第八章立體化學

Stereochemistry

構造異構碳鏈異構官能團異構位置異構互變異構立體異構構象異構順反異構（幾何異構）對映異構（旋光異構）構型同分異構

1.構造異構

Constitutionalisomerism

——由于分子中原子或基團的連接順序或方式不同而產生的異構。

2.立體異構

Stereoisomerism

——分子中原子或基團的連接順序和方式相同，但是在空間的排布不同而產生的異構。（1）構象異構(2)構型異構體──順反異構

同分異構的多層次性構造異構、構型異構和構象異構是不同層次的異構。其中構造異構屬較低層次的異構形式，其次為構型異構，而構象異構是較高層次的異構形式。其中低層次異構形式通常包含有較高層次的異構形式。Example普通光尼可爾棱鏡偏振光

光波在各個方向振動光波在一個方向振動一、幾個重要概念

1.旋光性（opticalactivity）旋光儀示意圖

能使偏振光的振動方向發生旋轉的特性叫旋光性，具有旋光性的物質叫光學活性物質或旋光活性物質。

2.比旋光度（specificrotation)使偏振光順時針方向轉動，稱為右旋物質，用（+）或d表示；使偏振光逆時針方向旋轉，稱為左旋物質，用（-）或l

表示。α與測定時的條件密切相關，物質的旋光性通常用比旋光度表示：

比旋光度的定義：溶液的濃度規定為1g/1mL，盛液管的長度規定為1dm，在這種條件下測得的旋光度。常用鈉光燈為光源（波長為589nm，相當于太陽光譜中的D線），測定時溫度一般為20℃；比旋光度通常這樣表示：[]20aD

比旋光度按規定是指在上述特定條件下所測得的旋光度。實際上，可用任一濃度的溶液，在任一長度的盛液管中進行測定，然后將實際測得的旋光度，按下式換算成比旋光度[]:α─旋光儀上測得的旋光度ρB─質量濃度（g·mL-1）l─盛液管的長度（dm）t─測定時的溫度λ─所用光源的波長

例如，在10mL水中，加入某旋光物質1g，在1dm長的盛液管內，用鈉燈做光源，溫度為20℃時測得它的旋光度α為-4.64o，則該物質的比旋光度為：=[]20aD-4.64o

110×1=-46.4o(水)

3.手性（chirality）

“實物”與其“鏡像”不能重合，實物的這種特性稱為“手性”。

左右手互為鏡象錘1錘1鏡像錘1&錘1鏡像可以完全重合

Somechiralobjectsinourlife

手性不僅是某些宏觀物體的特征，某些微觀的分子同樣也具有“手性”，我們稱這類分子為“手性分子”。大量的天然有機物，如脂類、糖類、氨基酸、生物堿以及在生物體內起重要作用的酶等，大多是手性分子。手性分子非手性分子

判斷一個分子是否有手性，可用做一對實物與鏡像的分子模型，觀察它們是否能夠完全重合，如果不能重合就是手性分子。但是要判斷判斷一個分子是否有手性，并非一定要用模型。一個分子是否能否與其鏡像重合，與分子的對稱因素有關，對稱因素主要有對稱面、對稱中心、對稱軸等。

手性的判斷

4.對稱因素（symmetryfactor）

(1)對稱面

假設一個平面可以把分子分成兩半，而這兩半互為鏡像關系，這個平面就是這個分子的對稱面

。

有對稱面有對稱面

（2）對稱中心

設想分子中有一中心點P，任何的直線通過分子的中心，在離中心等距離處遇到完全相同的原子，此點即為該分子的對稱中心。

（3）對稱軸Cn

設想分子中有一條直線，以這條直線為軸旋轉360°/n后(n為正整數)，得到分子和原來的完全相同，即繞軸一周，有n個形象與原形象相同，這條直線稱為n重對稱軸，用Cn表示。對稱軸不作為判別分子手性的依據。

*（4）交替對稱軸Sn（反軸）

設想分子中有一條直線，以這條直線為軸旋轉360°/n后，再用一個與此直線垂直的平面作為鏡面進行反映，若所得到的鏡像與原來的分子完全相同，這條直線就是交替對稱軸Sn。（需要進行兩次操作）(I)=(Ⅲ)，(I)有4重交替對稱軸S4(I)是手性分子嗎？旋轉90°(I)(Ⅱ)(Ⅲ)反映

