第八章立体化学 ( Stereochemistry )

第八章立体化学( Stereochemistry ) • 主要研究内容 ——研究有机化合物分子的三维空间结构（立体结构），及其对化合物的物理性质和化学反应的影响。 • 立体异构体( Stereo isomer ) ——分子构造（即分子中原子相互联结的方式和次序）相同，而立体结构不同的化合物。

异构现象的分类 碳链异构位置异构构造异构 CH3CH2CHO CH3COCH3 官能团异构互变异构顺反异构立体异构构象异构对映异构

8.1 手性和对映体 1. 手性(Chirality) • 一个物体若与自身镜像不能叠合，就叫做具有手性。 • 在立体化学中，不能与镜像叠合的分子叫做手性分子， • 而能叠合的叫做非手性分子。

手性和分子的对称性 • 手性分子的特征——不能与镜像叠合。 • 一个分子能否与镜像叠合，与分子的对称性有关。 • 由分子的对称性可判断是否具有手性。 • 考察分子的对称性，需要考虑的对称因素有四种。

四种对称因素 （1）对称轴（旋转轴） • 设想分子中有一条直线，分子以此直线为轴旋转360o/n（n＝正整数）后得到的分子与原来的相同，这条直线就是n重对称轴。

（2）对称面（镜面） 对称因素 • 设想分子中有一平面，可把分子分成互为镜像的两半，这个平面就是对称面。该分子的对称面即分子平面

（3）对称中心 对称因素 • 设想分子中有一点，从分子中任一原子出发，向该点作一直线，再从这个点将直线延长出去，则在与该点前一线段等距离处，可遇到一个同样的原子，这个点就是对称中心。对称中心

（4）交替对称轴（旋转反映轴） 对称因素 • 设想分子中有一直线，当分子以此直线为轴旋转360o/n后，再用一个与此直线垂直的平面反映（即以此平面为镜面，作出镜像），如果得到的镜像与原来的分子完全相同，这条直线就是交替对称轴。 • 参见图8－8。。

手性和对称性的关系 • 凡具有对称面、对称中心或交替对称轴的分子，都能与镜像叠合，都是非手性分子。 • 既无对称面，又无对称中心，也无4重交替对称轴的分子，都不能与其镜像叠合，都是手性分子。 • 对称轴的有无对分子是否具有手性无决定作用。

构型异构和构象异构的差异 • 把一种异构体变成其构型异构体，必须断裂分子中的两个键，再对换两个基团的空间位置。 • 构象异构只要通过键的扭转，就可使一种构象异构体转变为另一构象异构体。

8.2 旋光性和比旋光度 8.2.1 旋光性 • 对映体的熔点、沸点、相对密度、折光率、在一般溶剂中的 • 溶解度，以及光谱图等物理性质都相同。 • 一个对映体在与非手性试剂作用时，它们的化学性质相同。 • 一个对映体在物理性质上的不同，只表现在对偏振光的作用不同。

普通光 ——光是一种电磁波，光波振动方向与光前进方向垂直。普通光的光波在各个不同方向上振动。

偏振光 ——当普通光通过尼科尔棱镜时，通过棱镜的光就只在一个方向上振动。这种光就叫做偏振光。平面偏振光检偏镜普通光 Nicol棱镜（起偏镜）

偏振光的旋转 • 当偏振光通过某种介质时，有的介质对偏振光无作用，而有的介质却能使偏振光的振动方向发生旋转。  旋光性物质旋转后的偏振光偏振光 • 这种能旋转偏振光的振动方向的性质叫做旋光性。具有旋光性的物质叫做旋光性物质或光活性物质。

旋光性物质的表示法 • 能使偏振光的振动方向向右旋转的物质叫做右旋物质；反之，叫做左旋物质。通常用“d ”或“＋”表示右旋；用“l ”或“－”表示左旋。 • 偏振光振动方向的旋转角度叫做旋光度，用“”表示。 • 凡手性分子都具有旋光性，而非手性分子则无旋光性。 • 对映体是一互相对映的手性分子，故具有旋光性。它们的旋光能力相等，但两者的旋光方向相反，即一个为右旋，另一个则为左旋。

