第三章立体异构

1、第三章第三章 立体化学立体化学Chapter 3 Stereochemistry讨论有机化合物的讨论有机化合物的立体结构立体结构。立体异构立体异构具有相同的原子组成，并采用相同具有相同的原子组成，并采用相同的键用相同的方式连接，但的键用相同的方式连接，但三维空间取向三维空间取向不同，不同，且不能互变。且不能互变。这些三维立体结构被称为这些三维立体结构被称为构型构型。Kinds of Isomerization(geometric isomers)一、光学活性与手性一、光学活性与手性 光学活性光学活性：使平面偏振光发生偏转的性质；：使平面偏振光发生偏转的性质；手性手性：物体不能与其镜像重合的性质

2、；：物体不能与其镜像重合的性质；光学活性与手性的关系是绝对对映的，光学活性的最终判据就光学活性与手性的关系是绝对对映的，光学活性的最终判据就是手性，此为是手性，此为充分必要条件充分必要条件；对映异构体对映异构体：对于每种具有光学活性的纯化合物，有且只有两：对于每种具有光学活性的纯化合物，有且只有两种异构体互为镜像。种异构体互为镜像。These things are all identical with their mirror images-achiralThese things are Not identical with their mirror images-chiral 对映体的性质：

3、对映体的性质： 对映异构体对映异构体使平面偏振光偏转使平面偏振光偏转的方向相反，但角度相同。右的方向相反，但角度相同。右旋物质使偏正光的振动方向向右旋转，通常用旋物质使偏正光的振动方向向右旋转，通常用 “d” 或或 “+” 表示；左旋物质使偏正光的振动方向向左旋转，通常用表示；左旋物质使偏正光的振动方向向左旋转，通常用 “l” 或或“-”表示。表示。 对映体的一般对映体的一般物理性质物理性质(熔点熔点,沸点沸点,相对密度相对密度.,以及光谱以及光谱)都都相同相同,只有对偏振光的作用不同。只有对偏振光的作用不同。 对映异构体与对映异构体与手性化合物手性化合物的反应速度不一样，与非手性化合的反应速

4、度不一样，与非手性化合物反应速度一样；物反应速度一样； 对映异构体在对映异构体在手性催化剂手性催化剂存在时与非手性分子的反应速度不存在时与非手性分子的反应速度不一样；一样； 对映异构体在对映异构体在手性溶剂手性溶剂中的溶解度不一样；中的溶解度不一样；对映体的生理活性差别对映体的生理活性差别外消旋体外消旋体：相同量的对映异构体组成的混合物。：相同量的对映异构体组成的混合物。没有没有光学活性光学活性；外消旋体与单个对映体的性质在气态、液态或溶液中外消旋体与单个对映体的性质在气态、液态或溶液中常常相同，但在固态时的性质，例如熔点、溶解度等常常常相同，但在固态时的性质，例如熔点、溶解度等常常并不相同。

5、常并不相同。 例如：外消旋酒石酸：例如：外消旋酒石酸：204oC，206g/L；单一对映；单一对映体：体：170oC，1390g/L拆分拆分：将外消旋混合物分离成两个光学活性的纯化合：将外消旋混合物分离成两个光学活性的纯化合物。物。WXG-4圆盘旋光仪圆盘旋光仪WZZ-1WZZ-1自动指示旋光仪自动指示旋光仪 旋光度和比旋光度旋光度和比旋光度 If an optically active compound rotates the plane of polarization clockwise, it is called dextrorotatory(右旋右旋 ), indicated by(+

6、). If an optically active compound rotates the plane of polarization counterclockwise, it is called levorotatory(左旋左旋), indicated by(-).Dextro and levo are Latin prefixes for “to the right” and “to the left,” respectively.direction of light propagationlightsourcenormallightplane-polarizedlightsample

7、 tubecontaining achiral compoundPlanepolarizedlightanalyzer polarizerviewer旋光仪的工作原理旋光仪的工作原理Specific rotation (比旋光度比旋光度)a：标尺盘转动的角度读数（即旋光度），用旋光仪测定；：光源的光波长；光源的波长一般用钠光的D 线.d：纯液体的密度（单位：g/cm3）；l： 旋光管的长度（单位：dm）；c：溶液的浓度（1.0 mL 溶液中所含样品的质量，g）；t： 测量时的温度（）。纯液体的比旋光度纯液体的比旋光度 a a =a a/（dl）溶液的比旋光度溶液的比旋光度= a a = a a

