第3章立体化学基础

1、第第3 3章章 内容提要：内容提要：一、构象异构一、构象异构二、顺反异构二、顺反异构三、对映异构三、对映异构 立体化学起源于立体化学起源于1848年，年， 法国化学家法国化学家巴斯德巴斯德(Pasteur)将外消旋的酒石酸铵钠的结晶，分离成左旋体和右旋将外消旋的酒石酸铵钠的结晶，分离成左旋体和右旋体，从而发现了对映异构现象。体，从而发现了对映异构现象。立体化学立体化学是研究化合物分子在三维空间的立体形象与是研究化合物分子在三维空间的立体形象与其物理性质、反应性能以及生理活性之间的关系的科其物理性质、反应性能以及生理活性之间的关系的科学。学。立体化学立体化学已成为化学学科的一个重要分支，研究分子

2、已成为化学学科的一个重要分支，研究分子的立体结构与性能之间的关系已成为化学的一项重要的立体结构与性能之间的关系已成为化学的一项重要内容。内容。 有机化合物的异构现象有机化合物的异构现象异构异构 构造异构构造异构 立体异构立体异构 碳链异构碳链异构 （碳链排列不同）（碳链排列不同） 官能团位置异构官能团位置异构官能团异构官能团异构（例：醚与醇）（例：醚与醇） 互变异构互变异构 构型异构构型异构 构象构象顺反异构顺反异构 旋光异构旋光异构 （非同分异构，同一化（非同分异构，同一化合物不同的空间取向）合物不同的空间取向） （空间排列（空间排列方式不同）方式不同） 碳链异构碳链异构 例如：例如： 正丁

3、烷与异丁烷正丁烷与异丁烷互变异构互变异构 例如：烯醇式与醛、酮例如：烯醇式与醛、酮官能团位置异构官能团位置异构 例如：苯取代基的邻、间例如：苯取代基的邻、间 和对位异构和对位异构 CH2CHOHCH3CHO构造构造: 分子中原子的排列次序不同分子中原子的排列次序不同构型构型: 分子中原子的排列次序相同，空间取向不同分子中原子的排列次序相同，空间取向不同构象构象: 分子中由于单键可旋转，引起的原子或基团分子中由于单键可旋转，引起的原子或基团空间取向不同，同一分子有无数构象式空间取向不同，同一分子有无数构象式1 1 烷烃的构象：烷烃的构象：键可自由旋转(成键原子绕键轴的相对旋转不改变电子云的形状)

4、 构构 象象一个已知构型的分子，仅由一个已知构型的分子，仅由于单键的旋转而引起分子中于单键的旋转而引起分子中的原子或基团在空间的特定的原子或基团在空间的特定排列形式称为构象。排列形式称为构象。 构象异构体构象异构体单键旋转时会产生无单键旋转时会产生无数个构象，这些构象数个构象，这些构象互为构象异构体（或互为构象异构体（或称旋转异构体）。称旋转异构体）。一、构象异构一、构象异构烷烃分子立体形状表示方法：烷烃分子立体形状表示方法：C CC CH HH HH HH HH HH H 实线实线- -键在纸平面上键在纸平面上; ; 楔线楔线- -键在纸平面前键在纸平面前; ; 虚线虚线- -键在纸平面后。

5、键在纸平面后。 乙烷的构象乙烷的构象重叠式（由重叠式（由H-C-C-HH-C-C-H组成的两面角为组成的两面角为0 0o o）交叉式（由交叉式（由H-C-C-HH-C-C-H组成的两面角为组成的两面角为6060o o）Newman投影式的写法：投影式的写法： (1). (1). 从从C-CC-C单键的延线上观察：单键的延线上观察： 前碳 后碳 (2).(2). 固定固定“前前”碳，将碳，将“后后”碳沿键轴旋转，得到乙烷碳沿键轴旋转，得到乙烷 的各种构象的各种构象。 最典型的有两种：最典型的有两种：重叠式和交叉式重叠式和交叉式。 构象的表示构象的表示 极限构象式：能量最低和最高极限构象式：能量最

6、低和最高H HH HH HH HH HH HH HH HC C C CH HH HH HH HH HH HH HH HH HH HH HH H重重叠叠式式H HH HH HH HH HH HCH HH HH HH HH HH HH HH HH HH HH HCHHH交交叉叉式式 楔形式楔形式 锯架式锯架式 纽曼式纽曼式 楔形式楔形式 锯架式锯架式 纽曼式纽曼式 介于重叠式与交叉式之间的无数构象称为扭曲式构象。介于重叠式与交叉式之间的无数构象称为扭曲式构象。HHHHHHHHHHHHCH3CH3HHHHHHHHCH3CH3HHHHCH3CH3对位交叉式部分重叠式邻位交叉式IIIIII0。60120

7、CH3HHHHH3CHHHHCH3H3CCH3HHHHH3C全重叠式邻位交叉式部分重叠式IVVVI。180240300注意：常温下，丁烷主要是以对位交叉式存在，全重叠式实际上不存在。 丁烷的构象丁烷的构象丁烷的能量图如下：丁烷的能量图如下：1345670o60o120o180o2400300o360o0 KJ3.8 KJ 14.6 KJ22.6 KJCH3H3CHHHHCH3CH3HHHHH3CH3CHHHH246沿沿C C2 2-C-C3 3键轴旋键轴旋转的转动能垒转的转动能垒 22.6 kJmol22.6 kJmol- -1 1CH3CH3HHHHCH3CH3HHHHCH3CH3HHHHC

8、H3CH3HHHH1357高级烷烃的碳链呈锯齿形高级烷烃的碳链呈锯齿形HHHHHHHHHHHH 由于分子主要以交叉式构象的形式存在，由于分子主要以交叉式构象的形式存在，所以高级烷烃的碳链呈所以高级烷烃的碳链呈锯齿形。锯齿形。18901890年，年，H. Sachse H. Sachse 对拜尔张力学说提出异议。对拜尔张力学说提出异议。19181918年，年，E. Mohr E. Mohr 提出非平面、无张力环学说。指提出非平面、无张力环学说。指 出用碳的四面体模型可以组成两种环己出用碳的四面体模型可以组成两种环己 烷模型。烷模型。2 环己烷的构象环己烷的构象椅式构象椅式构象 船式构象船式构象环

