007第七章对映异构

第七章对映异构7.1 构造异构和立体异构7.2 手性和对映异构7.3 比旋度和旋光纯度

一、旋光度

二、比旋度(比旋光度)

三、外消旋体

四、旋光纯度和对映过量值7.4 对映异构体构型的标识与命名

一、对映体构型的表示方法

二、构型标识方法7.5 含两个手性碳原子的化合物的构型异构

一、含有两个不同的手性碳原子的化合物二、含有两个相同的手性碳原子的化合物7.6分子的对称性与手性

一、分子的对称性

二、手性与构象

三、含手性轴的化合物的对映异构7.7非对映异构体

一、含碳碳双键的非对映异构体

二、环状化合物的非对映异构体

三、立体异构体的分类

7.8对映异构体和非对映异构体的性质

7.9外消旋体的拆分

7.10立体专一性反应*7.11不对称合成

构造(constitution)——分子中原子互相连接的次序和方式。第七章对映异构构型(configuration)——分子中原子或基团在空间固定的排布。7.1构造异构和立体异构构象(conformation)——由于单键的旋转或环的扭曲使分子中某些原子或基团在空间不同的排布。分子结构(structure)分子式相同而结构不同的化合物互称为同分异构体(isomer)。构造异构(constitutionalisomerism)——分子式相同，构造式不同的同分异构现象立体异构(stereoisomerism)——分子式相同、构造式也相同但构型式不同的同分异构现象和碳架不同和官能团位置不同和官能团不同和和顺反异构构象异构也属于立体异构，但是一般条件下构象异构体间迅速互变达到平衡的立体异构体。对映异构(enantiomerism)属于构型异构。7.2手性和对映异构具有与左手和右手互为实物和镜像的关系，相似但不能重合的性质，叫做手性(chirality)。具有这种手性特性的实体是“手性的(chiral)”。若实体与其镜像等同重合，则这类实体是“无手性的(achiral)”光照下丁烷一溴化得到的2-溴丁烷有两种分子模型，互为镜像而不重合，构造相同而构型不同，这种立体异构现象叫做对映异构(enantiomerism)。这两种2-溴丁烷互为对映异构体(enantiomer)，简称对映体。镜面互为镜像互不重合2-溴丁烷是手性(chiral)分子。镜面2-溴乙烷互为镜像完全重合2-溴乙烷是非手性(achiral)分子。2-溴丁烷分子的中心碳原子连接的四个原子或原子团各不相同，且位于四面体的四个顶点，导致了所有基团具有两种固定的不同排列方式，即两种构型。这种碳原子被称为手性碳原子(chiralcarbon)。当N、P、Si等原子连有四个不同的原子或基团时，它们也不能与其镜像重合，也是手性分子。另外，像金刚烷的四个桥头碳连有不同取代基时也不能和其镜像重合，也是手性分子。具有手性中心的分子总是手性的。手性是由四个不同的基团或原子围绕某一中心形成的，这种中心称为手性中心

(chiralcenter)，一般用“*”标记。7.3比旋度和比旋纯度对映异构体分子中原子相互连接次序和方式相同，它们的键是等同的，能量也是相同的，因而两种对映异构体的物理性质如沸点、熔点和密度等是相同的。区分两种对映异构体和测量它们的含量组成，可采用旋光仪测定其旋光度。一、旋光度偏光旋转后的偏光普通光通过尼科尔棱镜或人造偏振片可获得仅在一个平面上振动的平面偏振光(简称偏光)。偏光通过手性物质时(液体或溶液)，偏光的震动平面会旋转一定的角度𝛼，偏转的角度𝛼叫做旋光度(opticalrotation)。能使平面偏振光偏转的性质叫做旋光性(opticalactivity)。一个对映异构体使偏振光平面顺时针偏转，为右旋体；其对映体就使偏光平面逆时针旋转相同的角度，为左旋体。旋光方向分别用(+)和(-)表示右旋和左旋。非手性物质是不能使偏光平面偏转的。右旋葡萄糖

左旋果糖(+)葡萄糖

(-)果糖二、比旋度定量测量手性物质的旋光度的仪器是旋光仪(polarimeter)物质的旋光度大小随所测样品的浓度、盛液管的长度、温度、光波的波长以及溶剂的性质等改变。在一定条件下，不同手性物质的旋光度各为常数，通常用比旋度[𝛼](specificrotation)表示。

c:g/mLl:dm常采用钠灯589.3

nm，𝜆用D表示手性化合物的比旋度是一个特征物理常数。一对对映异构体左旋体和右旋体的比旋度数值相等，方向相反。(-)-2-溴丁烷

(-)-2-bromobutane(+)-2-溴丁烷

(+)-2-bromobutane

(-)-乳酸

(-)-lacticacid(+)-2-乳酸

(+)-lacticacid

水中三、外消旋体若将等量的左旋体和右旋体混合，其旋光能力相互抵消，比旋光度为零。这样的混合物叫做外消旋体(racemicmixture)。以(±)表示(±)-2-溴丁烷