8、/（cl）tt Specific rotation is the number of degrees of rotation caused by a solution of 1.0 g of the compound per mL of solution in a sample tube 1.0 dm long at a specified temperature and wavelength.手性和分子对称性手性和分子对称性(1) Symmatric plane 对称面对称面A plane of symmetry bisects a molecule so that one half of

9、the molecule is the mirror image of the other half.(2). 对称轴对称轴Cn（symmetry axis）： 当分子以某一直线为轴旋转当分子以某一直线为轴旋转360/n时，与原时，与原来的分子重合，这条直线称为分子的来的分子重合，这条直线称为分子的n重对称轴重对称轴。 苯分子的六重对称轴苯分子的六重对称轴C6C2C2HHCCHClCClHHHCCHClCHCl有无对称轴有无对称轴不能作为不能作为判断分子是否具有手性的条件。判断分子是否具有手性的条件。 (3) Symmatric center 对称中心对称中心(a) Structural fo

10、rmulas A and B are drawn as mirror images.(b) The two mirror images are superposable by rotating form B 180 about an axis passing through the center of the molecule. The center of the molecule is a center of symmetry.手性的判断手性的判断非手性分子非手性分子：凡具有对称面、对称中心的分子；：凡具有对称面、对称中心的分子；手性分子手性分子：既没有对称面，又没有对称中心的分：既没有对称

11、面，又没有对称中心的分子，都不能与其镜象叠合，都是手性分子；对称轴子，都不能与其镜象叠合，都是手性分子；对称轴的有无对分子是否具有手性没有决定作用。的有无对分子是否具有手性没有决定作用。手性分子的一般判断：只要一个分子手性分子的一般判断：只要一个分子既没有对称既没有对称面面，又没有对称中心又没有对称中心，就可以初步判断它是手性分，就可以初步判断它是手性分子。子。有手性碳原子的化合物；有手性碳原子的化合物；有其他四价手性原子的化合物；有其他四价手性原子的化合物；有三价手性原子的化合物；有三价手性原子的化合物；合适取代的金刚烷；合适取代的金刚烷；旋转受限产生的不对称垂直平面；旋转受限产生的不对称垂

12、直平面；螺旋产生的手性。螺旋产生的手性。手性化合物的分类手性化合物的分类有手性碳原子的化合物有手性碳原子的化合物如果分子中只有一个手性碳原子，无论四个基团差别再如果分子中只有一个手性碳原子，无论四个基团差别再小，必然具有光学活性。小，必然具有光学活性。旋光度的大小常随着四个基团极化性差别的增大而增大。旋光度的大小常随着四个基团极化性差别的增大而增大。有其他四价手性原子的化合物有其他四价手性原子的化合物 分子中某原子含有指向正四面体四个顶点的四根键，且分子中某原子含有指向正四面体四个顶点的四根键，且相连四个基团各不相同，该化合物具有光学活性；相连四个基团各不相同，该化合物具有光学活性； Si、G

13、e、Sn、N（季铵盐或（季铵盐或N氧化物）氧化物）有三价手性原子的化合物有三价手性原子的化合物 当含有锥形键的原子所连的三个基团互不相同时，可能当含有锥形键的原子所连的三个基团互不相同时，可能具有光学活性。具有光学活性。氮原子在三元环中且与带有孤对电子的原子相连时可拆氮原子在三元环中且与带有孤对电子的原子相连时可拆分出对映体；分出对映体；有三价手性原子的化合物有三价手性原子的化合物 第一批报道的无环三价手性氮原子第一批报道的无环三价手性氮原子氮位于桥头时，锥形的转化被阻止，可拆分氮位于桥头时，锥形的转化被阻止，可拆分磷和砷的锥形翻转较慢磷和砷的锥形翻转较慢有三价手性原子的化合物有三价手性原子的

