立 体 化 学 学习要求 学习内容: 概述 手性和对映体 旋光性和比旋光度 含一个手性碳原子化合物的对映异构 学习内容: 概述 手性和对映体 旋光性和比旋光度 含一个手性碳原子化合物的对映异构 构型的表示法、构型的确定和构型的标记 含有多个手性碳原子化合物的立体异构 外消旋体的拆分 环状化合物的立体异构 不含手性碳原子化合物的对映异构 含有其他手性碳原子化合物的对映异构 旋光异构体的性质

学习要求： 1．  掌握立体异构、光学异构、对称因素（主要指对称面、对称中心）、手性碳原子、手性分子、对映体、非对映体、外消旋体、内消旋体等基本概念。 2．  掌握书写费歇尔投影式的方法。 3．  掌握构型的D、L和R、S标记法。 4．  掌握判断分子手性的方法。 5．  初步掌握亲电加成反应的立体化学。

异构现象是有机化学中存在着的极为普遍的现象。其异构现象可归纳如下： 构造异构 立体异构 碳链异构 官能团异构 位置异构 互变异构 构型异构 构象异构 顺反异构 对映非对映异构 同分异构 单键旋转异构 叔胺翻转异构

立体异构 构造相同,分子中原子或基团在空间的排列方式不同。

同分异构是多层次性 构造异构、构型异构和构象异构是不同层次上的异构。其中构造异构属较低层次的异构形式，其次为构型异构，而构象异构是较高层次的异构形式。其中低层次异构形式通常包含有较高层次的异构形式。 对映异构是指分子式、构造式相同，构型不同，互呈镜像对映关系的立体异构现象。

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。 2．物质的旋光性与药物的疗效有关（如左旋维生素C可治 抗坏血病，而右旋的不行）。 3．用于研究有机反应机理。

手性和对映体 一、手性 1848年 Pasteur（巴斯德 法国化学家）在显微镜下用 镊子将外消旋酒石酸拆分成右旋和左旋酒石酸。 二者的关系：互为镜象（实物与镜象关系，或者 说左、右手关系）。二者无论如何也不能完全重叠。 手性(Chirality)：实物与其镜影不能重叠的现象。 实物与镜象不能重叠的分子，称为手性分子。

物质分子能否与其镜象完全重叠（是否有手性），可从分子中有无对称因素来判断。

二重对称轴动画演示 三重对称轴(C3)动画演示 六重对称轴(C6)动画演示 二、对称因素： 1. 对称轴Cn 分子，该直线称为n重对称轴（又称n阶对称轴）。 二重对称轴动画演示 三重对称轴(C3)动画演示 六重对称轴(C6)动画演示

2. 对称面 s —— 某一平面将分子分为两半，就象一面镜子，实物（一半）与镜象（另一半）彼此可以重叠，则该平面是对称面。

3. 对称中心 i 分子中有一中心点，通过该点 所画的直线都以等距离达到相同的基团，则该中心点是对称中心。

Sn = Cn + σ（垂直于Cn） 交替对称轴动画演示 4. 交替对称轴（旋转反映轴） Sn 分子绕设想直线为轴，旋转360。/ n后，再用一个与此直线垂直的平面进行反映（即以此平面为镜面，作出镜象），如果得到的镜象与原分子完全相同，该直线称为n重交替对称轴（称Sn ）。 Sn = Cn + σ（垂直于Cn） 1956年首次合成了一个有四重更迭轴的分子 交替对称轴动画演示

结论： A.有对称面、对称中心、四重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。 如果分子中不存在对称面、对称中心和四重更迭对称轴，则这个分子具有手性 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 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，一般可判定为是手性分子。 分子的手性是对映体存在的必要和充分条件。

三、对映体 实验事实： 同为乳酸，为什么会具有不同的光学性质呢？

对映体：分子的构造相同，但构型不同，形成实物与镜象的两种分子，称为对映异构体（简称：对映体）。 成对存在，旋光能力相同，但旋光方向相反。 对映异构动画演示 对映异构体之间的物理性质和化学性质基本相同，只是对平面偏振光的旋转方向（旋光性能）不同。在手性环境条件下，对映体会表现出某些不同的性质，如反应速度有差异，生理作用的不同等。

