第四章 立体化学 Stereochemistry 2019/2/24

立体化学 ——探讨有机物分子结构和反应立体性 2019/2/24

19世纪中叶，巴斯德关于左旋和右旋酒石酸经典式的研究，导致70年代范霍夫和勒贝尔碳原子四面体构型学说的建立。它是生命分子结构不对称性的基础。但是，关于有机分子结构不对称性的起源及其在生命过程中的意义，迄今尚无完美的答案。 2019/2/24

对映异构 (Enantiomers) 2019/2/24

构造异构 同 分 异 构 顺反异构 立体异构 对映异构 碳干异构 官能团位置异构 官能团异构 互变异构 构型异构 构象异构 2019/2/24

4.1 旋光性和分子结构的对称性 2019/2/24

一、手性与对映异构 Chirality and Enantiomers 2019/2/24

1. 手性 手性是指实物和镜象不能叠合的一种性质。 实物和镜象关系 2019/2/24

2. 对映体 具有手性，实物和镜象不能叠合而引起的异构就是对映异构。实物和镜象是一对对映体。 2019/2/24

结构特点：中间碳原子连的四个原子（基团）不同，这个中间碳原子叫手性碳原子或不对称碳原子。 * 手性碳原子 结构特点：中间碳原子连的四个原子（基团）不同，这个中间碳原子叫手性碳原子或不对称碳原子。 2019/2/24

在生物体内，大量存在手性分子。如D–(+)–葡萄糖在动物代谢中有营养价值，L–(-)–葡萄糖没有。左旋氯霉素有抗菌作用，而其对映异构体无疗效。 2019/2/24

掌握 一对对映异构体是两种不同的化合物，它们的化学性质、物理性质在普通环境下无差别，差别是对偏振光有不同的反映。一个可以使偏振光向左旋，另一个则使偏振光向右旋。 2019/2/24

(±-)-乳酸 S-(+)-乳酸 R-(-)-乳酸 18 m.p. 53 53 +3.82 -3.82 3.86 pKa 3.80 3.97 3.86 pKa 3.80 3.97 2019/2/24

Plane-Polarized Light and Rotation 二、偏振光及旋光性 Plane-Polarized Light and Rotation 2019/2/24

1. 平面偏振光 光是一种电磁波，电场或磁场的振动方向与光前进的方向垂直。自然光是一束在各个不同平面上，垂直于光前进的方向上振动的光。 2019/2/24

普通光或自然光 平面偏振光 2019/2/24

自然光 尼可尔棱镜 偏振光 定义：偏振光指仅在一个平面内振动的光。 2019/2/24

2. 旋光性和旋光性的测定 定义：当平面偏振光通过某物质时，如果该物质能使通过它的平面偏振光的偏振面发生旋转，则称该物质具有旋光性或称该物质为旋光性物质。 2019/2/24

偏振光穿过旋光性物质时，会发生偏转现象，也就是该物质能使光在另一个不同的平面内振动。 对映体能使偏振光的振动平面顺时针旋转(向右旋)的，这个对映体是右旋的(dextrorotatory)，逆时针(向左旋)的为左旋的(levorotatory)，分别用(+)和(–)表示。 2019/2/24

对映体有这种光学活性，所以对映体又称为光学异构体。 旋光性样品 1 2 化合物分为两类：一类是能使偏振光振动平面旋转一定角度，即有旋光性。另一类则没有旋光性。 2019/2/24

3. 比旋光度（Specific Rotation） （＋）表示右旋（－）表示左旋 ——旋光度；[]——比旋光度；t——温度；——光波长；c——样品浓度，单位g/mL；l——样品管长度，单位dm 2019/2/24

比旋光度是对映体的一种物理性质，在既定的溶液中随所使用的溶剂、温度和偏振光波长等不同而变化。 旋光度可以用旋光仪测定 2019/2/24

旋光仪示意图 2019/2/24

旋光仪 The Polarimeter 检偏镜 起 偏 镜 样品管 钠 光 灯 偏 振 光 光平面旋转 2019/2/24

三、分子的手性与对称性 Chirality and Symmetry of Molecule 2019/2/24

 2019/2/24

1. 不对称碳、手性、手性分子和对映体 不对称碳：饱和碳原子上连有互不相同的四个原子或原子团（用*表示）。 手性：物质的分子和它的镜像不能重叠。 2019/2/24

