大学有机化学之立体异构

第二章立体异构同分异构现象可分为两大类 结构异构 构造异构 和立体异构 一 结构异构 构造异构 产生结构异构的原因是由于分子中原子或原子团相互连结的次序和方式不同 二 立体异构产生立体异构的原因是由于分子中原子或原子团在空间的排列方式不同 同分异构的分类归纳如下 第一节顺反异构一 顺反异构的概念和形成条件丁烯二酸 延胡索酸失水苹果酸 反 丁烯二酸 顺 丁烯二酸 两者的分子式相同 原子或原子团的排列顺序也相同 但分子中原子或原子团在空间的排布不同 即构型不同 这样的立体异构称为顺反异构 或几何异构 通常将相同或相似的基团处于双键同侧的称为顺式 cis 构型 处于异侧的则称为反式 trans 构型 2 丁烯酸也存在如下两种异构体 反 2 丁烯酸顺 2 丁烯酸 下面几种结构类型中 和 不存在顺反异构 而 和 就可形成顺反异构 当分子中双键数目增加时 顺反异构体的数目也增加 如 顺 顺 2 5 庚二烯顺 反 2 5 庚二烯反 反 2 5 庚二烯 在脂环化合物中也有顺反异构现象 例如 环己烷 1 4 二羧酸 顺 环己烷 1 4 二羧酸反 环己烷 1 4 二羧酸综上所述 顺反异构形成的条件 可以归纳为 1 分子中存在着限制碳原子自由旋转的因素 如双键或环 如脂环 的结构 2 不能自由旋转的碳原子连接的原子或原子团必须是不相同的 含有双键化合物的异构体如肟类化合物 与含双键的化合物一样 也可以存在顺反异构现象 这类化合物的构型 过去常用 syn 和 anti 表示 例如 在醛肟中 羟基和原来醛基上的氢在同侧者为 syn 构型 异侧为 anti 构型 syn 顺 anti 反 含氮氮双键的化合物主要是偶氮化合物 详见第十章 也可以存在顺反异构 例如 顺式反式 二 Z E构型命名法用cis或trans来命名顺反异构体时 有时就难以确定 例如 为此提出了Z E构型命名法 首先确定双键上每一个碳原子所连接的两个原子或原子团的优先顺序 当两个优先基团位于同侧时 用Z 德文Zusammen的缩写 意为 共同 表示其构型 位于异侧时 用E 德文Entgegen的缩写 意为 相反 表示其构型 例如 当甲优先于乙 丙优先于丁时 Z型E型 根据顺序规则确定基团的优先顺序大小后 上述两个化合物的命名 便没有什么困难 Z 1 氟 1 氯 2 溴乙烯E 3 乙基 2 己烯目前这两套命名法同时使用 在环系化合物中 应用cis trans命名法更为直观 必须注意的是 Z型并非一定是顺式 E型并非一定是反式 例如 Z 1 2 二氯 1 溴乙烯E 1 2 二氯 1 溴乙烯 反 1 2 二氯 1 溴乙烯 顺 1 2 二氯 1 溴乙烯 三 顺反异构体在性质上的差异 一 物理性质顺反异构体在物理性质上都存在差异 二 化学性质顺反异构体在化学性质上也存在某些差异 如顺 丁烯二酸在140 可失去水生成酸酐 反 丁烯二酸在同样温度下不反应 只有在温度增加至275 时 才有部分丁烯二酸酐生成 三 生理活性顺反异构体生理活性也不相同 例如 合成的代用品己烯雌酚 反式异构体生理活性较大 顺式则很低 维生素A的结构中具有4个双键 全部是反式构型 如果其中出现顺式构型 则生理活性大大降低 具有降血脂作用的亚油酸和花生四烯酸则全部为顺式构型 顺 己烯雌酚反 己烯雌酚 花生四烯酸 全顺式 造成顺反异构体性质差异的原因 是由于两者相应的基团在空间的距离不同 这种不同使顺反异构体分子中原子或原子团之间的相互作用力不一样 第二节对映异构对映异构又称旋光异构或光学异构 从动物肌肉中提取出的乳酸和糖发酵所得的乳酸 具有相同的结构式CH3 CH OH COOH 但前者能使平面偏振光向右旋转 叫做右旋乳酸 后者却能使平面偏振光向左旋转 叫做左旋乳酸 旋光性不同的异构体 对人和机体的生理效应和药理效应常常是不同的 如右旋维生素C有抗坏血病的作用 而左旋体则没有 左旋氯霉素治疗伤寒等疾病有效 右旋体则几乎无效 对映异构在本书的叙述中 仍采用旋光异构的概念 Thalidomide 反应停 一 平面偏振光 旋光性 旋光仪 旋光度和比旋光度 光波振动方向与光束前进方向关系示意图 普通光 平面偏振光 通过Nicol棱镜 仅在一个平面上振动的光 