9、己烷分子中的六个碳不共平面，且六元环是无环己烷分子中的六个碳不共平面，且六元环是无张力环，键角为张力环，键角为109.5109.5。 环己烷有两种构象：环己烷有两种构象： 椅型船型稳定不稳定 两种构象通过两种构象通过C-CC-C单键的旋转，可相互转变；单键的旋转，可相互转变； 室温下，环己烷主要在椅型构象存在室温下，环己烷主要在椅型构象存在(99.9%(99.9%以上以上) )。为什么椅型构象稳定为什么椅型构象稳定? ? 椅式构象椅式构象(Chair form)碳碳2、3、5、6在同一平面上是椅座。在同一平面上是椅座。碳碳1、2、6在同一平面上是椅背。在同一平面上是椅背。碳碳4、3、5在同一平

10、面上是椅腿。在同一平面上是椅腿。234561船式构象船式构象(boat form)123456碳碳2、3、5、6在同一平面上是船底。在同一平面上是船底。碳碳1、4在同一侧是船头。在同一侧是船头。椅式构象张力分析椅式构象张力分析:角角 张张 力力:键角为正常的键角为正常的10928，无角张力无角张力扭转张力扭转张力:相邻碳上的氢都是交叉式构象，相邻碳上的氢都是交叉式构象，无扭转张力无扭转张力范氏张力范氏张力:相互邻近氢之间的距离都大于两个氢原子相互邻近氢之间的距离都大于两个氢原子 的范氏半径之和的范氏半径之和240pm，无范氏张力。无范氏张力。环己烷的椅式构象为无张力环环己烷的椅式构象为无张力环

11、HHHHHHHHHHHH123456251pm249pm250pm椅式构象的椅式构象的Newman投影式投影式 HHHHHHHH123456环己烷的船式构象环己烷的船式构象: :123456HHHHHHHHHHHH锯架式锯架式 纽曼式纽曼式HHHHHfHfHHHHHH123456 183pm227pm250pmHf：习惯上称为旗杆氢。习惯上称为旗杆氢。船式环己烷张力分析船式环己烷张力分析:角角 张张 力：力：无无； 扭扭 转张力：转张力：有有；范德华张力：范德华张力：HfHf 和船底氢之间的距离均小于和船底氢之间的距离均小于240pm，有有范氏张力。范氏张力。 : 1 椅式椅式 船式船式HHH

12、HHHHHHHHH123456251pm249pm250pmHHHHHHHHHHHH123456183pm227pm250pm环己烷构象转换的势能图环己烷构象转换的势能图 势能势能椅式船式扭船式5.423.546O半椅式 （2 2）椅式构象中的横键和竖键）椅式构象中的横键和竖键 （axial）键）键: 与对称轴平行，叫竖键或键。与对称轴平行，叫竖键或键。（equatorial）键）键: 几乎垂直于对称轴，叫做横键（平几乎垂直于对称轴，叫做横键（平伏键）或键。伏键）或键。 竖键竖键（a）横键横键（e）三上三下，三上三下，三左三右，三左三右，aeae夹角夹角109109 翻环作用翻环作用: 当环己

13、烷的一个椅式构象转变为另一个椅当环己烷的一个椅式构象转变为另一个椅式构象时，原来的键将转变为键，而键也相应式构象时，原来的键将转变为键，而键也相应转变为键。转变为键。 椅式构象中椅式构象中1.3.5碳在一个平面，碳在一个平面， 2.4.6碳在另一平面，两平面相距碳在另一平面，两平面相距 0.5nm。 分子中有分子中有6个个键键(直立键直立键)，6个个 e键键(平伏键平伏键)。 构象具有转环作用构象具有转环作用(104105次次/秒秒)。 椅式构象的特点椅式构象的特点:（3）取代环己烷的构象）取代环己烷的构象 当环己烷分子中的一个氢被其它基团取代时，可取代当环己烷分子中的一个氢被其它基团取代时，

14、可取代键，也可以取代键，得到两种不同的构象。键，也可以取代键，得到两种不同的构象。 甲基环己烷：甲基环己烷： 优势构象优势构象(95%)取代环己烷优势构象判断的一般规律：取代环己烷优势构象判断的一般规律：一元取代环己烷，一元取代环己烷，e e键取代最稳定键取代最稳定; ;多个相同取代基的环己烷，多个相同取代基的环己烷，e e键取代最多的键取代最多的构象最稳定；构象最稳定；含不同的取代基的环己烷，含不同的取代基的环己烷，较大的基团在较大的基团在e e键的构象较稳定。键的构象较稳定。顺顺-1，2-二甲基环己烷：二甲基环己烷：两种构象（两种构象（ea/aeea/ae）的稳定性是一样的。）的稳定性是一

15、样的。反反-1，2-二甲基环己烷：二甲基环己烷：ee取代优势取代优势 (99%) 2 x 3.8 = 7.62 x 3.8 = 7.63.8= 15.2 kJ322 x 1.0 = 2.02 x 11.4 = 22.8顺顺-1-叔丁基叔丁基-4-氯环己烷：氯环己烷：某些取代环己烷，张力特别大时，环己烷的椅某些取代环己烷，张力特别大时，环己烷的椅式构象会发生变形，甚至会转变为船式构象式构象会发生变形，甚至会转变为船式构象HC(CH3)3CH3CCH3H3C椅式HC(CH3)3C(CH3)3H 船式优势构象（4）二取代环己烷的构象）二取代环己烷的构象Hassel规则规则 带有相同基团的多取代环己烷