对映体：互为镜像关系，但不能完全重合的一对异构体，互为对映体。它们都具有旋光性。 手性分子：具有手性的分子。 对映体：互为镜像关系，但不能完全重合的一对异构体，互为对映体。它们都具有旋光性。 2019/2/24

标出手性碳 * 乳酸 * 2019/2/24

* 2019/2/24

* * * * How many stereocenters can you find? 2019/2/24

对映体 镜面 一对对映体（互为镜像） 2019/2/24

分子与其镜象是否能互相叠合决定于分子本身的对称性。就是说：分子的手性与分子的对称性有关。 对称元素： 对称面、对称中心、对称轴。 2019/2/24

2. 手性和对称因素 分子的手性（而不是手性碳）是其具有旋光性和对映异构现象的充分必要条件。 从分子模型判断分子手性，虽然直观，但很麻烦。 2019/2/24

定义：若有一个平面，能将分子切成两部分，一部分正好是另一部分的镜象，这个平面就是这个分子的对称面。 （1）对称面（） 定义：若有一个平面，能将分子切成两部分，一部分正好是另一部分的镜象，这个平面就是这个分子的对称面。 结论：凡有对称面的分子，不具有旋光性，也没有对映异构体。 2019/2/24

例：二氯甲烷分子 1 2 1 2   2019/2/24

分子中有一个对称面。 实物和镜象重叠。 2019/2/24

结论：有对称面的分子，实物和镜象能重叠，无手性，无对映异构体，无旋光性。 例： 无数个σ 1个σ 1个σ 2个σ 2019/2/24

定义：分子中有一点 P ，以分子任何一点与其连线，都能在延长线上找到自己的镜象，则P点为该分子的对称中心。 （2）对称中心(i) 定义：分子中有一点 P ，以分子任何一点与其连线，都能在延长线上找到自己的镜象，则P点为该分子的对称中心。 结论：有对称中心的分子，实物和镜象能重叠，无手性，无对映异构体，无旋光性。 2019/2/24

例：环丁烷 p 有对称中心 i 镜象和实物能重叠，无手性。 2019/2/24

结论：有对称中心的分子，实物和镜象能重叠，无手性，无对映异构体，无旋光性。 例：1,3-二甲基-2,4-二氯环丁烷 Cl H H3C CH3 i 结论：有对称中心的分子，实物和镜象能重叠，无手性，无对映异构体，无旋光性。 2019/2/24

定义: 穿过分子画一直线，以它为轴旋转一定角度后，可以获得于原来分子相同的构型，这一直线叫对称轴。 n＝360º/旋转度数叫n重轴。 （3）对称轴（Cn） 定义: 穿过分子画一直线，以它为轴旋转一定角度后，可以获得于原来分子相同的构型，这一直线叫对称轴。 n＝360º/旋转度数叫n重轴。 结论：对称轴不能作为分子有无手性的判据。 2019/2/24

C2 C4 2019/2/24

镜象和实物不能重叠，用旋光仪测定，一个是左旋，另一个则是右旋，是两种化合物。 C2 镜象和实物不能重叠，用旋光仪测定，一个是左旋，另一个则是右旋，是两种化合物。 2019/2/24

结论：判断一个分子有无手性，一般只要判断这个分子有没有对称面或没有对称中心。若没有对称面或没有对称中心，那么这个分子有手性，有对映异构体，有旋光性；若分子中有对称面或者有对称中心，则这个分子无手性。 2019/2/24

