第八章 立體化學(xué)

第八章立體化學(xué)

Stereochemistry

構(gòu)造異構(gòu)碳鏈異構(gòu)官能團(tuán)異構(gòu)位置異構(gòu)互變異構(gòu)立體異構(gòu)構(gòu)象異構(gòu)順反異構(gòu)（幾何異構(gòu)）對(duì)映異構(gòu)（旋光異構(gòu)）構(gòu)型同分異構(gòu)

1.構(gòu)造異構(gòu)

Constitutionalisomerism

——由于分子中原子或基團(tuán)的連接順序或方式不同而產(chǎn)生的異構(gòu)。

2.立體異構(gòu)

Stereoisomerism

——分子中原子或基團(tuán)的連接順序和方式相同，但是在空間的排布不同而產(chǎn)生的異構(gòu)。（1）構(gòu)象異構(gòu)(2)構(gòu)型異構(gòu)體──順反異構(gòu)

同分異構(gòu)的多層次性構(gòu)造異構(gòu)、構(gòu)型異構(gòu)和構(gòu)象異構(gòu)是不同層次的異構(gòu)。其中構(gòu)造異構(gòu)屬較低層次的異構(gòu)形式，其次為構(gòu)型異構(gòu)，而構(gòu)象異構(gòu)是較高層次的異構(gòu)形式。其中低層次異構(gòu)形式通常包含有較高層次的異構(gòu)形式。Example普通光尼可爾棱鏡偏振光

光波在各個(gè)方向振動(dòng)光波在一個(gè)方向振動(dòng)一、幾個(gè)重要概念

1.旋光性（opticalactivity）旋光儀示意圖

能使偏振光的振動(dòng)方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)的特性叫旋光性，具有旋光性的物質(zhì)叫光學(xué)活性物質(zhì)或旋光活性物質(zhì)。

2.比旋光度（specificrotation)使偏振光順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，稱為右旋物質(zhì)，用（+）或d表示；使偏振光逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，稱為左旋物質(zhì)，用（-）或l

表示。α與測(cè)定時(shí)的條件密切相關(guān)，物質(zhì)的旋光性通常用比旋光度表示：

比旋光度的定義：溶液的濃度規(guī)定為1g/1mL，盛液管的長(zhǎng)度規(guī)定為1dm，在這種條件下測(cè)得的旋光度。常用鈉光燈為光源（波長(zhǎng)為589nm，相當(dāng)于太陽(yáng)光譜中的D線），測(cè)定時(shí)溫度一般為20℃；比旋光度通常這樣表示：[]20aD

比旋光度按規(guī)定是指在上述特定條件下所測(cè)得的旋光度。實(shí)際上，可用任一濃度的溶液，在任一長(zhǎng)度的盛液管中進(jìn)行測(cè)定，然后將實(shí)際測(cè)得的旋光度，按下式換算成比旋光度[]:α─旋光儀上測(cè)得的旋光度ρB─質(zhì)量濃度（g·mL-1）l─盛液管的長(zhǎng)度（dm）t─測(cè)定時(shí)的溫度λ─所用光源的波長(zhǎng)

例如，在10mL水中，加入某旋光物質(zhì)1g，在1dm長(zhǎng)的盛液管內(nèi)，用鈉燈做光源，溫度為20℃時(shí)測(cè)得它的旋光度α為-4.64o，則該物質(zhì)的比旋光度為：=[]20aD-4.64o

110×1=-46.4o(水)

3.手性（chirality）

“實(shí)物”與其“鏡像”不能重合，實(shí)物的這種特性稱為“手性”。

左右手互為鏡象錘1錘1鏡像錘1&錘1鏡像可以完全重合

Somechiralobjectsinourlife

手性不僅是某些宏觀物體的特征，某些微觀的分子同樣也具有“手性”，我們稱這類分子為“手性分子”。大量的天然有機(jī)物，如脂類、糖類、氨基酸、生物堿以及在生物體內(nèi)起重要作用的酶等，大多是手性分子。手性分子非手性分子

