3 立体化学 Stereochemistry.doc

有机化学电子教案 第三章 立体化学第三章 立体化学 Stereochemistry主要内容：3.1 物质的旋光性平面偏振光、旋光仪、比旋光度。3.2 对映异构与分子结构对称性、对称因素、手性。3.3含手性碳原子化合物的对映异构。3.4环状化合物的对映异构。3.5不含手性碳原子化合物的对映异构。3.6 外消旋化与外消旋体的拆分 课时安排：4h教学手段：多媒体，模型演示，分组讨论，部分板书教学目标：1、掌握有机物中碳的三种杂化轨道的特点。2、掌握立体化学的基本概念，Fischer投影式及其规则以及各种投影式之间的相互转换。3、掌握手性中心构型的绝对命名方法R/S命名法。4、能根据分子的对称因素判断分子的手性。5、了解外消旋体的拆分方法。重点和难点： 建立空间立体概念。1、碳的三种杂化轨道的特点。2、构型的表示方法Fischer投影式。3、手性中心的R/S命名法及手性分子的正确判断。4、含多个手性碳化合物中手性中心的构型命名方法。 教学方式方法：模型演示教学，分析，讨论，引导等方法。授课题目第三章 立体化学 Stereochemistry（1）授课类型理论课首次授课时间2010年9月 日学时2教学目标1、掌握有机物立体化学的基本概念旋光性、对映体、非对映体、外消旋体、内消旋体等。2、掌握学会用对称中心和对称面等对称因素判断分子手性。3、掌握手性中心的R/S构型命名方法。重点与难点建立空间立体概念。含手性中心化合物的对映异构。教学手段与方法多媒体，模型，讨论教学过程：（包括授课思路、过程设计、时间分配等）授课思路： 立体化学涉及有机分子的立体形象，在有机反应中，由反应过程中的立体化学变化可研究反应机理。有机物的立体结构不同其性能不同，如葡萄糖，其自然界存在的为右旋体，而果糖则为左旋体。药物大多具有旋光性，旋光性不同其药理性能迥然不同。因此，有机分子以及有机反应中的立体化学非常重要。本章的重点是要建立空间立体概念，学会从分子的三维空间去思考问题。在内容上由浅入深讨论手性中心尤其是手性碳的构型与命名。过程设计与时间安排：复习与练习（10 min）3.1物质的旋光性平面偏振光、旋光仪、比旋光度(20 min)3.2对映异构与分子结构对称性、对称因素、手性 (30 min) （休息）3.3含手性碳原子化合物的对映异构 (45 min)小结讨论作业 （5 min）讲解要点及各部分具体内容：第一讲：立体化学是从三维空间来研究分子的立体结构、反应的立体性以及相关规律和应用的科学。分子的立体结构分子内的原子所处的空间位置及这种结构的立体形象（静态立体化学）。反应的立体性分子的立体形象对化学反应的方向、难易程度和对产物的立体结构的影响等。（动态立体化学）。本章讨论静态立体化学的内容。有机化合物的结构构造（Constitution）构型(Configuration)构象（Conformation）构造（Constitution）具有一定分子式的化合物，其分子中原子的相互连接方式和次序。构型(Configuration)具有一定构造的分子，其原子在空间的特定排布方式。构象（Conformation）对构型确定的分子，由于单键自由旋转而使分子中各原子在空间不同的排布。在有机化学中广泛存在着同分异构现象。1832年，柏采利里乌斯根据实验事实建议：把具有相同组成而具有不同性质和晶形的物质称同分异构物质。1861年，布特列洛夫的结构学说说明了产生同分异构的原因是由于化学结构的不同；1874年，范特荷夫和勒贝尔的碳四面体概念奠定了立体化学基础，说明了物质的旋光性。构造异构（Constitution isomerism）：有机分子中，原子相互连接的次序不同而产生的异构现象。立体异构（Stereoisomerism）：分子中原子连接次序相同，但空间的排布方式不同而呈现的异构现象。 