第五章 立体化学基础：手性分子

本章内容： 对映体、非对映体、外消旋体及内消旋体的结构、命名、性质

第一节 手性分子和对映体 碳链异构 位置异构 官能团异构 互变异构 异构现象 构造异构 立体异构 构型异构 构象异构 顺反异构 对映异构

一、手性（Chirality） 具有镜像关系，而彼此不能重叠的性质。

具有手性的分子叫手性分子（或者说：不能与其镜象叠合的分子为手性分子）。 注意：任何化合物都有镜像，但多数实物和它的镜像都能重合。如果实物和它的镜像能重合，它们就是同一物质，是非手性的，无对映体。

生活中的一些手性物体

二、对映体

这两个模型化合物互为实物和镜像, 但它们不能重合. 因此他们是一对异构体, 互为对映, 称为对映异构体。

连有4个不同的原子或基团的碳原子称为手性碳原子(chiral carbon atom)或手性中心。

一个手性碳原子所连的4个不同原子或基团在空间具有两种不同的排列方式（两种构型），它们是彼此成镜像关系，又不能重叠的一对立体异构体，互为对映体(enantiomers)。有一个手性碳的化合物必定是手性化合物，有一对对映体。

对映异构体的性质 (S)-(+)-乳酸 (R)-(-)-乳酸 mp 53oC mp 53oC 对平面偏振光的作用不同 (S)-(+)-乳酸 (R)-(-)-乳酸 mp 53oC mp 53oC []15D = +3.82 []15D = -3.82 pKa=3.79(25oC) pKa=3.83(25oC)

一对对映体对平面偏振光的作用不同： 一个可使平面偏振光向右旋，称为右旋体；另一个可使平面偏振光向左旋，称为左旋体。二者旋转角度相同。因此对映异构也叫做旋光异构。

三、偏振光和物质的旋光性 只在一个平面上振动的光为平面偏振光(plane-polarized light)，简称偏振光。偏振光的振动平面称为偏振面。 旋光性(optical activity)：化合物能使偏振光的偏振面旋转的性能。

1、偏振光 光是一种电磁波，光波的振动方向与光的前进方向垂直。 光束前进方向 光的前进方向与振动方向 普通光的振动平面

如果让光通过一个象栅栏一样的 Nicol 棱镜 (起偏镜)就不是所有方向的光都能通过，而只有与棱镜晶轴方向平行的光才能通过。这样，透过棱晶的光就只能在一个方向上振动。 只在一个平面上振动的光，称为平面偏振光，简称偏振光或偏光。

2、物质的旋光性

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。

能使偏振光振动平面向右旋转的物质称右旋体，能使偏振光振动平面向左旋转的物质称左旋体。 旋光性物质使偏振光旋转的角度，称为旋光度，以“”表示。

为了比较各种不同旋光性物质的旋光度的大小，一般用比旋光度(specific rotation)来表示。

当物质溶液的浓度为1g·mL-1，盛液管的长度为1dm时，所测物质的旋光度即为比旋光度。若所测物质为纯液体，计算比旋光度时，只要把公式中的c换成液体的密度d即可。 最常用的光源是钠光（D），λ=589.3nm。 所用溶剂不同也会影响物质的旋光度。因此在不用水为溶剂时，需注明溶剂的名称，例如，右旋的酒石酸在5%的乙醇中其比旋光度为: (乙醇，5%)

旋光仪(polarimeter)

四、分子的对称性和对称因素 1. 对称面σ 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。

2. 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。

3. 对称轴 Cn 这种轴是通过物体或分子的一条直线，以这条直线为轴旋转一定的角度，得到的物体或分子的形象和原来的形象完全相同，这种轴称为对称轴。n指绕轴一周，有n个形象与原形象相同。

如果一个分子沿轴旋转90，再用一面垂直于该轴的镜子将分子反射，所得的镜像如能与原物重合，此轴即为该分子的四重交替对称轴(用S4表示)。 4. 四重交替对称轴(旋转反映轴) 如果一个分子沿轴旋转90，再用一面垂直于该轴的镜子将分子反射，所得的镜像如能与原物重合，此轴即为该分子的四重交替对称轴(用S4表示)。 S4 I = IV II = III