14、化合物 亚砜、亚磺酸酯、锍盐、亚硫酸盐中的硫具有锥形键亚砜、亚磺酸酯、锍盐、亚硫酸盐中的硫具有锥形键，有可拆分的例子，有可拆分的例子合适取代的金刚烷合适取代的金刚烷在桥头具有在桥头具有四个不同取代基四个不同取代基的金刚烷是手性的，具的金刚烷是手性的，具有光学活性；有光学活性；旋转受限产生的不对称垂直平面旋转受限产生的不对称垂直平面联苯类化合物联苯类化合物邻位含有四个大基团的联苯，由于位阻的影响，分子不能邻位含有四个大基团的联苯，由于位阻的影响，分子不能围绕中心的键自由旋转；围绕中心的键自由旋转；只因转动受阻或大大减慢而可以拆分的异构体叫只因转动受阻或大大减慢而可以拆分的异构体叫阻转异构体阻转异

15、构体。view along this direction丙二烯类化合物丙二烯类化合物丙二烯结构当两侧都是不对称取代时，具有手性。丙二烯结构当两侧都是不对称取代时，具有手性。螺环类化合物螺环类化合物与丙二烯类化合物类似，当与丙二烯类化合物类似，当AB而且而且CD时，分子中既时，分子中既没有对称面也没有对称中心，分子有没有对称面也没有对称中心，分子有手性手性螺旋产生的手性螺旋产生的手性六螺苯六螺苯有手性有手性A tetrahedral carbon atom is represented in a Fischer projection by two crossed lines. The horiz

16、ontal lines represent bonds coming out of the page, and the vertical lines represent bonds going into the page.CH3OHCOOHHEmil Fischer (18521919) GermanyFischer projection formulasConvention（规定）（规定）The carbon chain is draw along the vertical line of the Fischer projection, usually with the most highl

17、y oxidized end carbon at the top.A：Vertical lines(竖线）竖线）:Bonds going into the pageB：Horizontal lines（横线）：（横线）：bonds coming out of the page横前竖后横前竖后! Rotation on the page 180o (Not 90o, 270o) Same molecular:旋转旋转180180o o， 构型不变构型不变Allowed motions for Fischer projection:Enantiomers2) Rotation on the pag

18、e 90o, 270oEnantiomers旋转旋转9090， 270270构型翻转构型翻转3. Flip overenantiomers 翻转得对映体翻转得对映体One group hold steady, the other three rotate.保持一个不动，顺次旋转其他三个基团，构型不变保持一个不动，顺次旋转其他三个基团，构型不变5. Exchanging the positions of any two groups 交换任意两个基团交换任意两个基团.Odd timesenantiomer奇数次，对映体奇数次，对映体even times, same molecular 偶数次，同

19、一分子偶数次，同一分子相对构型和绝对构型相对构型和绝对构型相对构型相对构型D-/L-systemD-甘油醛甘油醛: a aD20 = +8.7 D/L标示法：标示法：Fischer投影式：投影式： 将主链竖向排列，氧化态高的碳原子在上方，将主链竖向排列，氧化态高的碳原子在上方，-OH在右方为在右方为D-，左方为，左方为L- （D-，L-） 与（与（+、-） 没有必然联系没有必然联系1951年的年的X射线晶体分析确认，右旋甘油醛的绝对构型的确是射线晶体分析确认，右旋甘油醛的绝对构型的确是D-型结构的，型结构的，与当初的猜测恰好吻合。与当初的猜测恰好吻合。 Cahn-Ingold-Prelog体系

20、体系(R/S命名命名)this has the highest priorityHow can we determine the configuration of a compound？1. Rank the groups (or atoms) bonded to the asymmetric carbon in order of priority.this has the lowest priorityHow to rank？2. Orient the molecule so that the group (or atom) with the lowest priority (4) is d

21、irected away from you， Then draw an imaginary arrow from the group (or atom) with the highest priority (1) to the group (or atom) with the next highest priority (2).clockwise = R configurationanticlockwise = S configurationR is for rectus, which is Latin for “right”. S is for sinister, which is Lati

