第七章 立體化學(xué)

第七章立體化學(xué)第一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四立體化學(xué)(stereochemistry)是從三維空間來研究分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的科學(xué)，是近代有機(jī)化學(xué)的重要組成部分。立體化學(xué)研究的重要內(nèi)容是立體異構(gòu)，包括順反異構(gòu)、構(gòu)象異構(gòu)和對映異構(gòu)。順反異構(gòu)是由于雙鍵(或環(huán))的存在使分子中某些原子或基團(tuán)在空間的位置不同引起的，不同異構(gòu)體具有不同的物理性質(zhì)(不同的熔點、沸點、折射率、溶解度、密度等)。第二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四立體異構(gòu)體也可分為對映異構(gòu)體和非對映異構(gòu)體。其中兩個分子彼此為物與像的關(guān)系，且彼此不能完全重合的立體異構(gòu)體，稱為對映異構(gòu)體(enantiomers)。構(gòu)象異構(gòu)是分子內(nèi)繞鍵旋轉(zhuǎn)造成原子在空間具有各種不同的排列。本章主要討論對映異構(gòu)第三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四立體化學(xué)（對映異構(gòu)）一、手性和對映體二、手性分子的命名三、含有多個手性C的手性分子四、不含手性C的手性化合物五、對映異構(gòu)體的化學(xué)性質(zhì)第四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四一、手性和對映體