16、，如果没有其它因素带有相同基团的多取代环己烷，如果没有其它因素的参与，那末在两个构象异构体之间，总是有较多取代基的参与，那末在两个构象异构体之间，总是有较多取代基取取e键向位的构象为优势构象。键向位的构象为优势构象。Barton规则规则带有不同基团的多取代环己烷，如果没有其它因素的带有不同基团的多取代环己烷，如果没有其它因素的参与，那末其优势构象总是趋向于使作用最强的和较强的参与，那末其优势构象总是趋向于使作用最强的和较强的基团尽可能多地取基团尽可能多地取e键的向位。键的向位。两个规则两个规则da)b)c)d)e)下列构象中哪一个是下列构象中哪一个是的优势构象？的优势构象？C(CH3)3CH3

17、C(CH3)3CH3ABC(CH3)3CH3CC(CH3)3CH3DCH3HHC(CH3)3(3)（B） 练习1CH(CH3)2CH3CH3(1)CH3BrC(CH3)3(2) 练习2H3CHCH3HHCH(CH3)2BrH(H3C)3CCH3H 写出下列化合物的优势构象：写出下列化合物的优势构象：OH(3)OHOOHH下列异构体中哪一个最稳定？并指出其中的构下列异构体中哪一个最稳定？并指出其中的构象异构体和顺反异构体。象异构体和顺反异构体。 顺顺(、取代、取代) 反反(、取代、取代) 反反(、取代、取代) （最稳定）（最稳定）1,3-和和1,4-二甲基环己烷的情况如何？二甲基环己烷的情况如何

18、？CH3CH3CH3CH3CH3CH3 练习3椅型构象：椅型构象：654321123456所有两个相邻的碳原子的碳氢键都处于交叉式位置；所有两个相邻的碳原子的碳氢键都处于交叉式位置；所有环上氢原子间距离都相距较远，无非键张力。所有环上氢原子间距离都相距较远，无非键张力。 船型构象：船型构象：123456123456HHC C2 2-C-C3 3及及C C5 5-C-C6 6间的碳氢键处于重叠式位置；间的碳氢键处于重叠式位置； 船头和船尾上的两个碳氢键向内伸展，相距较近，船头和船尾上的两个碳氢键向内伸展，相距较近， 比较拥挤，存在非键张力。比较拥挤，存在非键张力。 我们重点掌握椅型构象我们重点掌

19、握椅型构象 只能取船型的环己烷衍生物只能取船型的环己烷衍生物平面式平面式折叠式折叠式四元环四元环 其它环的构象其它环的构象转换能量转换能量 E = 6.3 KJmol-1五元环五元环信封式信封式半椅式半椅式环状化合物环状化合物 烯烃：烯烃： 相同或相似原子或基团处于同相同或相似原子或基团处于同侧为顺，异侧为反侧为顺，异侧为反. .HHCH3CH3CH3HCH3HHHCH3CH3CH3HCH3H顺顺-1-1，2-2-二甲基环丙烷二甲基环丙烷反反- 1- 1，2-2-二甲基环丙烷二甲基环丙烷顺顺-2-2-丁烯丁烯反反-2-2-丁烯丁烯二二 顺反异构顺反异构 b.p.() n20D d204 cis

20、 (或或Z型型) 60.3 1.4486 1.2835 1 1，2-2-二氯乙烯二氯乙烯 trans(或或E型型) 48.4 1.4454 1.2565 S（g/100mLH2O） m.p.() cis (或或Z型型) 77.8 130 trans(或或E型型) 0.7 300 顺反异构体性质差别顺反异构体性质差别 丁烯二酸丁烯二酸(1) 物理性质物理性质HCOOHHCOOHCCCCOOHHO+H2O140cis-(trans-)275(trans-)275部分反应部分反应 (2) 化学性质化学性质(3)3) 生理活性也不同。生理活性也不同。 例如合成的代用品己烯雌酚，反式异构体生理活例如合成

21、的代用品己烯雌酚，反式异构体生理活性较大，顺式则很低。性较大，顺式则很低。 顺顺- -己烯雌酚己烯雌酚 反反- -己烯雌酚己烯雌酚( (生理活性大）生理活性大） CH3CH2CH3CH2CCOHOHCH3CH2CCCH2CH3OHHOCH3(CH2)4CHCHCH2CCHHCH2CCHHCH2CCHH(CH2)3COO H花生四烯酸（全顺式）花生四烯酸（全顺式） CH2OH（维生素（维生素A,全反式）全反式） 维生素维生素A的结构中具有四个双键，全部是反式构型。的结构中具有四个双键，全部是反式构型。如果其中出现顺式结构则生理活性大大降低；如果其中出现顺式结构则生理活性大大降低；有降血脂作用的有

22、降血脂作用的亚油酸亚油酸和和花生四烯酸花生四烯酸则全部为顺式构型。则全部为顺式构型。 (1)(1)顺顺/ /反构型标记反构型标记 两个双键碳上相同的原子或原子团在双键的同一两个双键碳上相同的原子或原子团在双键的同一侧者，称为顺式，反之称为反式。例：侧者，称为顺式，反之称为反式。例：C=CHCH3H3CHCH3C=CH3CHH顺- 2-丁 烯I反- 2-丁 烯I Im.p -105 C。m.p -132 C。：( )( )2-丁烯:cis-2-butene trans-2-butene C=CH3CBrClHC=CH3CHClBrCH3C=CH3CHHC=CHCH3H3CH顺-2-丁烯反-2-丁

23、烯？ 对后两个的化合物进行命名，不能用顺反命名！对后两个的化合物进行命名，不能用顺反命名！Z,E-命名法命名法问题：Z/E命名法命名法采用顺序规则采用顺序规则 把双键碳上的取代基按原子序数排列，大的基团在同侧者把双键碳上的取代基按原子序数排列，大的基团在同侧者为为Z Z，大基团不在同侧者为，大基团不在同侧者为E E。 ZZuasmmenZZuasmmen，共同，共同 E Entgengen,E Entgengen,相反相反C=CH3CBrClH大小小大E-1-E-1-氯氯2-2-溴丙烯溴丙烯Z-1-Z-1-氯氯2-2-溴丙烯溴丙烯C=CH3CHClBr大小小大HHCH3CH3C2H5HCH3C