旋光仪的构造能使平面偏振光向右旋转 顺时针方向 的物质叫做右旋体 用符号 或d表示 能使平面偏振光向左旋转 逆时针方向 的物质叫做左旋体 用符号 或l表示 旋光度和比旋光度的关系可用下式表示 为比旋光度 为旋光度 c为浓度 g ml 1 纯液体可用密度 l为盛液管的长度 以dm为单位 D为光谱中的D线 波长相当于589nm 即钠光 当c 1g ml 1 l 1dm时 则上式成为在描述一个物质的比旋光度时 应将测试条件全部表述清楚 包括溶剂 如 肌乳酸 a D25 3 8o海洛因 a D25 166o CH3OH 如何确定一个活性物质是 60o的右旋体还是 300o的左旋体 二 产生旋光异构现象的原因任何一个不能和它的镜像完全重叠的分子称为手性分子 所谓手性 chirality 就是指实物与镜像对映而不能完全重叠的特性 就如同左手与右手的关系一样 左手的镜像是右手对映关系 左手镜右手 1 任何一个不能和它的镜像完全重叠的分子称为手性分子 所谓手性 chirality 就是指实物与镜像对映而不能完全重叠的特性 就如同左手与右手的关系一样 2 物质产生旋光性的根本原因是分子的手性 即任何一个具有旋光性的分子必定是手性分子 手性分子通常必定产生旋光性 但也有极少数手性分子没有或旋光活性很小 或者在某些波长的光段不表现出旋光性 3 任何一个能够和它的镜像完全重叠的分子 都不具有旋光性 这样的分子称为非手性分子 achiralmolecules 物质产生旋光性的根本原因是分子的手性 即任何一个具有旋光性的分子必定是手性分子 手性分子通常必定产生旋光性 但也有极少数手性分子没有或旋光活性很小 或者在某些波长的光段不表现出旋光性 如何判断一个分子有无手性 对称因素 1 对称面 凡有对称面的分子 不具旋光性 也没有对映异构体 对大多数有机化合物来说 尤其是链状化合物 对称面 能将分子分成实物和镜像关系的平面称为对称面 是最常见的对称因素 如反 1 2 二氯乙烯和二氯甲烷分子中都存在对称面 图9 2 它们都不具有手性 也就没有旋光性 图9 21 2 二氯乙烯和二氯甲烷 有对称中心的分子不具手性 也无旋光性 2 对称中心i 一般地说 物质分子凡在结构上具有对称面或对称中心的 就不具有手性 也就没有旋光性 反之 同时不具有对称面和对称中心的分子就有手性和旋光性 有机化合物分子具有手性的最常见情况是存在手性碳原子 手性碳原子是指与4个不相同的原子或原子团相连的碳原子 常用 号标出 如 必须指出的是 1 有手性碳原子的分子并不一定是手性分子 2 没有手性碳原子的分子并不一定不是手性分子 3 一个分子中只有一个手性碳原子时 则它一定是手性分子 4 手性碳原子是判断分子是否手性的重要依据之一 三 费歇尔 Fischer 投影式费歇尔投影是将一个立体模型在纸平面上投影而得到的式子 投影的原则是 横前竖后 费歇尔投影式中 通常省去 C 而用十字交叉线表示 我们通常使用 标准 的费歇尔投影式 即按系统命名法原则取其主链竖向排列 把氧化态高的碳原子或 1 号碳原子放在上方 如何判定不同Fischer投影式是否为同一构型 1 不离开纸平面旋转180 投影式相同 构型相同 如 和 和 2 同一手性碳原子上基团进行偶次交换后投影式相同 构型相同 含一个手性碳原子的化合物 可以有两种空间构型 如乳酸 乳酸的立体模型费歇尔投影式 对映体 互为实物与镜像关系 不能相互重叠的两个立体异构体外消旋体 等量的左旋体与右旋体的混合物 无旋光性 外消旋体用 或 dl 表示 外消旋体可拆分成左旋体与右旋体 四 旋光异构体构型的表示方法1 D L构型标记法 相对构型以甘油醛为标准 人为规定 标准的费歇尔投影式中羟基在碳链右边的为D型 它的对映体为L型 D 甘油醛L 甘油醛 凡可以从D 甘油醛通过化学反应而得到的化合物 或可以转变成D 甘油醛的化合物 都具有与D 甘油醛相同的构型 即D型 与L 甘油醛的相同构型的化合物则是L型 D 甘油醛D 甘油酸D 乳酸D 乳酸L 乳酸这种人为规定的构型 叫做相对构型 旋光性化合物的旋光方向与构型之间没有固定的关系 一个D型化合物可以是左旋的 也可以是右旋的 D L构型表示方法中 费歇尔投影式必需是标准的 