碳胳异构：碳链不同 构造异构 位置异构：官能团的位置不同 官能团异构：官能团不同 互变异构：不同官能团迅速互变达到平衡，如烯醇与酮式结构的互变同分异构 顺反异构：双键或环的存在使分子中某些原子在空间排布不同isomers 构型异构对映异构：分子具有手性(旋光性)立体异构 构象异构：由于CC键旋转而使分子在空间中呈现不同形象立体异构涉及到分子的几何形象，而分子的几何形象对其物理性质和化学性质有时具有非常惊人的影响。如碳的不同同素异形体，无定形碳、石墨、金刚石、足球烯，具有完全不同的几何形象，其外观、物理和化学性质完全不同。分子几何形象的微少差别对自然界及生命现象都起着难以估计的影响，绝大多数生命及生理化学过程，是受分子的几何形象所控制。因此，立体结构不仅是有机化学而且也是其他有关学科如无机化学、生物化学等的研究内容。3.1物质的旋光性平面偏振光、旋光仪、比旋光度3.1.1平面偏振光与物质的旋光性(Optical activity)平面偏振光(Plane polarized light)：只在一个平面上振动的光。普通光线含有各种波长的射线，在各个不同的平面上振动，其振动方向垂直于光波的前进方向。若将普通光线通过一个由方解石加工而成的Nicol棱镜，Nicol棱镜象一个光栅，只允许与其晶轴平行振动的射线通过，在其它方向振动的射线部分或全部被挡住，这样就得到了平面偏振光。混合光的振动平面 单色光的振动平面 平面偏振光的振动平面若将平面偏振光通过一些物质，如水、乙醇等，它们对偏振光的振动平面没有影响；若将偏光通过乳酸、蔗糖、葡萄糖等物质，这些物质会使偏振光的振动平面向左或向右旋转一定角度。这种能使偏振光的振动平面转动的性质称为物质的旋光性(optically activity)，这种物质称为旋光性物质或光活性物质(optically active substance)，使偏光振动平面左旋的物质称左旋体（Levorotatory，自拉丁文laevus, left）；向右旋转的物质称右旋体(Dextrorotatory，自拉丁文dexer, right)。旋光物质使偏光振动平面旋转的角度称旋光度（rotation degree）。测定旋光度的仪器旋光仪(The polarimeter)。 光源 起偏器 样品管 检偏器 刻度盘 目镜lighe source Polarizer Tube Analyzer 旋光仪原理示意图 光学活性物质测定时，把两个Nicol棱晶的晶轴相互平行时作为零点，视野明亮；当加入非旋光性物质时，偏光通过样品管后仍可完全通过检偏镜，视野明亮，刻度仍为零点；而当加入光学活性物质时，偏光振动平面发生向左或向右的转动，这是只有向左或向右旋转检偏镜才能使光线完全通过，此时，刻度盘上的读数即为该物质的旋光度，用表示。旋光度的大小取决于物质的浓度、温度、旋光管长度、光的波长及溶剂等因素，在溶剂、温度、光源一定时，旋光度正比于浓度和旋光管长度，即c，l 。为了便于比较各种物质的旋光度，将物质的旋光能力与方向用比旋光度t表示。 比旋光度t(Specific rotation)定义为：1mL含1g旋光性物质的溶液，放在1dm（10 cm）长的样品管中测得的旋光度即该物质的比旋光度，即单位浓度、单位长度的旋光度。溶液中： t t / l c 对纯液体，浓度c用密度表示。温度t一般为室温，光波波长常用钠光D线（586.9 nm和589.3 nm）.使偏振光振动平面向左旋转称“左旋”，用“”表示；使偏振光振动平面向右旋转称“右旋”，用“+”表示。如，t 92.80 ，即表示该物质在20、水溶液中、钠光光源时，比旋光度为左旋92.80。又如，发酵乳酸，t 3.80；肌肉乳酸，t +3.80。 比旋光度的应用，一是根据测定的某物质的旋光度，计算该物质的比旋光度；二是已知某物质的比旋光度，通过测定旋光度计算该物质的浓度，如，制糖工业中，常用旋光度来控制糖液的浓度。注意：在不用水作溶剂时，需标明溶剂；由于分子的缔合、离解及与溶剂的相互作用等因素对有机物质浓度的改变会影响比旋光度的数值甚至方向，因此，需要标明浓度。