（5）如何根據對稱因素判斷手性①如果一個分子中有對稱面、對稱中心，這種分子是非手性分子。②若既沒有對稱面，又沒有對稱中心，一般可斷定這種分子是手性分子。凡是手性分子,都具有旋光性，而非手性分子則都沒有旋光性。*在有機化合物中，大多數非手性分子都有對稱面、對稱中心，或4重交替對稱軸。沒有對稱面或對稱中心，只有4重交替對稱軸的非手性分子很少。因此，只要一個分子中既沒有對稱面，又沒有對稱中心，一般可以斷定它是手性分子。Question：判定下列分子是否具有手性二、含一個手性碳原子的化合物

所謂手性碳原子（亦稱“不對稱碳原子”）是指與四個不同的原子或基團相連接的碳原子，通常用星號“*”標出。乳酸酒石酸思考題：指出下列化合物中的手性碳原子。***

1．對映體和外消旋體最早發現的含一個手性碳的化合物是乳酸，手性碳上四個不同的基團在空間有兩種不同的排列方式，也就是有兩種不同的構型：

乳酸運動中肌肉分泌[α]D=+3.82°

牛奶發酵得到[α]D=-3.82°

乳酸的兩個分子模型，無論將它們怎樣翻轉，都不能使之完全重合。所以二者分別代表兩個不同分子。它們呈實物與鏡像的關系，叫做對映異構體，簡稱對映體。這一對對映體都是手性分子，所以都有旋光活性。

對映體性質的比較：

（1）物理；（2）化學；（3）生理作用

等量的左旋體和右旋體組成的體系叫做外消旋體，常用“（±）”或“dl”表示，外消旋體沒有旋光活性，[α]D=0。化合物

熔點／℃

[])OH(D220a

pKa（25℃）

（＋）-乳酸

53

＋3.82

3.79

（－）-乳酸

53

－3.82

3.79

（±）-乳酸

18

0

3.79

對映體：具有實物與鏡像的關系的兩個異構體。Ibuprofen直接止痛

由上可知，Ibuproven盡管原子組成相同，但互為對映異構體，構型不同，藥效不同，說明生命體對異構體具有偏愛，這是一種不對稱行為。R型在體內轉化成左式發揮止痛作用S型

2．費歇爾（Fischer）投影式

旋光異構體結構表示法：（1）透視式乳酸的一對對映體的球棒模型和透視式為：

球棒模型透視式CCCOOHCOOHOHHHCH3HOH3C（2）費歇爾（Fischer）投影式Fescher投影式球棒模型Fescher投影式OHCH3CH3COOHCOOHHOHH

注意問題:

a.要以立體的觀點看待費歇爾投影式(橫前豎后），

b.主鏈豎向，C-1在上，c.不能將費歇爾投影式離開紙面翻轉180°，不能在紙面上旋轉90o，但可沿紙面旋轉180°及其整數倍（n個180°)。離開紙面翻轉180°（Ⅰ）

（Ⅱ）(Ⅰ)≠(Ⅱ)（Ⅰ）

（Ⅱ）

(Ⅰ)＝(Ⅱ)沿紙面旋轉180°思考題：代表下列哪種構型？

三、構型的命名法（標記法）對映異構體的差別就在于構型不同，對它們命名時，不同的構型要進行標記。構型的標記有兩種方法：

1．D，L-命名法

選取甘油醛為標準，甘油醛兩種構型的投影式如下：

D-(＋)-甘油醛L-(-)-甘油醛

標準物質的構型確定之后，其它旋光物質可以通過構型關聯法確定其構型。凡是可以從右旋甘油醛通過化學反應得到的化合物，或者可以轉變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

由于這樣確定的構型是相對于標準物質而言，所以叫做相對構型。

應當注意的是：D，L-是表示構型的。(＋)和(-)或d-和l-表示的是旋光方向，這只能由旋光儀測得，而與化合物的構型沒有固定的關系。D構型的化合物可以是左旋的，也可以是右旋的。如果一個化合物是(＋)，它的對映體一定是(-)；如果它是D構型，它的對映體一定是L構型。

D，L-命名法在使用上有一定的局限性，因為有些化合物不易同甘油醛相聯系。例如：不能用D，L-命名法。自1970年以來，國際上根據IUPAC的建議，逐漸采用了另一種標記構型的辦法，即R，S-命名法。

