第2章_立体化学

1、n 立体化学是有机化学的重要组成部分立体化学是有机化学的重要组成部分.它的它的主要主要内容内容是研究有机化合物分子的三度空间结构是研究有机化合物分子的三度空间结构(立体立体结构结构),及其对化合物的物理性质和化学反应的影及其对化合物的物理性质和化学反应的影响响.分子分子结构结构(Structure)分子构造分子构造(Constitution)分子式相同，原子的成键顺序不同。分子式相同，原子的成键顺序不同。碳骨架异构碳骨架异构互变异构互变异构碳链异构碳链异构官能团异构官能团异构官能团位置异构官能团位置异构分子构型分子构型(Configuration)对映异构对映异构非对映异构非对映异构分子构造相

2、同，原子或原子团在空间分子构造相同，原子或原子团在空间的排列不同。的排列不同。顺反异构顺反异构非对映异构非对映异构分子构象分子构象(Conformation)分子构型相同，由于单键分子构型相同，由于单键的自由旋转，原子或原子的自由旋转，原子或原子团在空间的排列不同。团在空间的排列不同。同分异构现同分异构现象象为什么要研究对映异构呢？因：为什么要研究对映异构呢？因：1天然有机化合物大多有旋光现象。天然有机化合物大多有旋光现象。2物质的旋光性与药物的疗效有关（如左旋维生素物质的旋光性与药物的疗效有关（如左旋维生素C可可治抗坏血病，而右旋的不行）。治抗坏血病，而右旋的不行）。3用于研究有机反应机理。

3、用于研究有机反应机理。观察自己的双手，左手与右手有什么联系和区别？（一）手性（一）手性一、手性分子和对映体一、手性分子和对映体左、右手互为镜像与实物关系，而又不能重合，这种性质称为“手性手性”。左手的镜像是右手左手的镜像是右手对映关系对映关系左手 镜 右手左手和右手不能重合 任何物体都有它的镜像。一个有机分子在镜子内也会出现相应的镜像。实物与镜像相应部位与镜面具有相等的距离。实物与镜像的关系叫对映关系对映关系。实物与镜像镜面（二）手性分子（二）手性分子CH3HHOHCCH3HHOHCCH3HHOHCCH3HHOHC若实物与其镜像能够完全重合，则实物与镜像所代表的两个分子为同一个分子。所有基团都

4、重合乙醇分子模型的重叠操作对于某些分子，两个互为实物与镜像关系的分子不能重合，如乳酸。有对映异构体的分子称为手性分子手性分子，或称分子具有手性。手性。乙醇没有对映体，因此是非手性分子是非手性分子。与4个不同基团相连的碳原子称为手性碳原子手性碳原子(常用*C表示)。 *C是引起分子手性的一种常见因素。*手性分子手性分子CH3HHOHCCH3HHOCO2HCH3CHOHCO2HC非手性分子非手性分子（三）对称因素（三）对称因素1)1)对称轴对称轴(C(Cn n) )：如果分子中有一条直线，当分子以它如果分子中有一条直线，当分子以它为轴旋转为轴旋转 360/n后后,(n=正整数正整数), 得到的构型

5、与原分得到的构型与原分子相叠合，则这一直线被称为分子的子相叠合，则这一直线被称为分子的n n 阶对称轴。如阶对称轴。如CCHClClHC2C6C2C2有无对称轴不能作为判断分子有无手性的标准n设想分子中有一平面设想分子中有一平面,它可以把分子分成互为它可以把分子分成互为镜象的两半镜象的两半,这个平面就是对称面这个平面就是对称面.如如:有对称面的分子有对称面的分子 (氯乙烷氯乙烷)(2) 对称面对称面(镜面镜面) （）：）：对对称面称面CCHClClHOHHn设想分子中有一个点设想分子中有一个点,从分子中任何一个原子出发从分子中任何一个原子出发,向这个点作一直线向这个点作一直线,再从这再从这个点

6、将直线延长出去个点将直线延长出去,则在则在与该点前一线段等距离处与该点前一线段等距离处,可以遇到一个同样的原子可以遇到一个同样的原子,这个点就是对称中心这个点就是对称中心.有对称中心的分子有对称中心的分子(3) 对称中心对称中心HCH3CH3COOHHCOOHHH无对称中心，无对称中心，有对称面，有对称面，无旋光活性无旋光活性反2.,4二甲基，顺1,3环丁二酸 (4)更替对称轴（Sn）如果一个分子沿一根轴旋转了360/n的角度以后，再用一面垂直于该轴的镜象将分子反射，所得的镜象如能与原物重合，此轴即为该分子的n重更替对称轴（用Sn表示）。HHClClHHClCl旋旋转转HHClClHClClH

7、-HHClClHHClCl9 90 0。1956年首次合成了一个有四重更迭轴的分子旋旋转转9 90 0重合重合S4CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3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。结论结论： A. .有对称面、对称中心、四重交替对称轴有对称面、对称中心、四重交替对称轴的分子均的分子均可与其镜象重叠，是非手可与其镜象重叠，是非手性分子；反之，为手性分子。性分子；反之，为手性分子。 至于对称轴并不能作为分子是否具有手性的判据。至于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，只有大多数非手性分