3.1.2旋光性与分子手性(Optically activity and molecule chirality)1808年，马露（Malus）发现了偏光，1811年法物理学家阿瑞洛（Arago）在研究石英的光学性质时发现：天然的石英有两种晶体，一种使偏光左旋，称“左旋石英”；另一种使偏光右旋，称“右旋石英”。这两种石英不具有任何对称性，两者互为实物与镜像的关系，互相不能重叠，正如人的左、右手。1815年，法物理学家拜奥特（Biot）观察到蔗糖水溶液、酒石酸水溶液、松节油的酒精溶液、樟脑的酒精溶液等都具有旋光能力，而且其旋光性与其存在的状态无关。显然，物质所具有的旋光性与分子结构有关。1848年，法生物学家巴斯德在研究酒石酸盐时，首次用人工方法分开了酒石酸铵的两种晶体，这两种晶体互为实物与镜像关系，旋光性能相同，但旋光方向相反。由此他指出：如同晶体本身一样，构成晶体的分子是互为镜像的。1863年，德有机化学家韦斯立森努斯（Wislicenus）对乳酸进行了一系列研究发现：肌肉乳酸（+）和发酵乳酸（）具有相同的组成，但旋光方向相反。因此，他断言：如果分子在结构上是相同的，然而性质不同的话，这种差别，只能认识为原子在空间的不同排布。1874年，Vont Hoff和LeBel分别提出了碳四面体学说：如果碳原子位于一个正四面体中心，那么与碳相连的四个原子或基团将占据四面体的四个顶点，它们若有旋光性应归结于不对称取代的碳原子。C*abcd 可有两种不同的排布方式： 它们代表两种不同的空间构型，两者互为镜像关系，正如人的左、右手关系。这种分子与其镜像的不重合性称为分子的手性或手征性（Chirality），具有手性的分子称为手性分子（Chiral molecules）。具有四个不同原子或基团的不对称碳原子称为手性碳或手性中心。手性分子具有旋光性。当碳上连有两个相同原子或基团时，其空间排布方式只有一种，分子与其镜像重合，没有手性，没有旋光性。因此，只有物质与其镜像不能重合时，物质才有旋光性。其结构的差异仅在于原子或基团在空间的不同排列顺序，它们互为对映异构体。物质与其镜像的不能重合，即手性是物质产生旋光性的必要条件，是产生对映异构现象的充分必要条件。根据物质分子的对称因素，可判断分子是否具有手性，即：具有对称中心和对称面的分子其分子实体与镜像相互重合，没有手性；而不具有对称中心和对称面的分子其分子实体与镜像不能相互重合，具有手性，具有旋光性，有对映异构现象。3.2对映异构与分子结构对称性、对称因素与手性(Symmetry 、Symmetry factors and Chirality)在宏观世界中，无论是自然界中产生的物质或是人为创造的，都体现出对称性这个重要法则。如宇宙中的天体是高度对称的球体；许多动植物在表面上也是对称的，如人体、蝴蝶美丽的双翅。许多人为的事物及各种创造，也都经常表现出某种对称，如建筑、诗文、音韵等。对称思想似乎是一种本能，存在于各个领域中。而有些东西则是不对称的，如蜗牛壳、螺栓的螺纹、人的手、足、耳等。从宏观到微观，许多有机物的分子结构也具有某种对称性或不对称性。考察一个有机分子的对称性，通常从考察分子的对称因素入手。1、平面对称因素（对称面 the mirror of symmetry）如有一个通过分子的平面把分子分成两部分，其中一部分是另一部分镜像，通过平面相等距离处都有相同的对应点，这个平面称为分子的对称面。用表示。如：上述分子中均有一个或多个对称面，对称面两边的实体与镜像可以彼此重叠。2、中心对称因素（对称中心i the center of symmetry）若分子中有一点，通过此点画任何直线，在直线等距离的两端有相同的原子或基团，则该点称为分子的对称中心，用i表示。 如：上述分子中均有一个通过分子的中心对称因素。具有中心对称因素的分子其实体与镜像相互重叠。