24、H3C2H5(H3C)2HCH2C=HCCH3C2H5ClH3CH（Z）-2-丁烯丁烯（E）-3-甲基甲基-2-戊烯戊烯 （E）-4-甲基甲基-3-异丙基异丙基 -1，3-己二烯己二烯（Z）-2-氯氯-2-戊烯戊烯n20世纪世纪50年代中期，年代中期，反应停（反应停（沙利度胺，沙利度胺，Thalidomide）作为镇静剂，有减轻孕妇清晨呕吐的作用而被广泛应用。作为镇静剂，有减轻孕妇清晨呕吐的作用而被广泛应用。结果在欧洲导致结果在欧洲导致1.2万例胎儿致万例胎儿致 残，即海豹婴。于是残，即海豹婴。于是1961年该药从市场上撤消。后来发现沙利度胺年该药从市场上撤消。后来发现沙利度胺R型具有型具有镇

25、静作用镇静作用，而，而S型却是致畸的罪魁祸首型却是致畸的罪魁祸首。研究人员进一。研究人员进一步研究发现沙利度胺任一异构体在体内都能转变为相应步研究发现沙利度胺任一异构体在体内都能转变为相应对映体，因此无论是对映体，因此无论是S型还是型还是R型，作为药物都有致畸型，作为药物都有致畸作用。作用。反应停事件反应停事件:(S)-thalidomide(R)-thalidomide反应停事件反应停事件NOONHHOONOONHHOOn1984年荷兰药理学家年荷兰药理学家Ariens极力极力提倡手性药物以单提倡手性药物以单一对映体上市一对映体上市， 抨击以消旋体形式进行药理研究抨击以消旋体形式进行药理研究

26、以及上市。他的一系列论述的发表，引起药物部以及上市。他的一系列论述的发表，引起药物部门广泛的重视。门广泛的重视。n2001年诺贝尔化学奖授予了年诺贝尔化学奖授予了3位美日科学家，表彰位美日科学家，表彰他们在他们在手性催化氢化反应和手性催化氧化手性催化氢化反应和手性催化氧化反应领反应领域所做出的重大贡献。域所做出的重大贡献。n目前，研究和发展新的手性技术，借此获得光学目前，研究和发展新的手性技术，借此获得光学纯的手性药物，已成为许多实验室和医药公司追纯的手性药物，已成为许多实验室和医药公司追求的目标。求的目标。 1 1、物质的旋光性、物质的旋光性（1）平面偏振光）平面偏振光平面偏振光（平面偏振光

27、（plane-polarized light）：只在只在一个平面上振动的光，简称偏振光。一个平面上振动的光，简称偏振光。旋光性（旋光性（optical activity）：）：物质能使偏振物质能使偏振光的振动面旋转的性能。有旋光性的物质光的振动面旋转的性能。有旋光性的物质叫旋光性物质或光活性物质。叫旋光性物质或光活性物质。手性化合物都具有旋光性。手性化合物都具有旋光性。 旋光仪示意图旋光仪示意图 光源光源起偏镜起偏镜 普通光普通光 偏振光偏振光 旋光管旋光管 检偏镜检偏镜旋光性物质旋光性物质偏偏振振光光的的产产生生普普通通光光N Ni ic co ol l棱棱镜镜偏偏振振光光 旋光度旋光度（）

28、：）： 偏振光的偏振面被旋光性偏振光的偏振面被旋光性 物质所旋转的角度。物质所旋转的角度。 能使偏振光的偏振面向右旋能使偏振光的偏振面向右旋(dextrorotation) 即即顺时针方向旋转的物质称为右旋体顺时针方向旋转的物质称为右旋体 (或或d) ； 能使偏振光的偏振面向能使偏振光的偏振面向左旋左旋 (levorotation)即即逆逆时针旋转的物质称时针旋转的物质称 左旋体左旋体(或或l)。（2 2）比旋光度）比旋光度t：测定时的温度（：测定时的温度（）D：光源（钠光，：光源（钠光，589nm）l：旋光管长度（：旋光管长度（dm） C：溶液浓度（：溶液浓度（gml-1） 如：如： 3.9

29、820D（c，1，CH3OH） 比旋光度：比旋光度：一定温度下，浓度为一定温度下，浓度为1gml-1的待测物质，的待测物质，在在1dm长的旋光管中，光源波长为长的旋光管中，光源波长为589nm（钠光（钠光D线）线）时测得的旋光度。以时测得的旋光度。以表示。表示。比旋光度与旋光度的比旋光度与旋光度的关系如下：关系如下：例如：在胆固醇的氯仿溶液中，浓度为例如：在胆固醇的氯仿溶液中，浓度为260mg/5ml，放入放入5cm长的盛液管中在室温（长的盛液管中在室温（20）下测定其旋）下测定其旋光度为光度为-2.5，求它的比旋光度？，求它的比旋光度？Dt=D20=/(L*c)=-2.5/(0.5dm*0.