如果投影式不符合这样的规定 应按前述两种方法加以调整 D L构型表示法有一定的局限性 与手性碳相连的四个共价键未发生断裂 R S构型标记法 R S法首先根据前述基团的顺序规则 确定与手性碳原子相连的4个基团优先顺序的大小 假设顺序为a b c d 将优先顺序最小的基团d处于眼睛对面最远的位置上 然后再看a b c的排列顺序 如顺序为顺时针方向的定为R构型 拉丁文Rectus的缩写 假若a b c是反时针方向的则定为S构型 拉丁文Sinister的缩写 如图9 4所示 R构型S构型 a b c顺时针 a b c逆时针 图9 4R S命名法R S构型法标记时 无须调整费歇尔投影式为标准的 S R S 2 氯丁烷 下面介绍一个将Fischer投影式和R S构型联系起来的简单方法 1 小左右 反向 2 小上下 同向 基团的顺序为a b c d SSRS 2S 3R 2 羟基 3 氯丁二酸 注意 取代基互为对映体时 R 优于S R R 优于R S S S 优于S R 取代基互为顺反异构体时 Z优于E 顺优于反 2Z 4R 5E 4 甲基 2 5 庚二烯 R S标记法应用较广泛 当分子中含有多个手性碳原子时 它能标记出每一个手性碳原子的构型 与D L构型法相比 它能更完整 更准确的描述一个分子的空间构型 但目前D L构型标记法仍在使用 特别是糖类化合物和氨基酸 应该指出 D L与R S无对应关系 五 旋光异构体的数目与对映体 非对映体 内消旋体含有一个手性碳原子的化合物 有两个旋光异构体 一对对映体 和一个外消旋体 含有两个不相同手性碳原子的化合物 有四个旋光异构体 两对对映体 和两个外消旋体 非对映体之间虽然互为旋光异构体 但相互之间没有实物和镜像的关系 它们的旋光性 比旋光度 生理活性和物理性质都不一样 在化学性质上 虽然发生类似的反应 但反应速度亦不一样 含有n个不相同手性碳原子的化合物 旋光异构体的数目 2n 对映体的成对数目 2n 2 外消旋体数目 2n 2 n为不相同的手性碳原子数 3 含有两个相同的手性碳原子的化合物 它的旋光异构体的数目要少于2n 和 从表面上看是一对对映体 实际上为同一个化合物 这两个投影式代表同一个构型 两个相同的手性碳原子的旋光性恰好相反而且互相抵消 所以整个分子没有旋光性 分子内含有对称平面的没有旋光性的立体异构体称为内消旋体 用符号m或meso表示 酒石酸实际上只有3个旋光异构体 数目少于2n 注意 只要分子中任何一种构象有对称面或对称中心 分子就必然是非手性的 其他有手性的构象都会成对地出现 且在构象平衡中所占的百分含量相等 含有n个手性碳原子的化合物 最多可能有2n个旋光异构体 外消旋体与内消旋体的区别 等量对映体的混合物叫做外消旋体 无旋光性 如果一个分子有两个或两个以上手性中心 并有一个内在的对称面 这个分子就叫做内消旋体 内消旋体是非手性分子 而外消旋体是由具有手性的两个对映异构体等量混合而得的混合物 两者都无旋光性 但有本质不同 具有对映而不能重合关系的一对分子彼此互称为对映异构体 简称为对映体 没有对映关系 构造相同 只是手性碳原子的构型不完全相同的光学异构体之间互称为非对映异构体 一个对映体和一个非对映体不能组成外消旋体 其物理性质也不同 对映体与非对映体的区别 1 物理性质对映体 旋光方向不同 其他物理性质 熔点 沸点 溶解度 电离常数等 相同 非对映体 物理性质不同 包括旋光性 旋光方向可相同可不同 内消旋体则无旋光性 非对映体之间可采用分步结晶 分馏等手段进行分离 2 化学性质对映体 与非手性试剂反应时化学性质相同 反应速度也相同 若与手性试剂反应 化学性质相似 但反应速度有差异 非对映体 官能团相同 化学性质相似 但反应速度存在差异 尤其是酶催化的反应 差别更大 对映异构体的性质 手性分子的立体结构与受体的立体结构 受体靶位 有互补关系时 其活性部位才能进入受体的靶位 产生应有的生理作用 而一对对映体只有其中一个适合进入一个特定受体靶位 产生生理效应 对映体和非对映体的生物学性质往往大不相同 如 1R 2R 氯霉素有效 而其他对映体几乎无效 它们的抗菌活性为100 0 4 多巴无生理效应 而 多巴可抗帕金森病 