分子中没有对称面σ，也没有对称中心i，有手性。 例： 分子中没有对称面σ，也没有对称中心i，有手性。 2019/2/24

有σ，无手性 无σ，无 i 有手性 有 i，无手性 无σ，无 i 有手性 2019/2/24

4.2 含一个不对称碳原子的化合物 Compound with One Asymmetry Carbon 2019/2/24

含有一个不对称碳原子的化合物有2个互为镜象的对映体，即1对对映体。2个对映体，都有手性。 例： 乳酸 （S） （R） 一对对映体 2019/2/24

一、对映异构体R、S命名——绝对构型 1. 次序规则 （1）与手性碳直接相连的原子，按原子序数排列，原子序数大为较优基团。同位素原子按原子量排列，原子量大为较优基团。 例： 2019/2/24

（2）若与手性碳直接相连的四个原子比较不出来，次序无法确定时则要依次外推。 H H O H H N H H C 2019/2/24

H，H，C H，H，C 较优基团 C，C，C H，C，C 较优基团 2019/2/24

（3）与手性碳直接相连的碳上连有双键或叁键时，将双键或叁键看着两个和三个单键。 较优基团 H，C，C H，H，C 2019/2/24

1955年，Cahn－Ingold－Prelog，提出基团次序规则。 2. R、S 命名 1955年，Cahn－Ingold－Prelog，提出基团次序规则。 IUPAC规定对映异构体用 R、S命名。 *Cabcd 2019/2/24

（1）按次序规则将 abcd四个基团按优先次序排列。 *Cabcd R、S 命名规则 （1）按次序规则将 abcd四个基团按优先次序排列。 （2）假定次序为a > b > c > d，把最小基团d放在远离眼睛的对面观察，其它三个基团按顺时针排列的为R型，逆时针排列的为S型。 2019/2/24

R和S构型的标定： a b b a d d c c 2019/2/24

2019/2/24

R S 2019/2/24

例： 乳酸 R-(-)-乳酸 S-(+)-乳酸 一对对映体 注意: R、S与右旋、左旋没有关系！！！ 2019/2/24

(S)-2-丁醇 (R)-2-丁醇 (R)-3-丁烯-2-醇 (S)-2-羟基苯乙酸 2019/2/24

二、对映异构体的表示方法 透视式 两种表示方法 费歇投影式（Fischer） 2019/2/24

透视式 2019/2/24

规定：一般将碳链放在竖直方向，将碳链中编号为1的基团放在竖线上方； 1. 费歇（Fischer）投影式 规定：一般将碳链放在竖直方向，将碳链中编号为1的基团放在竖线上方； 手性碳在纸面上，竖线在纸面下，横线在纸面上方。 2019/2/24

例：*CHXRR' 2019/2/24

例：用费歇投影式写出 的对映异构 R R S S 2019/2/24

Fescher投影式 2019/2/24

2. 费歇尔（Fischer）投影式R，S构型判断 2019/2/24

(R)-氯乙基甲醚 (R)-1-戊烯-3-醇 (S)-3-甲基-1-戊烯 (S)-2-氨基丙酸 2019/2/24

Fischer投影式能不能在纸面上随便转动S、翻动呢？ 翻转 R R R 2019/2/24

费歇尔（Fischer）投影式规则1 不能离开纸面翻转。翻转180º，变为其对映体。 不能在纸面上转90º或270º。否则变为其对映体。 可以在纸面上转180º。 2019/2/24

费歇尔（Fischer）投影式规则2 任意两个基团调换偶数次，构型不变。 任意两个基团调换奇数次，构型改变。 持1个基团固定，而把其它三个基团顺时针或逆时针地移位，构型不变。 2019/2/24

3. 费歇尔（Fischer）投影式D，L构型判断——相对构型 一对对映体的两种乳酸，其右旋体和左旋体的构型究竟是哪一种？这在1951年前无法解决，即不知道这两种构型的真实空间排列。 为了区别这二者，必须有一个统一标准，不至于引起混乱。 2019/2/24

OH HO D-(+)-甘油醛 L-(-)-甘油醛 1906年，Rosanoff 从甘油醛与糖的关系出发，建议以甘油醛为标准，规定(+)、(-)甘油醛的构型为： OH HO D-(+)-甘油醛 L-(-)-甘油醛 2019/2/24