(±)-2-bromobutane

(±)-乳酸

(±)-lacticacid

四、旋光纯度和对映过量值旋光纯度旋光纯的手性化合物是指含有100%的单一对映体，而不含有另一对映体及其他杂质。一个外消旋体的旋光纯度为0。混合物的旋光纯度(opticalpurity，简写作op)是被测样品的比旋度和纯对映体的比旋度的比值，可按下式计算

对映过量值对映过量值(enatiomericexcess，简写作ee)是指一对对映体的混合物中，含量多的一种对映体超过含量少的对映体的量占两个对映体总量的百分数。

对映过量值和旋光纯度的数值是相等的，旋光纯度和对映过量值术语常可交换使用。7.4对映异构体构型的标识和命名一、对映体构型的表示方法1. 透视式(perspectiveformula)——凸显立体的三维空间关系2. 费歇尔投影式(Fischerprojectionformula)——将分子的四面体球棍模型按一定规则在纸面上的投影

费歇尔投影式在纸面上旋转180∘后，得到的新的投影式与原来的投影式代表同一化合物。在费歇尔投影式中，与同一个手性碳原子相连的任意三个基团依次改变位置，得到的新的投影式与原来的投影式也代表同一化合物。书写费歇尔投影式在纸面上旋转90∘或交换与同一手性碳连接的任意两个基团，新的投影式与原来的投影式构型不同。书写费歇尔投影式时，一般将最长的碳链垂直投影在纸面，并将氧化程度最高的基团放在上端。甘油酸的对映体二、构型标识方法1.

D/L法对映异构体的旋光方向和比旋度可由旋光仪测得。费歇尔提出将右旋甘油醛的构型定为D型，左旋甘油醛的构型定为L型。D-(+)-甘油醛

D-(+)-2-glyceraldehydeL-(-)-甘油醛

L-(-)-2-glyceraldehyde(D)和(L)是构型的标记符号，(+)、(-)表示旋光的方向，后者只能用旋光仪测得，两者无任何对映关系。这种方法确定的化合物构型叫做相对构型(relativeconfiguration)。其他的旋光化合物的构型以甘油醛为标准得到。凡是由D-甘油醛通过化学反应得到化合物或可转变为D-甘油醛的化合物，只要在转变过程中原来的手性碳原子构型不变，其构型即为D-型。同样，与L-甘油醛相关的即为L型。D/L法有一定的局限性。D-(+)-甘油醛

D-(+)-2-glyceraldehydeD-(-)-甘油酸

D-(-)-2-glycericacidD-(-)-乳酸

D-(-)-2-lacticacid2.R/S法将与手性碳原子相连接的原子或原子团按照顺序规则排列，较优(高位)基团在前，如a>b>c>d，观察者从最低位基团d的对面观察，若a➞b➞c是顺时针排列，则构型为R。若是逆时针方向排列，则构型为S。命名一个手性中心的化合物时，将按顺序规则确定的手性中心的构型用斜体字母加括号置于化合物名称前作为立体词头(stereodescriptor)。(R)-甘油醛(S)-甘油醛标记为费歇尔投影式的构型，若最低位基团d在竖线上，a➞b➞c是顺时针排列，则构型为R；a➞b➞c是逆时针时，构型为S。若最低位基团d在横线上，a➞b➞c是顺时针排列，则构型为S；a➞b➞c是逆时针时，构型为R。R构型S构型S构型R构型(R)-丁-2-醇三个结构均表示(R)-丁-2-醇的构型式。命名中含有多个手性碳原子的化合物时，应将每个手性碳原子的构型依次标出，并把手性碳原子的编号和构型符号一起放在化合物名称前的括号内。(2S,3S)-2,3-二氯戊烷

