第二章立体化学基础

1、第二章 立体化学(Stereochemistry)同分异构现象同分异构现象 碳链异构碳链异构 构造异构构造异构 位置异构位置异构 官能团异构官能团异构 同分异构同分异构互变异构互变异构 顺反异构顺反异构 构型异构构型异构 立体异构立体异构旋光异构旋光异构 构象异构构象异构 第一节顺反异构 (Cis-trans isomerism)一、顺反异构的概念 烯烃分子中，由于双键中的 p-键不能自由旋转，因此，与双键碳原子相连的原子或基团在空间就有不同的排布方式，产生两种异构体，相同的原子或基团在双键的同侧为顺式（cis），异侧为反式（trans），它们互为顺反异构体。如顺-2-丁烯和 反-2-丁烯；顺

2、-丁烯二酸和反-丁烯二酸。 顺-2-丁烯 Z- 反-2-丁烯 E-CCCH3CH3HHHHCH3CH3CC 顺-丁烯二酸 Z- 反-丁烯二酸 E- HHCOOHCOOHCCHCCHCOOHCCHOOCH 并非所有具有双键的化合物都有顺反异构体，如丙烯就没有顺反异构体。这就是说，分子中具有双键只是产生顺反异构的一个条件，还存在其它条件。HHCH3CCHHCH3CCHH二、产生顺反异构的条件1、分子中具有不能自由旋转的因素；、分子中具有不能自由旋转的因素；2、不能旋转的原子上连有不同的原子或基团。、不能旋转的原子上连有不同的原子或基团。 分子是否具有顺反异构的两个充分必要条件。分子是否具有顺反异构

3、的两个充分必要条件。具有顺反异构的分子都符合这两个条件，符合这两个条件的分子都具有顺反异构。 CH2=CHCH2CH3, CH3CH=CHCH2CH3HOOCCOOHHOOCCOOHCH3CH3CH2CNOH.NN.三、顺反异构表示方法1、顺/反 构型表示法2、Z/E 构型表示法 两个较优先的基团位于双键的同侧为 Z，异侧为 E。 HHCH2CH3CH3CCHHCH3ClCC CCClIFBrCCCH2CH3CH3CH2CH2CH(CH3)2H3CHCCCH3HCH2CCHHCH3HCH3HCCCH2HCH3CCHCH3CCHHCH2CCHCH3H顺，反顺，反2，5庚二烯庚二烯顺，顺顺，顺2，

4、5庚二烯庚二烯反，反反，反2，5庚二烯庚二烯当双键数目增加时，顺反异构体数目也增加。命名时注意当双键数目增加时，顺反异构体数目也增加。命名时注意使使Z型双键有较低位次。型双键有较低位次。四、顺反异构体性质 顺反异构体之间在结构上虽然相差很小，但性质却有很大差异，既表现在理化性质上，也表现在生理活性上。1、物理性质、物理性质1，2二氯乙烯二氯乙烯 偶极距偶极距 b.p. nD20 d420(g/mL)顺顺 1.89D 60.3 1.4486 1.2835 1.4486 1.2835反反 0 48.4 1.4454 1.25650 48.4 1.4454 1.2565丁烯二酸丁烯二酸溶解度（水中）

5、溶解度（水中） m.p.顺顺 77.8g/100mL 130反反 0.7g/100mL 3000.7g/100mL 300 2. 化学性质化学性质HCCOOHCHCOOH140HCCHCCOOO+ H2O 反丁烯二酸在同样温度下不反应，只有温度反丁烯二酸在同样温度下不反应，只有温度增至增至275 ，才有部分生成丁烯二酸酐。，才有部分生成丁烯二酸酐。CH3CH2CCH3CH2COHOHHOOHCCH2CH3CCH3CH23. 生理活性生理活性反己烯雌酚反己烯雌酚 生理活性大生理活性大第二节 旋光异构(Optical isomerism) 旋光异构又称光学异构、对映异构。异构体构造相同，原子或基团

6、在空间伸展方向不同，物理性质上主要表现为旋光性不同。一、物质的旋光性（一）平面偏振光和物质的旋光性（一）平面偏振光和物质的旋光性1平面偏振光平面偏振光(Plane-polarized light)光波是一种电磁波，它的振动方向与前进方向垂直。AABBCD光源（1 ）光的前进方向与振动方向DC（2）普通光的振动平面图 6-1 光的传播光束前进方向在光前进的方向上放一个（Nicol）棱晶或人造偏振片，只允许与棱晶晶轴互相平行的平面上振动的光线透过棱晶，而在其它平面上振动的光线则被挡住。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。AABCDBDCAA普通光平面偏振光晶轴Nicol棱晶