我們的左手和右手非常相似，互為鏡像，但不能重合，人們將這種性質(zhì)叫手性。（一）手性碳原子與手性分子（二）手性和對稱性（三）手性分子的性質(zhì)（四）手性分子的表達(dá)第五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四（一）手性碳原子與手性分子1848年，LowisPasteur在研究酒石酸鈉銨時發(fā)現(xiàn)對映異構(gòu)體。他發(fā)現(xiàn)無旋光性的酒石酸鈉銨是兩種不同結(jié)晶的混合物，兩種結(jié)晶互為鏡象。溶于水，均有旋光性，且兩個溶液的旋光度相等，但方向相反。Pasteur的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了1874年Van‘tHoff提出碳的四面體學(xué)說，從理論上解釋了對映異構(gòu)現(xiàn)象的存在。按照該學(xué)說，當(dāng)一個碳原子和四個其他原子相連時，這四個原子占據(jù)一個四面體的四個角，而碳原子則在中央。這樣，四個基團(tuán)在空間的不同排列方式有兩種，即存在兩種不同的構(gòu)型，互為對映體的關(guān)系。第六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四人們發(fā)現(xiàn)手性是自然界化合物普遍存在的現(xiàn)象，只要一個碳原子上的四個取代基各不相同，該化合物就必然存在互為鏡像的一對結(jié)構(gòu)，如：把實物與其鏡象不能重合的現(xiàn)象稱為手性(chirality)，具有手性的分子稱為手性分子(chiralmolecule)。第七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四我們將這個碳原子叫手性碳原子，以C*表示。這種分子叫手性分子，這兩種互為鏡像的分子叫對映異構(gòu)體，只有具有手性的分子才存在對映體。當(dāng)ABCD中任意兩個相等，該分子就不具有手性。手性與對映體的存在關(guān)系密切，如何判斷分子有無手性？直接辦法是看分子的結(jié)構(gòu)模型和其鏡像能否重疊，如不能重疊則是手性的；能重疊，則無手性。此乃是物質(zhì)具有旋光性和產(chǎn)生對映異構(gòu)現(xiàn)象的必要條件。判斷是否有手性還可以看分子是否有對稱因素，有對稱因素，分子能與其鏡像重疊，無手性；反之，無對稱因素，則有手性。第八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四ACBDADBC如圖為分子的結(jié)構(gòu)模型和其鏡像，可以看出，當(dāng)A、B、C、D各取代基不相同時，分子實物與其鏡像是不能完全重合的，二者互為對映異構(gòu)體。第九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四（二）手性和對稱性上述可見，手性分子在空間結(jié)構(gòu)上具有高度不對稱。為了判斷一個分子是否具有手性，就需要了解分子的對稱性。1、對稱軸Cn當(dāng)分子環(huán)繞通過該分子中心的軸旋轉(zhuǎn)2π/n角度后，得到的構(gòu)型與原分子相重合，則該分子有對稱軸存在，叫n重對稱軸，記為Cn。其對稱操作為轉(zhuǎn)動。對稱因素包括對稱軸、對稱面、對稱中心和n重交替對稱軸。第十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四如下分子具有對稱軸：一個分子可以有一個或多個對稱軸第十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四2、對稱面σ若某分子的所有原子都在同一平面上，或有一平面能將該分子分成完全相同的兩部分，則該平面就是這個分子的對稱面。下面的分子有對稱面：對稱面的對稱操作是反映，即所謂的照鏡子。σ第十二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四在分子中有一點，它與分子中任何原子（或基團(tuán)）相連成線，在此連線的反向延長線上等距離處有相同的原子（或基團(tuán)），此點為該分子的對稱中心。CH3CH3ClCl3、對稱中心對稱中心的對稱操作是反演，即假定對稱中心是直角坐標(biāo)的原點，分子中某一原子的的坐標(biāo)為(x,y,z)，經(jīng)過反演操作變?yōu)?-x,-y,-z)。第十三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四4、n重交替對稱軸假如分子中有一直線，當(dāng)分子以此直線為軸旋轉(zhuǎn)2π/n角度后，再用一個與此直線垂直的平面進(jìn)行反映，若得到的鏡像與原來的分子完全相同，該直線即是交替對稱軸。如四重交替對稱軸：第十四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四結(jié)論1、一個分子有無手性與有無對稱軸沒有關(guān)系。2、一般來講一個分子如果既沒有對稱面，又沒有對中心，基本上斷定為手性分子（開環(huán)化合物）。如果也沒有交替對稱（螺環(huán)化合物），則一定為手性分子。第十五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四3、判斷一個分子又無手性，不能單純用有無手性碳原子，而要擁有無對稱性判斷。但只含一個手性碳原子的分子一定是手性分子。第十六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四（三）手性分子的性質(zhì)手性分子必然存在對映異構(gòu)體，對映異構(gòu)體之間的差異是分子中原子在空間的排列方式不同，而構(gòu)造式、原子或原子團(tuán)在空間的相對關(guān)系是相同的，因此，分子之間的相互作用相同，所以，對映異構(gòu)體的一般物理性質(zhì)是相同的。除一般物理性質(zhì)外，對映異構(gòu)體對非手性試劑也表現(xiàn)出完全相同的化學(xué)性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)。那么，如何分析判斷對映異構(gòu)體？人們發(fā)現(xiàn)不同的對映異構(gòu)體對平面偏振光的旋轉(zhuǎn)方向不同。第十七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四如，從肌肉中得到的乳酸使偏振光平面向右旋，稱為右旋乳酸。從乳糖發(fā)酵得到的乳酸使偏振光平面向左旋，稱為左旋乳酸。由于對映異構(gòu)體具有以相反方向轉(zhuǎn)動偏振光平面的物理性質(zhì)，也稱其為“旋光異構(gòu)體”(opticalisomer)。又因其對偏振光平面有旋轉(zhuǎn)作用，也有稱其為光活性(opticalactivity)物質(zhì)。平面偏振光：使普通光通過尼克爾棱鏡，則通過棱鏡的光線只在一個平面上振動，這樣的光叫平面偏振光(plane-polarizedlight)，簡稱偏振光。第十八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四1、旋光性—比旋光度根據(jù)光活性物質(zhì)與平面偏振光的作用原理，設(shè)計出旋光儀，它主要由一單色光源和兩個尼克爾棱鏡組成。其作用原理如下：起偏鏡和檢偏鏡均為尼科爾棱鏡。偏振光通過手性化合物溶液后，光線振動方向偏轉(zhuǎn)的角度為α，叫旋光度。第十九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四[α]=αl.C若被測物是純液體ρ

:液體的密度[α]=αl.

ρ其中：C:

溶液的濃度(g/ml)

l:樣品池的長度[α]還與溫度、溶劑、光的波長等因素有關(guān)。旋光度除了與物質(zhì)本身的性質(zhì)有關(guān)以外，還與樣品池的長度、溶液的濃度、光源的波長、測量時的溫度等有關(guān)。為了排除物質(zhì)屬性以外的因素，常用比旋光度[α]來表示，其定義是濃度為1g/ml的溶液在1dm長的盛液管中測得的旋光度。第二十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四因此經(jīng)常要注明，如：

