第八章 立体化学

1、第八章第八章 立体化学立体化学8-1 8-1 手性和对映体手性和对映体* *8-2 8-2 旋光性和比旋光度旋光性和比旋光度* *8-2 8-2 含一个手性碳原子的化合物的对映异构含一个手性碳原子的化合物的对映异构* *8-4 8-4 构性表示法确定和标记构性表示法确定和标记* *8-5 8-5 含多个手法碳原子化合物的立体异构含多个手法碳原子化合物的立体异构# #8-6 8-6 外消旋体的拆分外消旋体的拆分( (自学自学) )8-7 8-7 手性合成手性合成8-8 8-8 环状化合物的立体异构环状化合物的立体异构 第八章 立体化学异构体的分类同分异构构造异构碳链（碳架）异构官能团位置异构官能

2、团异构互变异构立体异构构型异构构象异构顺反异构光学异构立体异构体的定义：分子中的原子或原子团互相连接的次序相同，但在空 间的排列方向不同而引起的异构体。对映异构观察如下模型将发现: 这两个模型化合物互为实物和镜像, 但它们不能重合. 因此他们是一对异构体, 互为对映, 称为对映异构体。COOHCH3OHHH3COHCOOHH-8-1 8-1 手性和对映体手性和对映体1 手性 COOHCHOHCH3COOHCH3CHOHCOOHCH3-OH顺时针排列反时针排列透视式镜子 物质分子互为实物和镜象关系（象左手和右手一样）彼此不能完全重叠的特征，称为分子的手性。（chirality） 具有手性（不能与

3、自身的镜象重叠）的分子叫做手性分子。（chiral molecules) 连有四个各不相同基团的碳原子称为手性碳原子（或手性中心）用C*表示。 凡是含有一个手性碳原子的有机化合物分子都具有手性，是手性分子。对映异构体的性质 (S)-(+)-乳酸 (R)-(-)-乳酸 mp 53oC mp 53oC D = +3.82 D = -3.82 pKa=3.79(25oC) pKa=3.83(25oC)1515CHOCOOHCH3HCCOOHCH3HOH一对对映体结构差别很小，因此它们具有相同的bp，mp，溶解度等，化学性质也基本相同。很难用一般的物理或化学方法区分。但它们对平面偏振光的作用不同：一个

4、可使平面偏振光向右旋，称为右旋体；另一个可使平面偏振光向左旋，称为左旋体。二者旋转角度相同。因此对映异构也叫做旋光异构。特 点： *1 结构：镜影与实物关系 *2 内能：内能相同。 *3 物理性质和化学性质在非手性环境中相同，在手性环境中有 区别。 *4 旋光能力相同，旋光方向相反。镜像的不重合性是产生对映异构现象的充分必要条件2、分子的手性和对称性(1). 对称面： 假如有一个平面可以把分子分割成两部分，而一部分正好是另一部分的镜像，这个平面就是分子的对称面。 分子中有对称面，它和它的镜象就能够重合，分子就没有手性，是非手性分子（Achiral molecule），因而它没有对映异构体和旋光

5、性。HHHHHHH3CCH3(2). 对称中心 若分子中有一点，通过该点画任何直线，如果在离此点等距离的两端有相同的原子，则该点称为分子的对称中心。 具有对称中心的化合物和它的镜象是能重合的，因此它不具有手性。(3). 对称轴 以设想直线为轴旋转360。/ n，得到与原分子相同的分子，该直线称为n重对称轴(又称n阶对称轴)。CCClClHH因此，有无对称轴不能作为判断分子有无手性的标准 (4). 四重交替对称轴(旋转反映轴) 如果一个分子沿轴旋转90，再用一面垂直于该轴的镜子将分子反射，所得的镜像如能与原物重合，此轴即为该分子的四重交替对称轴(用S4表示)。HHClClHHClCl旋旋转转HH