8、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。交替对称轴而无对称面或对称中心的化合物是少数。 既无对称面也没有对称中心的既无对称面也没有对称中心的，一般可判定为是，一般可判定为是手性分子手性分子。 分子的手性是对映体存在的分子的手性是对映体存在的必要和充分条件必要和充分条件。 如果分子中如果分子中不存在对称面、对称中心和四重更迭对称不存在对称面、对称中心和四重更迭对称轴轴，则这个分子具有手性，则这个分子具有手性生活中的对映体生活中的对映体(1)-镜象镜象沙漠胡杨沙漠胡杨n 旋光性旋光性-能旋转偏正光振动方向的性质叫旋光性能旋转偏正光振动方向的性质叫旋光性n 旋光性物

9、质旋光性物质(或叫或叫光活性物质光活性物质)-具有旋光性的具有旋光性的物质物质. 右旋物质右旋物质-能使偏正光的振动方向向右旋的物质能使偏正光的振动方向向右旋的物质.通常用通常用 “D” 或或 “+” 表示右旋表示右旋. 左旋物质左旋物质-能使偏正光的振动方向向左旋的物质能使偏正光的振动方向向左旋的物质.通常用通常用 “ ” 或或 “-” 表示左旋表示左旋. 旋光度旋光度- 偏正光振动方向的旋转角度偏正光振动方向的旋转角度.用用“ ”表示表示.L旋光性的表示方法旋光性的表示方法:在有机化学中在有机化学中,凡是手性分子都具有旋光性凡是手性分子都具有旋光性(有些手有些手性分子旋光度很小性分子旋光度

10、很小);而非手性分子则没有旋光性而非手性分子则没有旋光性.2.2旋光性化合物分类旋光性化合物分类 手性分子的几种情况：手性分子的几种情况：有手性碳原子的化合物有手性碳原子的化合物n如果分子中只有一个手性碳原子，无论四个基团差别再小，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。必然具有光学活性。n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n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

11、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；nSi、Ge、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n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。n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；在胺分子中，键的排列接近四面体，在胺分子中，键的排列接近四面体， 但一般的叔胺都未能拆开为对映体。但一般的叔胺都未能拆开为对映体。 原因：该种类型分子，它的两种可能存在形式是原因：该种类型分

12、子，它的两种可能存在形式是 很快地相互转变而改变其构型，导致消旋很快地相互转变而改变其构型，导致消旋, 所以，叔胺没有旋光性所以，叔胺没有旋光性NRRRRRRN不同取代开链叔胺分子不具有旋光活性不同取代开链叔胺分子不具有旋光活性手性膦、手性氮与手性砜类化合物手性膦、手性氮与手性砜类化合物n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n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20度，半衰期度，半衰期1.22小时。小时。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（4）含手性轴的化合物：）含手性轴的化合物：分子的轴上原子不是对称的分子

13、的轴上原子不是对称的被取代，而使分子具有手性。被取代，而使分子具有手性。a. 丙二烯衍生物丙二烯衍生物 （具手性轴）（具手性轴） b. 联芳基型化合物（具手性轴）联芳基型化合物（具手性轴） C6H5Ca-C10H7 C CC6H5C10H7- aCH3CHC CCH3HCH3H3CNH2H2Nn邻位含有四个大基团的联苯，由于位阻的影响，分子不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；能围绕中心的键自由旋转；n只因转动受阻或大大减慢而可以拆分的异构体叫阻转异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。构体。n丙二烯结构当两侧都是不对称取代时，具有手性。丙二

14、烯结构当两侧都是不对称取代时，具有手性。n与基于双键的顺反异构完全不同。与基于双键的顺反异构完全不同。NO2COOHO2NHOOCO2NHOOCN2OCOOHC=C=CABBAC=C=CABBA联苯型联苯型丙二烯型丙二烯型 （5 5） 手性面分子手性面分子（分子中无手性中心，（分子中无手性中心，无手性轴）无手性轴）取代对苯二酚双环醚衍生物。取代对苯二酚双环醚衍生物。OO(CH2)8HOOC末端两苯环不在同平面上。末端两苯环不在同平面上。(-)-6-螺苯(+)-6-螺苯(-)-6-hexahelicene(+)-6-hexahelicene多个苯环组成的螺芳烃由于环的拥多个苯环组成的螺芳烃由于环

15、的拥挤导致挤导致A环和环和B环不能共平面，其环不能共平面，其中之一必然向外跷起来，这种情况中之一必然向外跷起来，这种情况也会产生互不重合的镜象异构体。也会产生互不重合的镜象异构体。下列哪些化合物为手性分子下列哪些化合物为手性分子 CHCOOHCH3HbdcNO2NO2HOOCHOOCCCCHCH3HCH3CCCHCH3HHa含手性轴，手性分子含手性轴，手性分子非手性分子非手性分子非手性分子非手性分子判断下列分子是否有手性：判断下列分子是否有手性：n。一个手性碳原子可以有两种构型。一个手性碳原子可以有两种构型。 具有手性的物质和分子中与有无手性碳原子具有手性的物质和分子中与有无手性碳原子无关无关

16、. 含有一个手性碳原子的分子一定是手性分子；含有一个手性碳原子的分子一定是手性分子； 2.3含有手性碳原子的化合物的对映含有手性碳原子的化合物的对映异构异构WCXZYWCXYZ镜面n例：乳酸例：乳酸CH3CHOHCOOH* 右旋乳酸右旋乳酸- 熔点熔点=53 左旋乳酸左旋乳酸- 熔点熔点= 53 外消旋体外消旋体由等量的对映体相混合而成的混合物由等量的对映体相混合而成的混合物.CH3CHCOHOHOLactic acid乳酸乳酸外消旋体不仅没有旋光性，且其他物理性质也往往与外消旋体不仅没有旋光性，且其他物理性质也往往与单纯的旋光体不同。例如：外消旋体乳酸熔点为单纯的旋光体不同。例如：外消旋体乳

