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对映异构
第七章立体化学
Chapter5Stereochemistry-Enantiomerism
异构体的分类
立体异构体的定义：
分子中的原子或原子团互相连接的次序相同，但在空间的排列方向不同而引起的异构体。
立体化学的任务：
研究分子的立体形象及与立体形象相联系的特殊物理性质和化学性质的科学。
对映异构和立体异构的区别与联系：
相同点：
原子在空间的排布方式；
不同点：
对映异构体打断键才能相互转换；立体异构体σ键的旋转相互转换
5.1物质的旋光性与手性
一、平面偏振光和旋光性的物质
光是一种电磁波，光波的振动方向与其前进方向垂直。
普通光在所有垂直于其前进方向的平面上振动。
1、平面偏振光：
指只在一个平面上振动的光，简称偏光（planepolarizedlight）。
2、偏光与物质旋光性的关系
（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。
旋光度：
旋光性物质使偏振光的振动平面旋转一定的角度。
用希腊文α表示。
影响旋光度的因素
（a）被测物质;（b）溶液的浓度;（c）盛液管长度;（d）测定温度;（e）所用光的波长
右旋体：
使偏振光的振动平面向右旋转的物质，右旋——（+）；
左旋体：
使偏振光的振动平面向左旋转的物质，左旋——（－）。
但旋光度“”受温度、光源、浓度、管长等许多因素的影响，为了便于比较，常用比旋光度[]来表示。
3、旋光度与比旋光度的关系
比旋光度（specificrotation）——是指在一定温度，和光源的条件下，把1mL含有1克旋光性物质放在1dm的盛液管中，所测得旋光度，就叫做比旋光度，用[α]表示。
比旋光度表示：
盛液管为1分米长，被测物浓度为1g/ml时的旋光度。
实际测量时，可用溶液测量其旋光度，再用下式计算其比旋光度：
式中：
λ——测量时所采用的光波波长；
t——测量时的温度；
α——由仪器测得的溶液的旋光度；
l——盛液管的长度,单位为dm（1dm=10cm）；
C——溶液的浓度,单位为g.mL-1。
表示比旋光度时，需要标明测量时的温度、光源的波长以及所使用的溶剂。
例如，在温度为20°C时，用钠光灯为光源测得的葡萄糖水溶液的比旋光度为右旋52.2°,应记为：
D表示：
普通的钠光灯的单色光，波长为589.00nm。
[注]：
①、旋光度和比旋光度都小于3600。
②、比旋光度是旋光性物质的一个物理常数。
4、比旋光度的应用：
①、推算物质的浓度和纯度；
②、测定物质的旋光度。
二、物质的旋光性和手性
1、对映异构现象的发现：
1848年，路易·巴斯德（LouisPasteur,1822~1895）对酒石酸钠铵晶体的研究，为旋光异构现象即对映异构现象奠定了理论基础。
1874年van’tHoff和LeBel两个青年物理学家提出的碳四价学说及四面体学说，真正解决了对映异构现象。
具有旋光异构的分子具有什么特性呢？
首先是在生物化学上，它们往往表现出不同的性质来，如丙氨酸，它有两种分子，当把它们作为某种细菌的食物时，只有一种被吃掉，而另一种完全保留下来。
可见在生物体中的选择性是很高的。
这对于生物化学当然是相当重要的。
天然化合物中常见，Vc右旋体可医治坏血病;谷氨酸右旋体有调味作用;麻黄碱右旋才能舒张血管治高血压，旋光相反的异构体则无用甚至有毒
大部分氨基酸是左旋体
反应停治孕妇反应，但其旋光相反的异构体则致畸
镇静剂强畸胎剂
Thalidomide（反应停）
苦味甜味
Asn（天冬酰胺）
2、手——左、右手互为实物与镜像的关系，不能完全重合。
手性：
像左右手一样，实物与其镜象不能叠合的性质。
手性碳原子：
在有机化合物中，手性分子大都含有与四个互不相同的原子或基团基团相连的碳原子。
这种碳原子没有任何对称因素，故叫不对称碳原子，或叫手性碳原子，在结构式中通常用*标出手性碳原子。
例如：
（S）-（+）-乳酸（R）-（-）-乳酸
mp53℃mp53℃
[]D=+3.82[]D=-3.82
pKa=3.79（25℃）pKa=3.83（25℃）
[结论]
①、手性是产生对映异构体的充要条件；
②、手性是产生旋光性的充要条件；
[思考]：
①、手性碳原子是产生对映异构体的充要条件；对吗？
为什么？
②、手性碳原子是产生旋光性的充要条件；对吗？
为什么？
三、对称性因素与手性分子
手性分子：
与自身镜像不能重叠的分子。
1、对称面：
有一个平面可以把分子分割成两部分，而一部分正好是另一部分的镜像，这个平面就是分子的对称面（σ）。