7、2物质的旋光性物质的旋光性(Optical activity) 能使平面偏振光振动平面旋转的物质称为物质的旋光性，具有旋光性的物质称为旋光性物质（也称为光活性物质）。AABCDBDCAAAABCDBDCAA乙醇不旋光物质乳酸旋光性物质能使偏振光振动平面向右旋转的物质称右旋体，能使偏振光振动平面向左旋转的物质称左旋体，使偏振光振动平面旋转的角度称为旋光度，用表示。（二）旋光仪与比旋光度（二）旋光仪与比旋光度1.旋光仪(Polarimeter) 测定化合物的旋光度是用旋光仪，旋光仪主要部分是有两个尼可尔棱晶（起偏棱晶和检偏棱晶），一个盛液管和一个刻度盘组织装而成。 若盛液管中为旋光性物质，当偏光透

8、过该物质时会使偏光向左或右旋转一定的角度，如要使旋转一定的角度后的偏光能透过检偏镜光栅，则必须将检偏镜旋转一定的角度，目镜处视野才明亮，测其旋转的角度即为该物质的旋光度(Optical rotation)。如下图所示：ABCDAABDA乳酸旋光性物质目镜（亮）起偏镜检偏镜盛液管2.比旋光度比旋光度(Specific rotation)旋光性物质的旋光度的大小决定于该物质的分子结构，并与测定时溶液的浓度、盛液的长度、测定温度、所用光源波长等因素有关。为了比较各种不同旋光性物质的旋光度的大小，一般用比旋光度来表示。比旋光度与从旋光仪中读到的旋光度关系如下。 t=L x C比选光度 波长（钠光D)盛

9、液长度（分米dm）溶液的浓度（g/ml）测定温度旋光度（旋光仪上的读数）当物质溶液的浓度为1g/ml，盛液管的长度为1分米时，所测物质的旋光度即为比旋光度。若所测物质为纯液体，计算比旋光度时，只要把公式中的C换成液体的密度d即可。 最常用的光源是钠光（D），=589.3nm,所测得的旋光度记为 所用溶剂不同也会影响物质的旋光度。因此在不用水为溶剂时，需注明溶剂的名称，例如，右旋的酒石酸在5%的乙醇中其比旋光度为： = +3.79 (乙醇，5%)。 20 DDt二、二、 对映异构现象与分子结构的关系对映异构现象与分子结构的关系 （一）对映异构现象的发现（一）对映异构现象的发现（二）手性和对称因素

10、（二）手性和对称因素1 手性(Chirality) （以乳酸CH3C*HOHCOOH为例来讨论）乳酸有两种不同构型（空间排列）COOHCHOHCH3COOHCH3CHOHCOOHCH3-OH顺时针排列反时针排列透视式镜子特征：特征：（1）不能完全重叠，（2）呈物体与镜象关系（左右手关系）。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。 具有手性（不能与自身的镜象重叠）的分子叫做手性分子(Chiral molecule)。 连有四个各不相同基团的碳原子称为手性碳原子(Chiral carbon atom)（或手性中心）用C*表示。 凡是含有一个手性碳原子的

11、有机化合物分子都具有手性，是手性分子。2.分子对称因素分子对称因素(Symmetry factor)物质分子能否与其镜象完全重叠（是否有手性），可从分子中有无对称因素来判断，最常见的分子对称因素有对称面和对称中心。（1）对称面）对称面(Planes of symmetry) 假设分子中有一平面能把分子切成互为镜象的两半，该平面就是分子的对称面，例如：CCH3ClClHCCHClHCl对称面对称面具有对称面的分子无手性。（2）对称中心）对称中心(Symmetric center)若分子中有一点P，通过P点画任何直线，如果在离P等距离直线两端有相同的原子或基团，则点P称为分子的对称中心。例如：CO

12、OHCOOHBrBrHHHHPCH3CH3BrBrHHHHHHHHP有对称中心的分子没有手性。 物质分子在结构上具有对称面或对称中心的，就无手性，因而没有旋光性。 物质分子在结构上既无对称面，也无对称中心的，就具有手性，因而有旋光性。三、三、 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（一）对映体对映体(Enantiomers)1对映体对映体互为物体与镜象关系的立体异构体。互为物体与镜象关系的立体异构体。 含有一个手性碳原子的化合物一定是手性分子，含有两种不同的构型，是互为物体与镜象关系的立体异构体，称为对映异构体（简称为对映体）。 对映异构体都有旋光性，其中一个是左旋的