结论： 有对称面、对称中心、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。 对称轴并不能作为分子是否具有手性的判据。 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。 所以，既无对称面也没有对称中心的，一般可判定为是手性分子。

手性 手性分子 如果分子中不存在对称面、对称中心和四重象转轴（S4)，则这个分子具有手性。其实物与镜影不能完全重叠。 --- 实物与镜影不能完全重叠的分子。 --- 手性分子都具有光学活性。

第二节 费歇尔投影式 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： 立体结构式

Fischer投影式 朝向后方的键 朝向前方的键 乳酸对映体的费歇尔投影式

投影原则： 横、竖两条直线的交叉点代表手性碳原子，位于纸平面。 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，“横前竖后”。 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。

使用Fischer 投影式的注意事项： 不能离开纸面翻转。将投影式在纸平面上旋转180°，仍为原构型。但不能沿纸面旋转90 或270。 旋转180° 旋转180°

第三节 构型标记法 D/L构型标记法 R/S构型标记法

D/L构型标记法 D-(+)-甘油醛 L-(-)-甘油醛 以甘油醛为基础，通过化学方法合成其它化合物，如果与手性原子相连的键没有断裂，则仍保持甘油醛的原有构型。如：

D-(+)-甘油醛 L-(-)-甘油醛 D-(+)-甘油醛 D-(-)-乳酸

R/S构型标记法 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。

按次序规则将手性碳原子上的四个基团排序。 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）。

例： ( S)- 氟氯溴甲烷 眼 几个简单的烷基的优先次序为: -C(CH3)3 > -CH(CH3)2 > -CH2CH3 > -CH3

快速判断Fischer投影式构型的方法： 1°当最小基团位于横线时，若其余三个基团由大→中→小为顺时针方向，则此投影式的构型为S，反之为R。 2°当最小基团位于竖线时，若其余三个基团由大→中→小为反时针方向，则此投影式的构型为R，反之为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。 基团次序

基团次序

D/L标记的是相对构型，R/S标记的是绝对构型 目前从一个化合物的构型还无法准确地判断其旋光方向，还是依靠测定。

第四节 对映异构体与手性碳原子 一、含一个手性碳原子的化合物 外消旋乳酸 (S)-(+)-乳酸 (R)-()-乳酸 ()-乳酸 第四节 对映异构体与手性碳原子 一、含一个手性碳原子的化合物 外消旋乳酸 (S)-(+)-乳酸 (R)-()-乳酸 ()-乳酸 mp 53oC mp 53oC mp 18oC []D=+3.82 []D=-3.82 []D=0 pKa=3.79(25oC) pKa=3.83(25oC) pKa=3.86(25oC)

外消旋体 一对对映异构体，其比旋光度数值相等，旋光方向相反。 外消旋体 ---- 一对对映异构体的等量混合物。此混合物无旋光性(常用±或dl表示)。

二、含两个手性碳原子的化合物 1、含两个不同手性碳的分子 这类化合物中两个手性碳原子所连的四个基团不完全相同。

非对映体 分子中有两个以上手性中心时，有非对映异构现象。 不呈物体与镜象关系的立体异构体。 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。

1和2为对映体，3和4为对映体； 1与3，1与4，2与3，2与4为非对映体。 含n个不同手性碳原子的化合物，对映体的最大数目有2 n个。

2、含两个相同手性碳的分子 以酒石酸为例 mp []D(水) 溶解度(g·100mL-1) pKa1 pKa (S) (R) (S) (R) (S) (R) (R) (S) (1) (2) (3) (+)-酒石酸 (4) (-)-酒石酸 mp []D(水) 溶解度(g·100mL-1) pKa1 pKa (+)-酒石酸 170oc +12.0 139 2.98 4.23 (-)-酒石酸 170oc -12.0 139 2.98 4.23 ()-酒石酸 (dl) 206oc 0 20.6 2.96 4.24 meso-酒石酸 140oc 0 125 3.11 4.80

Ⅰ和Ⅱ互为对映关系，Ⅲ 和Ⅳ可以重合，是同一物质。这是因为Ⅲ和Ⅳ分子中有一个对称面，因此分子无手性。 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)。

内消旋体与外消旋体的异同 相同点：都不旋光 不同点：内消旋体是一种纯物质，外消旋体是两个对映体的等量混合物，可拆分开来。 分子有手性中心，分子不一定有手性。 含手性碳原子的分子一定有手性。（×）