[α]20D=+52.5（水）是葡萄糖的水溶液

[α]20D=-93。（水）

是果糖的水溶液其中：20是指20℃，D是指鈉光燈。使偏振光右旋（順時針）的對映異構(gòu)體稱為右旋體(dextrorotationform)，記為（+）。使偏振光左旋（逆時針）的對映異構(gòu)體稱為左旋體(levorotationform)，記為（-）。將等量的兩種對映異構(gòu)體混在一起，則不具有旋光性，稱為外消旋體(racemicform)，記為（±）。第二十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四2、手性分子的其它性質(zhì)除了旋光性以外，手性分子還具有許多特殊性質(zhì)，如：1）在人體或生物體內(nèi)，兩種異構(gòu)體的活性不同。2）手性分子的各種異構(gòu)體的溶解性不同，特別是在手性溶劑中，兩種對映異構(gòu)體的溶解度不同，這樣可以將外消旋體拆分成兩對映異構(gòu)體。注意，旋光儀不能分辨α±n180?的度數(shù)，如它不能區(qū)分+28?

，+208?

，+388?

。此時，應(yīng)做兩個不同濃度或不同盛液管長度的測定。第二十二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四（四）手性分子的表達(dá)

—費舍爾投影式手性分子在空間的構(gòu)型要表達(dá)清楚，需要用透視式，如乳酸：手性碳原子、兩個基團(tuán)(-OH,-COOH)處于平面上，以實線與碳連接。其余兩個，一個伸向紙面前方，以實楔與碳相連；另一個伸向紙面后方，以虛楔連接。第二十三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四透視式比較直觀，但書寫起來不太方便，F(xiàn)ischer提出投影式，用平面形式來表示具有手性碳原子的分子立體模型的式子。如：習(xí)慣上把含碳原子的基放在豎鍵的方向，并把命名最小的碳原子放在上端。Fischer投影式規(guī)定：

豎直線上表示向紙平面內(nèi)延伸的兩個基團(tuán)橫直線上表示向紙平面外延伸的兩個基團(tuán)兩直線交叉點表示手性碳原子第二十四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四使用Fischer投影式應(yīng)注意以下幾個問題：（1）Fischer投影式只能在紙平面上移動或旋轉(zhuǎn)

180?進(jìn)行比較，不能在紙平面上翻轉(zhuǎn)。（2）任意對調(diào)兩個基團(tuán)一次或離開紙平面翻轉(zhuǎn)一次都將得到原構(gòu)型的對映異構(gòu)體。（3）在投影式中，如果一個基團(tuán)保持不變，而把其余三個基團(tuán)順次改變位置，則構(gòu)型不變。HOHCOOHCH3OHHCOOHCH3HOHCOOHCH3≡≡第二十五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四二、手性分子的命名（一）、D-L標(biāo)記法（習(xí)慣命名）（二）、R-S標(biāo)記法（系統(tǒng)命名）

第二十六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四（一）、D-L標(biāo)記法（習(xí)慣命名）CHOCH2OHHOHD-(+)-甘油醛HHOCHOCH2OHL-(-)-甘油醛最初只能測定出手性化合物的旋光度，不能確定它們所對應(yīng)的異構(gòu)體的絕對構(gòu)型（1951年以前）。Fischer以甘油醛為標(biāo)準(zhǔn)，寫出其投影式，規(guī)定將CHO寫在最上端，CH2OH寫在最下端，人為規(guī)定OH在右端的為右旋體（+），叫D型，OH在左端的為左旋體（-），叫L型。第二十七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四后來X衍射證實人為的指定與實際相符，屬巧合。對映體的構(gòu)型和它們對偏振光的旋轉(zhuǎn)方向之間沒有明顯的對應(yīng)關(guān)系，D型的化合物不一定是右旋的，也可以是左旋的，如D-(+)-甘油醛和D-(-)-乳酸有相同的構(gòu)型，但旋光方向相反。D型只是說明某化合物分子中手性碳原子的空間排列與D-(+)-甘油醛是同一類型，而旋光方向是用旋光儀測定的。1951年，Bijroet使用x-射線衍射的特殊技術(shù)(反常散射法)確定了(+)-酒石酸分子中原子在空間的實際排列(絕對構(gòu)型)為L型。COOHOHHOHHCOOHL-(+)-酒石酸該式正好與甘油醛為標(biāo)準(zhǔn)確定的相對構(gòu)型相同第二十八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四

其它手性化合物的構(gòu)型是在人為指定甘油醛的構(gòu)型上，在不破壞手性碳原子的前提下通過各種化學(xué)方法，將甘油醛轉(zhuǎn)化過去來確定其構(gòu)型。如右旋乳酸與右旋甘油醛構(gòu)型相同，左旋乳酸與左旋甘油醛相同。