例如：
乙烯及其衍生物
结论：
由对称面的分子没有手性，平面型的分子一定没有手性。
注意：
不能说无对称面的分子一定有手性；不能说顺反异构体无手性。
2、对称中心
分子中有一个点,从分子中任何一个原子出发,向这个点作一直线,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,可以遇到一个同样的原子,这个点就是对称中心（I）。
例如：
结论：
有对称中心的分子无手性。
3、对称轴（旋转轴）
设想分子中有一条直线,当分子以此直线为轴旋转360º/n后,（n=正整数）,得到的分子与原来的分子相同,这条直线就是n重对称轴（Cn）。
Cn
结论：
①、有对称轴的分子不一定没有手性。
②、不能用有无对称轴来判断分子有无手性
4、四重交替对称轴（旋转反映轴）
分子中有一条直线,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进行反映（即作出镜象）,如果得到的镜象与原来的分子完全相同，这条直线就是四重交替对称轴（S4）
有四重交替对称轴的分子，是分子同时没有对称面和对称中心，因此此分子有手性。
5、对称性与手性的关系：
A：
非手性分子——凡具有对称面、对称中心或交替对称轴的分子.
B：
手性分子——既没有对称面,又没有对称中心,也没有4重交替对称轴的分子,都不能与其镜象叠合,都是手性分子.
C：
对称轴的有无对分子是否具有手性没有决定作用
在有机化学中，绝大多数非手性分子都具有对称面或对称中心，或者同时还具有四重对称轴。
没有对称面或对称中心，只有四重交替对称轴的非手性分子是个别的。
手性分子的一般判断：
只要一个分子既没有对称面，又没有对称中心，就可以初步判断它是手性分子。
5.2具有一个手性碳原子的化合物的对映异构
1、对映异构体
例如：
还以乳酸为例，它含有一个手性碳原子，有手性，具有旋光性，有一对对映体。
发酵得到的乳酸是左旋的，其比旋光度为[]D=-3.82，肌肉运动产生的乳酸是右旋的，其比旋光度为[]D=+3.82。
（S）-（+）-乳酸（R）-（-）-乳酸
mp53℃mp53℃
[]D=+3.82[]D=-3.82
pKa=3.79（25℃）pKa=3.83（25℃）
特点：
*1结构：
镜影与实物关系
*2内能：
内能相同。
*3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。
*4旋光能力相同，旋光方向相反。
一对对映体结构差别很小，因此它们具有相同的bp，mp，溶解度等，化学性质也基本相同。
很难用一般的物理或化学方法区分。
但它们对平面偏振光的作用不同。
注：
含有一个手性碳原子的分子一定是手性分子；一个手性碳原子可以有两种构型。
具有手性的物质和分子中有无手性碳原子无关。
2、外销旋体
把50ml的右旋乳酸和50ml的左旋乳酸混合起来，经过测定，mp=18℃，[]D=0，pKa=3.86（25℃）。
物理性质有变化，而化学性质几乎没有变化。
一对对映体等量混合，得到的混合物就叫做外消旋体。
注意：
非对应体和外销旋体的区别。
3、构型的表示
有四种表示方法：
第一种：
伞形（楔形式）例如：
点
第二种表示法，锯架式，例如：
第三种表示法，纽曼透视式，例如：
第四种表示法，Fischer投影式
书写规则：
①主碳链竖写，命名时编号最小的碳原子写在最上方。
②横前竖后：
以横线连接的基团在纸平面的前面，以竖线连接的基团在纸平面的后面。
③横竖相交点为手性碳原子。
例如：
注意：
1.立体形象；
2.不能在纸面上旋转90o；在纸平面内转动180°或360°,构型不变，但是若在纸平面内转动90°或270°。
3.不能离开纸面翻转180o；只允许在纸平面内旋转1800，构型不变。
离开纸平面翻转180°,将变成它的对映体。
4.基团两两交换次数不能为奇数次，但可以是偶数次；在投影式中，基团交换奇数遍，构型转变，偶数遍侧构型不变。
5.不能将投影式拿出纸面来分析，
5.3构型的标记方法
一、D（拉丁文Dexcro）-L（拉丁文Leavo）标记法——相对构型的标记1908罗斯诺夫
人为规定（+）–甘油醛为D–型,（–）–甘油醛为L–型
L-（-）-甘油醛D-（+）-甘油醛
关联比较法：
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。
例：
D-（+）-甘油醛D-（-）-乳酸
其它手性化合物相对构型的标记则以甘油醛为参照物，通过与甘油醛构型间的某种联系来确定。
[注意]：