22、n for “left”6.4.2 determine the configuration of a compound drawn as a Fischer projection.判断判断Fischer投影式的构型投影式的构型当最小的基团处于竖键位置时，其余三个基团从大到小的顺序当最小的基团处于竖键位置时，其余三个基团从大到小的顺序为顺时针，构型为为顺时针，构型为R，反之，构型为，反之，构型为S。当最小的基团处于横键位置时，其余三个基团从大到小的顺序当最小的基团处于横键位置时，其余三个基团从大到小的顺序为逆时针，构型为为逆时针，构型为R，反之，构型为，反之，构型为S。H在横键，在横键，R构型构

23、型H在竖键，在竖键，S构型构型PracticeIndicate whether each of the following structures has the R or the S configurationDo the following structures represent identical molecules or a pair of enantiomers?Indicate whether each of the following structures has the R or the S configuration含有多个手性碳原子的化合物含有多个手性碳原子的化合物两个不同

24、的手性碳原子两个不同的手性碳原子threo- and erthro- (赤式和苏式赤式和苏式)注意：赤式和苏式是注意：赤式和苏式是非对映异构体非对映异构体Difference between enantiomers and diastereomershave identical physical properties (except for the way they interactwith polarized light) and identical chemical propertiesthey react at the same ratewith a given achiral reag

25、ent.EnantiomersDiastereomershave different physical properties (different melting points, different boiling points, different solubilities, different specific rotations,and so on) and different chemical propertiesthey react with the same achiral reagent at different rates.两个相同的手性碳原子两个相同的手性碳原子Physica

26、l Properties of the Stereoisomers of Tartaric Acid内消旋体内消旋体 Meso CompoundsSome compounds with two asymmetric carbons have only three stereoisomers.perspective formulas of the stereoisomers of 2,3-dibromobutane (staggered)外消旋体与内消旋体都没有旋光性，但它们有外消旋体与内消旋体都没有旋光性，但它们有本质的不同：本质的不同：外消旋体外消旋体是等量左旋体和右旋体的是等量左旋体和右旋

27、体的混合物混合物，可可拆分拆分；内消旋体内消旋体是分子内有对称面的是分子内有对称面的单一化合物单一化合物，不不可拆分可拆分；对映体的物理性质相同，旋光度数相同，方向对映体的物理性质相同，旋光度数相同，方向相反。在手性条件下，对映体的性质不同。相反。在手性条件下，对映体的性质不同。非对映体的物理性质不相同，旋光度数和方向非对映体的物理性质不相同，旋光度数和方向都有可能不同。都有可能不同。 syn和和anti 分子的主链用分子的主链用锯齿形画法锯齿形画法，如果两个，如果两个非氢取代基非氢取代基在主链所确定的平面的在主链所确定的平面的同一侧则为同一侧则为syn，否则为，否则为anti 注意：赤式和苏

28、式是针对注意：赤式和苏式是针对Fisher投影式投影式测定构型的方法测定构型的方法1.1.在不干扰手性中心的前提下，将未知构型化合物转变为已知在不干扰手性中心的前提下，将未知构型化合物转变为已知构型化合物，或将已知构型化合物转变为未知构型化合物；构型化合物，或将已知构型化合物转变为未知构型化合物；注意注意：并不意味着手性中心未被干扰，：并不意味着手性中心未被干扰，R构型反应物就一构型反应物就一定还生成定还生成R构型产物。构型产物。测定构型的方法测定构型的方法2 2，在，在已知机理已知机理的前提下令手性中心的构型翻转；的前提下令手性中心的构型翻转；3 3，生物化学方法；例如特定的酶只进攻一种构型

29、的分子，生物化学方法；例如特定的酶只进攻一种构型的分子，一种酶如果只进攻已知氨基酸的一种酶如果只进攻已知氨基酸的L L型结构，那么它对未知型结构，那么它对未知氨基酸的进攻也只针对氨基酸的进攻也只针对L L型；型；4 4，光学比较法；有时能用旋光的符号和大小来确定哪个，光学比较法；有时能用旋光的符号和大小来确定哪个异构体具有哪种构型。在同系物中，旋光通常沿一个方向异构体具有哪种构型。在同系物中，旋光通常沿一个方向逐渐变化。如果该系列已知构型的成员足够多，未知成员逐渐变化。如果该系列已知构型的成员足够多，未知成员的构型可用类推法确定；的构型可用类推法确定；获取手性化合物的方法获取手性化合物的方法1