旋光性与比旋光度 一、旋光性 1. 偏振光( plane-polarized light ) 光是一种电磁波，光波的振动方向与光的前进方向垂直。 普通光在通过尼克尔棱镜后形成的只在一个方向传播的平面光叫偏振光。

2.旋光性：也称光学活性 ( optical activity ) —— 物质能使偏振光发生偏转的性质。 结论： 物质有两类： （1）旋光性物质——能使偏振光振动面旋转的性质， 叫做旋光性；具有旋光性的物质，叫做旋光性物质。 （2）非旋光性物质——不具有旋光性的物质，叫做 非旋光性物质。

3.右旋和左旋 ( dextrorotatory and levorotatory ) 4.旋光度（observed rotation) —— 旋光活性物质使偏振光振动平面旋转的角度，用“a ”表示。 它不仅是由物质的旋光性（与物质的结构有关）决定的，也与测定的条件有关。 旋光度大小的影响因素：1、温度 2、波长 3、溶剂的性质 4、旋光管的长度 5、旋光管中物质浓度

旋光仪(polarimeter)

5. 比旋光度（specific rotation) 为了便于比较，就要使其成为一个常量，故用比旋光度[α]来表示： —— 在一定温度和波长（通常为钠光灯，波长为589 nm）条件下，样品管长度为1dm，样品浓度为1g•ml-1时测得的旋光度。是一物理常数。 D --- 钠光源，波长为589nm； T --- 测定温度，单位为℃ a --- 实测的旋光度； l --- 样品池的长度，单位为dm； c --- 为样品的浓度，单位为g•ml-1。 T

如何确定一个活性物质是+60o的右旋体还是-300o的左旋体？ 例：从粥样硬化动脉中分离出来的胆甾醇0.5g溶解于20ml 氯仿，并放入1dm的测量管中，测得旋光度-0.76o。求其比 旋光度。

含一个手性碳原子化合物的对映异构 一、对映体 手性碳原子的概念：连有四个各不相同基团的碳原子称为手性碳原子（或手性中心）用C*表示。 含有一个手性碳原子的化合物一定是手性分子。 它有两种不同的构型，是互为实物与镜象关系的立体异构体，称为对映异构体（简称为对映体）。

对映体——互为物体与镜象关系的立体异构体。 对映异构体都有旋光性，其中一个是左旋的，一个是右旋的。所以对映异构体又称为旋光异构体。 二、外消旋体 等量的左旋体和右旋体的混合物称为外消旋体，一般用（±或dl）来表示。无旋光性。 外消旋体与对映体的比较（以乳酸为例）： 旋光性 物理性质 化学性质 生理作用 外消旋体 不旋光 mp 18℃ 基本相同 各自发挥其左右 对映体 旋光 mp 53℃ 基本相同 旋体的生理功能 外消旋体可分离成左旋体与右旋体。

构型的表示法、构型的确定和构型的标记 一、对映体构型的表示方法 对映体的构型可用立体结构（楔形式和透视式）和费歇尔（E·Fischer）投影式表示， 1、立体结构式

2.Fischer 投影式： 1)投影原则： 1° 横、竖两条直线的交叉点代表手性碳原子，位于纸平面。 2° 横线表示与C*相连的两个键指向纸平面的前面，竖线表示指向纸平面的后面。 3° 将含有碳原子的基团写在竖线上，编号最小的碳原子写在竖线上端。

2）使用费歇尔投影式应注意的问题： a 基团的位置关系是“横前竖后” b 不能离开纸平面翻转180°；也不能在纸平面上旋转90°或270°与原构型相比。 C 将投影式在纸平面上旋转180°，仍为原构型。 3）判断不同投影式是否同一构型的方法： （1）、 将投影式在纸平面上旋转180°，仍为原构型。