13、，一个是右旋的。所以对映异构体又称为旋光异构体。2对映体之间的异同点对映体之间的异同点（1）物理性质和化学性质一般都相同，比旋光度的数值相等，仅旋光方向相反。（2）在手性环境条件下，对映体会表现出某些不同的性质，如反应速度有差异，生理作用的不同等。（二）外消旋体（二）外消旋体(Racemic mixture) 等量的左旋体和右旋体的混合物称为外消旋体，一般用（）来表示。 外消旋体与对映体的比较（以乳酸为例）： 旋光性旋光性 物理性质物理性质 化学性质化学性质 生理作用生理作用 外消旋体外消旋体 不旋光 mp 18 基本相同 各自发挥其左右 对映体对映体 旋光 mp 53 基本相同 旋体的生理功

14、能（三）对映体构型的表示方法（三）对映体构型的表示方法1.构型的表示方法构型的表示方法 对映体的构型可用立体结构（楔形式和透视式）和费歇尔（EFischer）投影式表示， (1)立体结构式COOHHOHCH3CCOOHCH3HOHCCOOHCH3OHH乳酸优点： 形象生动，一目了然缺点： 书写不方便楔形式透视式（2）Fischer投影式 为了便于书写和进行比较，对映体的构型常用费歇尔投影式表示： COOHHCH3OHHCOOHOHCH3HOHCH3COOH乳酸对映体的费歇尔投影式投影原则：投影原则：1 横、竖两条直线的交叉点代表手性碳原子，位于纸平面。2 横线表示与C*相连的两个键指向纸平面的

15、前面，竖线表示指向纸平面的后面。3 将含有碳原子的基团写在竖线上，编号最小的碳原子写在竖线上端。使用费歇尔投影式应注意的问题问题： a 交叉点代表手性碳，位于纸平面上。 b 基团的位置关系是“横前竖后” C 将投影式在纸平面上旋转180，仍为原构型。2.判断不同投影式是否同一构型的方法：判断不同投影式是否同一构型的方法： （1）将投影式在纸平面上旋转180，仍为原构型。HOHCOOHCH3HHOCOOHCH3在纸平面180（2）任意固定一个基团不动，依次顺时针或反时针调换另三个基团的位置，不会改变原构型。HCH3OHC2H5HOHCH3HOHCHH3COHHC2H5C2H5C2H5=（3）对调

16、任意两个基团的位置，对调偶数次构型不变，对调奇数次则为原构型的对映体。例如：HOCHOCH2OHHHOHCH2OHCHOHOCHOCH2OHHHCHOCH2OHOHOH与H对调一次CHO与 对调一次OH与H对调一次同一构型对映体CH2OH3、投影式特点的应用 判断两投影式是否代表同一分子；HOHCH2OHCHOCHOCH2OHOHH 将非标准投影式变换成标准投影式，以便于表示构型。 CHOCH2OHOHHHOHCH2OHCHO四、相对构型和绝对构型 1951 年前，知道手性分子具有旋光性，存在一对对映体，对映体在空间有不同的排布；旋光大小相等，方向相反。不知道左旋体或右旋体的确切排布形式，也即

17、是不知道原子或原子团的真实排不情况。 为了便于研究，人为地规定了甘油醛的构型，并以此为标准，通过联系的方法，确定其它手性分子的构型，这种以人为规定的甘油醛为基础所得到的构型称为相对构型。 分子中原子或基团在空间的真实排布称为绝对构型。L-(-)甘油醛 D-(+)甘油醛 CHOCH2OHOHHHHOCH2OHCHOCOOHCH3HOHHOHCH3COOHL-乳酸 D-乳酸COOHCH3NH2HHH2NCH3COOHL-(+)丙氨酸 D-(-)丙氨酸五、旋光异构体构型的表示方法D/L 构型表示法：构型表示法： 以标准的费歇尔投影式为基础，在标准的费歇尔投以标准的费歇尔投影式为基础，在标准的费歇尔投

18、影式中，羟基或氨基在投影式的右边为影式中，羟基或氨基在投影式的右边为D型，左边为型，左边为 L 型。型。 若投影式不是标准的费歇尔投影式，这首先将其调若投影式不是标准的费歇尔投影式，这首先将其调整为标准的费歇尔投影式，再判断构型。整为标准的费歇尔投影式，再判断构型。D/L 构型表构型表示法适用于糖类、氨基酸和肽类。示法适用于糖类、氨基酸和肽类。 局限性：对于既不含羟基又不含氨基的手性分子及局限性：对于既不含羟基又不含氨基的手性分子及含有多个手性碳原子的分子，例如含有多个手性碳原子的分子，例如 3-甲基己烷，甲基己烷，2-氯氯丁烷，丁烷，2,3-二氯丁烷，酒石酸等。二氯丁烷，酒石酸等。CH3CH