30、，从天然产物中分离；，从天然产物中分离；D-(+)-葡萄糖葡萄糖GlucoseD-(+)-半乳糖半乳糖GalactoseD-(-)- 果糖果糖Fructose L-(+)-酒石酸酒石酸 Tartaric acid D-(-)-麻黄碱麻黄碱2，不对称合成；，不对称合成；有机合成中通常希望合成手性化合物的某个对映异构体有机合成中通常希望合成手性化合物的某个对映异构体或非对映异构体，而不是异构体的混合物。或非对映异构体，而不是异构体的混合物。1994: 33种批准上市的新药中，种批准上市的新药中，21种是手性药种是手性药2000: 手性药年销售额手性药年销售额1233亿亿$，占总销额（，占总销额（3

31、900亿亿$） 1/3；其他手性精细化学品；其他手性精细化学品66.3亿亿$，每年还以，每年还以 20%增长增长 2001：诺贝尔化学奖授予：诺贝尔化学奖授予Noyori, R. 日本东京大学教授日本东京大学教授 不对称催化氢化不对称催化氢化Knowles, W.S. 孟山多公司高级研究员孟山多公司高级研究员 催化加氢，催化加氢，生产生产L-多巴多巴Sharless，K.B MIT教授，教授，不对称环氧化不对称环氧化不对称合成的基本策略不对称合成的基本策略*1. 手性反应物手性反应物手性诱导手性诱导*2. 手性试剂手性试剂*3. 手性溶剂手性溶剂*4. 手性催化剂手性催化剂*5. 在反应物中引

32、入手性在反应物中引入手性手性辅基手性辅基手性底物手性底物手性诱导手性诱导 当已有光学活性的分子中产生新的手性中当已有光学活性的分子中产生新的手性中心时，新生成的非对映体通常量不相等；心时，新生成的非对映体通常量不相等； 原因是试剂进攻的方向受到了底物分子原原因是试剂进攻的方向受到了底物分子原来的手性基团影响；来的手性基团影响； 在包含不对称a碳的酮羰基进行加成时，进攻基团优先从小基团一侧进攻。Cram 规则规则 反应位置距离手性中心越远，原手心中心对新生成的手反应位置距离手性中心越远，原手心中心对新生成的手性中心的影响就越小，则生成的非对映体过量就越小。性中心的影响就越小，则生成的非对映体过量

33、就越小。手性试剂手性试剂手性辅基手性辅基 为非手性底物引入手性，反应后除去。为非手性底物引入手性，反应后除去。手性催化手性催化过度金属催化二、构象分析二、构象分析 Baeyer strain theory（拜尔张力学说）（拜尔张力学说）开链烷烃每个开链烷烃每个CH2的燃烧热为的燃烧热为658.6KJ/mol；越接近它的；越接近它的环烃越稳定。环烃越稳定。 Cyclopropane（环丙烷）（环丙烷）C-C键角偏离键角偏离sp3轨道夹角轨道夹角所有所有C-H键均为重叠式构象键均为重叠式构象 Cyclobutane（环丁烷）（环丁烷）相邻相邻C-H键处于邻位键处于邻位交叉式构象交叉式构象C-C键角

34、偏离键角偏离sp3轨道夹角轨道夹角 Cyclopentane（环戊烷）（环戊烷）C1-C2, C2-C3为交叉式为交叉式C4-C5为全重叠式构象为全重叠式构象 Macrocyclic compounds（大环化合物）（大环化合物）大环原子在不同的平面内，键角接近正常的键角，为无张力环。大环原子在不同的平面内，键角接近正常的键角，为无张力环。 Cyclohexane（环己烷）（环己烷）which is the most important compound in alicyclic hydrocarbons.Conformation of cyclohexane 如果如果6个碳原子在同一平面上：个碳原子在同一平面上：将有将有角张力角张力（偏离（偏离109.5o）将有将有扭转张力扭转张力（C-H键重叠）键重叠）A. 将有将有范德华力范德华力（相邻碳上氢之间）（相邻碳上氢之间）Co