第5章 立体化学

第五章立体化学立体化学研究分子在三维空间的结构以及与三维结构相联系的特殊物理性质和化学性质的科学。同分异构现象具有相同的分子式而拥有不同的分子结构，因而也拥有不同物理、化学性质。2一、同分异构体的分类具有相同的分子式，但具有不同结构的化合物互称为异构体。异构体主要分为两大类：构造异构和立体异构异构体间的互变须经过化学键的断裂和重新生成才能实现！ConstitutionConfigurationConformation对映异构旋光异构3构造异构类型构造异构：指具有相同的分子式而分子中原子间键合的顺序或/和方式不同而产生的不同的分子结构。构造异构碳架异构位置异构官能团异构互变异构CH3CH2CH2CH3

CH3CH2CH2Cl

CH3OCH3

CH3CH2OH

CH3CHCH3CH3

CH3CHCH3ClCH2=CHOHCH3CHO4A.构象异构定义：由于单键旋转而引起的原子在空间的相对位置不同。

不同的构象异构体在稳定性上存在着差异，较稳定的构象占有较大的比例，一般在室温下可互相转化；

不同的异构体在性质上存在着差异，化学反应的发生总是在某一特定的构象下进行，这是研究分子构象的意义所在！立体异构分子中的原子或原子团互相键连的方式和连接的次序相同，但在空间的相对位置不同而引起的异构。根据引起的异构的方式不同分为构象异构和构型异构。CH3HCH3HHHCH3HHHHCH3CH3CH35CH3CH3CH3CH3B.构型异构定义：不是由单键旋转引起的，而是分子本身固有的或在化学反应过程中形成的原子在空间上的相对位置不同。

构型异构常分为:顺反(几何)异构和光学(旋光、对映)异构。

不同的构型异构体在（某些）性质上存在着差异，其形成由所经历的特定反应途径（机理）决定；

不同的异构体的转化，必须经过化学键的断裂和再生，即通过化学反应才能实现！定义：由于共价键的旋转受到阻碍而产生的原子在空间排布的位置不同，通常是由双键或环结构引起。顺反（几何）异构CCCH3HCH3HCCHCH3CH3H6二、旋光异构、手征性与分子对称性1、旋光异构光是一种电磁波，朝各个方向振动且光波的振动方向与光的传播方向垂直。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。普通光普通光经过Nicol棱镜，可产生仅在一个平面上振动的光————平面偏振光平面偏振光平面偏振光光源光波前进方向7旋光仪、旋光度、比旋光度旋光性物质：能使偏振光偏振面偏转的物质。旋光度：使偏振光偏振面旋转的角度，用

表示。旋光方向：右旋(+);左旋(-)旋光性：使偏振光偏振面旋转的能力，用比旋光度表示。[]lt×=caalt温度，l光源的波长；a旋光度,l盛液管的长度，c溶液浓度8光学(旋光、对映)异构的发现1848年，巴黎大学教授LouisPasteur从酒石酸钠铵晶体中分离得到一对互为镜像关系的晶体。光学(旋光、对映)异构结构组成与原子间成键方式和排列顺序相同，仅是空间相对位置不同且互为不能重合的实物与镜像关系的异构现象；它们各自均可使偏振光振动平面发生偏转，且方向相反，偏转程度相同；互称为光学(旋光、对映)异构体。镜面92、手性中心与手征性若分子中的某一原子（通常是碳）上连接有四个不同基团时，该四个基团在空间可有两种不同的相对排列位置，构成一对异构体，两个异构体互成不能重合的实物与镜像的对映关系。这样的对映异构好似人的左手和右手的关系，互为镜像但不能重合，故把这种实物和镜像对映却又不能重合的现象称为手征性，简称手性；具有手(征)性的分子叫手(征)性分子；连有四个不同基团的中心原子称为手性中心，手性中心是碳原子称为手性碳。手性分子具有旋光性。注意：任一化合物都有镜像，但多数化合物的实物和它的镜像结构都是能够重合的。如果结构上的这种实物和它的镜像能够重合，则它们就是同一物质，因而是非手性的，没有对映异构，也不是对映异构体。CH3CHCOOHOH乳酸10对映异构体的性质差异(S)-(+)-乳酸(R)-(-)-乳酸

mp53oCmp53oC[]D=+3.82

[]D=-3.82

pKa=3.79(25oC)pKa=3.83(25oC)1515一个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。二者使平面偏振光旋转角度相同。因此叫做对映异构、旋光异构或光学异构。特点：