8.2.2 比旋光度(Specific rotatory power ) •旋光性物质的旋光度和旋光方向可用旋光仪( Polarimeter)测定,主要由一个光源、两个尼科尔棱镜和一个盛测试样品的盛液管组成。起偏镜检偏镜样品管钠光灯平面偏振光光平面旋转

比旋光度的表示法 •由旋光仪测得的旋光度，甚至旋光方向，不仅与物质的结构有关，且与测定的条件有关，即与被测样品的浓度及盛液管的长度有关。 •为了比较不同物质的旋光性，规定溶液的浓度为1g/mL，盛液管的长度为1dm，并把这种条件下测得的旋光度叫做比旋光度，一般用[]表示。 C——溶液的浓度（g / mL） l——管长（dm）。 •比旋光度只决定于物质的结构，故它是各种化合物各自特有的物理常数。

比旋光度的表示法 •因偏振光的波长和测定时的温度对比旋光度也有影响，故表示比旋光度时，通常还把温度和光源的波长标出：将温度写在[]的右上角，波长写在右下角，即[]t。 •因溶剂对比旋光度也有影响，故也要注明所用溶剂。 • 例如，在20℃时，以钠光为光源测得酒石酸在乙醇中的比旋光度是 • 右旋3.79o，记为: []20D ＝＋3.79 o（乙醇）式中：D——代表钠光波长。因钠光波长589nm相当于太阳光谱中的D线。

8.3 含一个手性碳原子化合物的对映异构 1. 手性碳原子(Chical cabon atom ) •手性分子大都含有与四个互不相同的基团相连的碳原子。这种碳原子无任何对称因素，故叫做不对称碳原子，或手性碳原子，通常用“”标出手性碳原子。  乳酸 •含有一个手性碳原子的分子一定是个手性分子。一个手性碳原子可有两种构型，故含一个手性碳原子的化合物有构型不同的两种分子。它们都有旋光性（一个右旋，一个左旋），是互为对映体的立体异构体。

2.外消旋体(racemate ) •右旋乳酸[]15D＝＋2.6o，熔点＝53℃；左旋乳酸[]15D＝－2.6o，熔点＝53℃。可分别由葡萄糖在不同的菌种作用下经发酵制得。 •用化学方法制得的乳酸无旋光性，熔点只有18℃。因为由合成得到的乳酸不是单纯的化合物，而是等量的右旋乳酸和左旋乳酸的混合物。 •右旋和左旋乳酸旋光方向相反，而旋光能力相等，故等量混合时，旋光性消失。这种由等量的对映体混合而成的混合物叫做外消旋体。外消旋体无旋光性，且其他物理性质也往往与单纯的旋光体不同。 •外消旋体是两种分子的混合物。但这两种分子是对映体，而对映体除旋光方向相反外，各种物理性质都相同。故用一般的物理方法，例如分馏、重结晶等方法，不能把它们分开。要用特殊的方法来进行拆分。

8.4 构型的表示法、确定和标记 8.4.1 构型的表示法分子模型的四面体构型投影在纸面上。 Fischer投影式

Fischer投影式的画法及其含义 1. 把模型中横向的基团朝外，竖向的朝里。 2. 编号小的基团（主要官能团）朝上。 3. 用光对准分子模型垂直纸面照射，手性碳用十字交差点表示。 • 因此，Fischer投影式被赋予了“横外竖里” 的立体含义。

Fischer投影式的转换规则 1. 不能离开纸面翻转。翻转180。，变成其对映体。 2. 在纸面上转动90。或270。，变成其对映体。 3. 在纸面上转动180。构型不变。 4. 保持1个基团固定，把其它三个基团顺时针或逆时针地调换位置，构型不变。 5. 任意两个基团调换偶数次，构型不变。 6. 任意两个基团调换奇数次，构型改变。

举例（对照模型）

构型的直观表示法 •将手性碳原子表示在纸面上，用实线表示纸面上的键，用虚线表示伸向纸后方的键，用楔形实线表示伸向纸前方的键。 • 该表示法虽较直观，但不适宜表示含有多个手性碳原子化合物的构型。