19、2CH3ClHHClCH2CH3CH3HCH3CH3CH2CH2CH2CH3R/S 构型表示法： 1970年国际上根据IUPAC的建议，构型的命名采用R、S法，这种命名法根据化合物的实际构型或投影式就可命名。R、S命名规则：命名规则： 按次序规则将手性碳原子上的四个基团排序。 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中小的顺序，若是顺时针方向，则其构型为R（R是拉丁文Rectus的字头，是右的意思），若是反时针方向，则构型为S（Sinister,左的意思）。COOHHOHCH3按 次 序 规 则反 时 针 排 列 S型O H CO O H CH3 HCHCH3OHCOO

20、H反 时 针 排 列 S型ooCH3BrHC2H5Br C2H5 CH3 H顺时针排列 R型基团顺序o快速判断快速判断Fischer投影式构型的方法投影式构型的方法： 1当最小基团位于横线时，若其余三个基团由大中小为顺时针方向，则此投影式的构型为S，反之为R。 2当最小基团位于竖线时，若其余三个基团由大中小为顺时针方向，则此投影式的构型为R，反之为S。CH2OHCHOHCH3HHOCOOHHOCOOHHOHCH3HOHCHOCH2OH六、六、 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 一、含两个不同手性碳原子的化合物一、含两个不同手性碳原子的化合物这类化合物中两个手性碳

21、原子所连的四个基团不完全相同。例如：CH3CH-BrCH-BrCH2CH3COOHCH-OHCH-ClCOOHCH3CH-OHCH-C6H5CH32-羟基-3-氯丁二酸 （氯代苹果酸）3-苯基-2-丁醇2，3-二溴戊烷我们以氯代苹果酸氯代苹果酸为例来讨论1.对映异构体的数目对映异构体的数目其Fischer投影式如下：HOHHClHOHClHHOHClHHOHHClCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOH(1)(2)(3)(4)对映体对映体m.p173173167167D20 -7.1+7.1-9.3+9.3( )m.p145m.p157外消旋体外消旋体非对映体含n个不同

22、手性碳原子的化合物，对映体的数目有2 n个，外消旋体的数目2 n-1个。2.非对映体非对映体（Diastereomers)不呈物体与镜象关系的立体异构体叫做非对映体。分子中有两个以上手性中心时，就有非对映异构现象。非对映异构体的特征特征：1 物理性质不同（熔点、沸点、溶解度等）。2 比旋光度不同。3 旋光方向可能相同也可能不同。4 化学性质相似，但反应速度有差异。二、含两个相同手性碳原子的化合物二、含两个相同手性碳原子的化合物酒石酸、2，3-二氯丁烷等分子中含有两个相同的手性碳原子。HOOC-CH-CH-COOHOHOHCH3-CH-CH-CH3ClCl*COOHHOHHOHHOHHOHHOH

23、HOHHOHHOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOH(1)(2)(3)(4)对映体同一物质 20+12-1200 D（ ）酒石酸（m）酒石酸外消旋体内消旋体（分子中有对称面）（3）、（4）为同一物质，因将（3）在纸平面旋转180即为（4）。因此，含两个相同手性碳原子的化合物只有三个立体异构体，少于2 n个，外消旋体数目也少于2 n-1个。 内消旋体(Mesomer)与外消旋体的异同异同 相同点相同点：都不旋光 不同点不同点：内消旋体是一种纯物质，外消旋体是两个对映体的等量混合物，可拆分开来。 酒石酸的三种异构体和外消旋体的物理常数。 从内消旋酒石酸可以看出，含多个手性碳原

24、子的化合物，分子不一定是手性的。故不能说含手性碳原子的分子一定有手性。综上所述：分子的手性是其具有旋光性和存在对映体的根本原因，分子中存在手性碳原子只是分子具有手性的一个较为常见的原因。有些没有手性碳原子的分子，同样具有旋光性和存在对映体，七、七、 不含手性碳原子化合物的对映异构不含手性碳原子化合物的对映异构 一、丙二烯型化合物一、丙二烯型化合物 如果丙二烯两端碳原子上各连两个不同基团时，由于所连四个基团两两各在相互垂直的平面上，分子就没有对称面和对称中心，因而有手性。CCCbaabCCCbbab有手性无手性sp2sp如2，3-戊二烯就已分离出对映异构体。CCCCCCCH3HCH3HHCH3H