①D/L标记法多用于糖类和氨基酸的构型标记，有一定的局限性；
②相对构型[D、L]与旋光方向[（+）、（–）]没有任何对应关系。
二、R/S（RRectusandSSinister）标记法——绝对构型的标记
绝对构型（AbsoluteConfiguration）：
分子中原子或基团的实际空间排布。
R/S构型标记法是1970年根据IUPAC的建议所采用的系统命名法，它是根据旋光性物质的实际构型，或其投影式，以“次序规则”为基础的标记方法，所以称为绝对构型标记法，它是一种更具有普遍性的标记法。
其规则如下：
1.将手性碳原子上相连的四个不同原子或基团（a，b，c，d）按次序规则从大到小排列成序（假定a＞b＞c＞d）
次序规则：
Cahn–Ingold-Prelog
⑴同位素：
T>D>H
⑵原子序数
⑶与手性碳相连的两个原子相同时，则看与他们的相连的其他原子，按照原子序数比较。
⑷双键和叁键，可以认为连有两个或三个相同的的原子
⑸取代基互为对映异构体时，R构型优先于S构型。
取代基对几何异构体时，顺式（Z）优先于反式（E）。
2.R/S构型的确定
将最低次序的原子或基团（d）远离观察者，其余三个原子或基团面向观察者，观察三个原子或基团由大到小的顺序，若由a→b→c为顺时针方向旋转的为R构型（R为拉丁文Rectus的缩写，表示右），若是逆时针方向旋转的为S构型（S为拉丁文Sinister的缩写，表示左）。
例如：
将与手性碳原子相连的四个原子或基团按次序规则排列,其优先次序假定为a>b>c>d
绝对构型能真实代表某一光活性化合物的构型（R、S）
相对构型与假定的D、L甘油醛相关联而确定的构型。
以上是从透视式确定构型。
我们也可直接确认Fischer投影式的R、S构型，规则为：
1．当最低次序的原子或基团（d）处于横键的左右端时，a→b→c顺时针方向排列的为S-构型，逆时针方向排列的为R-构型。
2．当最低次序的原子或基团（d）处于竖键的左右端时，a→b→c顺时针方向排列的为R-构型，逆时针方向排列的为S-构型。
R-甘油醛 S-甘油醛
注意：
无论是D,L还是R,S标记方法，都不能通过其标记的构型来判断旋光方向。
因为旋光方向使化合物的固有性质，而对化合物的构型标记只是人为的规定。
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。
3.R/S构型的命名法
⑴、排大小
⑵、选观观察点，使d远离自己；
⑶、看（转）a-b-c-d；
⑷、定：
构型顺时针R，逆时针S。
分子中含有一个以上手性碳原子化合物构型的R、S标记同样遵循上述原则，除了必须标明手性碳原子构型外，还需要注明碳原子的位次。
例如：
（2R，3R）-2，3-二羟基丁二酸
注意：
R和S是手性碳原子的构型根据所连基团的排列顺序所作的标记。
在一个化学反应中，如果手性碳原子构型保持不变,产物的构型与反应物的相同,但它的R或S标记却不一定与反应物的相同。
反之,如果反应后手性碳原子的构型发生了转化，产物构型的R或S标记也不一定与反应物的不同。
5.4具有两个或两个以上手性中心的分子的对映体化合物和内消旋体
随着旋光性化合物中手性碳原子数目的增多，立体异构现象也变得更加复杂，异构体的数目也会增加。
1．含两个不相同手性碳原子的化合物在2-羟基-3-氯丁酸分子中含有两个不相同的手性碳原子，它有四种异构体：
其中I和II，III和IV互为实物与镜像关系，不能重叠，分别组成对映体。
I和III或IV，II和III或IV之间不呈实物与镜像关系，被称为非对映体（diastereomer）。
当分子中有两个或两个以上的手性中心时，就有非对映异构现象存在。
非对映体的物理性质如熔点、沸点、折射率、溶解度等都不相同，比旋光度也不相同，比旋光方向可能一样，也可能不一样。
由于它们具有相同的官能团，同属—类化合物，因而化学性质相似，但是由于分子中相应原子或原子团之间的距离并不完全相等，所以它们与同—试剂反应时的反应速率并不相同。
含有一个手性碳原子的化合物，存在2个旋光异构体，可组成一对对映体；含两个不相同手性碳原子的化合物，存在4个旋光异构体，可组成两对对映体。
由此可推知：
含有n个不相同手性碳原子的化合物，其旋光异构体的数目为2n个，可组成2n-1对对映体。
由等量对映体组成的外消旋体的数目为2n-1个。
赤式和苏式：
含两个不对称碳的分子，若在Fischer投影式中，两个H在同一侧，称为赤式，在不同侧，称为苏式。
2．含两个相同手性碳原子的化合物
酒石酸（2，3-二羟基丁二酸）分子中含有两个相同的手性碳原子，那么洒石酸也有4个旋光异构体吗?