判斷一個(gè)分子是否有手性，可用做一對(duì)實(shí)物與鏡像的分子模型，觀察它們是否能夠完全重合，如果不能重合就是手性分子。但是要判斷判斷一個(gè)分子是否有手性，并非一定要用模型。一個(gè)分子是否能否與其鏡像重合，與分子的對(duì)稱因素有關(guān)，對(duì)稱因素主要有對(duì)稱面、對(duì)稱中心、對(duì)稱軸等。

手性的判斷

4.對(duì)稱因素（symmetryfactor）

(1)對(duì)稱面

假設(shè)一個(gè)平面可以把分子分成兩半，而這兩半互為鏡像關(guān)系，這個(gè)平面就是這個(gè)分子的對(duì)稱面

。

有對(duì)稱面有對(duì)稱面

（2）對(duì)稱中心

設(shè)想分子中有一中心點(diǎn)P，任何的直線通過分子的中心，在離中心等距離處遇到完全相同的原子，此點(diǎn)即為該分子的對(duì)稱中心。

（3）對(duì)稱軸Cn

設(shè)想分子中有一條直線，以這條直線為軸旋轉(zhuǎn)360°/n后(n為正整數(shù))，得到分子和原來的完全相同，即繞軸一周，有n個(gè)形象與原形象相同，這條直線稱為n重對(duì)稱軸，用Cn表示。對(duì)稱軸不作為判別分子手性的依據(jù)。

*（4）交替對(duì)稱軸Sn（反軸）

設(shè)想分子中有一條直線，以這條直線為軸旋轉(zhuǎn)360°/n后，再用一個(gè)與此直線垂直的平面作為鏡面進(jìn)行反映，若所得到的鏡像與原來的分子完全相同，這條直線就是交替對(duì)稱軸Sn。（需要進(jìn)行兩次操作）(I)=(Ⅲ)，(I)有4重交替對(duì)稱軸S4(I)是手性分子嗎？旋轉(zhuǎn)90°(I)(Ⅱ)(Ⅲ)反映

（5）如何根據(jù)對(duì)稱因素判斷手性①如果一個(gè)分子中有對(duì)稱面、對(duì)稱中心，這種分子是非手性分子。②若既沒有對(duì)稱面，又沒有對(duì)稱中心，一般可斷定這種分子是手性分子。凡是手性分子,都具有旋光性，而非手性分子則都沒有旋光性。*在有機(jī)化合物中，大多數(shù)非手性分子都有對(duì)稱面、對(duì)稱中心，或4重交替對(duì)稱軸。沒有對(duì)稱面或?qū)ΨQ中心，只有4重交替對(duì)稱軸的非手性分子很少。因此，只要一個(gè)分子中既沒有對(duì)稱面，又沒有對(duì)稱中心，一般可以斷定它是手性分子。Question：判定下列分子是否具有手性二、含一個(gè)手性碳原子的化合物

所謂手性碳原子（亦稱“不對(duì)稱碳原子”）是指與四個(gè)不同的原子或基團(tuán)相連接的碳原子，通常用星號(hào)“*”標(biāo)出。乳酸酒石酸思考題：指出下列化合物中的手性碳原子。***

1．對(duì)映體和外消旋體最早發(fā)現(xiàn)的含一個(gè)手性碳的化合物是乳酸，手性碳上四個(gè)不同的基團(tuán)在空間有兩種不同的排列方式，也就是有兩種不同的構(gòu)型：

乳酸運(yùn)動(dòng)中肌肉分泌[α]D=+3.82°

牛奶發(fā)酵得到[α]D=-3.82°

乳酸的兩個(gè)分子模型，無論將它們?cè)鯓臃D(zhuǎn)，都不能使之完全重合。所以二者分別代表兩個(gè)不同分子。它們呈實(shí)物與鏡像的關(guān)系，叫做對(duì)映異構(gòu)體，簡(jiǎn)稱對(duì)映體。這一對(duì)對(duì)映體都是手性分子，所以都有旋光活性。