30、26g/5ml)=-96 一对对映异构体，若一个是左旋，另一个必定是右一对对映异构体，若一个是左旋，另一个必定是右旋，其旋转度数相等，但方向相反。旋，其旋转度数相等，但方向相反。 （1）手性（）手性（chirality）分子）分子 象人的左、右手一样，互为实物与镜象象人的左、右手一样，互为实物与镜象关系，彼此又不能重合的性质称为关系，彼此又不能重合的性质称为手性手性。2 2、手性与对称性、手性与对称性手性手性(Chirality)：自然界的基本属性自然界的基本属性手性药物：手性药物：一把钥匙开一把锁！一把钥匙开一把锁！左手性的紫藤和右手性的紫藤左手性的紫藤和右手性的紫藤紫藤茎缠绕的手性特征，与

31、紫藤茎缠绕的手性特征，与紫藤属不同的种相关。同种紫藤的茎不大可能表现不同的手性紫藤属不同的种相关。同种紫藤的茎不大可能表现不同的手性缠绕特征。图中所示为紫藤属中缠绕特征。图中所示为紫藤属中左手性的紫藤左手性的紫藤( (Wisteria Wisteria sinensissinensis) )。 互为实物与镜像关系，又不能重叠的分子，互为实物与镜像关系，又不能重叠的分子，称称手性分子（手性分子（chiral molecule）。 例如：例如：乳酸分子乳酸分子 CCO2HOHHCH3镜子CCO2HHHOH3C镜子 存在实物和镜像关系，又不能重叠的一存在实物和镜像关系，又不能重叠的一对立体异构体，互

32、为对立体异构体，互为对映异构体对映异构体（简称对映（简称对映体体enantiomer）。）。 手性因素：手性因素：n使分子具有手性的几何因素有：使分子具有手性的几何因素有：手性中心、手性中心、手手性面、手性轴。性面、手性轴。n手性中心手性中心 能引起分子具有手性的一个特定原子或分子骨能引起分子具有手性的一个特定原子或分子骨架的的中心称为手性中心（架的的中心称为手性中心（chiral center）。）。n凡是连有凡是连有4个不同原子或基团的碳原子称个不同原子或基团的碳原子称为为(chiral carbon atom)，或称，或称(chiral center)。n含有一个手性碳原子的化合物只有一

33、对对含有一个手性碳原子的化合物只有一对对映体。映体。 CH3CH2CHCH3OH*CCH3HOC2H5HCCH3OHHH5C2对映体对映体 例：例： 紫杉醇的结构中含有多少个手性碳原子紫杉醇的结构中含有多少个手性碳原子? ?紫杉醇的结构紫杉醇的结构紫杉醇的结构中含有紫杉醇的结构中含有1111个手性碳原子个手性碳原子紫杉醇的结构紫杉醇的结构*对称面对称面 能将分子结构剖成互为实物和镜像关系能将分子结构剖成互为实物和镜像关系两半的平面两半的平面(symmetrical plane, 符号为符号为)。（2 2）对称因素）对称因素 注意：注意：在考察分子的对称因素时，应将原子或原子在考察分子的对称因素

34、时，应将原子或原子团看作球形。团看作球形。 有对称面的分子与它的镜像能重合，因此没有对称面的分子与它的镜像能重合，因此没有对映异构现象，称为有对映异构现象，称为非手性分子非手性分子（achiral molecule）。）。问题：下列分子有无对称面？问题：下列分子有无对称面？ C ClHHCl2个对称面个对称面7个对称面个对称面nA onlynB onlynC onlynA and CnB and CCH3ClBrCH3ClClBrABC结论：结论：含对称中心的分子，与其镜像能够重合，含对称中心的分子，与其镜像能够重合，是对称分子，即非手性分子。是对称分子，即非手性分子。假若分子中有一点，在所有

35、通过该假若分子中有一点，在所有通过该点的直线上在距该点等距离处，具有相同的原子或基点的直线上在距该点等距离处，具有相同的原子或基团，该点就叫分子的对称中心团，该点就叫分子的对称中心 。ClHFHFHClHClHFHFHClH 对称轴（对称轴（Cn） 假若有一条穿过分子的直线假若有一条穿过分子的直线,分子以它为轴分子以它为轴旋转旋转360/ /n后，分子得到与原来相同的形象后，分子得到与原来相同的形象, 该直线就叫做分子的该直线就叫做分子的 n 重对称轴。重对称轴。 （1）建造一个分子和它的镜像的模型，如）建造一个分子和它的镜像的模型，如果两者不能重合，就存在对映体。果两者不能重合，就存在对映体

36、。 （2）如果分子有对称面或对称中心，那么）如果分子有对称面或对称中心，那么它和其镜像就能重合，就不存在对映体。它和其镜像就能重合，就不存在对映体。 （3）如果一个分子有一个手性碳原子，它）如果一个分子有一个手性碳原子，它就具有对映异构现象，有一对对映体。就具有对映异构现象，有一对对映体。CH3CHCO2HNH2C C CH3 HH CH3CH3C2H5手性分子手性分子手性分子手性分子问题：下列哪些是手性分子？问题：下列哪些是手性分子？CH3C2H5 三维立体结构三维立体结构CCH3HOC2H5HCCH3OHHH5C22-丁醇的一对对映体丁醇的一对对映体Fischer投影式书写规则投影式书写规

37、则 ：(1) 碳链竖写，氧化态较高的基团写在顶端；碳链竖写，氧化态较高的基团写在顶端；(2) 水平线与垂直线交叉点代表水平线与垂直线交叉点代表C*； (3) 水平线上基团伸向纸前面，垂直线上基团伸向纸水平线上基团伸向纸前面，垂直线上基团伸向纸后面；后面；(4) 多个手性碳以重叠式进行投影。多个手性碳以重叠式进行投影。 费歇尔费歇尔(Fischer)投影式投影式CH3COOHHOHCH3COOHOHH乳酸的投影式：乳酸的投影式：(+)- (+)- 酒石酸：酒石酸： HOHHOHCCCOOHCOOHCOOH OH HCOOHHO H 透视式透视式 Fischer投影式投影式 Fischer投影式特

38、点：投影式特点：（1）投影式在纸平面上旋转）投影式在纸平面上旋转180时，时，构型不变；构型不变； （2）投影式在纸平面上旋转）投影式在纸平面上旋转90时，时，构型改变构型改变；（3）投影式离开纸面翻转）投影式离开纸面翻转180时，时，构型改变构型改变；（4）投影式中，制定一个基团不动，其余三个依）投影式中，制定一个基团不动，其余三个依次顺时针或逆时针顺序调换，其次顺时针或逆时针顺序调换，其构型不变构型不变。ClCH3C2H5HClCH3C2H5H旋转180同一化合物ClCH3C2H5H旋转90对映异构体ClCH3C2H5H翻转对映异构体一个取代基保持不变，其余三个依次换位，一个取代基保持不变