17、酸熔点为18 .一、一、 构型的表示法构型的表示法 将手性碳原子表示在纸面上，用将手性碳原子表示在纸面上，用实线实线表示在纸面上的表示在纸面上的键键，虚线虚线表示伸向纸后方的键，用表示伸向纸后方的键，用锲形实线锲形实线表示伸向纸表示伸向纸前方的键。前方的键。（2）楔形式楔形式表示将两个碳原子置于纸平面，垂直于C-C 键轴方向观察到的形象。楔形实线、虚线、细实线的用法与透视式相同。通常将分子表示成最稳定的交叉式构象，适用于表示含两个手性碳的分子结构。（4）Fischer 投影式用透视式、飞楔式或锯架式书写分子的立体结构，虽然形象直观，但如果分子含有较多的手性碳原子，则这种书写方法就不那么方便了。

18、1891 年，E.H.Fischer 在研究葡萄糖等单糖的立体结构时，为了克服所发生的困难，首创了现在普遍采用的“Fischer投影式”。在书写Fischer 投影式时有一个约定俗成的规则：以交叉的“十”字代表手性碳原子和它的四个价键，即手性碳原子省去不画，以十字交叉点代替。同时规定水平方向上的价键（横键）及其所键接的基团都指向纸平面的前方，竖直方向上的价键（竖键）及其所键接的基团都指向纸平面的后方，也就是常说的“横前竖后”原则。1.不能离开纸面翻转。翻转不能离开纸面翻转。翻转180。，变成其对映体。，变成其对映体。2.在纸面上转动在纸面上转动90。, 270 。，变成其对映体。，变成其对映体

19、。3.在纸面上转动在纸面上转动180。构型不变。构型不变。4.保持保持1个基团固定，而把其它三个基团顺时针或个基团固定，而把其它三个基团顺时针或逆时针地调换位置，构型不变。逆时针地调换位置，构型不变。5. 任意两个基团调换偶数次，构型不变。任意两个基团调换偶数次，构型不变。6. 任意两个基团调换奇数次，构型改变。任意两个基团调换奇数次，构型改变。（5） 对映异构的表示方法对映异构的表示方法HHHHOCO2HHHHHHOCO2HHCO2HHHOCH3CO2HHOHHHH锯锯架架式式契契形形式式Fischer 投投影影式式Newman 投投影影式式上述表示方法各有优缺点，如何进行它们之间的相互转换

20、呢？下面以2, 3-戊二醇为例，说明其转换方法：费歇尔投影式与纽曼投影式之间的转换：费歇尔投影式与纽曼投影式之间的转换：BrBrCH3CH3HHCH3CH3BrBrHH旋转投影CH3CH3BrHHBr费歇尔投影式与纽曼投影式之间的转换费歇尔投影式与纽曼投影式之间的转换二、二、 构型的标记法构型的标记法 D-L标记法只表示出分子中只有一个手性碳原子的构型，对含有多个手性碳原子的化合物，这种标记不合适，有时甚至会产生名称上的混乱。其次，有些化合物无法与甘油醛关联，而有些化合物既可与D-甘油醛关联，也可与L-甘油醛关联。更有甚者，有些互为对映异构体的化合物可通过不同的路线与同一种构型的甘油醛关联，这

21、时候D/L 命名法就无能为力(2) R-S标记法标记法 手性碳上所连的四个原子或基团排序：大、中、小、序：大、中、小、最小最小。然后把最小的基团放在方向盘的连杆上，其它三个基就在方向盘上。然后再观察这三个基的大、中、小走向，顺时针为顺时针为R，反时针为反时针为S。方法：次序规则排次序，方向盘上定构型次序规则排次序，方向盘上定构型。abc顺时针顺时针: R构型构型abc逆时针：逆时针：S构型构型直接利用Fischer投影式命名：ClC2H5 CH3HClHCH3C2H5还原为立体式还原为立体式S-2-氯丁烷氯丁烷CHOHOHCH2OHBrHClCH3HH2NCOOHCH3CH3ClCH(CH3)

22、2ClCH2基团次序位于横线位于竖线构型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-构型含两个以上含两个以上C*化合物的构型或投影式，也用同样方法对每一个化合物的构型或投影式，也用同样方法对每一个C*进行进行R、S标记，然后注明各标记的是哪一个手性碳原子。标记，然后注明各标记的是哪一个手性碳原子。CCClHHHOCH3CH3CH3HBrHBrCH3CH2HCH3ClCH3HBr3-氯 -2-丁

23、醇2， 3-二 溴 戊 烷2-氯 -3-溴 丁 烷基 团 次 序基 团 次 序基 团 次 序C2C3*323322C2C3*C2C3*O H CH CH3 CH3 HClCl CH CH3 CH3 HOHBr CH CH2CH3 CH 3 HBrBr CH CH3 CH 3 HBrCl CH CH3 CH3 HBrBr CH CH3 CH 3 HCl(2S,3R)(2S,3S)(2R,3R)因为经过化学反应因为经过化学反应,产物的手性碳原子上所连接的产物的手性碳原子上所连接的基团与反应物的不一样了基团与反应物的不一样了,产物和反应物的相应基产物和反应物的相应基团的排列顺序可能相同团的排列顺序可