對(duì)映體性質(zhì)的比較：

（1）物理；（2）化學(xué)；（3）生理作用

等量的左旋體和右旋體組成的體系叫做外消旋體，常用“（±）”或“dl”表示，外消旋體沒有旋光活性，[α]D=0。化合物

熔點(diǎn)／℃

[])OH(D220a

pKa（25℃）

（＋）-乳酸

53

＋3.82

3.79

（－）-乳酸

53

－3.82

3.79

（±）-乳酸

18

0

3.79

對(duì)映體：具有實(shí)物與鏡像的關(guān)系的兩個(gè)異構(gòu)體。Ibuprofen直接止痛

由上可知，Ibuproven盡管原子組成相同，但互為對(duì)映異構(gòu)體，構(gòu)型不同，藥效不同，說明生命體對(duì)異構(gòu)體具有偏愛，這是一種不對(duì)稱行為。R型在體內(nèi)轉(zhuǎn)化成左式發(fā)揮止痛作用S型

2．費(fèi)歇爾（Fischer）投影式

旋光異構(gòu)體結(jié)構(gòu)表示法：（1）透視式乳酸的一對(duì)對(duì)映體的球棒模型和透視式為：

球棒模型透視式CCCOOHCOOHOHHHCH3HOH3C（2）費(fèi)歇爾（Fischer）投影式Fescher投影式球棒模型Fescher投影式OHCH3CH3COOHCOOHHOHH

注意問題:

a.要以立體的觀點(diǎn)看待費(fèi)歇爾投影式(橫前豎后），

b.主鏈豎向，C-1在上，c.不能將費(fèi)歇爾投影式離開紙面翻轉(zhuǎn)180°，不能在紙面上旋轉(zhuǎn)90o，但可沿紙面旋轉(zhuǎn)180°及其整數(shù)倍（n個(gè)180°)。離開紙面翻轉(zhuǎn)180°（Ⅰ）

（Ⅱ）(Ⅰ)≠(Ⅱ)（Ⅰ）

（Ⅱ）

(Ⅰ)＝(Ⅱ)沿紙面旋轉(zhuǎn)180°思考題：代表下列哪種構(gòu)型？

三、構(gòu)型的命名法（標(biāo)記法）對(duì)映異構(gòu)體的差別就在于構(gòu)型不同，對(duì)它們命名時(shí)，不同的構(gòu)型要進(jìn)行標(biāo)記。構(gòu)型的標(biāo)記有兩種方法：

1．D，L-命名法

選取甘油醛為標(biāo)準(zhǔn)，甘油醛兩種構(gòu)型的投影式如下：

D-(＋)-甘油醛L-(-)-甘油醛

標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的構(gòu)型確定之后，其它旋光物質(zhì)可以通過構(gòu)型關(guān)聯(lián)法確定其構(gòu)型。凡是可以從右旋甘油醛通過化學(xué)反應(yīng)得到的化合物，或者可以轉(zhuǎn)變成右旋甘油醛的化合物，都是D型，反之L-型。(+)-甘油醛

(-)-乳酸D-(+)-甘油醛D-(-)-乳酸

D-α-氨基丙酸L-α-氨基丙酸

由于這樣確定的構(gòu)型是相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)而言，所以叫做相對(duì)構(gòu)型。

應(yīng)當(dāng)注意的是：D，L-是表示構(gòu)型的。(＋)和(-)或d-和l-表示的是旋光方向，這只能由旋光儀測(cè)得，而與化合物的構(gòu)型沒有固定的關(guān)系。D構(gòu)型的化合物可以是左旋的，也可以是右旋的。如果一個(gè)化合物是(＋)，它的對(duì)映體一定是(-)；如果它是D構(gòu)型，它的對(duì)映體一定是L構(gòu)型。

D，L-命名法在使用上有一定的局限性，因?yàn)橛行┗衔锊灰淄视腿┫嗦?lián)系。例如：不能用D，L-命名法。自1970年以來，國(guó)際上根據(jù)IUPAC的建議，逐漸采用了另一種標(biāo)記構(gòu)型的辦法，即R，S-命名法。