8.4.2 构型的确定 •对映体是具有互为镜像的两种构型异构体，可用两个菲舍尔投影式表示，但从模型或投影式则看不出哪个代表右旋体或左旋体。 •通过旋光仪只能测得旋光方向但不能判断构型。故有必要选定一种化合物的构型作为确定其他化合物构型的标准。 •以甘油醛（2，3-二羟基丙醛）作为构型标准的化合物，它含有一个手性碳原子，故有以下两种构型： •指定（I）代表右旋甘油醛的构型，则（II）就是左旋甘油醛的构型。

8.4.2 构型的确定 •在甘油醛的投影式中，总是把碳链竖立起来，醛基（第一个碳原子）在上面，羟甲基（第三个碳原子）在下面，第二个碳原子（即手性碳原子）的羟基和氢原子在碳链的左右两边。右旋甘油醛的羟基在右边，氢在左边；左旋甘油醛则反之。 •以甘油醛这种人为指定的构型为标准，再确定其他化合物的相对构型。

构型确定的方法 •一般用通过化学反应把其它化合物与甘油醛相关联或相对照的方法来确定。即将未知构型的化合物，经化学反应转化成甘油醛，或由甘甘油醛转化成未知构型的化合物。 (-)-乳酸 (+)-甘油醛注意：化学转化过程中，与手性碳原子直接相连的键不发生断裂，以保持手性碳原子的不变。 •用X光衍射法可直接确定一些化合物的构型。

8.4.3 构型的标记 1. D－L标记法 •以甘油醛的构型为对照标准进行标记。右旋甘油醛的构型被定为D型，左旋甘油醛的构型被定为L型。 •凡通过实验证明其构型与D-甘油醛相同的化合物，叫做D型，命名时标以“D”；而构型与L-甘油醛相同的化合物，叫做L型，命名时标以“L”。 •“D”和“L”只表示构型，不表示旋光方向。命名时，若要同时标出构型和旋光方向，则旋光方向用（＋）或（－）表示，不用“d ”或“l ”。例如，左旋乳酸的构型与右旋甘油醛相同，故其名称为D-（－）-乳酸。相应的，右旋乳酸就是L-（＋）-乳酸。 •D-L标记法只表示出一个手性碳原子的构型，故不适用于含多个手性碳原子的化合物。

2. R-S 标记法 • R、S命名规则 ①先把手性碳原子所连的四个基团设为a、b、c、d。将它们按次序规则排列（假定a > b > c > d）。 ②把排在最后的基团d置于离观察者最远的位置，然后按先后次序观察其他三个基团。即从排在最先的a开始，经过b，再到c轮转着看。 ③如果轮转的方向是顺时针的，则将该手性碳原子的构型标记为“R”；如果为反时针，则标记为“S”。

R－S标记法于菲舍尔投影式的应用 •方法：先将次序排在最后的基团d放在一个竖立的（即指向后方的）键上，然后依次轮看a、b、c。若是顺时针方向轮转，该投影式所代表的构型即为R型，如果是反时针轮转，即为S型。基团次序为：a > b > c > d

菲舍尔投影式应用时的注意点 • 如果在待标记分子的菲舍尔投影式中d处在横着的键上， • 则得到的结论与d在竖立键上时的结论刚好相反。基团次序为：a > b > c > d

构型(R、S)的快捷判定法 • 直接从Fischer投影式判断：概括地说，“横变竖不变”. 横变竖不变 • 当最小（优先）基团在横向位置上时，其它三个基团优先顺序按顺时针排列的，则为S型（变），如按逆时针排列的，则为R型（变）；当最小基团在竖向时，其它三个基团的优先次序按顺时针排列的，则为R型（不变），如按逆时针排列的，则为S型（不变）。

构型标定实例 • 以乳酸为例：手性碳上的四个基团次序为OH > COOH > CH3 > H。 • 右旋乳酸是S型，左旋乳酸是R型，故这两种乳酸的名称分别为（S）-（＋）-乳酸和（R）-（－）-乳酸。

含有多个手性碳原子的化合物 • 命名时可用R-S标记法将每个手性碳原子一一标出. C-2所连四个基团次序为： OH > CHOHCH2CH3 > CH3 > H C-3所连四个基团次序为： OH > CHOHCH3 > CH2CH3 > H • 命名时，将手性碳原子的位次连同其构型写在括号里。故该化合物 • 的名称是（2S，3R）-2，3-戊二醇。