3、简单轴对称因素（简单对称轴Cn the simple axis of symmetry）许多物体或分子中具有简单轴对称因素。如穿过分子画一直线，分子绕该线旋转3600/n后，获得的分子与原来分子的形象相同，则这一直线称为该分子的n重对称轴，用Cn表示。如： 观察反-1，2-二氯乙烷，分子中有C2对称轴，但分子与镜像不相互重合。*4、反射对称因素（更替对称轴Sn）反射对称因素需要经过两个操作：首先分子绕一直线转动3600/n后，再用一面垂直于该直线的镜子将分子反射，反射后的镜像与原来的分子重合，该直线称为该分子的n重更替对称轴。用Sn表示。如：具有S2的分子都有一个中心对称因素，其分子与镜像相互重合。同样具有Sn的分子其分子实体与镜像相互重合。因此，根据分子的对称因素，可做出以下判断：具有对称中心和对称面的分子其分子实体与镜像相互重合；而不具有对称中心和对称面的分子其分子实体与镜像不能相互重合，其实体与镜像的关系正如人的左、右手一样，这种分子称为手性分子或不对称分子，分子的这种镜像不重合性称为分子的手性（Chirality），具有手性的分子具有对偏振光的旋光特性，因此手性分子又称为光活性分子。3.3 含手性中心的手性分子3.3.1 含一个手性碳原子的化合物 含不对称原子的化合物在有机化学中极为普遍。不对称碳是决定分子手性的必要条件。1、对映体和外消旋体如乳酸分子，分子中有一个不对称碳原子，四个不同的基团在空间有二个不同的排列方式，它们互呈物体与镜像的对映关系。这种实物与其镜象不能重叠的分子成为一对对映体 对映体（enantiomer） (互为镜象异构体)，其中一个是左旋体 ，一个是右旋体。 对映体性质比较：a . 对映体的各个基团在空间排列顺序不同，但空间相对关系相同。故具有相同的m.p，b.p，密度等物性，只是对偏光的旋光方向不同 ，旋光度相同（20D 3.8 o 水）。b. 对映体的一般化学性质相同。如pKa值3.79。但在手性环境下与手性试剂、手性溶剂、催化剂表现出不同的性质，反应具有立体化学的专一性。 如：氯霉素的立体异构体中只有一个是抗菌的。（+）葡糖在动物代谢中起重要作用，有营养价值，但其左旋体不能被动物代谢也不能被酵母发酵。 外消旋体：（The racemic modification）对映体的等量混合物。如用合成法得到的乳酸，其结构与肌肉乳酸和发酵乳酸相同，但没有旋光性。 外消旋体的性质：a、组成上 50%（+）+50%（），无旋光性。b、物性发生变化，如（+），（）乳酸m.p 53，而() m.p 18。c、化学性质基本相同，在生理作用上，则各发挥其效能，如合霉素。d、固态的外消旋体由于晶体间结合力不同，可有三种类型： 外消旋混合物 f 相同构型f不同构型（物性如m.p不同）。（） 外消旋化合物 f不同f相同构型，物性与组成它的对映体不同。 外消旋固体溶液：f不同=f相同，形成混合晶体，物性与组成它的对映体相近。2、构型的表示方法Fischer投影式对映体的构型(configuration)，通常用Fischer投影式表示。Fischer投影式是用二维图像或平面式表示三维分子的立体结构。 投影原则：a. 不对称碳在纸面上。b. 四面体的二个顶点在纸面前方，用横线表示，另二个顶点（基团）在纸面后方，用竖线表示c. 主链位于竖立方向，按从上至下的编号顺序如： Fischer投影式具有严格的投影原则，不能随意改变，应用Fischer投影式时，应经常考虑到分子的立体结构。应注意以下几点： 投影式在纸面上旋转1800时，构型不变，但旋转900时，构型改变成为其对映体。 投影式不能离开纸面旋转。 取代基的位置互换一次或奇数次，构型改变成为其对映体；取代基的位置互换两次或偶数次，构型不变。如固定一个基团，其余三个基团依次作顺时针或逆时针调换，构型不变。构型改变 构型不变 构型改变对映体的构型也可用伞形式表示，形象直观，但不便于表示含多个手性原子的分子。