6、ClClHClClH-HHClClHHClCl9 90 0。 具有四重更替对称轴的化合物和镜象能够重叠，因此不具旋光性。结论：A.有对称面、对称中心、交替对称轴的分子均可与 其镜象重叠，是非手性分子；反之，为手性分子。 对称轴并不能作为分子是否具有手性的判据。 B.大多数非手性分子都有对称轴或对称中心，只有 交替对称轴而无对称面或对称中心的化合物是少 数。 所以，既无对称面也没有对称中心的，一般可判定为是手性分子。判别手性分子的依据有更迭对称轴无手性旋转+反射更迭对称轴(Sn)（或旋转反射轴）有对称中心无手性倒反对称中心(i)（或反演中心）不能作为区别手性的依据旋转对称轴(Cn）有对称面无手性

7、反映（射）对称面（ ）判别手性的依据对称操作对称元素n2n2S1=S2= i8.2.1 平面偏振光和物质的旋光性 光是一种电磁波，光波的振动方向与光的前进方向垂直。 如果让光通过一个象栅栏一样的 Nicol 棱镜 (起偏镜)就不是所有方向的光都能通过，而只有与棱镜晶轴方向平行的光才能通过。这样，透过棱晶的光就只能在一个方向上振动，象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。 平面偏振光 那么，偏振光能否透过第二个Nicol 棱镜 (检偏镜) 取决于两个棱镜的晶轴是否平行，平行则可透过；否则不能通过。如果在两个棱镜之间放一个盛液管，里面装入两种不同的物质：亮丙 酸亮暗乳 酸结

8、论： 物质有两类： （1）旋光性物质能使偏振光振动面旋转的性质，叫做旋光性；具有旋光性的物质，叫做旋光性物质。 （2）非旋光性物质不具有旋光性的物质，叫做 非旋光性物质。 旋光性物质使偏振光旋转的角度，称为旋光度，以“”表示。其旋光方向顺时针 右旋，以 “ d ” 或 “ + ” 表示。逆时针 左旋，以“ l ” 或 “ ” 表示。但旋光度“”受温度、光源、浓度、管长等许多因素的影响，为了便于比较，常用比旋光度来表示： lt=cl 为旋光仪测得试样的旋光度； c 为试样的质量浓度，单位 g . ml1; l 为盛液管的长度，单位 dm 。t 测样时的温度。l 为旋光仪使用的光源的波长(通常用钠

9、光，以D表示)。比旋光度表示：盛液管为1分米长，被测物浓度为1g/ml时的旋光度。 8.3含一个手性碳原子化合物的对映异构 还以乳酸为例，它含有一个手性碳原子，有手性，具有旋光性，有一对对映体。发酵得到的乳酸是左旋的，其比旋光度为 ，肌肉运动产生的乳酸是右旋的，其比旋光度为 。 从酸奶中得到的乳酸无旋光性，它是等量的左旋乳酸和右旋乳酸的混合物，叫外消旋体(常用或dl表示)。外消旋体是混合物。 20o3.8D= o3.8 (S)-(+)-乳酸 (R)-()-乳酸 ()-乳酸 mp 53oC mp 53oC mp 18oC D=+3.82 D=-3.82 D=0 pKa=3.79(25oC) pK

10、a=3.83(25oC) pKa=3.86(25oC)151515外消旋乳酸CHOCOOHCH3HCCOOHCH3HOH1 1、R R、S S命名规则：命名规则：A A 按次序规则将手性碳原子上的四个基团排序。按次序规则将手性碳原子上的四个基团排序。B B 把排序最小的基团放在离观察者眼睛最远的位置，观察其余三个基团由把排序最小的基团放在离观察者眼睛最远的位置，观察其余三个基团由大大中中小的顺序，若是顺时针方向，则其构型为小的顺序，若是顺时针方向，则其构型为R R（R R是拉丁文是拉丁文RectusRectus的字头，是右的意思），若是反时针方向，则构型为的字头，是右的意思），若是反时针方向，

11、则构型为S S（SinisterSinister，左的，左的意思）。意思）。H HO OH HC C2 2H H5 5C CH H3 3H HO OH HC C2 2H H5 5C CH H3 3R RS SH HO OH HH HC CH HO OC CH H2 2O OH HH HO OH HR RC CH HO OC CH H2 2O OH HH HO OC CH HO OC CH H2 2O OH H立体结构锲形式投影式Fischer投影式CHOHCOOHCH3COHHCOOHCH3OHHCOOHCH3C CO OO OH HC CH H3 3H HO OH H2、构型的表示法 Fis