3 生物学性质 手性分子与手性生物受体之间的相互作用 a 对映体的构型完全适合与受体靶位作用b 对映体不能合适地进入相同的受体靶位 4 赤式和苏式 若一个化合物分子中含有两个手性碳原子 而两个手性碳原子上又至少有一个基团相同 则其构型除用R S和D L标记外 还常用所谓 赤式 erythro 和 苏式 threo 来标记 将两个相同基团写在费歇尔投影式横线上 若这两个相同基团在主链同侧 则称为赤式 反之 若两个相同基团在异侧 则称为苏式 赤式苏式若b与d R与R 相同 内消旋体 b和d可相同 也可不同 i ii iii iv 2R 3R 赤藓糖 2S 3S 赤藓糖 2S 3R 苏阿糖 2R 3S 苏阿糖 HOCH2 CH OH CH OH CHO i ii 对映体 iii iv 对映体 i iii i v ii iii ii v 为非对映体 5 差向异构体 两个含多个手性碳原子的异构体 如果只有一个手性碳原子的构型不同 则这两个旋光异构体称为差向异构体 如果构型不同的手性碳原子在链端 称为端基异构体 其它情况 分别根据C原子的位置编号称为Cn差向异构体 六 含其他手性原子的化合物 除了碳原子外 其他许多原子如S P N As B Pt等与不同基团相连 也能形成手性中心 因而能够拆分为光活性的异构体 已得到下列对映异构体 季铵盐 磷化合物 镜像体之间转换速度比叔胺慢得多 能分离得到对映体 P CH3 C2H5 H5C2 P H3C ph ph 七 不含手性碳原子的手性化合物 丙二烯型化合物联苯型化合物把手化合物具有螺旋型结构的化合物 1 丙二烯型化合物 2 3 戊二烯 类似物 2 联苯型化合物 2 2 6 6 位上有体积较大的基团时 苯环间的单键不能自由旋转 两个苯环不能处于同一平面 单键旋转受阻 a b c d 3 把手化合物 Ansa Compounds 当苯环上有足够大的基团时就被醚环阻挡成为手性分子 4 具有螺旋型结构的化合物已拆分出六螺旋环烃的一对对映体 并已合成了九螺旋环烃及十二螺旋环烃 由苯环彼此以两个邻位并合而成 八 脂环化合物的对映异构 环状化合物往往同时存在顺反异构和对映异构 可以先判断是否存在顺反异构 再根据它是不是手性分子来判断它是否存在对映体 meso S S R R 结论 分子的手性是分子产生旋光性的根本原因 一个分子中存在手性碳原子 并不等于这就是一个手性分子 如内消旋酒石酸 而一个分子中不存在手性碳原子 并不等于它就一定不是一个手性分子 如2 3 戊二烯 丙二烯型分子 所以 手性碳原子只不过是使一个分子存在手性的最为常见的原因 2 3 戊二烯 第三节构象异构在有机化学发展过程中一直认为单键是可以自由旋转的 1936年以后 开始认识到即使很简单的化合物 如乙烷中单键的旋转也不是完全自由的 一 乙烷的构象乙烷分子的两个甲基以单键相连 如使一个甲基不动 另一个甲基围绕碳碳单键而转动 则两个甲基上连接的氢原子在空间排列的方式将不断改变 得到无数不同的空间的排列方式 这就是构象 构象可以用Newman投影式或Sawhorse透视式来表示 如图9 5和图9 6 图9 5乙烷的Newman投影式图9 6乙烷的Sawhorse透视式透视式比较直观 所有的原子和键都能看见 但不易画好 投影式是在C C键的延长线上 式构象叫做交叉式 式构象叫做重叠式 乙烷分子还存在着由交叉式到重叠式的一系列中间状态的构象 图9 7乙烷的能量曲线 二 丁烷的构象丁烷可以看作是乙烷的二甲基衍生物 它有4个具有典型意义的构象 图9 8 对位交叉式邻位交叉式部分重叠式全重叠式图9 8丁烷的构象根据我国制定的有机化合物命名原则 1980年 对位交叉式称为反叠式 antiperiplanar 简称ap 邻位交叉式称为顺错式 synclinal 简称sc 部分重叠式称为反错式 ac 全重叠式称为顺叠式 sp 三 环己烷的构象环己烷的6个碳原子不在一个平面上 它们的键角为109 28 它有两种典型的构象 椅式和船式 图9 9 椅式船式图9 9环己烷的两种构象 椅式构象较船式构象稳定 为什么 1 在椅式构象中相邻的两个碳原子上的C H键都在交叉式的位置 在船式构象中 C2和C3以及C