24、能相同,也可能不同。也可能不同。产物构型的产物构型的R或或S标记标记,决定于它本身四个基团的排决定于它本身四个基团的排列顺序列顺序,与反应时构型是否保持不变无关。与反应时构型是否保持不变无关。（3） 赤/苏命名法赤/苏命名法来自糖类，常用于某些简单的双官能团化合物的命名。凡分子构型与赤藓糖或苏阿糖相似，就称为赤式或苏式构型。苏式构型和赤式构型：苏式构型和赤式构型： 例： CH2OHHCHOHOHOHOHCH3CH3HHClHOCH2OHCHOHHOHClCH3CH3HHOH赤藓糖苏阿糖赤式苏式相同的原子在同侧相同的原子不在同侧 沿CC键轴观看，相同或相似的原子或基按相同方向出现者为赤型，以相反

25、方向出现时为苏型。例如： “苏式”、“赤式”的概念在研究有机反应的立体化学关系和反应机理时常会遇到。 赤式苏式赤式ClH3CHHOHHH3CCH3ClHHOClHCH3HCH3苏式后前后碳旋转方向不同前后碳旋转方向相同后前前后CH3OHClHHCH3OHH3C前后前三、具有两个不同手性碳原子的旋光异构三、具有两个不同手性碳原子的旋光异构1）以）以2,3,4-三羟基丁酸（三羟基丁酸（HOCH2CH(OH)CH(OH)COOH）为例。）为例。CO2HHHOHHOCH2OHCO2HOHHOHHCH2OHCO2HHHOOHHCH2OHCO2HOHHHHOCH2OHIIIIIIIV(2S, 3S)(2R

26、, 3R)(2S, 3R)(2R, 3S)n例：例：nC-2所连接的四个基团的次序所连接的四个基团的次序: OH CHOHCH2CH3 CH3 HnC-3所连接的四个基团的次序所连接的四个基团的次序: OH CHOHCH3 CH2CH3 HRS四、含两个相同手性碳原子的化合物四、含两个相同手性碳原子的化合物 以酒石酸以酒石酸(HOOCCHOHCHOHCOOH)为例为例.CO2HHHOHHOCO2HCO2HOHHOHHCO2HCO2HHHOOHHCO2HCO2HOHHHHOCO2HIIIIIIIV(2S, 3R)(2R, 3S)(2R, 3R)(2S, 3S)III和和IV为内消旋体为内消旋体(

27、meso)。分子中有两个相同的手分子中有两个相同的手性碳。如果按照性碳。如果按照2n规则，最多可有四个立体异构体。规则，最多可有四个立体异构体。但实际上酒石酸分子只有三个立体异构体：但实际上酒石酸分子只有三个立体异构体： HOHOHHCO2HCCCO2HHHOHOHCO2HCCCO2HHHOHOHCO2HCCCO2HHOHOHHCO2HCCCO2H(a) (b) (c) (d) 含对称面，对位交叉式构象含对称中心。是含对称面，对位交叉式构象含对称中心。是非手性分子，称内消旋体。非手性分子，称内消旋体。 对映体对映体 相同相同 内消旋体内消旋体内消旋酒石酸分子内消旋酒石酸分子 对称面对称面 不显

28、旋光性。因为内消旋体有一对称面，不显旋光性。因为内消旋体有一对称面，互为对称的两部分对偏振光的影响相互抵消，互为对称的两部分对偏振光的影响相互抵消，使整个分子不表现旋光性。使整个分子不表现旋光性。为什么仅考察其重叠式构象就能判断分子为什么仅考察其重叠式构象就能判断分子是否有手性呢？是否有手性呢？ n 这是因为若分子的重叠式构象是非手性的，它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性的，对位交叉式构象因存在对称中心也是非手性的，而其它各种构象虽然有手性，但肯定存在与之相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构象。对映的互为镜像关系构象

29、。 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，邻位交叉式构象，相互对映，不能重合，有手性不能重合，有手性。但由于它们的能量相同，存在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，所以相互抵消了的几率相同，室温下又不能分离，所以相互抵消了旋光性，整体表现不具旋光性。旋光性，整体表现不具旋光性。 COOHHOHHCOOHHOCOOHHHCOOHOHOHHO内消旋酒石酸的一对构象对映体HOOCHHHOCOOH内消旋酒石酸的对位交叉式构象 （无手性）n当一个手性碳上三个基团和另一个一个手性当一个手性碳上三个基团和另一个一个手性碳上三个基团相同时，异构体中的一个有对碳上三个

30、基团相同时，异构体中的一个有对称面，不具有旋光性，称为内消旋体。称面，不具有旋光性，称为内消旋体。内消旋体内消旋体 内消旋体与外消旋体均无旋光性，内消旋体与外消旋体均无旋光性，但它们的本质不同但它们的本质不同.n含有含有多个手性碳原子多个手性碳原子的分子却不一定都有手性的分子却不一定都有手性.所以所以:不能说不能说凡是含有手性碳原子的分子都是手性分子凡是含有手性碳原子的分子都是手性分子.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()酒石酸酒石酸内消旋酒石酸内消旋酒石酸()酒石酸酒石酸170170140206139.0139.01