3、构型的命名：为了表示左旋体、右旋体的构型及其旋光方向，通常有两种命名方法：相对构型与绝对构型。 相对构型 (D-L configuration )：费歇尔任意选择了（+）-甘油醛作为许多光活性化合物的标准，并假定右旋甘油醛的投影式为OH位于不对称碳原子的右边，其构型用D表示；左旋甘油醛的OH位于不对称碳原子的左边，其构型用L表示。 D（+）甘油醛 L（）甘油醛若把D（+）甘油醛通过化学反应转化为乳酸，由于与不对称碳原子的基团没有发生任何置换，那么，乳酸的构型也为D型。D（+）甘油醛 D（）甘油酸 D（）乳酸左旋的乳酸、左旋的甘油酸和右旋甘油醛的构型是相同的，都为D型，但旋光方向不同。因此，凡是由D（+）甘油醛转变而成的或是能转变成D（+）甘油醛的，都属D型；凡是由L（）甘油醛转变而成的或是能转变成L（）甘油醛的，都属L型。注意：构型不变，并不意味着旋光方向不变。但在有些情况下，用比较光活性的方法可把一些相同构型的化合物联系起来。一般而言，结构相似、构型相同的光活性化合物，当它们发生同样的反应时，其旋光方向的改变往往是相同的。对光活性物质，如果官能团相似，并且周围的环境也相似，则它们旋光度的变化也经常是相似的。反过来，也可从某一官能团的特征旋光度推测出这一官能团周围的环境，并用这种关系测定某些化合物的相对构型，可以得出较可靠的结果。D-L构型主要应用于糖类及氨基酸类化合物命名，如，D（+）葡萄糖。D-L构型的缺点是：当一个化合物可从两种不同构型的化合物分别经过一系列步骤得到时，此时只能任意选定D或L；许多化合物难以通过化学反应在构型上准确无误地与D（+）甘油醛或L（）甘油醛相关联，如，CHFClBr。 绝对构型（R and S configuration）：分子的绝对构型到1951年得到彻底解决，魏沃（Bijvoet J M）在荷兰用一种特殊的X光衍射法成功测定了(+)酒石酸钠铷的绝对构型。与许多其它光活性化合物的构型通过化学方法相互关联起来。有意思的是，费歇尔所假定的（+）甘油醛的构型与实际测定相同。因此，其它光活性物质通过与(+)酒石酸和（+）甘油醛的关联，确定了其绝对构型。1970年，国际上根据IUPAC的建议采用了绝对构型的命名方法RS命名法，即根据分子在空间的实际排布进行命名。R-S构型的命名规则(Nomenclature rules)： 把手性碳上所连的四个基团按次序规则由大至小排列：C*abcd abcd 将各个原子或基团在空间定位，最小的原子或基团离观察者的眼睛最远，其余三个基团朝向自己（象方向盘一样）。 朝向自己的三个基团按次序规则排布，如为顺时针排布，称R（Rectus，拉丁文）；如为逆时针排布，称S(Sinister)。 标明构型和旋光方向，命名化合物。 示例： OHCOOHCH3H OHCHOCH2OHH Cl CH=CH2CH3HS（）乳酸 R（）甘油醛 S3氯1丁烯 思考题、讨论题、作业Homework： p53： 3-3Exercises: 1、将下列结构的化合物表示为Fischer投影式：2、命名下列化合物的R/S构型： 参考答案：1、教学后记 难点：建立空间立体概念，Fischer投影式，R/S命名授课题目第三章 立体化学（2）授课类型理论课首次授课时间2010年9月 日学时2）教学目标1、 掌握环状化合物的对映异构。2、了解含有手性中心、手性轴和手性面化合物的对映异构。3、了解外消旋体的拆分方法。重点与难点环状化合物的对映异构教学手段与方法多媒体，模型演示，讨论教学过程：（包括授课思路、过程设计、讲解要点及各部分具体内容、时间分配等）授课思路： 含有手性因素（手性中心、手性轴、手性面等）的分子都具有手性，其中最常见的是含不对称碳的化合物。因此，只要掌握了含不对称碳原子的化合物的立体结构及其表示式（Fischer投影式）和其构型的命名方法（绝对构型R/S命名法），那么对复杂分子也就容易理解和掌握了。