39、，其余三个依次换位，不改变构型。不改变构型。ClCH3C2H5HClCH3C2H5H同一化合物固定甲基，其余三个顺时针转下列各表达式代表的是同一物还是对映体？下列各表达式代表的是同一物还是对映体？CH3COOHOHHCOOHHCH3HOCCH3COOHOHH（2）（3）（1）同一物同一物费歇尔投影式与其它立体表达式的转换费歇尔投影式与其它立体表达式的转换BrBrCH3CH3HHBrCH3HBrH3CH旋转CH3CH3BrHBrHHHBrCH3BrH3C投影CH3CH3BrHHBr重叠式重叠式含有一个手性碳原子的化合物只有一对对映体。含有一个手性碳原子的化合物只有一对对映体。CH3HOHCOOH

40、CCH3HOHCOOHC例如：乳酸分子例如：乳酸分子 3、含一个手性碳原子化合物的对映异构、含一个手性碳原子化合物的对映异构（1）外消旋体）外消旋体（racemic mixture 或或racemate）：）：等量的左旋体和右旋体的混合物。用（等量的左旋体和右旋体的混合物。用（）或）或dl表示。表示。 思考：外消旋体是否显旋光性？为什么？思考：外消旋体是否显旋光性？为什么？ 乳酸有三种不同旋光现象乳酸有三种不同旋光现象：从肌肉组织中分离出：从肌肉组织中分离出来的乳酸为右旋乳酸；由左旋杆菌使葡萄糖发酵来的乳酸为右旋乳酸；由左旋杆菌使葡萄糖发酵而产生的乳酸为左旋乳酸；而由一般化学合成的而产生的乳酸

41、为左旋乳酸；而由一般化学合成的乳酸则为外消旋体。乳酸则为外消旋体。 描述一个对映异构体样品的用描述一个对映异构体样品的用对映体过量百分率对映体过量百分率（e.e enantiomeric excesse.e enantiomeric excess）来衡量。）来衡量。对映体过量百分率= R S S+ R=1 0 0 %R - %S立体选向百分率= A B B+ A=1 0 0 %A - %B（2）. 对映体的纯度对映体的纯度光学纯度光学纯度: :样品样品的比旋光度除以该纯净物质的比旋光的比旋光度除以该纯净物质的比旋光度称为手性产物的光学纯度，若旋光度与对映体的度称为手性产物的光学纯度，若旋光度与

42、对映体的组成成正比组成成正比，则光学纯度与对映体过量百分率相等。则光学纯度与对映体过量百分率相等。如某样品的如某样品的ee为为50%，则左旋体和右旋体各为多少？，则左旋体和右旋体各为多少？4、对映异构体的构型标记、对映异构体的构型标记 （1）. D/L标记法标记法以下是与以下是与(+)-甘油醛比较得出的，故用这种方法标甘油醛比较得出的，故用这种方法标记的构型叫记的构型叫相对构型相对构型。 HHOHCHOCH2OHCH2OHCHOHOD-(+)甘油醛甘油醛 L-(-)甘油醛甘油醛 HCH2OHCHOOHHCH2OHCOOHOHHCH3COOHOHOHD-(+)-甘油醛D-(-)-乳酸D-(-)-

43、甘油酸例如：例如：D-乳酸构型的关联乳酸构型的关联当一个光活性化合物在发生反应时，只要不对称当一个光活性化合物在发生反应时，只要不对称中心的键不发生断裂，分子的空间构型就保持不中心的键不发生断裂，分子的空间构型就保持不变。变。D/L构型和旋光方向没有必然的联系。构型和旋光方向没有必然的联系。例如：例如：注意：注意：要用规范的要用规范的Fischer投影式。投影式。D/L命名法的使用有一定的局限性，它只适用命名法的使用有一定的局限性，它只适用与甘油醛结构类似的化合物。目前，仍用于与甘油醛结构类似的化合物。目前，仍用于糖类和氨基酸的构型命名糖类和氨基酸的构型命名 。CH3HOHCOOHHCOOHH

44、OCH2COOHD-()乳酸乳酸 L-()苹果酸苹果酸 （2）. R/S绝对构型命名法绝对构型命名法 当化合物分子的空间构型可以测定后，当化合物分子的空间构型可以测定后，利用利用次序规则给次序规则给C*标定构型标定构型（次序规则（次序规则1956年由年由Cahn-Ingold-Prelog提出，提出，1970年年IUPAC接受了这一建议接受了这一建议) ，因为它，因为它反映的是反映的是分子中的原子或基团在空间的真实排列状况，分子中的原子或基团在空间的真实排列状况，所以叫绝对构型所以叫绝对构型。以。以R(Rectus拉丁文拉丁文“右右”)/S(Sinister拉丁文拉丁文“左左”)进行进行标记标

45、记。（1）按次序规则将）按次序规则将*C所连的四个基团由大到小排列，如：所连的四个基团由大到小排列，如：A B D E；（2）将末优基团（）将末优基团（E）原离视线，其余三个面向自己；）原离视线，其余三个面向自己；（3）若从）若从A到到B再到再到D的走向是的走向是顺时针走向，则是顺时针走向，则是R构型；构型；若是若是逆时针方向，则是逆时针方向，则是S构型。构型。眼睛ABDEHIClBrHIClBrR构型构型S构型构型I Br Cl H 一对对映体，一个是一对对映体，一个是R型，另一个型，另一个必为必为S型；若型；若R型是左旋的，型是左旋的，S型必型必然是右旋的。然是右旋的。旋光方向与旋光方向与