通过一系列不改变手性碳构型的化学反应，可将其它旋光性物质的分子构型与该标准联系起来。 D-(+)-甘油醛 D-(-)-乳酸 2019/2/24

注意：两种来源不同的乳酸，其(+)、(-)是旋光仪测出来的， D-、L-构型是以(+)、(-) -甘油醛为相对标准衍生出来的，二者间无任何关系，是两个完全不同的概念。 2019/2/24

D/L命名法只适应于和甘油醛结构类似的其它化合物，如糖和氨基酸类。 2019/2/24

若有几个不对称碳原子，在Fischer投影式中以标号高的手性碳确定 D、L 。 注意：除了在糖类和氨基酸中外。 D、L已被R、S代替。 2019/2/24

对映体——具有镜像与实物关系的一对旋光异构体。 三、对映体和外消旋体 对映体——具有镜像与实物关系的一对旋光异构体。 2019/2/24

1. 对映体含义 分子结构：镜影与实物关系。 分子内能：内能相同。 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。 旋光性：旋光能力相同，旋光方向相反。 2019/2/24

2. 外消旋体含义 一对对映体等量混合，得到外消旋体。 外消旋体与纯对映体的物理性质不同，旋光必然为零。 2019/2/24

Compound with More Than One Asymmetry Carbon 4.3 含两个以上不对称碳原子的化合物 Compound with More Than One Asymmetry Carbon 2019/2/24

一、含两个不相同的不对称碳原子的化合物 有几个对映异构体？ 可以平移、转动180°，看有没有重叠的？ 2019/2/24

例：HOCH2-CH(OH)-CH(OH)-CHO (iii) (iv) (i) (ii) (2R,3R)-(-)-赤藓糖 (2S,3R)-(+)-苏阿糖 (2S,3S)-(+)-赤藓糖 (2R,3S)-(-)-苏阿糖 2019/2/24

含不同手性碳原子数与旋光异构体数目关系 不同手性碳原子数 构型异构体 构型异构体数目 1 2 3 n R与S RR与SS；RS与SR RRR与SSS；RRS与SSR RSS与SRR；RSR与SRS 2=21 4=22 8=23 2n 2n-1对对映体 2019/2/24

(2S,3R) (2R,3S) (2S,3S) (2R,3R) 2019/2/24

(2R,3R) (2S,3S) 一对对映体 (2S,3R) 内消旋体(meso-) 二、含有两个相同的不对称碳原子的化合物 酒石酸：HOOC-CH(OH)-CH(OH)-COOH (2R,3R) (2S,3S) 一对对映体 (2S,3R) 内消旋体(meso-) 2019/2/24

定义：分子内含有平面对称性因素的没有旋光性的立体异构体称为内消旋体(meso)。 有σ，无对映异构体，无旋光性的内消旋体 定义：分子内含有平面对称性因素的没有旋光性的立体异构体称为内消旋体(meso)。 2019/2/24

特别注意：虽然Fischer投影式是一种重叠式构象，σ键一旋转对称面就消失，就产生对映异构体，但是由于σ键旋转，构象引起的对映异构体总是成对出现，因此，只要找出一个构象有对称面或有对称中心，可考虑它无手性。 所以，酒石酸只有3种立体异构体。 2019/2/24

三、含假手性碳原子的分子——三羟基戊二酸 * *? * 注意：3号碳有无手性？ 2019/2/24

(2R, 4R) (2S, 4S) 3号碳无手性 3号碳无手性 3号碳有手性 三羟基戊二酸有四种立体异构体 有★标记的碳为假不对称碳原子 2019/2/24

假不对称碳原子的构型分别用小 r 和小 s 表示。在判别构型时规定：R >S，顺>反。 假不对称碳原子的定义 一个碳原子（A）若和两个相同取代的不对称碳原子相连，当这两个取代基构型相同时，该碳原子A为对称碳原子；若这两个取代基构型不同时，则该碳原子A为不对称碳原子，称为假不对称碳原子。 假不对称碳原子的构型分别用小 r 和小 s 表示。在判别构型时规定：R >S，顺>反。 2019/2/24