过程设计与时间分配：练习（5 min）3.3 含手性中心的手性分子 （60min）3.3.2 含两个不同手性碳原子的化合物 3.3.3 含两个相同手性碳原子的分子 3.3.4 含假不对称碳原子的分子 3.3.5 含手性碳原子的单环化合物 3.3.6 含其它不对称原子的手性分子3.4 含手性轴的手性分子（10 min）3.5 含手性面的手性分子（10 min）3.6 外消旋化与外消旋体的拆分（15 min）小结作业（5 min）讲解要点及各部分具体内容：第二讲：3.3.2 含两个不同手性碳原子的化合物(More than one chiral carbon center)当分子中含有两个不同的手性碳原子时，分子应有四种不同的空间排布（构型），二对对映体。如：氯代苹果酸 （2R,3R） (2S,3S) 非对映体 (2R,3S) (2S,3R) 非对映异构体（diastereomers）：不呈镜像对映关系的立体异构体。非对映体具有不同的物理性质，如m.p，b.p，nD，比旋光度，溶解度等；具有相似的化学性质，但由于基团的空间位置不同，反应速度有差异。随着手性碳原子数的增多，光学异构体的数目增多，如分子中有n个不同的不对称碳原子，则光活性异构体的数目为2 n个。如分子中有相同的手性碳，则异构体的数目小于2 n个。3.3.3 含两个相同手性碳原子的分子如：酒石酸 内消旋体(meso)：分子中具有对称面或对称中心，两个不对称碳原子的旋光性恰好相反，相互抵消。内消旋体与对映体具有不同的物理性质和光活性。内消旋体和外消旋体虽然都没有旋光性，但两者是完全不同的化合物。内消旋体是一种纯化合物分子，不能分离。而外消旋体是一对对映体的等量混合物，可拆分成具有旋光性的两种化合物。所以，含两个相同手性碳原子的化合物只有三种构型：左旋体、右旋体和内消旋体。当不对称碳原子数为偶数时，其立体异构体的总数是：2（n1）+2（n2）/2 。对这类分子的对称性与构型可从构象进行分析，可以有更深入的了解。内消旋酒石酸可有三种较为稳定的构象异构体： 有对称中心，无旋光 一对构象对映体，很快互变，无旋光性3.3.4 含假不对称碳原子的分子当一个碳上连有两个具有相同取代的手性碳原子时，则该碳原子称为假不对称碳原子。如：2，3，4三羟基戊二酸分子，其C3称为假不对称碳原子。C3上连有带相同取代基的手性碳原子，C2和C4，当两个手性碳的构型不同时，分子具有平面对称因素，没有手性，C3的构型用r，s命名；若两个手性碳的构型相同，分子是手性的。对该类分子，有两个内消旋体，一个外消旋体，因此，含奇数碳原子的这类分子，共有2（n1）个立体异构体。 前手性碳原子和前手性分子一个对称的非手性分子，经过一个基团被取代或发生其它反应过程，能失去其对称性而成为一个不对称的手性分子。这种对称的分子即被称为前手性分子或前不对称分子，而发生反应的对称碳原子，则是前手性碳原子或前不对称碳原子。例如，乙醇就是一个前手性分子，其原子就是前手性碳原子。当上的两个氢原子分别被氘取代时可得到互为对映关系的两个手性分子。乙醛也是前手性分子，乙醛羰基碳原子所连的三个基团分别是CH3 ,O, H,把与这三个基团不同的某个基团通过加成反应连到羰基碳原子上时，将产生一个手性分子。进攻试剂可从乙醛分子的两个在拓扑学上不同的面向羰基碳进攻，结果产生一对互为对映异构体的两个不对称分子（假如进攻试剂是氘，会得到哪两个化合物？）。在非手性条件下，进攻试剂对前手性碳原子上所连的两个在化学性质上等当的基团并无识别作用。但是，在一些生物化学过程中如酶催化过程，则能对前手性碳原子上所连的两个在拓扑学上不同的基团加以识别，了解这一点是非常重要的。3.3.5 含手性碳原子的单环化合物对环状化合物，其立体异构由于环的固定作用和特别的对称性往往同时具有顺反异构（构型非对映异构）和光学异构（构型对映异构）。奇数环和偶数环的对称性不同，在奇数环中，由于两个取代基的位置不同，可以发生不同的异构现象。