1、结构：镜影与实物关系；2、能量：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。呈现实物与镜像的不重合性是产生对映异构现象的充分必要条件！11旋光异构体的性质在非手性环境下，旋光异构体的物理性质与化学性质相同。

名称熔点/oC

[]25(20%水）溶解度

pka1pka2(+)-酒石酸170+12o1392.934.23(-)-酒石酸170-12o1392.934.23旋光异构体在手性环境下(如手性试剂、手性催化剂等)其反应速率不同。生物体内的酶和各种底物具有手性，构成手性环境，手性分子进入生物体内手性环境后,引起不同的分子识别,不同的对映体在生理活性上相差很大。(+)-2-甲基-1-丁醇(-

)-2-甲基-1-丁醇热H2SO4HBrCH3COOH烯酯溴烷D12对映异构体的作用差异——匹配性13多巴普萘洛尔异布芬治疗帕金森综合症的首选药物造成粒状白细胞减少症(极度危险)用于治疗心脏病男性避孕药非甾体高效解热镇痛药完全没有活性，增加体内代谢负担药理活性差异143、分子的手性和对称性对称因素分子的手性由分子的对称性所决定。(1)对称面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，则这个平面就是分子的对称面。对称面15(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。对称中心16(3)对称轴

以设想直线为轴旋转360o/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)，用Cn表示对称轴绕对称轴旋转180°之后对称轴17有二重对称轴，但没有对称面和对称中心，和它的镜像不能重合，是手性分子。有些具有对称轴的分子中不含有对称面或对称中心，是手性分子

。

有无对称轴不能作为判断分子有无手性的依据。

结论18(4)更替对称轴(旋转反映轴)穿过分子画一直线，分子以它为轴旋转360

/n后，再用一个与此直线垂直的平面进行反映，如果得到的镜像与原来的分子能够重合，这条直线就是更替对称轴，用Sn表示。

具有更替对称轴的化合物和镜像能够重合，因此没有手性，不具旋光性。19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；B、对称轴并不能作为分子是否具有手性的判据；C、大多数非手性分子都有对称轴或对称中心，只有更替对称轴而无对称面或对称中心的化合物是少数；D、手性分子具有光学活性。所以，对于那些既无对称面也没有对称中心的分子，一般可判定为是手性分子。20判别手性分子的依据有更替对称轴无手性旋转+反射更迭对称轴(Sn)(或旋转反射轴)有对称中心无手性倒反(反演)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)有对称面无手性反映(射)对称面(

)判别手性的依据对称操作对称元素21【例】判断下列化合物有没有手性。（1）有对称面(σ)，无手性；（2）无对称面(σ)，无对称中心(i)，有手性；（3）无对称面(σ)，无对称中心(i)，有手性；（4）有对称中心(i)，无手性。解：22三、含手性碳原子的旋光异构

乳酸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–3.8o；

肌肉运动产生的乳酸是右旋的，其比旋光度为+3.8o；

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，称外消旋体(常用±或dl表示)。外消旋体是混合物。1、含一个手性碳原子的旋光异构(S)-(+)-乳酸(R)-(

)-乳酸(

)-乳酸

mp53oCmp53oCmp18oC[]D=+3.82

[]D=-3.82

[]D=0pKa=3.79(25oC)pKa=3.83(25oC)pKa=3.86(25oC)151515外消旋乳酸23立体结构锲形式投影式Fischer投影式构型的表示法