31、25.020.0-12 +12 0 0 20D（ 五）五）含三个不同手性碳原子化合物的含三个不同手性碳原子化合物的对映异构对映异构CH3HBrBrHHBrC2H5CH3 Br H BrHHBrC2H5 C-2差向异构体差向异构体差向异构体：含多个手性碳的两个光活异构体，仅有一个手差向异构体：含多个手性碳的两个光活异构体，仅有一个手 性碳原子的构型相反，其余的手性碳构型相同，这两个光活性碳原子的构型相反，其余的手性碳构型相同，这两个光活异构体称为差向异构体。异构体称为差向异构体。C-2差向异构：由差向异构：由C-2引起的差向异构。（引起的差向异构。（C-2构型相反）构型相反） 一个碳原子（一个碳

32、原子（A）若和两个相同取代的不对称）若和两个相同取代的不对称碳原子相连而且当这两个取代基构型相同时。该碳碳原子相连而且当这两个取代基构型相同时。该碳原子为原子为对称碳原子对称碳原子，而若这两个取代基构型不同时，而若这两个取代基构型不同时，该碳原子为该碳原子为不对称碳原子不对称碳原子，则（，则（A）为）为假不对称碳原假不对称碳原子子。假不对称碳原子的构型用小假不对称碳原子的构型用小r, , 小小s表示。表示。在判别构型时，在判别构型时，R S，顺，顺 反。反。 假不对称碳原子假不对称碳原子对称碳原子对称碳原子不对称碳原子不对称碳原子(2R,4R)-2,3,4- 三羟三羟基戊二酸基戊二酸(2S,4

33、S)-2,3,4- 三羟三羟基戊二酸基戊二酸(2R,3s,4S)-2,3,4-三羟三羟基戊二酸基戊二酸(2R,3r,4S)-2,3,4-三羟三羟基戊二酸基戊二酸三羟基戊二酸三羟基戊二酸HOOCCHCHCHCOOHOHOHOHCOOHHHOHHOHOHCOOHRRCOOHHHOHHOHOHCOOHSSCOOHOHHHHOHOHCOOHRSCOOHOHHOHHHOHCOOHRS3-C 非手性碳非手性碳3-C假手性碳假手性碳 六、六、 含手性碳原子的单环化合物含手性碳原子的单环化合物 判别单环化合物旋光性的方法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实验证明：单环化合物有否旋

34、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。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）无旋光（对称面）有旋光有旋光AAAAAAAA无旋光（对称中心）无旋光（对称中心）有旋光有旋光无旋光无旋光(对称面对称面)无旋光（对称面）无旋光（对称面）AAAAAAAA无旋光（对称面）无旋光（对称面）有旋光有旋光无旋光（对称面）无旋光（对称面）有旋光有旋光取代环己烷旋光性的情况分析取代环己烷旋光性的情况分析例一：顺例一：顺-1,2-二甲基环己烷二甲基环己烷旋转旋转120o(1)(2)(1)

35、的构象转换体的构象转换体(1)和和(2)既是既是构象转换体，构象转换体，又是对映体。又是对映体。能量相等，能量相等，所以构象分所以构象分布为布为(1):(2)=1:1。内消旋，无旋光内消旋，无旋光SS例三例三: （1S，2S）-1,2-二甲基环己烷二甲基环己烷例二：（例二：（1R，2R）-1,2-二甲基环己烷二甲基环己烷RR有手性，有旋光有手性，有旋光有手性，有旋光有手性，有旋光七、对映体的生物作用七、对映体的生物作用 手性分子的立体结构与受体的立体手性分子的立体结构与受体的立体结构结构(受体靶位受体靶位)有互补关系时，其活性有互补关系时，其活性部位才能进入受体的靶位，产生应有的部位才能进入受

36、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，产生生理适合进入一个特定受体靶位，产生生理效应。效应。 手性分子与手性生物受体之间的相互作用手性分子与手性生物受体之间的相互作用 n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。异构体，而不是异构体的混合物。香芹酮香芹酮 (Carvone(Carvone) )(R)-, 薄荷味薄荷味 (S)-, 臭蒿味臭蒿味阿斯巴甜阿斯巴甜(Aspartame)(Aspartame)(S,S)-, 甜味

37、甜味 (S,R)-, 苦味苦味HOHONH2COOHHOHOHH2NHOOCH (+)-多巴多巴（无生理效应）（无生理效应） (-)-多巴多巴（抗帕金森病）（抗帕金森病） （1）对映体药效差别大）对映体药效差别大ArC*CH3COOHHJACS, 100, 5833(1988)Ar 药效药效S/R=36S/R=29NaproxenIbuprofenMeOi-Bu（2）对映体药效相反）对映体药效相反NHNHCH*C2H5i-BuMeOOOAnn. Rev. Pharmacol. Toxical, 21, 83(1981)巴比妥酸盐巴比妥酸盐S () 催眠镇痛催眠镇痛R (+) 兴奋剂，引兴奋剂，

38、引起惊厥和痉挛起惊厥和痉挛(3) 对映体之一有严重毒副作用对映体之一有严重毒副作用NOO*NHOO镇静剂（孕妇用）镇静剂（孕妇用）R和和S都有效都有效S-S-有严重胎毒性致畸性有严重胎毒性致畸性（2万多婴儿畸形）万多婴儿畸形）Thalidomide(反应停）反应停）Drug Res, 29, 1640 (1979)（4）对映体之间药理作用不同）对映体之间药理作用不同ONHOHS-治疗心脏病治疗心脏病R-男性避孕药男性避孕药Propanolol (S-心得安）心得安）Chem. in britain, 847 (1988)（5）两种对映体协同作用两种对映体协同作用OClClSHOOCO混合使用，

