左旋体则具有抑制食欲的作用。在本书后面的碳水化合物一章内，我们还将讨论到其他立体异构现象的存在对化合物性质产生的显著影响。例如：麦芽糖有甜味，而它的立体异构体纤维二糖却是无味的；又如人类不能消化纤维素，但很容易消化它的立体异构体淀粉，作为生命活动的能源。5/6/2023129第六节异构体的分类

有机化学中，异构现象是普遍存在的，这也是造成有机化合物数目繁多的原因之一。现将有机化学中所涉及的各种异构现象汇总如下：5/6/2023130b.位置异构例如：

现举例说明如下。构造异构包括以下四类：a.碳架异构例如：5/6/2023131c.官能团异构例如：

d.互变异构，是官能团异构的一种特殊表现形式。

例如：

5/6/2023132

立体异构包括构型异构和构象异构，它们又都包括对映异构和非对映异构。a.构型异构例如：5/6/2023133b.构象异构例如：

值得注意，构型异构体中的对映体和非对映体与构象异构体中的对映体和非对映体是有区别的。由于构象异构体是分子绕C-C单键旋转形成的，未涉及到分子的构型。因此，构象异构体及其对映体和非对映体的构型都是相同的。构型异构体可以分离出来，而构象异构体一般木能分离出来。5/6/2023134［问题1］（+）-乳酸与甲醇反应生成了（-）-乳酸甲酯，旋光方向发生了变化，构型有无变化？为什么？［问题2］用R，S命名法标记下列化合物的构型：

5/6/2023135第七节立体化学在研究反应历程中的应用

立体化学除了对于了解一些化合物的性质有帮助外，它对反应历程亦能给出很多其它方法所不能提供的旁证，所以立体化学在有机化学中非常重要。下面我们简单地介绍两个用立体化学来研究反应历程的例子。第一个是烷烃的卤化。在第二章中我们说烷烃的卤化是有如下的历程。5/6/2023136但是也有人提出过另一种历程：

那么哪一种是正确的呢?从上面这两种历程来看，它们所不同的是前一种有烷基自由基中间体，而后一种没有。后一种有氢原子中间体。由于烷基自由基具有sp2杂化的形态，即平面三角形。5/6/2023137

这样当卤素与它作用时可以从平面的两边进行，而且机会应该是相等的，产生两个数量相等、构型相反的化合物。5/6/2023138

若按照后一种历程，氯自由基取代H而直接与烷基相接，这种进攻一定只能从一个方向进行(H的对面)，产物也只可能是一种构型。

于是我们可选用一个有旋光性的烷烃来进行卤化反应，看它产生的是无旋光性的外消旋体还是有旋光性的化合物，从产物的旋光性就能确定这个反应是否是经过烷基自由基中间体。当我们用(R)-(+)-2-甲基-1-氯丁烷进行光氯化时得到了一个不旋光的化合物，因此可以肯定烷烃卤化的历程是前一种而不是后一种。5/6/20231395/6/2023140

又例：烯烃的加溴。烯烃加溴反应的历程现在认为是这样的：烯烃双键中的π电子先与溴作用生成π络合物，然后转变成正溴离子∶其中Br是以σ键和双键碳结合，故称为σ络合物。最后这个σ络合物与Br-作用生成加成产物。5/6/2023141

这里可能有人会问：为什么中间体不写成碳正离子而写成正溴离子(Bromoniumion)?是的。后一种历程曾被使用了一段时间。然而在研究顺和反-2-丁烯加溴产物的立体化学时，发现它不太确切。因为顺-2-丁烯和溴加成，产物是一对对映体2,3-二溴丁烷。反-2-丁烯和溴加成的产物是一个无旋光性的内消旋-2,3-二溴丁烷。5/6/2023142而根据正碳离子中间体历程，顺-和反-2-丁烯应该产生同样的产物：内消旋的2，3-二溴丁烷和(±)-2，3-二溴丁烷。5/6/20231435/6/20231445/6/20231455/6/20231465/6/2023147

所以这个正碳离子中间体历程很难完满解释上面这个实验事实。然而假使采用正溴离子中间体历程，那末这些不同产物的出现就是很自然的了。这种从不同的立体异构体得到立体构型不同的产物的反应叫做立体定向反应。是否烯烃的加卤反应都是经过环状正卤离子中间体的?现在立体化学和其它一些实验都已证明加溴和加碘是经环状正溴和正碘离子的。加氯时，有时经过环状正氯离子，有时经过正