2．R，S-命名法

①首先按次序規則，將手性碳原子所連的四個原子或基團由大到小排列成序。設a＞b＞c＞d。

②然后把次序最小的原子或基團d放在離觀察者眼睛最遠的地方，③最后觀察a→b→c的排列次序。

順時針方向排列為R型；逆時針方向排列為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

建議用左右手法。最小的基團在左邊，用左手，最小的基團在右邊，用右手。（2S,3S)-2-羥基-3-氯丁二酸（2S,3R)-酒石酸

為什么費歇爾投影式可沿紙面旋轉180°及其整數倍？

（R）-乳酸（R）-乳酸沿紙面旋轉180°

根據模型和透視式比較容易確定R，S-構型，而直接使用費歇爾投影式，則判斷較困難。為此人們根據投影規則和R，S-命名法的規定，提出下述簡易方法：(1)最小基團如果連在豎鍵上（不論在上或在下）其它三個基團從大→小順時針為R型，逆時針為S型。我們將這一情況總結為“小上下，同向”。－I＞－Br＞－Cl＞－H－Br＞－Cl＞－F＞－H

(2)最小基團如果連在橫鍵上（不論在左或在右），其它三個基團從大→小順時針為S型，逆時針為R型。我們總結為“小左右，反向”。例如：－OH＞－COOH＞－CH3＞－H－OH＞－CHO＞－CH2OH＞－H

必須了解，這里所說的順、逆時針方向，是對投影式而言，而R，S-命名法規定的順、逆時針方向是對立體分子模型而言，但其結果是一致的。建議用紙面分析法。思考題:判別以下兩式是為同一化合物，還是對映異構體？四、含多個手性碳原子的化合物1．含兩個不相同手性碳原子的化合物

（1）旋光異構體的數目

當有n個手性碳原子時，其旋光異構體的最高數目應是2n個，也就是2n-1對對映體。

（2）非對映體

不呈鏡像關系的旋光異構體叫非對映體，非對映體具有不同的物理性質和不同的化學性質。

（3）差向異構體如果只有一個手性碳原子的構型不同，而其它手性碳原子的構型都相同，這樣的非對映體稱為差向異構體。2-羥基-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)為C-3差向異構體，(ⅰ)和(ⅳ)為C-2差向異構體。CH2OHOHHOHHHOHCHOCH2OHHHOHHOHOHCHO(i)(ii)CH2OHOHHHHOHOHCHOCH2OHHHOOHHHOHCHO(v)(vi)CH2OHOHHOHHHOHCHOCH2OHHHOHHOHOHCHO(iii)(iv)CH2OHOHHHHOHOHCHOCH2OHHHOOHHHOHCHO(vii)(viii)

2．含兩個相同手性碳原子的化合物

酒石酸（2，3-二羥基丁二酸）

(ⅰ)(ⅱ)(ⅲ)(ⅳ)

(ⅰ)和(ⅱ)是對映體，(ⅲ)

=(ⅳ)

這種雖含有手性碳原子，但同時存在對稱因素，因而不顯旋光活性的化合物稱為內消旋體。常用meso-表示，命名為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酒石酸的物理性質

五、環狀化合物的立體異構

環狀化合物的立體異構現象比鏈狀化合物復雜，旋光異構與順反異構往往同時存在。

1.二取代環己烷的立體異構順1,4-環己烷二甲酸反1,4-環己烷二甲酸

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

1,2-環己烷二甲酸

當環上有兩個或兩個以上取代基時，如果分子有對稱性，構型用順反表示，如果分子沒有對稱性，構型用R，S表示。

2.含手性碳原子的單環化合物

——判別單環化合物旋光性的方法

實驗證明：單環化合物有否旋光性可以通過其平面式的對稱性來判別，凡是有對稱中心和對稱平面的單環化合物無旋光性，反之則有旋光性。無旋光（對稱面）有旋光無旋光（對稱中心）無旋光(對稱面)無旋光（對稱面）有旋光無旋光（對稱面）有旋光無旋光（對稱面）有旋光六、不含手性碳原子的旋光異構1．丙二烯型化合物

sp雜化sp2雜化sp2雜化

丙二烯分子中的三個碳原子由兩個雙鍵相連，這兩個雙鍵互相垂直。因此第一個碳原子與兩個氫原子所在的平面，與第三個碳原子與兩個氫原子所在的平面，正好互相垂直。

當C1

和C3分別連有不同基團時，這個分子就有一個手性軸，就是一個手性分子（沒有對稱面、對稱中心），因而有對映體存在。手性軸

例如：

CH3CH=C=CHCH3

思考題:下列哪些化合物是手性分子?