39、可避混合使用，可避免血中尿酸过高免血中尿酸过高引起心血管病、引起心血管病、肾脏病、风湿疼肾脏病、风湿疼痛等疾病。痛等疾病。Indacrynic Acid(+) 利尿利尿 () 促进促进尿酸排泄尿酸排泄1984: 美国美国FDA审批手性新药要求：审批手性新药要求： 对映体分开，分别进行药效、毒性、代谢等试验对映体分开，分别进行药效、毒性、代谢等试验，然后决定是以单一对映体上市或，然后决定是以单一对映体上市或dl-体。体。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$，占总销额（，占总销额（3900亿亿$） 1

40、/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。Chem & Eng News, 1995, 44, OCT 9Chem & Eng News, 2001, 45, MAY 142001：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，生产催化加氢，生产L-多巴多巴Sharless，K.B MIT教授，不对称环氧化教授，不对称环氧化2.4构型保持与构型翻转构型保持与构型翻转2.5外

41、消旋化外消旋化n1 1）正丁烷的氯代历程中，产生仲丁基自）正丁烷的氯代历程中，产生仲丁基自由基中间体由基中间体平面构型平面构型氯从平面氯从平面上下方进攻机会均等。上下方进攻机会均等。 CCH2CH3HH3CCCH2CH3HH3C外消旋化外消旋化(racemization):旋光物质转变为旋光物质转变为不旋光的外消旋体的过程不旋光的外消旋体的过程.(2)长期放置，如长期放置，如R-3-苯基苯基-2-丁酮在酸或碱的乙醇丁酮在酸或碱的乙醇水溶液中，通过烯醇化引起消旋化。水溶液中，通过烯醇化引起消旋化。(3)由于反应过程中产生碳正离子而消旋化，如：由于反应过程中产生碳正离子而消旋化，如：CCH3PhC

42、HCH3OH或 OHCCH3CPhOHCH3CCH3PhCHCH3O或OHCPhH3CHCl-ClCPhH3CHH2OCPhH3CHOHCPhCH3HHO+n外消旋体是由一对对映体等量混合而成，外消旋体是由一对对映体等量混合而成，对映体除旋光方向外，其它物理性质均相对映体除旋光方向外，其它物理性质均相同。同。n 用一般的物理方法（分馏、分步结晶等）用一般的物理方法（分馏、分步结晶等）不能把一对对映体分离开来。必须用特殊不能把一对对映体分离开来。必须用特殊方法。方法。n 拆分拆分将外消旋体分离成旋光体的过程叫将外消旋体分离成旋光体的过程叫“拆分拆分”。例如：一个酸的外消旋体可用旋光性的碱与之反应

43、：例如：一个酸的外消旋体可用旋光性的碱与之反应：(+)-RCOOH (-)-RCOOH+ (-)-R3N(+)-RCOOH (-)-RCOOH(-)-R3N(-)-R3N非对映体非对映体(+)-RCOOH (-)-R3N(-)-RCOOH (-)-R3NHCl(+)-RCOOH + (-)-R3N HClHCl(-)-RCOOH + (-)-R3N HCl碱性对映体可用酸（如酒石酸碱性对映体可用酸（如酒石酸)将其分开。例如将其分开。例如：POPh2POPh2BrBr1)BuLi2) Ph2POClD-Tartric acidResolutionLiAlH4PPh2PPh2 其它官能团的外消旋体

44、，也可依据同样的原理用适当的试其它官能团的外消旋体，也可依据同样的原理用适当的试剂分开剂分开. 如如(-)-ROH(+)-ROH +COCOOCO2R-(-)CO2HCO2R-(+)CO2H+(-)-R3NCO2R-(-)CO2H R3N-(-)CO2R-(+)CO2H R3N-(+)+CO2R-(+)CO2H R3N-(-)CO2R-(-)CO2H R3N-(-)HCl生物生物拆分法拆分法1.苯甘氨酸的拆分苯甘氨酸的拆分CHNH2COOHPhDL(PG)(CH3CO)2OCHHNCOOHPhDLCOCH3L-氨肽酶氨肽酶D-乙酰乙酰PGL-PGNaOH/H2OD-PGH2SO4 /H2OD

45、DD-PG是两种重要青霉素类药物的成分，是两种重要青霉素类药物的成分，以前由樟脑磺酸拆分规模受限（价高，量有限）以前由樟脑磺酸拆分规模受限（价高，量有限）PhNSOCOOHHHNNH2OPhNOHHNNH2OSCOOHAmpicillin(氨苄西林氨苄西林)Cephalexin(头胞苄氨头胞苄氨)酶法拆分的优点酶法拆分的优点 （1）对映选择性高）对映选择性高;（2）产率高，副产物少，产品易分离提纯）产率高，副产物少，产品易分离提纯;（3）条件温和）条件温和0-50oC，PH7, 能耗少能耗少, 安全性高安全性高,无设备腐蚀无设备腐蚀;（4）酶无毒，易降解，不造成环境污染。）酶无毒，易降解，不造