（2）、任意固定一个基团不动，依次顺时针或反时针调换另三个基团的位置，不会改变原构型。

（3）、对调任意两个基团的位置，对调偶数次构型不变，对调奇数次则为原构型的对映体。例如：

3、构型的多种表示方法的相互转变 请将该化合物表示为锯架式和Fischer投影式

—— 相对于另外的化合物的构型的一种化合物的结构 二、构型的确定 绝对构型与相对构型 绝对构型 —— 一种手征性的化合物的实际的三维结构 绝对构型的测定 —— X-射线单晶衍射(1950年） —— 化学关联法 相对构型 —— 相对于另外的化合物的构型的一种化合物的结构 D-(+)-甘油醛 L-(-)-甘油醛

三、构型标记法： 1. D / L标记法 D-(+)-甘油醛 L-(-)-甘油醛 **D、L与 “+、-” 没有必然的联系

2. R / S标记法 1970年国际上根据IUPAC的建议，构型的命名采用R、S法，这种命名法根据化合物的实际构型或投影式就可命名。 R、S命名规则： 1．  按次序规则将手性碳原子上的四个基团排序。 2．  把排序最小的基团放在离观察者眼睛最远的位置，观察其余三个基团由大→中→小的顺序，若是顺时针方向，则其构型为R（R是拉丁文Rectus的字头，是右的意思），若是反时针方向，则构型为S（Sinister,左的意思）。 R型动画演示 （+）和（-）并不对应于（R）和（S）

A. 三维结构：

B. Fischer 投影式： 结论：当最小基团处于横键位置时，其余三个基团从 大到小的顺序若为逆时针，其构型为R；反之，构型为S。

结论：当最小基团处于竖键位置时，其余三个基团从 大到小的顺序若为顺时针，其构型为R；反之，构型为S。

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C*进行R、S标记，然后注明各标记的是哪一个手性碳原子。

含两个手性碳原子化合物的对映异构 一、. 含两个不同手性碳原子化合物的对映异构 氯代苹果酸 结论： 异构体数目—— 2n = 22 = 4 （n：手性碳原子数目） 对映体数目—— 2n – 1 = 2（2 – 1）= 2（对）

对映关系： Ⅰ与Ⅱ； Ⅲ与Ⅳ 非对映关系： Ⅰ与Ⅲ、Ⅰ与Ⅳ、Ⅱ与Ⅲ、Ⅱ与Ⅳ    非对映体： 不呈物体与镜象关系的立体异构体叫做非对映体。分子中有两个以上手性中心时，就有非对映异构现象。

非对映异构体的特征： 1° 物理性质不同（熔点、沸点、溶解度等）。 2° 比旋光度不同。 3° 旋光方向可能相同也可能不同。 4° 化学性质相似，但反应速度有差异。

二. 含两个相同手性碳原子化合物的对映异构 结论：异构体数目 旋光异构体的数目 = 2 n - 1 n为偶数： 内消旋体的数目 = 2 n / 2 - 1 立体异构体总数 = 2 n – 1 + 2 n / 2 – 1

立体异构体总数 = 2 n – 1 n为奇数： 内消旋体的数目 = 2 ( n – 1 ) / 2 内消旋体(meso)： 分子内部形成对映两半的化合物。(有平面对称因数)。 具有两个手性中心的内消旋结构一定是（RS）构型。 内消旋体无旋光性 (两个相同取代、构型相 反的手性碳原子，处于同一分子中，旋光性 抵消)。  内消旋体不能分离成光活性化合物。 R S

外消旋体与内消旋体： 外消旋体与内消旋体的共同之处是：二者均无旋光性，但本质不同。 外消旋体：是混合物，可拆分出一对对映体。 内消旋体：是化合物，不能拆分。

思考题 指出下列(A)与(B)、(A)与(C)的关系(即对映体或非对映体关系)。

三.含三个不同手性碳原子化合物的对映异构 八个旋光异构体、组成四对对映体。 C-2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 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。 C-2差向异构：由C-2引起的差向异构。（C-2构型相反）