*2．螺環型化合物螺環化合物可以看成是丙二烯型的分子，如果兩個環上都連有不同基團時，即成為手性分子。3．聯苯型化合物

如果每個苯環上的兩個取代基都不一樣，這個分子就一個手性軸，因而有對映體存在。例如6，6'-二硝基-2，2'-聯苯二甲酸的對映體如下表示：

阻轉異構體（atropisomer）

——由于單鍵旋轉受阻而形成的手性分子。

七、外消旋體的拆分

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

這是因為丙酸的兩個α-氫原子被氯取代的概率是均等的。

將外消旋體拆分成左旋體和右旋體，稱為外消旋體的拆分。

由于對映體的一般物理性質是相同的，所以用一般的分離方法，例如分餾、重結晶等不能把它們分離。要把它們分離，必須用其它特殊方法。

1．化學法原理：讓對映體與手性試劑反應，變成非對映體，由于非對映體具有不同的物理性質，可用一般方法如結晶法將它們分開，然后再分解為原來的左旋體和右旋體。化學法最適用酸或堿外消旋體的拆分。例如：酸的外消旋體可用旋光性堿來拆分。(±)酸＋(＋)堿(＋)酸(＋)堿(－)酸(＋)堿重結晶(＋)酸(＋)堿HCl(－)酸(＋)堿HCl(＋)酸(－)酸

（非對映體）

同樣，堿的外消旋體可用旋光性酸來拆分。

2．生物化學法

有些微生物或酶對于對映體中的一種異構體有選擇性的分解作用。而對另一種異構體不起作用，結果留下另一種異構體。例如青霉菌在含有外消旋酒石酸的培養液中，能分解右旋體，留下了左旋體。

3．誘導結晶法

在外消旋體的過飽和溶液中加入少量左旋體或右旋體的晶體作為晶種，與晶種相同的異構體便先析出，這種方法已經在工業生產中應用。例如氯霉素的生產中，就是用這種誘導結晶法拆分中間體。

4．柱色譜法利用具有光學活性的吸附劑，用柱色譜的方法，也可以把一對對映體拆分開。

*八、不對稱合成

由非手性分子合成手性分子時，產物是外消旋體，沒有旋光性。例如：（±）-乳酸必須進行拆分，才能得到旋光性的物質。但是，一個手性分子在反應過程中產生第二個手性中心時，兩種構型生成的機會不一定相等，最后得到的產物有旋光性。這樣，可以不經過拆分直接合成有旋光性的物質，這種方法叫不對稱合成或手性合成。反應物+試劑產物催化劑溶劑1.不對稱合成常采用的方法*1.手性反應物*2.手性試劑*3.手性溶劑*4.手性催化劑*5.在反應物中引入手性例如：不等量的非對映體（左旋體過量，有旋光性）（-)薄荷醇（手性試劑）*2.光學純度（OP）反應物1+反應物2產物1(R)+產物2(S)

若(R)>(S)若(R)<(S)[][]PO純R實測aa=.%[][]PO純S實測aa=.%

例如：某2-丁醇試樣經測定其比旋光度為+6.76°，而純品（S)-(+)-2-丁醇為+13.52°，可以計算出該2-丁醇試樣的光學純度為：[][]PO純S實測aa=.%

*3.對映體過量(ee)

是指一個對映體超過另一個對映體的百分數。

若產物是一對對映體，當R構型的產物大于S型的產物時，%ee為：當S構型的產物大于R構型的產物時，%ee為：

例如：R和S兩個異構體的質量分別為60和40，則對映體過量為20%。

op值理論上等于ee，但實際上由于測定方法不同，兩者可能不同。隨著色譜技術的發展，目前ee值更常用，也更準確。

*九、對映異構在研究反應機理中的應用

親電加成反應的立體化學

烯烴親電加成反應的歷程可通過立體化學實驗事實來證明，下面以2-丁烯與溴的加成為例進行討論。

實驗事實：外消旋體(蘇型)內消旋體