12、cher 投影式3 3、快速判断、快速判断FischerFischer投影式构型的方法投影式构型的方法1/1/当最小基团位于横线时，若其余三个基团由大当最小基团位于横线时，若其余三个基团由大中中小为顺时针方向，则此投影式的构型为小为顺时针方向，则此投影式的构型为S S，反之为反之为R R。2/2/当最小基团位于竖线时，若其余三个基团由当最小基团位于竖线时，若其余三个基团由大大中中小为顺时针方向，则此投影式的构型小为顺时针方向，则此投影式的构型为为R R，反之为，反之为S S。CHOHOHCH2OHBrHClCH3HH2NCOOHCH3CH3ClCH(CH3)2ClCH2基团次序位于横线位于竖线

13、构型OHCHOCH2OH最小基团（ ）HR-S-构型基团次序 Br Cl CH3 H位于横线最小基团（ ）H基团次序NH2 COOH CH3 H最小基团（ ）H构型R-基团次序Cl CH2 CH-CH3 CH3ClCH3位于竖线最小基团（ ）CH3S-构型4、使用Fischer 投影式的注意事项： (1) 不能离开纸面翻转。可以沿纸面旋转180，但不能旋转90 或270。 (2) 基团两两交换次数不能为奇数次，但可以 是偶数次。 COOHCH3HOHCOOHCH3HHO翻 转翻 转COOHHOHCOOHCH3HHO旋 转180旋转180CH3。COOHHOHCOOHCH3HOH旋 转90旋 转

14、90CH3。 D-(+)-甘油醛 L-(-)-甘油醛CHOCH2OHHOH-CHOCH2OHHHO以甘油醛为基础，通过化学方法合成其它化合物，如果与手性原子相连的键没有断裂，则仍保持甘油醛的原有构型。例D-(+)-甘油醛D-(-)-乳酸HOHCHOCH2OHHOHCOOHCH3HOHCOOHCH2OHH O 5. D / L标记法D,LD,L标记的是相对构型，标记的是相对构型，R,SR,S标记的是绝对构型标记的是绝对构型绝对构型能真实代表某一光活性化合物的构型（R、S）与假定的D、L甘油醛相关联而确定的构型。相对构型注意：无论是D,L还是R,S标记方法，都不能通过其标记的构型来判断旋光方向。因

15、为旋光方向使化合物的固有性质，而对化合物的构型标记只是人为的规定。 目前从一个化合物的构型还无法准确地判断其旋光方向，还是依靠测定。8.5 含两个手性碳原子化合物的对映异构 1/ 含两个不同手性碳原子化合物的对映异构异构体数目 2n = 22 = 4 （n：手性碳原子数目） COOHCOOHHOClHH1234COOHCOOHHOClHH1234COOHCOOHHOClHH1234COOHCOOHHOClHH1234C:2OHCHClCOOHCOOHC:3ClCOOHCHOHCOOH(2R,3R)(2S,3S)(2R,3S)(2S,3R)-1234 1和2，3和4互为对映关系。1和3或4也不能

16、重合，他们是立体异构，但又不是镜像关系。这种不是镜像关系的旋光异构称为非对映异构。非对映体具有不同的旋光能力，不同的物理性质和不同的化学性质。赤式和苏式：含两个不对称碳的分子，若在Fischer投影式中，两个 H在同一侧，称为赤式，在不同侧，称为苏式。CHOCH2OHOHOHHHRRCHOCH2OHHHHOHOSSCHOCH2OHHHOOHHSRCHOCH2OHOHHHHOSR(i)(ii)(iii)(iv)(2R,3R)-(-)-赤藓糖 (2S,3S)-(+)-赤藓糖 (2S,3R)-(+)-苏阿糖 (2R,3S)-(-)-苏阿糖2/ 含两个相同手性碳原子的化合物 COOHCOOHOHOHH