Fischer投影式[约定]将含有碳原子的基团(主链)写在竖线上，把命名时编号最小的碳原子写在竖线上端。在投影时，与手性碳原子横向相连的两个键伸向前方，而竖向的两个键伸向后方，交叉点为手性碳原子。24Fischer投影式的操作：(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25旋转旋转180o则构型保持不变旋转90o则构型改变26

将投影式中与手性碳相连的任意两个基团对调,对调一次或奇数次则转变成它的对映体；对调二次或偶数次则构型保持不变。

如果固定某一个基团，而依次改变另三个基团的位置，则构型不变。对调一次再对调一次在纸平面上旋转180oHOHCOOHCH3HOHCOOHCH3HOHCH3COOHHOHCOOHCH3HCH2CH3COOHCH3H3CCH2CH3HCOOHCH3CH2COOHHCH3HCOOHCH3CH2CH3构型相同两个基团两个基团27手性中心构型标记构型是指立体异构体中心原子周围四个不同取代基在空间排列的相对位置。可给手性中心原子一特殊符号来标记取代在空间的相对位置——构型标记。Fisher选择甘油醛为标准，约定羟基在右边的为右旋，定为D构型，羟基在左边的为左旋的甘油醛，定为L构型。以甘油醛为基础，通过化学方法合成其它化合物，如果与手性碳原子相连的键没有断裂，则仍保持甘油醛的原有构型。HOHCHOCH2OHHOHCHOCH2OHD-(+)-甘油醛L-(-)-甘油醛D-(+)-甘油醛D-(-)-乳酸D/L标记法28R/S标记法1.将与手性碳原子相连的四个原子或原子团按优先顺序规则排序，如a>b>c>d;2.把最小的基团d放在最远离观察者的位置，其余三个基团指向观察者，沿着C*

d的方向、按从大到小的优先顺序观察a、b、c三个基团的排列方式，顺时针排列则构型为R(rectus)，逆时针排列构型为S(sinister)。R/S标记分为两步abcddbcaRS优先顺序OH>C2H5>CH3>H29基于Fisher投影式判断R、S构型：

顺序最小的原子(或基团)在竖线上,顺时针排列为R构型,

逆时针排列为S构型。

顺序最小的原子(或基团)在横线上,顺时针排列为S构型,

逆时针排列为R构型。30D,L标记的是相对构型，R,S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)与约定的D、L甘油醛相关联而确定的构型。相对构型

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；

旋光方向是化合物的固有性质，而对化合物的构型标记只是人为的规定；

仅从化合物的构型还无法确定其旋光方向，必须通过实验来确定；

R/S标记用来表示手性中心原子的构型比较明确，符合系统命名的要求，缺点是不能反映异构体之间的联系，同时在许多情况下，即使保持手性中心构型不变的情况下进行反应，其产物的R和S构型也可能发生了改变。HOHCH2BrC2H5HOHCH3C2H5ZnH+ZnBr2R-1-溴-2-丁醇S-2-丁醇注意：31【例】用R/S标记法标记A的构型，判断B,C,D与A是同一化合物还是对映体？解：化合物A的构型为S，化合物B的构型为R，化合物C的构型为S，化合物D的构型为S。化合物B与化合物A是对映体，化合物C、D与化合物A是同一化合物。322、含两个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)对映关系：

I与II；III与IV；对映异构(体)非对映关系：I与III、I与IV、II与III、II与IV；非对映异构(体)IIIIIIIV优先顺序331和2，3和4互为对映关系，呈镜影关系的旋光异构体为对映异构(体)；1和3或4不能重合，也不是镜像关系，但相互间是立体异构，这种不是实物与镜像关系的旋光异构称为非对映异构(体)；非对映异构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。对映异构(体)、非对映异构(体)内消旋体(meso)、外消旋体（dl,

）(1)(2)(3)(+)-