四、旋光活性与构象 上述各种讨论中，均未涉及构象异构与旋光活性的关系。 例如：酒石酸。 2019/2/24

(meso)-酒石酸的三种交叉式构象 i 有σ或 i 吗？ 有σ或 i 吗？ 2019/2/24

在室温下，每种异构体中有手性的构象对映体之间，内能相同，在各自的构象平衡中所占份额相同，对偏振光的影响相互抵消。 用Fescher投影式分析分子是否与旋光活性，与用构象式分析所得结果一致（能分离出稳定构象异构体的情况例外）。 2019/2/24

4.4 碳环化合物的立体异构 Stereoisomerism of Cyclic Compounds 2019/2/24

一、环丙烷衍生物 例1：2,2-二甲基环丙基甲酸有几种构型？ (1R)-2,2-二甲基环丙基甲酸 (1S)-2,2-二甲基环丙基甲酸 2019/2/24

例2：2-甲基环丙基甲酸有几种异构体？ 顺- 反- 2019/2/24

例3：1,2-二甲基环丙烷有几种构型？分别命名之 顺-1,2-二甲基环丙烷 2 1 (1R,2S)-1,2-二甲基环丙烷 2019/2/24

2 1 反-1,2-二甲基环丙烷 (1R,2R)-1,2-二甲基环丙烷 (1S,2S)-1,2-二甲基环丙烷 2019/2/24

用透视式、平面式或构象式判断各异构体是否有手性？ 思考题：3-甲基环丁基甲酸有几种异构体？ 用透视式、平面式或构象式判断各异构体是否有手性？ 2019/2/24

二、取代环己烷的立体异构和手性 （1）一取代环己烷没有对映异构体，无手性。 （2）1,4-二取代环己烷，无论取代基相同与否，没有手性碳原子，有对称面，无对映异构体，无手性。只有顺反异构体。 2019/2/24

（3）1,3-二取代环己烷，有两个不对称中心，有三个或四个立体异构体。 * * * * 2019/2/24

cis-1,3-Dimethylcyclohexane has a symmetry plane 2019/2/24

tran-1,3-Dimethylcyclohexane has no symmetry plane Enantiomers 2019/2/24

（4）1,2-二取代环己烷，有两个不对称中心，有三个或四个立体异构体。 * * * * 2019/2/24

(trans) 有 旋 光 性 Enantiomers 2019/2/24

cis * ★ * 对映体 120º 无旋光性 ★ 2019/2/24

将环作为一个平面对待，只要找出一个构象有对称面或有对称中心，可认为它无手性。 结论：由构象引起的对映异构体可不考虑。 将环作为一个平面对待，只要找出一个构象有对称面或有对称中心，可认为它无手性。 2019/2/24

4.5 不含手性碳原子化合物的手性分子 2019/2/24

1. 含其它手性原子的化合物 叔胺的三角锥体结构 翻转速度102~105次/秒 2019/2/24

Troger碱的一对对映体 2019/2/24

手性季铵盐 2019/2/24

手性氧化叔胺 2019/2/24

手性膦和手性胂 2019/2/24

手性季膦盐 2019/2/24

手性季胂盐 2019/2/24

手性季锍盐 2019/2/24

2. 含手性轴的化合物 （1）丙二烯型化合物 当a≠b，c≠d时，分子是否有对称面或是否有对称中心？ 2019/2/24

a≠b 手性轴 2019/2/24

判断R，S 2019/2/24

（2）螺环类化合物——类似于丙二烯化合物 手性轴 当a≠b时，分子是否有对称面或是否有对称中心？ 2019/2/24

判断R，S 2019/2/24

判断R，S 2019/2/24

（3）联苯型化合物——阻转型化合物 手性轴 当a≠b时，分子是否有对称面或是否有对称中心？ 2019/2/24

范德华半径较大的基团，如Br，I，COOH，NO2，Cl，CH3等处于2,2''及6,6'位，苯环间的单键不能自由旋转。 2019/2/24

（4） 把型（柄型）化合物 n=8和9时，有旋光性。n≥10，无旋光性。 2019/2/24

n=8，10 有旋光性 m=2，n=2及n=3，n=4时有旋光性 m=4，n=4，无旋光性 2019/2/24

（5） 螺并苯化合物 2019/2/24

蒄（无手性） 六螺并苯（有手性） 2019/2/24

八、有机反应中的立体化学 Stereochemistry of organic reactions 2019/2/24

（1）光学纯度（Optical Purity：O.P.） 1. 关于不对称合成的几个基本概念 （1）光学纯度（Optical Purity：O.P.） 反应物1+反应物2 产物1(R)+产物2(S) 若 (R) < (S) 若(R) > (S) 2019/2/24