3-C—— 非手性碳 3-C——假手性碳

外消旋体的拆分 基本原则：提供手性环境和条件，使对映异构体表现出不同的性质从而得以拆分 1. 化学分离法 2. 生物分离法 消旋化的动态拆分

3. 晶种法 4. 色谱分离法 1）柱色谱法 2）配位竞争法 3）纸色谱法 4）气相色谱法

环状化合物的对映异构 1. 奇数环的情况 — I - IV四个化合物中各有两个手性碳 — 当A、B相同时，I和 II为内消旋体 — 对于III和IV，则无论A、B是否相同，III和IV均为一对对映异构体

例：三元环 1. A、A型二取代：有三个异构体。 2.A、B型二取代：有 2 2 = 4 个异构体，两对对映体。

2. 偶数环的情况 思考：A = B 和 A ≠ B两种情况有何不同？

例、四元环

不含手性碳原子化合物的对映异构 丙二烯型动画演示 即：含手性轴及手性面化合物的对映异构 一、含手性轴的化合物 1. 丙二烯型化合物 中心碳原子两个  键平面正 交, 两端碳原子上四个基团， 两两处于互为垂直的平面上。

当A≠B ，分子有手性。 类似物： 无 有

联苯型动画演示 2. 联苯型化合物 苯环间碳碳键旋转受阻，产生位阻构象异构。 当同一环上邻位有不对称取代时（取代基或原子体积较大）, 整个分子无对称面、无对称中心, 分子有手性。

某些原子或基团的半径如下： 当一个苯环对称取代时（即邻位两个取代基相同时）， 分子无手性。

二、 含手性面的化合物 提篮型动画演示 螺旋型分子。 例：(-)-六螺駢苯 末端两苯环不在同平面上。

含其它不对称原子的光活性分子

旋光异构体的性质 在相同的非手性条件下，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 pka1 pka2 (+)-酒石酸 170 +12o 139 2.93 4.23 (-)-酒石酸 170 - 12o 139 2.93 4.23

旋光异构体在手性条件下(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手性。手性分子的对映体进入生物 体内手性环境后, 引起不同的分子识别, 使其生理活性相差很大。 例如：抗妊娠反应的镇静药—(R)-酞胺哌啶酮 (“反应停”)

手性药物的旋光异构与生物活性 1）旋光异构体具有不同的生物活性强度 非麻醉性的消炎镇痛药— (S)-酮咯酸 2) 旋光异构体具有完全相反的生物活性。 利尿药：(S)-(-)-依托唑啉 3) 旋光异构体的毒性或严重副作用 减肥药— (S)-(+)-氟苯丙胺

不对称合成 非手性化合物在非手性条件下生成外消旋体。 为什么总得外消旋体？

一个分子在对称环境下反应, 不可能有选择性。(左旋体与右旋体过渡态能量相同, 反应活化能相同, 反应速率相同) 。

1. 由手性化合物进行不对称合成 [构象分析] 中间体自由基构象能

结果：产物为不等量的非对映体，且meso-占优势。

2. 非手性分子通过引入手性基团进行不对称合成 一个分子的构象决定了某一试剂接近分子的方向。

3. 非手性分子通过引入手性催化剂进行不对称合成 手性配体：(R)-BINAP

4. 选择性生物催化不对称合成 条件温和、高效、立体专一 5. 立体选择性反应与立体专一性反应

亲电加成反应的立体化学 烯烃亲电加成反应的历程可通过加成反应的立体化学实验事实来证明，我们以2-丁烯与溴的加成为例进行讨论。 2-丁烯与溴的加成的立体化学事实说明，加溴的第一步不是形成碳正离子

若是形成碳正离子的话，因碳正离子为平面构型，溴负离子可从平面的两面进攻碳正离子，其产物就不可能完全是外消旋体，也可能得到内消旋体，这与实验事实不符。

用生成溴鎓离子中间体历程可很好的解释上述立体化学事实。

反-2-丁烯与溴加成同上讨论，产物为内消旋体。