2．R，S-命名法

①首先按次序規(guī)則，將手性碳原子所連的四個(gè)原子或基團(tuán)由大到小排列成序。設(shè)a＞b＞c＞d。

②然后把次序最小的原子或基團(tuán)d放在離觀察者眼睛最遠(yuǎn)的地方，③最后觀察a→b→c的排列次序。

順時(shí)針方向排列為R型；逆時(shí)針方向排列為S型

－OH＞－COOH＞－CH3＞－H（R）-乳酸（S）-乳酸

(S)-2-氯丁烷

—Cl＞—CH2CH3＞—CH3＞—H

－I＞－Br＞－Cl＞－H

建議用左右手法。最小的基團(tuán)在左邊，用左手，最小的基團(tuán)在右邊，用右手。（2S,3S)-2-羥基-3-氯丁二酸（2S,3R)-酒石酸

為什么費(fèi)歇爾投影式可沿紙面旋轉(zhuǎn)180°及其整數(shù)倍？

（R）-乳酸（R）-乳酸沿紙面旋轉(zhuǎn)180°

根據(jù)模型和透視式比較容易確定R，S-構(gòu)型，而直接使用費(fèi)歇爾投影式，則判斷較困難。為此人們根據(jù)投影規(guī)則和R，S-命名法的規(guī)定，提出下述簡(jiǎn)易方法：(1)最小基團(tuán)如果連在豎鍵上（不論在上或在下）其它三個(gè)基團(tuán)從大→小順時(shí)針為R型，逆時(shí)針為S型。我們將這一情況總結(jié)為“小上下，同向”。－I＞－Br＞－Cl＞－H－Br＞－Cl＞－F＞－H

(2)最小基團(tuán)如果連在橫鍵上（不論在左或在右），其它三個(gè)基團(tuán)從大→小順時(shí)針為S型，逆時(shí)針為R型。我們總結(jié)為“小左右，反向”。例如：－OH＞－COOH＞－CH3＞－H－OH＞－CHO＞－CH2OH＞－H

必須了解，這里所說的順、逆時(shí)針方向，是對(duì)投影式而言，而R，S-命名法規(guī)定的順、逆時(shí)針方向是對(duì)立體分子模型而言，但其結(jié)果是一致的。建議用紙面分析法。思考題:判別以下兩式是為同一化合物，還是對(duì)映異構(gòu)體？四、含多個(gè)手性碳原子的化合物1．含兩個(gè)不相同手性碳原子的化合物

（1）旋光異構(gòu)體的數(shù)目

當(dāng)有n個(gè)手性碳原子時(shí)，其旋光異構(gòu)體的最高數(shù)目應(yīng)是2n個(gè)，也就是2n-1對(duì)對(duì)映體。

（2）非對(duì)映體

不呈鏡像關(guān)系的旋光異構(gòu)體叫非對(duì)映體，非對(duì)映體具有不同的物理性質(zhì)和不同的化學(xué)性質(zhì)。

（3）差向異構(gòu)體如果只有一個(gè)手性碳原子的構(gòu)型不同，而其它手性碳原子的構(gòu)型都相同，這樣的非對(duì)映體稱為差向異構(gòu)體。2-羥基-3-氯丁二酸(ⅰ)(ⅱ)(ⅲ)(ⅳ)mp173℃173℃167℃167℃[α]-31.3°+31.3°+9.4°-9.4°

(ⅰ)和(ⅲ)為C-3差向異構(gòu)體，(ⅰ)和(ⅳ)為C-2差向異構(gòu)體。CH2OHOHHOHHHOHCHOCH2OHHHOHHOHOHCHO(i)(ii)CH2OHOHHHHOHOHCHOCH2OHHHOOHHHOHCHO(v)(vi)CH2OHOHHOHHHOHCHOCH2OHHHOHHOHOHCHO(iii)(iv)CH2OHOHHHHOHOHCHOCH2OHHHOOHHHOHCHO(vii)(viii)

2．含兩個(gè)相同手性碳原子的化合物

酒石酸（2，3-二羥基丁二酸）

(ⅰ)(ⅱ)(ⅲ)(ⅳ)

(ⅰ)和(ⅱ)是對(duì)映體，(ⅲ)

=(ⅳ)