46、R、S构型构型没有必然的联系，旋光方向没有必然的联系，旋光方向目前只目前只能通过旋光仪测定。能通过旋光仪测定。 在在Fischer投影式中，当末优基处于竖键时，投影式中，当末优基处于竖键时，其它三个基团按优先次序顺时针排列为其它三个基团按优先次序顺时针排列为R-构构型，逆时针排列为型，逆时针排列为S-构型；构型；R-型型S-型型dbaebdae优先次序：优先次序：a b d eFischer投影式的投影式的R、S命名命名 当末优基处于横键时，其它三个基团按优当末优基处于横键时，其它三个基团按优先次序顺时针排列为先次序顺时针排列为S-构型，而逆时针排构型，而逆时针排列为列为R-构型。构型。eba

47、dbeadR-型型S-型型OHHCOOHCH3OHHCOOHCH3OHHCOOHCH3S S- -乳乳酸酸R R- -乳乳酸酸R R- -乳乳酸酸OHHCOOHCH3HCOOHCH3OHHCOOHCH3S S- -乳乳酸酸R R- -乳乳酸酸R R- -乳乳酸酸HO例如：例如：（1 1）标记下列化合物中手性碳的构型：）标记下列化合物中手性碳的构型： HCOOHOHHCOOHHCH3HOCCH3OHH（2）（3）（1）CH2ClCl12SS1S,2R（2）用）用R/S命名，并判断它们是同一物还是对映体？命名，并判断它们是同一物还是对映体？ HCH2CH3CH3BrH3CHBrCH2CH3BrCH

48、3CH2CH3H(A)(B)(C)(S)-2-溴丁烷溴丁烷R-S-（A）与（）与（B）互为对映体，（）互为对映体，（A）与（）与（C）为）为同一物质。同一物质。 5 5、含两个手性碳原子化合物的对映异构、含两个手性碳原子化合物的对映异构 （1）.含两个不相同手性碳的化合物含两个不相同手性碳的化合物 以以2,3,4-三羟基丁醛为例。三羟基丁醛为例。CH2CHOHOHCHOHCHOHHOHOHCHOCCCH2OHHOHOHHCHOCCCH2OHHHOHOHCHOCCCH2OHHOHOHHCHOCCCH2OH (a) (b) (c) (d) (2R,3R) (2S,3S) (2S,3R) (2R,3

49、S) 对映体对映体 对映体对映体 (a)与与(c)或或(d)、(b)与与(c)或或(d)间彼此间彼此不成镜像不成镜像关系的立体异构体称关系的立体异构体称非对映体非对映体(diasteroisomer)。 105Diastereomers含两个不同的含两个不同的*C的对映异构体的数目有的对映异构体的数目有4个。个。含含n个不同的个不同的*C原子的化合物，其对映异构体原子的化合物，其对映异构体的数目有的数目有2n个；有个；有2n-1对对映体。对对映体。葡萄糖分子中有葡萄糖分子中有4个手性碳原子，它有多少个手性碳原子，它有多少 个对映异构体？多少对对映体？个对映异构体？多少对对映体？分子中有几个手性

50、碳原子？分子中有几个手性碳原子？有多少个光学异构体？有多少个光学异构体？HOOCCHOHCHOHCOOH（2 2）. .含两个相同手性碳原子的化合物含两个相同手性碳原子的化合物 以酒石酸为例：以酒石酸为例：酒石酸的对映异构：酒石酸的对映异构：HOHOHHCO2HCCCO2HHHOHOHCO2HCCCO2HHHOHOHCO2HCCCO2HHOHOHHCO2HCCCO2H (a) (b) (c) (d) (c)与与(d)为相同化合物。因其为相同化合物。因其重叠式构象含对称面，重叠式构象含对称面，对位交叉式构象含对称中心对位交叉式构象含对称中心。是非手性分子，称是非手性分子，称内消内消旋体。旋体。

51、对映体对映体 相同相同内消旋体内消旋体(2R,3R)(2S,3S)(2R,3S)(2R,3S)内消旋酒石酸分子内消旋酒石酸分子 对称面对称面内消旋体：内消旋体：指分子中有指分子中有*C，但分子内有对称，但分子内有对称面或对称中心，因此分子无手性，即无对映面或对称中心，因此分子无手性，即无对映异构和旋光性。异构和旋光性。 内消旋酒石酸的两个内消旋酒石酸的两个邻位交叉式构象，相互对映，不邻位交叉式构象，相互对映，不能重合，有手性能重合，有手性。但由于它们的能量相同，存在的几但由于它们的能量相同，存在的几率相同，室温下又不能分离，所以相互抵消了旋光性，率相同，室温下又不能分离，所以相互抵消了旋光性，

52、整体表现不具旋光性。整体表现不具旋光性。 COOHHOHHCOOHHOCOOHHHCOOHOHOHHO内内消消旋旋酒酒石石酸酸的的一一对对构构象象对对映映体体HOOCHHHOCOOH内内消消旋旋酒酒石石酸酸的的对对位位交交叉叉式式构构象象（无无手手性性）对映异构与构象：对映异构与构象： 用构象分析说明内消旋体时，为什么仅考察其用构象分析说明内消旋体时，为什么仅考察其重叠式构象就能判断分子是否有手性呢？重叠式构象就能判断分子是否有手性呢？ 这是因为若分子的重叠式构象是非手性的，这是因为若分子的重叠式构象是非手性的，它的对位交叉式构象因存在对称中心也是非手它的对位交叉式构象因存在对称中心也是非手性

53、的，性的，而其它各种构象虽然有手性，但肯定存而其它各种构象虽然有手性，但肯定存在与之相对映的互为镜像关系的构象。在与之相对映的互为镜像关系的构象。酒石酸立体异构体的物理性质酒石酸立体异构体的物理性质 熔点熔点()溶解度溶解度(g) ()-酒石酸酒石酸()-酒石酸酒石酸(meso)-酒石酸酒石酸()-酒石酸酒石酸170170140206139.0139.0125.020.0-12 +12 0 0 20D分子中有分子中有n个相同手性碳原子，立体异构体个相同手性碳原子，立体异构体数目少于数目少于2n个。个。2 2，3 3，4-4-三羟基戊二酸：三羟基戊二酸：(1)=(1)(2)=(2)(3)=(4)