25、CH3二、单键旋转受阻碍的联苯型化合物二、单键旋转受阻碍的联苯型化合物 COOHBrCOOHBr八、对映体的合成及生物化学（自学）八、对映体的合成及生物化学（自学） 思考题： 1、外消旋体拆分的原理是什么？请举例说明 2、试用氯代反应机理来说明下列事实： （S）ClCH2CHCH2CH3CH3Cl2hClCH2CCH2CH3CH3Cl*( 外消旋体)3、举例说明手性分子的生物作用 第三节构象异构（Conformational isomerism) 在有机化学的发展过程中，一段时间一直认为单键是可以自由旋转的，后来发现某些联苯的衍生物具有手性以后，才知道单键的旋转在一定条件下会受到阻碍。1936

26、 年以后，人们开始认识到即使是很简单的化合物，其单键的旋转也不是完全自由的，这样即产生了构象的概念。所谓构象，是指由于单键的旋转所产生造成的原子或基团在空间的不同排布，即不同形象。一、烷烃的构象 （一）乙烷的构象 乙烷有无数种构象，其中最典型的是交叉式和重叠式，前者能量最低，是稳定的构象，后者能量最高，是最不稳定的构象。其它构象的能量和稳定性都介于此二者之间。常温下，乙烷是所有构象的平衡混合物，交叉式含量最高。构象的表示方法Sawhorse 透视式（锯木架透视式）重叠式 交叉式 Newmann 投影式（纽曼投影式） 重叠式 交叉式 HHHHHHHHHHHH （二）丁烷的构象 丁烷也有无数种构象

27、，典型的有四种，分别是对位交叉式（反叠，ap)、邻位交叉式(顺错， sc)、部分重叠式(反错，ac)和全重叠式(顺叠，sp)。四种典型的构象的能量从对位交叉式到全重叠式依次升高。对位交叉式 能量最低，是最稳定构象，邻位交叉式是次稳定构象，全重叠式是最不稳定构象。 二、环烷烃的构象（一）环丁烷的构象 与环丙烷相似，环丁烷分子中存在着张力，但比环丙烷的小，因在环丁烷分子中四个碳原子不在同一平面上，见右图：根据结晶学和光谱学的证明，环丁烷是以折叠式构象存在的，这种非平面型结构可以减少C-H的重叠，使扭转张力减小。环丁烷分子中 C-C-C键角为 111.5，角张力也比环丙烷的小，所以环丁烷比环丙烷要稳

28、定些，总张力能为108KJ/mol。 （二）环戊烷的构象环戊烷分子中，C-C-C夹角为108，接近sp3杂化轨道间夹角109.5，环张力甚微，是比较稳定的环。但若环为平面结构，则其C-H键都相互重叠，会有较大的扭转张力，所以，环戊烷是以折叠式构象存在的，为非平面结构，见右图，其中有四个碳原子在同一平面，另外一个碳原子在这个平面之外，成信封式构象。 这种构象的张力很小，总张力能25KJ/mol，扭转张力在2.5KJ/mol以下，因此，环戊烷的化学性质稳定。 在环己烷分子中，六个碳原子不在同一平面内，碳碳键之间的夹角可以保持109.5因此环很稳定。环己烷也具有无数种构象，有两种最典型的构象，分别是

29、椅式和船式构象，椅式构象C-H 键都处于交叉位置，能量最低，是稳定构象。船式构象中许多C-H 键都处于重叠位置，尤其是两个旗杆氢距离很近，有较强的排斥作用，因此能量比椅式高得多，是不稳定构象。 （三）环己烷的构象椅式构象稳定的原因：船式构象不稳定的原因： 平伏键（e键）与直立键（a键）在椅式构象中C-H键分为两类。第一类六个C-H键与分子的对称轴平行，叫做直立键或a键（其中三个向环平面上方伸展，另外三个相换环平面下方伸展）；第二类六个C-H键与直立键形成接近109.5的夹角，平伏着相环外伸展，叫做平伏键或e键。如下图： 在室温时，环己烷的椅式构象可通过C-C键的转动（而不经过碳碳键的断裂），由一种椅式构象变为另一种椅式构象，在互相转变中，原来的a键变成了e键，而原来的e键变成了a键。当六个碳原子上连的都是氢时，两种构象是同一构象。连有不同基团时，则构象不同。 （四）取代环己烷的构象 取