按照每—手性碳原子有两种不同的构型，可以写出以下四个Fischer投影式：
（2R，3R）（2S，3S）（2R，3S）（2S，3R）
I和II互为实物与镜像关系，不能重叠，是一对对映体，III和IV互为实物与镜像关系，但将IV在纸上旋转180°，可与（Ⅲ）重叠，所以，它们不是对映体，而是同一构型，即（Ⅲ）和（Ⅳ）代表同一个化合物。
Ⅰ或Ⅱ与Ⅲ或Ⅳ互为非对映体。
在（Ⅲ、Ⅳ）中有一个对称面（σ）和一个对称中心：
上面一半恰好和下面一半互成镜像关系，这两部分使偏振光的偏振面旋转的度数相等，方向相反，它是一个对称分子，所以没有旋光性。
因此把分子中含有多个手性碳原子，而分子内部有一对称面，将偏振光的影响相互抵消而无光学活性的化合物称为内消旋体（mesomer），以meso表示。
因此，洒石酸只有三个立体异构体，包括一对对映体和一个内消旋体。
总的说来，当分子中存在相同的手性碳原子时，立体异构体数目小于2n。
内消旋体和外消旋体虽然都没有旋光性，但却有着本质上的不同。
内消旋体是一种异构体，为纯物质，而外消旋体不是异构体，为混合物。
此外，外消旋体也不同于任意两种物质的混合物，它也有固定的熔点，且熔点范围很窄，酒石酸的三个异构体的物理性质见下表：
表4-1酒石酸的物理性质
酒石酸
m.p.℃
[α]D2520%H2O
溶解度（g/100H2O）
pKa1
pKa2
右旋
左旋
外消旋
内消旋
170
170
206
140
+12°
-12°
0°
0°
139
139
20.6
125
2.96
2.95
2.96
3.11
4.23
4.23
4.24
4.80
由内消旋体的产生可知，除含一个手性碳原子的化合物是手性分子外，手性碳的存在不是分子具有手性的充分条件。
5.5无手性碳原子的对映异构体
在有机化合物中，大部分旋光性物质都含有—个或多个手性碳原子。
但人们发现有些化合物分子中没有手性碳原子，却具有旋光性，存在对映异构现象，这类分子也是手性分子。
如：
丙二烯型化合物、联苯型化合物等。
1.有手性中心的旋光异构体
除碳原子外、还有一些元素（如Si、N、S、P、As等）的共价键化合物也是四面体结构，当这些元素的原子所连基团互不相同时，这些元素的原子也是手性原子。
含有这些手性原子的分子也可能是手性分子。
例如：
例如：
2.有手性轴的旋光异构体
（1）丙二烯型化合物
（A）两个双键相连如果丙二烯两端碳原子上各连接两个不同的基团时：
由于所连四个取代基两两各在相互垂直的平面上，整个分子就没有对称面和对称中心，而具有手性。
例如1，3-二溴丙二烯分子为手性分子，存在一对对映体：
如果在任何一端或两端的碳原子上连有相同的取代基，这些化合物具有对称面，因此不具旋光性，不存在对映体。
如：
（B）一个双键与一个环相连（1909年拆分）
（C）螺环形
（2）.联苯型化合物
某些原子或基团的半径如下：
在联苯分子中，两个苯环可以围绕中间单键旋转，如果在苯环中的邻位上，即2，2'，6，6'位置上引入体积相当大的取代基，则两个苯环绕单链旋转就要受到阻碍，以至它们不能处在同一个平面当苯环邻位上连接的两个体积较大的取代基不相同时，整个分子就没有对称面与对称中心，分子具有手性。
例如6，6'—二硝基联苯—2，2'—二甲酸存在的两个对映体：
若在一个或两个苯环上所连的两个取代基是相同的，这个分子就有对称面，而没有旋光性,如2，6—二硝基联苯—2'，6'—二甲酸就没有旋光性:
（3）把手化合物
5.6外消旋体的拆分
外消旋体是由一对对映体等量混合而成，对映体除旋光方向外，其它物理性质均相同。
一个纯的光活性物质，如果体系中的一半量发生构型转化，就得外消旋体，这种由纯的光活性物质转变为外消旋体的过程称为外消旋化。
如果构型转化未达到半量，就叫部分外消旋化。
经烯醇化发生外消旋化。
经形成正碳离子、负碳离子、自由基等中间体发生外消旋化。