54、(4)=(3)6 6、含假手性碳原子的化合物、含假手性碳原子的化合物 HCOOHOHHOHCOOHHOHHOCOOHHHOHCOOHHOHHOCOOHHHOHCOOHHOHHCOOHOHHOHCOOHHOH（3）（3）（4）（4）HCOOHOHOHCOOHOHHHHOCOOHHHOHCOOHHOH（1）（1）OHHCOOHHOHCOOHHOH（2）HOCOOHHHOHCOOHHOH（2）假手性碳原子：假手性碳原子：两者都为内消旋体，互为非对映体两者都为内消旋体，互为非对映体HCOOHOHOHCOOHOHHH（1）C2-RC4-SC3-rHCOOHOHHOHCOOHHOH（2）C2-RC4-SC

55、3-s7 7、脂环化合物的对映异构、脂环化合物的对映异构 n脂环化合物的构型异构比较复杂，往往脂环化合物的构型异构比较复杂，往往顺反异构顺反异构和和对映异构对映异构同时存在，我们可以同时存在，我们可以先看它是否存在顺反先看它是否存在顺反异构，异构，再根据分子中是否存在对称面或对称中心来再根据分子中是否存在对称面或对称中心来判断旋光异构体有否。判断旋光异构体有否。n用用平面结构平面结构来分析是否有手性与用来分析是否有手性与用构象式构象式来分析来分析结结论一致。论一致。 1,2 -二甲基环丙烷，存在顺反异构体二甲基环丙烷，存在顺反异构体 1,2-二甲基环丁烷与二甲基环丁烷与1,2-二甲基环丙烷类似

56、。二甲基环丙烷类似。HHHHHHCH3CH3CH3CH3CH3CH3HHHHHH12*1221顺顺式式，反式，一对对映体（1 1R R，2 2S S）（1 1R R，2 2R R）（1 1S S，2 2S S）内内消消旋旋体体*1,3-二甲基环丁烷则不同，无论顺式还是反式，均二甲基环丁烷则不同，无论顺式还是反式，均可找到对称面，为非手性分子，不存在对映异构体。可找到对称面，为非手性分子，不存在对映异构体。由于它们没有手性碳，也不能称为内消旋体。由于它们没有手性碳，也不能称为内消旋体。 CH3CH3HHCH3CH3HHCH3CH3HHCH3CH3HH顺顺式式反式反反式式，一一对对对对映映体体顺顺

57、式式，内内消消旋旋体体HHCH3H3CHHCH3H3CHHCH3H3CRSSSRRHHCH3H3CHHCH3H3CHHCH3H3C反反式式，一一对对对对映映体体顺顺式式，内内消消旋旋体体RSSSRR1,2 -二甲基环己烷，顺式为内消旋，反式为对映体二甲基环己烷，顺式为内消旋，反式为对映体 1,3 -二甲基环己烷，顺式为内消旋，反式为对映体二甲基环己烷，顺式为内消旋，反式为对映体 8 8、不含手性碳化合物的对映异构、不含手性碳化合物的对映异构 大多数有旋光性的分子内都存在手性大多数有旋光性的分子内都存在手性碳原子。但也有一些化合物虽不含手性碳原子。但也有一些化合物虽不含手性碳原子，碳原子，整个分

58、子却包含了手性因素，整个分子却包含了手性因素，使其与它的镜像不能重合，产生一对对使其与它的镜像不能重合，产生一对对映体。映体。这类分子也是手性分子。常见的这类分子也是手性分子。常见的有联苯型和丙二烯型。有联苯型和丙二烯型。 （1）. 丙二烯型化合物丙二烯型化合物 丙二烯型化合物分子中有四个平面相互垂直，丙二烯型化合物分子中有四个平面相互垂直，两端碳原子上的两端碳原子上的键平面是相互垂直的，当两端碳键平面是相互垂直的，当两端碳原子上所连基团不相同时，分子就具有对映异构原子上所连基团不相同时，分子就具有对映异构体。体。C=C=CABBAC=C=CABBA丙二烯型丙二烯型（2）. 联苯型化合物联苯型

59、化合物: 在联苯分子中两个苯环以单键相连，在联苯分子中两个苯环以单键相连，两环可围绕单键进行旋转：但当两环可围绕单键进行旋转：但当2,2,6,6,-位位上的氢被较大基团取代时，则旋转受阻上的氢被较大基团取代时，则旋转受阻: 自由旋转自由旋转旋转受阻旋转受阻COOHNO2HOOCO2NNO2COOHO2NHOOCO2NHOOCN2OCOOH联苯型联苯型 6,6-二硝基二硝基-2,2-联苯二羧酸联苯二羧酸CCCCCCCH3HCH3HHCH3HCH3丙二烯型：丙二烯型：2,3-戊二烯戊二烯 其它与以上类似的还有螺环型和环与双键相连的化其它与以上类似的还有螺环型和环与双键相连的化合物。合物。例如例如:

60、HOOCHHCOOHHOOCHCOOHHHHOOCCOOHHH3CHCHCH3C它们在结构上的共通特点是：它们在结构上的共通特点是：两端碳原子上的两端碳原子上的-键平键平面相互垂直。面相互垂直。 （3）. 螺旋形分子螺旋形分子 例如例如:分子中首尾两个苯环不在一个平面，无对称面和对称分子中首尾两个苯环不在一个平面，无对称面和对称中心，是中心，是手性分子手性分子。（4）.手性杂原子手性杂原子 N、P和和S等多价原子。如：等多价原子。如：NCH3C2H5OC6H5PC3H7C6H5CH3+N、P和和S等多价原子。如：等多价原子。如：S-腺苷蛋氨酸下列哪些化合物为手性分子？下列哪些化合物为手性分子？