46、成环境污染。但也有缺点：但也有缺点：原料利用率低，最高也只有原料利用率低，最高也只有50%；选择合适的酶较困难。选择合适的酶较困难。 色谱分离方法应用范围：色谱分离方法应用范围：对映体纯度测定；对映体纯度测定；制备规模上的分离。制备规模上的分离。色谱法分类：色谱法分类：间接法：间接法：非对映异构体非对映异构体外消旋体外消旋体手性试剂手性试剂achiral柱柱色谱柱色谱柱分离后再生分离后再生分离后再生分离后再生直接法直接法手性固定相手性固定相拆分法：拆分法： ()ACSP(+)-A(-)-ACSPchiral柱柱4.4.色谱色谱拆分法拆分法-在色谱柱中用手性物质作固定相，可以直接将对映体在色谱柱

47、中用手性物质作固定相，可以直接将对映体分开分开。2.7 反应过程中的立体化学反应过程中的立体化学一、动态立体化学一、动态立体化学 分子的立体结构影响分子的化学性质分子的立体结构影响分子的化学性质,按照特定立体按照特定立体途径进行的化学过程途径进行的化学过程,叫动态立体化学叫动态立体化学. 化学键的断裂、生成，进攻试剂的方向和离去基团化学键的断裂、生成，进攻试剂的方向和离去基团的取向都有立体化学的问题，而且了解这些问题对化的取向都有立体化学的问题，而且了解这些问题对化学反应的历程、反应速度和外界条件的影响都能做出学反应的历程、反应速度和外界条件的影响都能做出较深一层的说明。较深一层的说明。立体化

48、学反应立体化学反应立体选择反应立体选择反应立体专一反应立体专一反应二、二、 立体选择性反应立体选择性反立体选择性反应立体选择性反应应(Stereoselective reactions) 对于某一反应对于某一反应,产物可能是几种立体异构体产物可能是几种立体异构体,但凡只但凡只产生其中一种为主的反应产生其中一种为主的反应,叫立体选择反应叫立体选择反应.O(CH3)3C(CH3)3C(CH3)3CHOHOHH+trans-cis-当用当用 LiAlH4 90% 10%当用当用 LiC2H5C(CH3)CH3BH 12% 88%CHOCH3H3CH3CHHLiAlH4CHCH3H3CH3CHHOHC

49、HOCH3H3CH3CHHLiAlH(OCH3)3CHCH3H3CH3CHHOH4-叔丁基的还原反应，为典型的高度立体选择性叔丁基的还原反应，为典型的高度立体选择性试剂的体积较小，以稳定的产物为主试剂的体积较小，以稳定的产物为主试剂的体积较大，以优先进攻空阻较小的方位。试剂的体积较大，以优先进攻空阻较小的方位。甲基碘化镁对甲基碘化镁对2-苯基丙醛的加成反应是中等程度的立苯基丙醛的加成反应是中等程度的立体选择性反应，生成的赤式体选择性反应，生成的赤式-3-苯基苯基-2-丁醇是苏式产物丁醇是苏式产物的的2倍：倍： S-2-苯基丙醛苯基丙醛 （）赤式）赤式 67% （）苏式）苏式33% R-2-苯基

50、丙醛苯基丙醛 （）赤式）赤式 67% （）苏式）苏式33%立体选择反应立体选择反应（stereoselective reaction）一般为反式消除一般为反式消除60% 20% 20%CH3CH2CHCH3IKOC(CH3)3DMSOC CHCH3H3CHC CCH3HH3CH+ CH3CH2CH=CH2IDCHABABCD2-碘丁烷的消除反应：碘丁烷的消除反应：较稳定的构象得到较稳定的构象得到较多的消除产物。较多的消除产物。三、三、 立体专一反应立体专一反应(Stereospecific reaction) 凡互为立体异构体的反应生成不同的立体异构体产凡互为立体异构体的反应生成不同的立体异构

51、体产物物,这种反应称为立体专一反应这种反应称为立体专一反应.HHC2H5CH3C2H5CH3HHClCl+ CHCl3+ KClKOHcis-C2H5HHCH3ClClHCH3C2H5H+ CHCl3+ KClKOHtrans-CH3CH3HHBr2BrBrCH3CH3HHBrBrCH3CH3HH+CH3CH3BrHHBrCH3CH3BrHHBr顺、反-2-丁烯与溴的加成CH3CH3HHBr2BrBrCH3CH3HHBrBrCH3CH3HH+CH3CH3BrHHBrCH3CH3BrHHBr符合事实的机理符合事实的机理溴f离子，较稳定BrBrH2C CH2+H2C CH2（环状溴正离子）+Br-

52、+H2CH2CBrH2CCH2BrBr反式加成（反式加成（antiaddition） 亲电加成反应亲电加成反应 （electrophilic addition reaction） +BrHCH3CH3HBrababBrBrCH3CH3HHBrBrCH3CH3HHCH3CH3BrHHBrCH3CH3BrHHBr外消旋体+BrHCH3CH3HBrBrBrCH3CH3HHBrBrCH3CH3HHcdcdCH3CH3BrHHBrCH3CH3BrHHBr内消旋体Diels-Alder ReactionCH2CH2HHHCO2CH3HH3CHCO2CH3HCH3+trans- productCH2CH2H

53、HCH3CO2CH3HHCH3CO2CH3HH+cis- product立体选择性反应和立体专一性反应立体选择性反应和立体专一性反应 如果一个反应中，有可能生成几种立体异构体，但实如果一个反应中，有可能生成几种立体异构体，但实际上，只得到或主要得到其中一个立体异构体或一对际上，只得到或主要得到其中一个立体异构体或一对对 映 体 ， 这 样 的 反 应 ， 称 为 立 体 选 择 性 反 应对 映 体 ， 这 样 的 反 应 ， 称 为 立 体 选 择 性 反 应（stereoselective reaction）。）。 由立体构型不同的反应物（顺由立体构型不同的反应物（顺-2-丁烯和反丁烯和反