（2）对映体过量(enantiomeric excess：e.e.) 若产物是一对对映体，当R构型的产物量大于S构型的产物时，%ee 为： 或%ee=R%-S%  当S构型的产物大于R构型的产物时，%ee 为： 或%ee=S%-R%  2019/2/24

现有一合成的乳酸样品，经过拆分后，测得： 例如：肌肉乳酸纯品 现有一合成的乳酸样品，经过拆分后，测得： 则该样品的光学纯度为：1.91/3.82×100=50%。 其中“纯右旋体”占50%；外消旋体占50%。 故右旋体占75%，左旋体25%。 则%e.e.=75%-25%=50%。 2019/2/24

如果一个反应能生成两个或两个以上的旋光异构产物，并且其中一个旋光异构体能较多地生成，该反应称为立体选择性反应。 2. 立体选择性反应和立体专一性反应 （1）立体选择性反应 如果一个反应能生成两个或两个以上的旋光异构产物，并且其中一个旋光异构体能较多地生成，该反应称为立体选择性反应。 2019/2/24

例： 2.5 1 (S)-3-苯基-2-丁酮 2019/2/24

立体异构的原料在某种特定的反应条件下只得到旋光异构产物的其中一个异构体，该反应称为立体专一性反应。 （2）立体专一性反应 立体异构的原料在某种特定的反应条件下只得到旋光异构产物的其中一个异构体，该反应称为立体专一性反应。 2019/2/24

富马酸 苹果酸 不反应 马来酸 2019/2/24

丁烷一氯代反应产物有两个构造异构体。其中，2-氯丁烷为外消旋体。 （3）烷烃卤代反应的立体化学 丁烷的一氯代反应 对映体的等量混合物 + 丁烷一氯代反应产物有两个构造异构体。其中，2-氯丁烷为外消旋体。 2019/2/24

· 2019/2/24

2019/2/24

思考题：用具有光活性的(R)-2-甲基-1-氯丁烷进行氯化，得到外消旋的2-甲基-1,2-二氯丁烷，试解释之。 (S)- (R)- 2019/2/24

费歇尔（Emil Fischer，1852--1919，德国化学家） 费歇尔是从十九世纪后半期到二十世纪初的有机化学家中留下丰功伟绩的人。由师生关系联系起来的德国化学家犹如群峰高耸，那就是李比希、凯库勒、拜尔、费歇尔等著名学者。 费歇尔于1852年10月9日出生在莱茵地区科隆附近的奥伊尔斯金镇，兄弟姐妹八人中排行最小，两个哥哥早逝，成为独子。父亲是实业家。 1871年入波恩大学，凯库勒是他的老师，1872年后转学舒特拉斯堡，拜拜尔为师，毕业留校任助教。1875年拜尔因慕尼黑大学李比希去世而被聃去补职，费歇尔乃转到慕尼黑大学工作，1879年任副教授，1890年到艾尔兰根大学任教授。先后在 2019/2/24

耶拿大学、维尔茨堡大学、海德尔堡大学、柏林大学担任教授。享年66岁9个月。 费歇尔在化学上的贡献是杰出的，有如下几个特点： （1） 纯理论的研究，对学说的确立并不关心，而是专心致志地开辟新的实验事实。 （2） 他的主要业绩是把与生命有关的有机物质作为研究对象，如嘌呤类的研究，糖类的研究，多肽的研究及缩酚酸的研究，因此，甚至被人们称为生物化学创始人。 （3） 以他出类拔萃的实验技术与坚忍不拔的精神，在上述领域中获得巨大的成果，获得1902年诺贝尔化学奖。 2019/2/24