三元环的衍生物：相同取代基： 对映体enantiomer顺式：m.p = 139 反式： m.p = 175,D = 84.50不同取代基： 顺式，对映体 反式，对映体对偶数环，其对位上二取代，无论顺式或反式都没有光活性异构体存在，分子中有对称面，无手性。 如：1，3二取代环丁烷衍生物,分子中有一对称面，无手性。六员环衍生物：1，2取代：取代基相同，有三个异构体，一对对映体；当取代基不同时，就有四种立体异构体，二对对映体。1， 3取代同1，2取代情况相同，有一个内消旋体和一对对映体1，4取代：与环丁烷的1，3二取代情况相同。环状化合物的手性可简单地从平面环直接判断，其分析结果与构象分析结果相同。3.3.6 含其它不对称原子的手性分子除碳以外的其它原子，如N、S、P、As等，当它们与四个不同的原子或基团相连时，也成为手性中心，具有旋光性。如：N： 转化速度极快 膦（较稳定） 季鏻盐（较稳定）3.4 含手性轴的旋光异构体一个分子是否具有手性，取决于分子实体是否能与镜像重合。有些分子不含手性碳（手性中心），但也有手性，这是由于分子中存在手性轴（chiral axis）、手性面（chiral plane）等手性因素。3.4.1 丙二烯型化合物(propadiene compound)当丙二烯分子中两端碳上各连有二个不同基团时，其关系相当于延长了的甲烷分子中四个基团的关系，它们形成的平面两两垂直并平分对面角。两个键相互垂直，当a、b两基团不同时，分子失却了对称面和对称中心，分子有一手性轴，分子有手性，有旋光性。如：当任何一个碳上连有两个相同基团时，分子有一对称面，分子无手性。如果两个双键分别用一个或两个环代替，所得的环外烯烃或螺环化合物也应具有手性，有旋光性。如：3.4.2 联苯型化合物(Biphenyl compound)当某些分子由于基团的空间位阻而使单键的自由旋转受到阻碍时，也会产生光活性异构体，称为阻转（位阻）异构现象（atropisomerism）。最早发现的是四个邻位都有大基团取代的联苯衍生物，由于基团的体积足够大，阻碍了苯环之间单键的旋转，因此，两个苯环位于不同平面，当每个苯环上连有两个不同基团时，就会产生两个构型不同的对映体，成为手性分子，具有了旋光性。 如：一般地，当联苯的四个邻位取代基半径之和较大时，则可能存在一对对映体，典型的基团大小顺序为：IBrCH3ClNO2NH2COOHOHFH，只要两个基团的半径之和大于F和COOH的半径之和，就会使单键旋转受阻，其对映体就会稳定存在。否则，就会发生消旋化。其它类似的阻转异构现象有双芳核化合物、柄型化合物等。双芳核化合物： 柄型化合物： 1，1联萘2，2二甲酸柄型化合物分子的手性取决于R的大小和n的数目，当R=COOH时：n10，自动消旋化；n9，加热时慢慢消旋化；n8，有对映体，是手性分子。以上化合物不具有手性中心，但具有手性轴。3.5 含手性面的旋光异构体 有些分子虽然不含有手性原子，但含有一个扭曲的面，从而使分子呈现一种螺旋状结构，而表现出旋光性。 螺旋型化合物：六螺烯螺环烃是一类有趣的不具有手性碳的分子，可看作是苯环邻位稠和而成的类似螺旋的结构，由于末端苯环的相互排斥而呈右手螺旋、左手螺旋结构。六螺烯的旋光能力惊人，旋光度为37000，结构呈螺旋形，没有对称面和对称中心。是一种具有手性面的化合物。3.6 外消旋化与外消旋体的拆分 3.6.1 外消旋化 外消旋化（racemization）一个纯的光活性物质，如果体系中的一半量发生构型转化，就变成了外消旋体。这种由纯的光活性物质转变成外消旋体的过程称为外消旋化。 外消旋化的途径化合物在酸、碱、光、热、压力、溶剂等条件下通过形成碳正离子、碳负离子、自由基或其它途径等发生体系的外消旋化。 例1：肾上腺素在酸性条件下通过形成碳正离子发生外消旋化：（+）-肾上腺素 （-）-肾上腺素D=50.720 无药效 有药效D=50.720例2：通过烯醇结构发生外消旋化：D-（-）乳酸 烯醇 L-（+）乳酸烯醇为平面结构，当加成质子时，质子可从平面的两侧加成，其机会相等。