COOHCH3HOHD-(-)-乳酸COOHCH3HOHL-(+)-乳酸含多個手性碳原子的化合物，根據(jù)尾部手性碳的構(gòu)型確定其構(gòu)型。第二十九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四說明1、人為指定的構(gòu)型稱相對構(gòu)型，用X衍射測定出的真實構(gòu)型叫絕對構(gòu)型，現(xiàn)在已不存在相對與絕對之分。

2、D-L標(biāo)記只表示構(gòu)型，不表示旋光性，直到現(xiàn)在手性化合物的旋光性只能靠測定，不能從構(gòu)型推測出來。

3、D-L標(biāo)記非常簡單，因而現(xiàn)在還在使用，但對于含多個手性碳原子的化合物以及其它復(fù)雜的手性化合物都無法命名。第三十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四4、D/L構(gòu)型命名法的另一局限是只適用于如下結(jié)構(gòu)的化合物(a)，而對于其他的如(b)則不適合。RR‘HYCHOCH2OHCH3OH(a)(b)第三十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四（二）、R-S標(biāo)記法（系統(tǒng)命名）為克服D-L標(biāo)記法的不足，Ingold等人提出R-S命名法。R和S是拉丁文Rectus和Sinister的簡寫，分別表示“右”和“左”。R-S標(biāo)記法是由IUPCA確定的系統(tǒng)命名法，其命名原則如下：(1)將與手性碳原子相連的四個基團(tuán)按次序規(guī)則大小排序。若分別是a、b、c、d，且有a＞b＞c＞d。(2)將最小的基團(tuán)放在離觀察者最遠(yuǎn)的地方，再從優(yōu)先基團(tuán)a開始，沿a、b、c順序旋轉(zhuǎn)，若為順時針方向，稱為R構(gòu)型，逆時針方向為S構(gòu)型。第三十二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四D-(+)-甘油醛CHOCH2OHHOH≡CHOCH2OHHOHCR-(+)-甘油醛第三十三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四用D-L和R-S分別標(biāo)記的乳酸如下：L-(+)-乳酸D-(-)-乳酸S-(+)-乳酸R-(-)-乳酸說明：1）R、S同樣只表示構(gòu)型，不表示旋光性2）R-S和D-L是兩種命名方法，沒有直接聯(lián)系。第三十四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四3）外消旋體則表示為(DL)-(±)-或(RS)-(±)-，如：(RS)-(±)-乳酸。R-S命名法已廣泛采用，但還沒有完全代替D-L命名法。在糖類、氨基酸類化合物中仍采用D-L命名法。第三十五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四三、含有多個手性C的手性分子1、含有兩個相同的手性碳原子的化合物如酒石酸分子，含有兩個相同的手性碳原子。許多有機(jī)分子，尤其是在生物體內(nèi)有重要作用的有機(jī)分子，往往含有一個以上的手性碳原子。如膽固醇有8個手性碳原子。OHOHHOOC-CH-CH-COOH**按照一個手性碳原子有兩種不同的構(gòu)型，則應(yīng)有兩對對映體。實際情況如何？第三十六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四(Ⅰ)與(Ⅱ)

互為對映體。(Ⅲ)

和(Ⅳ)為同一構(gòu)型，且在此分子中，有一對稱面，沒有旋光性，此乃內(nèi)消旋體。因此，酒石酸有三個立體異構(gòu)體，一對對映體和一內(nèi)消旋體。

(Ⅰ)(Ⅱ)(Ⅲ)≡(Ⅳ)(2R,3R)-(2S,3S)-(2R,3S)-HCOOHCOOHHOHHOHCOOHCOOHHHOOHOHHCOOHCOOHHOHHCOOHCOOHHHOHO第三十七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四內(nèi)消旋體和外消旋體雖都沒有旋光性，卻有著本質(zhì)的不同。內(nèi)消旋體是一個純化合物。而外消旋體是一個混合物，由等摩爾的對映體組成，可以把它們分離成左旋體和右旋體。但外消旋體也不同于任意兩種物質(zhì)的混合物，它具有固定的熔點，且熔點范圍很窄，如酒石酸的的三個異構(gòu)體的物理性質(zhì)：酒石酸m.p.(?C)[α]25D溶解度pKa1pKa2右旋左旋外消旋內(nèi)消旋170170204140+12?-12?0?0?13913920.61252.962.962.963.114.164.164.164.80第三十八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四2、含有兩個不同的手性碳原子的化合物HOCHOCH2OHOHHHOHCHOCH2OHOHHHHCHOCH2OHHOHHOCHOCH2OHHHHOHO(2R,3R)(2S,3S)(2R,3S)(2S,3R)外消旋外消旋(Ⅰ)(Ⅱ)(Ⅲ)(Ⅳ)上式中，(Ⅰ)