這種雖含有手性碳原子，但同時(shí)存在對(duì)稱因素，因而不顯旋光活性的化合物稱為內(nèi)消旋體。常用meso-表示，命名為meso-酒石酸。

mp[]D(水)溶解度(g/100ml)pKa1pKa2(+)-酒石酸170℃+12.01392.934.23(-)-酒石酸170℃-12.01392.934.23()-酒石酸206℃020.62.964.24meso-酒石酸140℃01253.114.80酒石酸的物理性質(zhì)

五、環(huán)狀化合物的立體異構(gòu)

環(huán)狀化合物的立體異構(gòu)現(xiàn)象比鏈狀化合物復(fù)雜，旋光異構(gòu)與順反異構(gòu)往往同時(shí)存在。

1.二取代環(huán)己烷的立體異構(gòu)順1,4-環(huán)己烷二甲酸反1,4-環(huán)己烷二甲酸

1,4-環(huán)己烷二甲酸(1R,2R)-1,2-環(huán)己烷二甲酸(1S,2S)-1,2-環(huán)己烷二甲酸

1,2-環(huán)己烷二甲酸

當(dāng)環(huán)上有兩個(gè)或兩個(gè)以上取代基時(shí)，如果分子有對(duì)稱性，構(gòu)型用順反表示，如果分子沒有對(duì)稱性，構(gòu)型用R，S表示。

2.含手性碳原子的單環(huán)化合物

——判別單環(huán)化合物旋光性的方法

實(shí)驗(yàn)證明：?jiǎn)苇h(huán)化合物有否旋光性可以通過其平面式的對(duì)稱性來判別，凡是有對(duì)稱中心和對(duì)稱平面的單環(huán)化合物無旋光性，反之則有旋光性。無旋光（對(duì)稱面）有旋光無旋光（對(duì)稱中心）無旋光(對(duì)稱面)無旋光（對(duì)稱面）有旋光無旋光（對(duì)稱面）有旋光無旋光（對(duì)稱面）有旋光六、不含手性碳原子的旋光異構(gòu)1．丙二烯型化合物

sp雜化sp2雜化sp2雜化

丙二烯分子中的三個(gè)碳原子由兩個(gè)雙鍵相連，這兩個(gè)雙鍵互相垂直。因此第一個(gè)碳原子與兩個(gè)氫原子所在的平面，與第三個(gè)碳原子與兩個(gè)氫原子所在的平面，正好互相垂直。

當(dāng)C1

和C3分別連有不同基團(tuán)時(shí)，這個(gè)分子就有一個(gè)手性軸，就是一個(gè)手性分子（沒有對(duì)稱面、對(duì)稱中心），因而有對(duì)映體存在。手性軸

例如：

CH3CH=C=CHCH3

思考題:下列哪些化合物是手性分子?

*2．螺環(huán)型化合物螺環(huán)化合物可以看成是丙二烯型的分子，如果兩個(gè)環(huán)上都連有不同基團(tuán)時(shí)，即成為手性分子。3．聯(lián)苯型化合物

如果每個(gè)苯環(huán)上的兩個(gè)取代基都不一樣，這個(gè)分子就一個(gè)手性軸，因而有對(duì)映體存在。例如6，6'-二硝基-2，2'-聯(lián)苯二甲酸的對(duì)映體如下表示：

阻轉(zhuǎn)異構(gòu)體（atropisomer）

——由于單鍵旋轉(zhuǎn)受阻而形成的手性分子。

七、外消旋體的拆分

合成具有手性碳原子的化合物時(shí)，一般得到的是外消旋體，例如丙酸進(jìn)行氯化，得到的是(+)-2-氯丙酸和(-)-2-氯丙酸的等量混合物（外消旋體）。

這是因?yàn)楸岬膬蓚€(gè)α-氫原子被氯取代的概率是均等的。

將外消旋體拆分成左旋體和右旋體，稱為外消旋體的拆分。

由于對(duì)映體的一般物理性質(zhì)是相同的，所以用一般的分離方法，例如分餾、重結(jié)晶等不能把它們分離。要把它們分離，必須用其它特殊方法。

1．化學(xué)法原理：讓對(duì)映體與手性試劑反應(yīng)，變成非對(duì)映體，由于非對(duì)映體具有不同的物理性質(zhì)，可用一般方法如結(jié)晶法將它們分開，然后再分解為原來的左旋體和右旋體。化學(xué)法最適用酸或堿外消旋體的拆分。例如：酸的外消旋體可用旋光性堿來拆分。(±)酸＋(＋)堿(＋)酸(＋)堿(－)酸(＋)堿重結(jié)晶(＋)酸(＋)堿HCl(－)酸(＋)堿HCl(＋)酸(－)酸