54、-2-丁烯）产丁烯）产生立体构型不同的产物（外消旋体和内消旋体）的反生立体构型不同的产物（外消旋体和内消旋体）的反应，称为立体专一性反应（应，称为立体专一性反应（stereospecific reaction）所有的立体专一性反应都是立体选择性的，但反过来就所有的立体专一性反应都是立体选择性的，但反过来就不对了，如对甲苯磺酸的消除反应不对了，如对甲苯磺酸的消除反应： 2.8 潜非对称性和潜不对称碳原子潜非对称性和潜不对称碳原子 如果一个对称分子经一个基团被取代后失去了如果一个对称分子经一个基团被取代后失去了其对称性，而变成了一个非对称分子，那么原来的其对称性，而变成了一个非对称分子，那么原来的

55、对称分子称为对称分子称为“潜非对称分子潜非对称分子”，或称为，或称为“原手性原手性分子分子”。 而分子所具有的这种性质称为而分子所具有的这种性质称为“潜非对称性潜非对称性”或或“原手性原手性”，而发生变化的碳原子称为，而发生变化的碳原子称为“潜不对潜不对称碳原子称碳原子”或或“原手性碳原子原手性碳原子”。（一）（一）潜潜手性中心手性中心 非手性分子非手性分子CXCX2 2Y Y2 2 如如 CHCH3 3CHCH2 2CHCH3 3C-2C-2上的两个上的两个H H地位相等地位相等, ,（立体化学环境（立体化学环境相同）等位（相同）等位（homotopichomotopic）关系。）关系。CH

56、3CH3XH2HH22CH3CH3XHCH3CH3另一非手性分子如丙酸：另一非手性分子如丙酸： HHCH3COOH123Br2,PHBrCOOHCH3123+BrHCOOHCH3123C-2的两个的两个H地位并不相等。象地位并不相等。象CX2YZ分子中的碳原子分子中的碳原子被称为潜手性中心被称为潜手性中心(prochiral center)；分子中的；分子中的X被被不同于不同于X,Y,Z的基团取代后形成的对映体时，两个基团的基团取代后形成的对映体时，两个基团(X)称为对映异位基团；两个基团的这一关系称为对映称为对映异位基团；两个基团的这一关系称为对映异位关系。异位关系。(R) (S) HSHR

57、COOHCH3被被OH取代取代HOHCOOHCH3HOHCOOHCH3orS-(+)-乳酸乳酸R-(-)-乳酸乳酸潜不对称碳原子潜不对称碳原子（原手性碳原子）（原手性碳原子）潜非对称分潜非对称分子（原手性子（原手性分子）分子） 前（潜）手性碳和前（潜）手前（潜）手性碳和前（潜）手性氢性氢 被取代后，成为手性碳被取代后，成为手性碳 pro-C 被被D代后，得代后，得S-构型构型Hs 被被D代后，得代后，得R-构型构型HRHHCH3C2H5Pro-sPro-RHCH3C2H5HCH3C2H5DDRS（二）潜手性面（二）潜手性面(prochiral face) 具有对称面的不饱和键经过加成得到一对对

58、映体，具有对称面的不饱和键经过加成得到一对对映体，可说明另一种潜手性关系，即可说明另一种潜手性关系，即 Prochiral face. CH3CHOre 面si 面(顺时针方向，OCH)(逆时针方向,O C H) 从左侧看，从左侧看，OCH的顺序，其转向是顺时的顺序，其转向是顺时针的，称为针的，称为R面；从右侧看，称为面；从右侧看，称为S面。面。 R面与面与S面，对映异构关系，称为对映异位面；面，对映异构关系，称为对映异位面；特殊试剂可辨认。特殊试剂可辨认。Eg. CH3C DONaBH4HH3COHD+OHDH3CH(R)(S)R与S等量，外消旋CH3C DO酶还原H3CDOHHaD=-0.

59、280进攻Si面(R)n 由非手性分子合成手性分子时，产物是外消旋体。由非手性分子合成手性分子时，产物是外消旋体。n 若在反应时若在反应时存在某种手性条件存在某种手性条件，则新的手性碳原，则新的手性碳原子形成时，两种构型生成的机会不一定相等（对子形成时，两种构型生成的机会不一定相等（对映体之一的含量稍多些）。映体之一的含量稍多些）。这种不经过拆分直接合成出具有旋光性的物质的这种不经过拆分直接合成出具有旋光性的物质的方法，叫方法，叫手性合成手性合成（或（或不对称合成不对称合成）。）。2.9不对称合成不对称合成2.9 不对称合成（不对称合成（Asymmetric synthesis） 利用立体选择

60、反应可有效地合成某一光学利用立体选择反应可有效地合成某一光学异构体。其有效程度用对映体过量百分数异构体。其有效程度用对映体过量百分数（e.e enantiomeric excess）来衡量。）来衡量。对映体过量百分率= R S S+ R= 100%R - %S立体选向百分率 = A B B+ A= 100%A- %B光学纯度光学纯度:手性产物的比旋光度除以该纯净物质的比旋光手性产物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，度称为手性产物的光学纯度，乳酸的制备乳酸的制备：CH3COCOOHCH3OHCH3COCOOCH3AI(Hg)CH3CH(OH)COOCH3H2OCH3CH(OH)COOH*