分子中含有多个手性碳原子的化合物 • C－2和C－3的构型分别为S和R：

R-S标记与构型的关系 •R和S是手性碳原子的构型根据其所连基团的排列顺序所作的标记。经过化学反应，产物的手性碳上所连基团与反应物不同，故产物构型的R和S标记（只决定于它本身四个基团的排列顺序），与反应时构型是否保持不变无关。四个基团次序为： OH > CH2Br > CH2CH3 > H 四个基团次序为： OH > CH2CH3 > CH3 > H

练习1：写出下列化合物的立体异构体并命名。练习1：写出下列化合物的立体异构体并命名。

•练习2：下列化合物哪些是手性分子？    

8.5 含有多个手性碳原子化合物的立体结构 1. 对映体(Enatiomer)和非对映体(Diastereomer) • 含一个手性碳原子的化合物有一对对映体，即有两种立体异构体； • 含有n个手性碳原子的化合物一般最多有2n种立体异构体。

1. 对映体和非对映体 非对映体——构造相同但不呈镜像对映关系的立体异构体

2. 对映体和非对映体的性质差异 • 对映体除旋光方向相反外，其他物理性质都相同。 • 非对映体旋光度不同，旋光方向可能相同也可不同， • 其他物理性质都不相同（参见表8－1）。 • 非对映体混合在一起，可用一般的物理方法进行分离。

3. 内消旋体(Mesomer) 例如，酒石酸（2，3-二羟基丁二酸） • 酒石酸的立体异构体中有一内消旋体，故异构体数目比2n少。

内消旋体的判断 • 把（III）以通过C(2)－C(3)键中点的垂直线为轴旋转180o后，可与 • (VI)叠合，故(III)和(IV)相同。其全重叠式构象中有一对称面，对 • 位交叉式构象中存在着一个对称中心，是非手性分子。内消旋体——虽含有手性碳原子，却不是手性分子，因而无旋光性的化合物。 •含一个手性碳原子的分子必有手性，但是含多个手性碳原子的分子却不一定是手性分子。

4. 外消旋体和内消旋体的差异 •内消旋体和外消旋体之一是非对映体，故内消旋体不仅无旋光性，且物理性质也不同于外消旋体。（参见表8－2） •内消旋体和外消旋体都无旋光性，但本质不同。前者是单纯非手性分子，后者是两种互为对映体的手性分子的等量混合. • 外消旋体可用特殊的方法拆分为两个组分，而内消旋体不可拆分。

5. 假手性碳原子 • 例如，戊醛糖（2，3，4，5-四羟基戊醛）有以下八种构型：

5.假手性碳原子 • 若将戊醛糖的两端氧化成羧基，就变成以下四种异构体。内消旋体内消旋体 •（I）和（II）的C-3不是手性碳原子；（III）和（IV）的C-3这样的不能对分子的手性起作用的手性碳原子，叫做假手性碳原子。

6. 差向异构体 差向异构体——含有多个手性碳原子的立体异构体中，只有一个手性碳原子的构型不同，其余的构型都相同的非对映体，又叫做差向异构体。 • 例如，戊醛糖的下列构型中，（I）和（II），（I）和（III）， • （I）和（IV）都是差向异构体。

NO Is there a stereocenter? 是手性中心吗？ ACHIRAL 非手性中心 YES OPTICALLY INACTIVE 非光学活性立体异构 STEREOISOMERS 非镜面对映 non-mirror-image mirror-image 镜面对映非对映异构体 • ENANTIOMERS DIASTEREOMERS 对映体 no plane of symmetry “always” 无对称面 n = 1 plane of symmetry 有对称面光学活性 n = 2 or more OPTICALLY ACTIVE meso 内消旋体 • 非对映异构体

8.6 外消旋体的拆分 拆分——将外消旋体分离成旋光体的过程（1）机械拆分法利用外消旋体中对映体的结晶形态上的差异，借肉眼或放大镜进行辨认，从而把两种结晶体挑拣分开。要求：结晶形态有明显的不对称性，且结晶大小适宜。（2）微生物拆分法某些微生物或其产生的酶，对于对映体中的一种异构体有选择性的分解作用。利用微生物或酶的这种性质可从外消旋体中把一种旋光体拆分出来。缺点：外消旋体至少一半被消耗掉。

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