含有手性碳原子的化合物，若手性碳很容易形成正碳离子、负碳离子、自由基等中间体时，常会发生外消旋化。
差向异构化：
含多个C*的化合物，使其中一个C*发生构型转化的过程称为差向异构化。
如果是端基的C*发生构型转化，则称为端基差向异构化。
用一般的物理方法（分馏、分步结晶等）不能把一对对映体分离开来。
必须用特殊方法。
拆分—将外消旋体分离成旋光体的过程叫“拆分”。
拆分的方法一般有以下几种：
（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，借肉眼直接辨认，或通过放大镜进行辨认，而把两种结晶体挑捡分开。
（目前很少用）
（2）微生物拆分法：
利用某些微生物或它们所产生的酶，对对映体中的一种异构体有选择的分解作用。
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。
（3）选择吸附拆分法：
用某种旋光性物质作为吸附剂，使之选择性地吸附外消旋体中的一种异构体（形成两个非对映的吸附物）。
（4）诱导结晶拆分法
（晶种结晶法）：
在外消旋体的过饱和溶液中，加入一定量的一种旋光体的纯晶体作为晶种，于是溶液中该旋光体含量多，在晶种的诱导下优先结晶析出。
（5）化学拆分法：
将外消旋体与旋光性物质作用，得到非对映体的混合物，根据非对映体不同的物理性质，用一般的分离方法将它们分离。
例如：
（+）-RCOO（）-RNH2
（）-RCOO（）-RNH2
（+）-RCOOH+（）-RNH3Cl
（）-RCOOH+（）-RNH3Cl
说明：
拆分酸时，常用的旋光性碱主要是生物碱，如：
（-）-奎宁、（-）-马钱子碱、（-）-番木鳖碱；拆分碱时，常用的旋光性酸是酒石酸、樟脑--磺酸等。
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。
（1）光学纯度百分率（%O.P）
若（R）>（S）
若（R）<（S）
（2）对映体过量百分率（%ee）;简称ee值
若产物是一对对映体，当R构型的产物大于S构型
的产物时，%ee为
S构型的产物大于R构型的产物时，%ee为
5.7亲电加成反应中的立体化学
烯烃化合物中C=C上的两个碳原子和其相连的4个原子或基团处于同一平面，C=C上发生亲电加成反应时，亲电试剂可以从平面的两侧接近π键。
当确定加成取向的情况下，假如试剂E—Nu中E和Nu两部分分别加在双键左、右两端碳原子上时，加成方式可能有四种不同情况：
（A）、（B）是试剂E和Nu两部分从双键碳所在平面的同一侧进行加成，我们称之为顺式加成（synaddition）。
（C）和（D）是试剂中的E和Nu分别从平面两侧进行的加成，称为反式加成（antiaddition）。
对于或型烯烃分子，无论采取哪种方式加成，其产物都无构型差异，而对于或型分子，加成方式不同，就会得到不同立体异构产物。
如型烯烃与溴加成，顺式烯烃与溴加成生成一对对映体（外消旋体）。
由于溴负离子从三元环溴鎓离子反面进攻三元环两端的机会均等，因此得到外消旋产物，（Ⅰ）和（Ⅱ）及（Ⅲ）和（Ⅳ）分别为对映体，（Ⅰ）和（Ⅲ）及（Ⅱ）和（Ⅳ）构型相同。
反式烯烃与溴反应得到内消旋体。
从上述反应来看，顺式或反应烯烃与溴的加成，从立体化学上几乎都是采取反式加成，主要得到反式加成产物。
我们把这种某一立体化学占优势的反应称为立体选择性反应（stereoselectivereaction）。
顺式烯烃与溴加成得到外消旋体，而反式烯烃与溴反应得到内消旋体。
这种从不同立体异构体的反应物得到构型不同的产物的反应，属于立体专一性反应（sterospeeificreaction），应当指出的是，所有的立体专一性反应都是立体选择反应，但立体选择反应就不一定是立体专一性的。
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