(2S,3S)-2,3-dichloropentane7.5含两个手性碳原子的化合物的构型异构两个不同的手性碳原子各可能有R和S两种构型，在同一个分子中出现的可能的排列组合有四种构型异构体。一、含有两个不相同的手性碳原子的化合物对映体对映体非对映体2,3,4-三羟基丁醛非对映体(diastereomer)是不存在互为实物和镜像关系的构型异构体。糖类化合物中(I)和(II)叫做赤鲜糖，(III)和(IV)叫做苏阿糖。一般将类似赤鲜糖构型的化合物称为赤式(erythro)，将类似苏阿糖构型的化合物称为苏式(threo)。赤式苏式含有n个不相同手性碳原子的化合物有2n个对映异构体，它们分别组成2n-1个外消旋体。二、含有两个相同的手性碳原子的化合物2,3-二羟基丁二酸(酒石酸，tartaricacid)分子中有两个手性碳原子，且手性碳原子上连接的基团相同，因而是两个相同的手性碳原子。(2S,3S)-(-)-酒石酸(2R,3R)-(+)-酒石酸(2R,3S)-酒石酸(2S,3R)-酒石酸左旋体右旋体内消旋旋体(±)-酒石酸外消旋体分子中两个相同的手性碳原子构型相反，旋光能力相互抵消，无旋光性，这种化合物叫内消旋体(mesoisomer)。7.6分子的对称性与手性对称面(𝜎)假如有一个平面能把一个分子切成两部分，两部分互为实物与镜像的关系，这个平面就是分子的对称面(symmetricplane)。一、分子的对称性手性是分子存在对映异构体的必要和充分条件。判断化合物是否具有手性，除了考察该化合物与其镜像的关系外，也可考虑分子的对称性。有对称面的分子没有手性。meso-酒石酸2.对称中心(i)假如分子中有一点i，从分子中任何一个原子或原子团为出发点向i点连线，再延长此直线，如果能在等距离处遇到相同的原子或原子团，则i就是该分子的对称中心(symmetriccenter)。具有对称中心的分子能与其镜像重叠，也没有手性。一般，一个分子既无对称面，也无对称中心时，该分子就具有手性，就有对映异构体。二、手性与构象有对称面有对称中心镜像关系没有手性有手性对映的有手性的构象总是成对出现，在平衡中所占份额相同，对偏光的影响相互抵消。因此可认为只要分子中任何一种构象有对称面或对称中心，该分子就没有手性。三、含手性轴的化合物的对映异构常见的具有手性轴的化合物有丙二烯类和联苯类衍生物。1.丙二烯类衍生物丙二烯(allene)分子中，C2为sp杂化，C1和C3为sp2杂化，因此形成的两个𝜋键互相垂直，两端碳原子上的氢原子分别在互相垂直的两个平面上。丙二烯两端碳原子上分别连接不同的原子基团a、b，由于它们位于互相垂直的两个平面上，分子中既没有对称面也没有对称中心，因而具有手性。两个相互垂直的平面的交线，即丙二烯三个碳原子的连线就是分子的手性轴(chiralaxis)。用环状结构代替丙二烯型手性化合物中的一个或两个双键得到的化合物也具有手性。2.联苯类衍生物在联苯(biphenyl)分子中，两个苯环可绕中间的C‒C单键旋转。如果在苯环的邻位有范德华半径较大的原子或基团，如‒I、‒Br、‒NO2、‒COOH等时，苯环绕单键的旋转就会受到阻碍，两个苯环会不在同一平面上，而呈一定的角度。两个苯环之间的C‒C单键的延长线是联苯类分子的手性轴。分子既无对称面也无对称中心，因而分子具有手性。7.7非对映异构体没有镜像关系，是非对映异构体。交换双键同一碳原子的两个基团，就形成另一个非对映异构体。一、含碳碳双键的非对映异构体对映异构体是互为实物与镜像关系并不能互相重合的构型异构体。而非对映异构体是没有实物与镜像关系的构型异构体。双键和环状化合物的顺反异构和两个或两个以上手性中心的化合物的构型异构体一般有非对映异构体。trans-丁-2-烯cis-丁-2-烯二、环状化合物的非对映异构体trans-1,4-二甲基环己烷cis-1,4-二甲基环己烷没有镜像关系，是非对映异构体。具有通过C1和C4的、垂直于环的分子内对称面，都是非手性分子。trans-1,3-二甲基环戊烷cis-1,3-二甲基环戊烷内消旋体对映体非对映体三、立体异构体的分类立体异构源中心(stereogeniccenters)是指产生立体异构的集中点，如双键碳原子或环和取代基的连接点。交换任何立体异构源中心的两个原子或取代基，都形成另一个构型异构体。7.8对映异构体和非对映异构体的性质在非手性条件下，对映体的沸点、熔点及在非手性溶剂中的溶解度等物理特性相同；在手性条件下。如偏光通过时，对映体的比旋度不同。外消旋体是对映体的等摩尔混合物，它与组成它的对映体往往具有不同的物理性质。对映体间因互为实物和镜像关系，其分子中任何两原子之间的距离都相同，因而，分子内能也相同。对映体的性质在非手性条件下没有区别，但在手性条件下则可能不同，通常情况下，对映体的化学性质相同，但在手性试剂或手性溶剂中及手性催化剂存在下反应，反应速度不同。对映异构体也表现出不同的生理和药理特性。非对映体分子中某些原子或基团间的距离不相同，分子内能也不同，因而非对映异构体的物理性质和化学性质通常不相同。非对映异构体也表现出不同的生理和药理特性。7.9外消旋体的拆分化学法生物法晶种结晶法通常，由非手性化合物制备手性化合物时，一般得到外消旋体。将外消旋体分离为左旋体和右旋体的过程叫做外消旋体的拆分(resolution)。对映异构体的物理性质如沸点、熔点、溶解度等均相同，因此不能采取蒸馏、重结晶等一般方法进行分离，而需采用特殊的方法。化学法将对映异构体通过化学反应转化成非对映体。根据非对映体的沸点、熔点、溶解度等差异，采用一般方法进行分离，分离后的非对映异构体在通过适当的方法转变为原来的左旋体和右旋体。(±)‒A(+)‒B(+)‒A/(+)‒B和(-)‒A/(+)‒B重结晶(+)‒A/(+)‒B(-)‒A/(+)‒B(+)‒A(-)‒A拆分剂(resolvingagent)2.生物法酶是手性物质，与对映异构体的作用具有高度的选择性，利用酶作为拆分剂常具有良好的拆分效果。(-)-N-乙酰苯丙氨酸乙酰化乙酰水解酶(±)-苯丙氨酸