三、含多个手性碳的分子

含n个手性中心的分子最多可能有2n个立体异构体。

四、不含手性碳原子的手性分子 1、联苯型 (a+c)或(b+d)＞0.29nm 位阻异构体（atropisomer） ---由于单键旋转受阻而形成的手性分子。

2、丙二烯型 结构特点：与中心碳原子相连的两个π键所处的平面彼此相互垂直（中心碳原子为sp杂化）。

当丙二烯双键两端的碳原子上各连有两个不同的取代基就产生了手性因素，存在着对映体。

第五节 外消旋体的拆分 1.化学拆分法—形成和分离非对映体异构体 将外消旋体拆分成左旋体和右旋体，称为外消旋体的拆分。 第五节 外消旋体的拆分 将外消旋体拆分成左旋体和右旋体，称为外消旋体的拆分。 1.化学拆分法—形成和分离非对映体异构体 (±) -RCOOH + ()-RNH2 成盐 分级结晶 HCl (+)-RCOO ()-RNH2 ()-RCOO ()-RNH2 (+)-RCOOH + ()-RNH3Cl ()-RCOOH + ()-RNH3Cl

拆分试剂的条件 （1）拆分剂与被拆分物之间易反应合成,又易被分解。 （2）两个非对映立体异构体在溶解度上有可观的差别。 （3）拆分剂 应当尽可能地达到旋光纯度。 （4）拆分剂必须是廉价的，易制备的，或易定量回收的。

2. 接种结晶析解法 3.微生物或酶作用下的析解 生物体中的酶或细菌等具有旋光性，当它们与外消旋体作用时，具有较强的选择性。例如，在外消旋酒石酸中培养青霉素，只消耗右旋酒石酸，留下左旋酒石酸。 4.色谱分离法 5. 机械分离法

第六节 手性分子的形成和生物作用 一、手性分子的形成 （一）生物体中的手性分子 （二）非手性分子转化为手性分子 2-氯丁烷 正丁烷 第六节 手性分子的形成和生物作用 一、手性分子的形成 （一）生物体中的手性分子 （二）非手性分子转化为手性分子 2-氯丁烷 （手性化合物） 正丁烷 （非手性化合物）

正丁烷在光的作用下发生氯取代反应，生成外消旋化合物的反应机制： 仲丁基自由基(平面结构)

二、手性分子的生物作用 一对对映体构型上的微小差异，在生理活性上往往会产生截然不同的作用。例如，多巴(Dopa)，它的化学名为2-氨基-3-(3,4-二羟基苯基)丙酸，分子中有一个手性中心，因此存在一对对映体——右旋多巴和左旋多巴。

为什么一对对映体之间，在生理活性上会有如此大的差别？ 化学物质引起或改变细胞反应，一般是通过作用于细胞的专一特定部位。在细胞上的这些特定接受部位通常称为受体靶位(target site)。受体大多为蛋白质，当然是手性物。不同受体具有不同的立体构型和构象。一个特异性手性分子的立体结构只有与特定的受体的立体结构有互补关系，其活性部位才能适合进入受体的靶位，产生应有的生理作用。一对对映体最多只有其中的一个对映体适合进入一个特定受体靶位，产生生理效应。

（a） 对映体容易进入手性的受体靶位，发挥它的生物效应；（b ）对映体不能合适地进入相同受体靶位，因此它没有同样的生物效应。

“反应停”事件 20世纪50年代，德国一家制药公司开发出一种镇静催眠药反应停（沙利度胺），对于消除孕妇妊娠反应效果很好，但很快发现许多孕妇服用后，生出了无肢或缺腿的先天畸形儿。该药出售后的6年间，先后在原联邦德国、澳大利亚、加拿大、日本以及拉丁美洲、非洲的共28个国家，发现畸形胎儿12000余例(其中西欧就有6000~8000例，日本约有1000例)。患儿无肢、短肢、肢间有蹼、心脏畸形等先天性异常，呈海豹肢畸形(phocornelia)。

后来经过研究发现，反应停是包含一对对映异构体的消旋药物，它的一种构型R-（+）对映体有镇静作用，另一种构型S-（-）对映体才是真正的罪魁祸首——对胚胎有很强的致畸作用。

谢谢！