（非對(duì)映體）

同樣，堿的外消旋體可用旋光性酸來拆分。

2．生物化學(xué)法

有些微生物或酶對(duì)于對(duì)映體中的一種異構(gòu)體有選擇性的分解作用。而對(duì)另一種異構(gòu)體不起作用，結(jié)果留下另一種異構(gòu)體。例如青霉菌在含有外消旋酒石酸的培養(yǎng)液中，能分解右旋體，留下了左旋體。

3．誘導(dǎo)結(jié)晶法

在外消旋體的過飽和溶液中加入少量左旋體或右旋體的晶體作為晶種，與晶種相同的異構(gòu)體便先析出，這種方法已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用。例如氯霉素的生產(chǎn)中，就是用這種誘導(dǎo)結(jié)晶法拆分中間體。

4．柱色譜法利用具有光學(xué)活性的吸附劑，用柱色譜的方法，也可以把一對(duì)對(duì)映體拆分開。

*八、不對(duì)稱合成

由非手性分子合成手性分子時(shí)，產(chǎn)物是外消旋體，沒有旋光性。例如：（±）-乳酸必須進(jìn)行拆分，才能得到旋光性的物質(zhì)。但是，一個(gè)手性分子在反應(yīng)過程中產(chǎn)生第二個(gè)手性中心時(shí)，兩種構(gòu)型生成的機(jī)會(huì)不一定相等，最后得到的產(chǎn)物有旋光性。這樣，可以不經(jīng)過拆分直接合成有旋光性的物質(zhì)，這種方法叫不對(duì)稱合成或手性合成。反應(yīng)物+試劑產(chǎn)物催化劑溶劑1.不對(duì)稱合成常采用的方法*1.手性反應(yīng)物*2.手性試劑*3.手性溶劑*4.手性催化劑*5.在反應(yīng)物中引入手性例如：不等量的非對(duì)映體（左旋體過量，有旋光性）（-)薄荷醇（手性試劑）*2.光學(xué)純度（OP）反應(yīng)物1+反應(yīng)物2產(chǎn)物1(R)+產(chǎn)物2(S)

若(R)>(S)若(R)<(S)[][]PO純R實(shí)測(cè)aa=.%[][]PO純S實(shí)測(cè)aa=.%

例如：某2-丁醇試樣經(jīng)測(cè)定其比旋光度為+6.76°，而純品（S)-(+)-2-丁醇為+13.52°，可以計(jì)算出該2-丁醇試樣的光學(xué)純度為：[][]PO純S實(shí)測(cè)aa=.%

*3.對(duì)映體過量(ee)

是指一個(gè)對(duì)映體超過另一個(gè)對(duì)映體的百分?jǐn)?shù)。

若產(chǎn)物是一對(duì)對(duì)映體，當(dāng)R構(gòu)型的產(chǎn)物大于S型的產(chǎn)物時(shí)，%ee為：當(dāng)S構(gòu)型的產(chǎn)物大于R構(gòu)型的產(chǎn)物時(shí)，%ee為：

例如：R和S兩個(gè)異構(gòu)體的質(zhì)量分別為60和40，則對(duì)映體過量為20%。

op值理論上等于ee，但實(shí)際上由于測(cè)定方法不同，兩者可能不同。隨著色譜技術(shù)的發(fā)展，目前ee值更常用，也更準(zhǔn)確。

*九、對(duì)映異構(gòu)在研究反應(yīng)機(jī)理中的應(yīng)用

親電加成反應(yīng)的立體化學(xué)

烯烴親電加成反應(yīng)的歷程可通過立體化學(xué)實(shí)驗(yàn)事實(shí)來證明，下面以2-丁烯與溴的加成為例進(jìn)行討論。

實(shí)驗(yàn)事實(shí)：外消旋體(蘇型)內(nèi)消旋體