和(Ⅱ)

，(Ⅲ)

和(Ⅳ)互為對映體。而(Ⅰ)

和(Ⅲ)

、(Ⅳ)以及(Ⅱ)和(Ⅲ)

，(Ⅳ)；它們不是實物與鏡像的關(guān)系，稱為非對映體，非對映體的物理性質(zhì)如熔點、沸點、溶解度、密度、旋光度都不相同。第三十九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四3、含有n個不同的手性碳原子的化合物有2n個對映異構(gòu)體有2n-1對外消旋體凡含有兩個或兩個以上不相同的手性碳原子的對映異構(gòu)體，其中只有一個手性碳原子的構(gòu)型相反，其他手性碳原子構(gòu)型相同，叫差向異構(gòu)體。第四十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四四、不含手性C的手性化合物1、含手性軸的化合物這類化合物還有：COOHNO2HOOCO2NHOOCO2NCOOHNO2第四十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四2、碳環(huán)手性化合物COOHCOOHHHCOOHCOOHHHCOOHHOOCHH無手性有手性內(nèi)消旋對映體1,2-環(huán)丁烷二羧酸的立體異構(gòu)現(xiàn)象與1,2-環(huán)丙烷相似，但1,3-環(huán)丁烷二羧酸無論順、反式異構(gòu)體都沒有光活性對映體存在，因為其分子中都有一個對稱面。第四十二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四五、對映異構(gòu)體的化學(xué)性質(zhì)通常，兩個對映體與非手性試劑作用時，反應(yīng)速率完全一樣，這是因為對映體和進(jìn)攻試劑反應(yīng)活性完全相同?？墒?，當(dāng)旋光性試劑進(jìn)攻兩個對映體時，反應(yīng)速率卻不同，有時差別很大，以致和其中一個反應(yīng)，而和另一個完全不作用。如(+)葡萄糖是動物的重要營養(yǎng)物質(zhì)，而(-)葡萄糖卻沒有營養(yǎng)價值。過渡態(tài)方法分析反應(yīng)活性差異：若兩對映體和一無旋光性試劑反應(yīng)，兩組反應(yīng)物的能量完全相等，到達(dá)過渡態(tài)時（是對映異構(gòu)的關(guān)系），能量也完全相等。所以兩者的反應(yīng)速率相同。第四十三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四若兩個對映體和一旋光性試劑反應(yīng)，反應(yīng)物的能量仍是相同的，但兩個過渡態(tài)不是互為鏡像（二者是非對映異構(gòu)體），因此具有不同的能量，兩者的E活化是不同的，于是反應(yīng)速率也不相同。手性分子的反應(yīng)一類是反應(yīng)不涉及手性碳原子鍵的斷裂，該類反應(yīng)簡單，同時分子的構(gòu)型可以保持不變。另一類反應(yīng)涉及手性碳原子鍵的斷裂，這類反應(yīng)較復(fù)雜，包括三種情況：(1)構(gòu)型轉(zhuǎn)化；(2)外消旋化；(3)構(gòu)型保持。第四十四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四外消旋化反應(yīng)：某光活性物質(zhì)（左旋體或右旋體）在一定條件下被轉(zhuǎn)化（50%的構(gòu)型轉(zhuǎn)化）成外消旋體的過程，叫外消旋化。通常在手性碳原子上同時連有氫和吸電基（如羰基、羧基等）的光活性物質(zhì)容易發(fā)生外消旋化。此乃因與羰基或羧基相連的α-H比較活潑，分子可通過酮式-烯醇式互變來實現(xiàn)外消旋化。-C-C=OH**C-C=OH*C=COH烯醇式第四十五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期四外消旋體的拆分實際應(yīng)用中常需要通過一定的方法把外消旋體拆分成左旋體和右旋體，此操作叫外消旋體的拆分。用于外消旋體拆分的主要方法有：(a)化學(xué)拆分法；(b)生物拆分法；(c)晶種結(jié)晶法等?；瘜W(xué)拆分法是通過旋光的試劑與外消旋體進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，使它們變成非對映體。利用非對映體具有不同的物理性質(zhì)可以方便地將它們分開。如：(+)-R-COOH(-)-R-COOH+(-)-R-NH2(+)-R-COO(-)-R-NH3(-)-R-