3.6.2 差向异构化如一个光活性物质分子中有多个手性碳，其中一个容易消旋，而其它不变，这样会产生非对映体的混合物。这种在含两个或多个手性中心体系中，只有一个手性中心发生构型转化的过程，称为差向异构化。单糖在酸碱条件下易发生差向异构化。3.6.3 外消旋体的拆分许多旋光性物质都是从自然界中分离得到的，合成化学虽然可以合成旋光性物质，但在大多数情况下，合成的常是外消旋体。为了得到光活性的对映体，需要把外消旋体拆分外消旋体的拆分。 在手性环境下如手性试剂、手性溶剂、手性催化剂存在下，两个对映体的反应速度将会有不同程度的差异，有时差异还很大。生物体中的酶具有很高的手性，因此像药物等许多可受酶影响的化合物，其对映体的生理作用会表现出很大差异。氯霉素是左旋的，有抗菌作用，其对映体则无疗效。有些旋光性药物的对映体不但无疗效，甚至有毒。例如，沙力多迈在二十世纪五十年代在欧洲曾作为镇静剂广为使用。后两发现有上万名新生儿的畸形与服用过此药的妇女有关。沙力多迈含一个手性碳原子，当时作为药物使用的是外消旋体。后来的研究表明，沙力多迈中的一种异构体有镇静作用，另一种异构体则有致畸作用。因此，在当今的药物研究开发和生产中提出了开发生产手性和旋光纯药物的要求。拆分是将含有等量对映异构体的混合物（称为外消旋体或外消旋混合物）分离成其组分的过程。用一般（非手性条件）的合成方法制备的手性化合物都是外消旋体。为了得到光学活性的对映体，需要把外消旋体的两个对映体拆分开。拆分的方法很多，有最原始的机械法，如在1848年，Pasteur使用一台显微镜，用手工方法从外消旋的酒石酸铵钠中成功地分离了两种类型的晶体，并将这种混合物称为消旋体。还有色谱法、动力学拆分法、生物化学法、生成非对映异构体法等。1、化学法（Chemical methods）生成非对映异构体法由于外消旋体在非手性条件下的理化性质相同，普通的分离方法无能为力。因此，将外消旋体与一个光活性试剂作用后生成两个非对映异构体，利用非对映异构体不同的物理性质进行分离，然后将两个对映体复原。这种能拆分外消旋体的光活性试剂称拆分剂。一般地，外消旋体是酸的拆分剂是光活性的碱，外消旋碱的拆分剂是光活性的酸。如：以合成法制备氯霉素为例。氯霉素又称左旋霉素，学名D-(-)-苏-1-对硝基苯基-2-二氯乙酰胺基-1,3-丙二醇。下图所示的D-构型的IV就是氯霉素；L-构型的III是其对映体，无疗效。两者的等量混合物为合霉素，疗效是氯霉素的一半。我国采用硝基苯乙酮的路线合成了氯霉素，将合成过程中得到的中间产物（简称D,L-氨基物I,II）进行拆分。拆分方法是：将外消旋氨基物与D(+)-酒石酸反应，得到一对互为非对映异构的铵盐，利用两者的溶解度不同将其分离，再用碱中和酒石酸，就可离析出D-氨基物，将拆分所得的D-氨基物与二氯乙酸反应就得氯霉素。 L-氨基物 I D-氨基物II L-构型III D-构型 （氯霉素）IV如果外消旋体既不是酸，也不是碱，则可将化合物接上一个羧基后再进行拆分。如：常用的拆分剂有奎宁、马钱子碱、酒石酸、樟脑磺酸等。2、酶解法生物化学法酶对底物具有非常严格的空间选择性反应性能，或者说反应专一。如酵母对DL氨基酸的乙酰化物的水解反应中，易与L体反应而剩下D异构体。3、晶体接种法在外消旋混合物的饱和溶液中，加入一种纯的对映体作为晶种，降温后，加入晶种的对映体首先结晶析出，母液浓缩后，再加入另一对映体的晶种.如此反复进行以达到拆分的目的。如，工业上拆分谷氨酸。4、柱层析法利用光活性吸附剂与一对对映体形成的两个非对映吸附物，其稳定性不同，被吸附剂吸附的强弱不同而依次进行洗脱。5、动力学拆分法利用两个对映体与一个手性试剂的反应速度的不同而进行的拆分，反应速度快的对映体优先生成而剩下另一种对映体。如（）金鸡钠碱与（）苯乙胺的反应速度比（+）苯乙胺快。拆分效果通常用旋光纯度（O.P）