17、HCOOHCOOHHOHOHHCOOHCOOHOHHOHHCOOHCOOHOHHOHH(1) (2) (3) (+)-酒石酸 (4) (-)-酒石酸(R)(R)(R)(R)(S)(S)(S)(S) mp D(水) 溶解度(g/100ml) pKa1 pKa(+)-酒石酸 170oc +12.0 139 2.98 4.23(-)-酒石酸 170oc -12.0 139 2.98 4.23()-酒石酸 (dl) 206oc 0 20.6 2.96 4.24meso-酒石酸 140oc 0 125 3.11 4.80以酒石酸为例 1和2，3和4互为对映关系，但仔细观察会发现1和2可以重合，是同一物质

18、。这是因为1和2分子中有一个对称面，因此分子无手性。把分子内含有平面对称性因素的没有旋光性的立体异构体称为内消旋体(meso)。可见：分子有手性中心，分子不一定有手性。 1和3或4是非对映体。等量的3和4构成外消旋体，但外消旋体是混合物，在性质上不同于内消旋化合物。 一个含有n个不对称碳原子的直链化合物，如果它有可能出现内消旋型的旋光异构体，那么它的旋光异构体的数目将少于2n个。 将外消旋体拆分成左旋体和右旋体，称为外消旋体的拆分。8.6 8.6 外消旋体的拆分外消旋体的拆分 1.化学拆分法形成和分离非对映体异构体的拆分法() -RCOOH + ()-RNH2成盐分级结晶HClHCl(+)-R

19、COO ()-RNH2()-RCOO ()-RNH2(+)-RCOOH + ()-RNH3Cl()-RCOOH + ()-RNH3Cl+（1）拆分剂与被拆分物之间易反应合成, 又易被分解。（2）两个非对映立体异构体在溶解度上 有可观的差别。（3）拆分剂 应当尽可能地达到旋光纯度。（4）拆分剂必须是廉价的，易制备的， 或易定量回收的。拆分试剂的条件1g R氨基醇5g S +5g R 氨基醇饱和液（80，100ml）析出2g R 氨基醇（余下4g R,5g S）分去晶体，剩下母液过滤加水至100ml冷却至2080加2g消旋体冷却至202g S 氨基醇析出2. 2. 接种结晶析解法接种结晶析解法 一

20、个例子：一个例子：3.微生物或酶作用下的析解 生物体中的酶或细菌等具有旋光性，当它们与外消旋体作用时，具有较强的选择性。例如，在外消旋酒石酸中培养青霉素，只消耗右旋酒石酸，留下左旋酒石酸。4.色谱分离法 选择光活性物质作柱色谱的吸附剂5. 机械分离法8.8 环状化合物的立体异构 判别单环化合物旋光性的方法 实验证明：单环化合物有否旋光性可以通过其平面式的对称性来判别，凡是有对称中心和对称平面的单环化合物无旋光性，反之则有旋光性。AAAA无旋光（对称面） 有旋光8.7 手性合成（不对称合成） （自学）AAAAAAAA无旋光（对称中心）有旋光无旋光(对称面)无旋光（对称面）AAAAAAAA无旋光（

21、对称面）有旋光无旋光（对称面）有旋光 对于具有手性的环状化合物，仅用顺、反标记不能表明其构型，必须采用R,S标记。例如：HCOOHCOOHHHCOOHCOOHH(1R,2R)-1,2-环丙烷二甲酸(1S,2S)-1,2-环丙烷二甲酸HCOOHCOOHH该顺式化合物与上面的两个反式异构体互为非对映异构体。1. 有手性中心的旋光异构体一对对映体已拆分NRRRNRRRC6H5H3CNC H2C6H5C H2C HC H2+未拆分出光活异构体（未分电子对起不到一个键的作用。）除C外，N、S、P、As 等也能作 手性中心8.9 不含手性碳原子化合物的对映异构 （1）丙二烯型的旋光异构体（A）两个双键相连2. 有手性轴的旋光异构体CCCH3CH3HHC手性轴CCC