有机化学中的同分异构现象Word文档格式.docx
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比如乙烷中的两个甲基可以相互旋转，可以使甲基上的氢原子处在不同的空间，理论上可以出现无数个构象异构体，但我们一般只对最稳定的构象和最不稳定的构象感兴趣，这两种构象分别是交叉式和重叠式构象。
它们用锯架式表示如下：
交叉式重叠式
有时为了更加清楚地表示出原子和原子团之间交叉和重叠的情况，常用（Newman）投影式来表示：
在纽曼投影式中，旋转的C—C单键垂直于纸平面，用三个碳氢键的交叉点表示在纸平面上面的碳原子，用圆圈表示在纸平面下面的碳原子，连接在碳上的氢原子随着C—C单键的旋转可以处于不同位置。
当处于交叉式时，两个碳原子上的氢原子间的排斥力最小，因而能量最低，是乙烷的最稳定的构象。
当处于重叠式时，两个碳原子上的氢原子的相互间的排斥作用最大，因而能量最高，是乙烷的最不稳定的构象形式。
其它形式的构象的能量都介于这二者之间。
如图7.1所示。
图7.1乙烷不同构象能量大小图
乙烷从交叉式构象旋转到重叠式构象，能量相差约为11.7KJ/mol,这个位能差或者势垒是很小的，所以乙烷的构象之间很容易转化，一般分离不出纯的构象异构体。
但从构象异构体的位能可以知道，最稳定的构象所占比例最大，最不稳定的构象所占比例最小，因此在乙烷中，交叉式构象出现的几率最多，所占比例最大，为优势构象。
丁烷比乙烷多两个C－C单键，其构象异构体更多，更复杂。
从丁烷中间的C－C键旋转看，相当于乙烷的每个碳上的氢被一个甲基取代，具有如下四种典型的构象异构体。
图7.2丁烷不同构象能量大小图
从图7.2可知，全重叠式的两个甲基之间距离最小，范德华斥力最大，位能最高。
旋转180o后，成为反交叉式，两个体积大的甲基相距最远，空间排斥力最小，位能达到最低，比全重叠式要低18.8KJ/mol。
在常温下，丁烷主要以反交叉式（63％）和顺交叉式（37％）构象存在，其它构象所占比例极小。
尽管丁烷的构象异构体之间比乙烷构象异构体之间的位能差要大一些，但在常温下单键的旋转仍然是很快的，不能分离出纯的构象异构体。
但如果单键旋转的阻力很大，则可以分离出纯的构象异构体。
例如，-联二萘酚具有对映异构体。
构象异构对化合物的性能影响很大，如蛋白质的三级结构实际上是一个构象异构，如果破坏了三级结构，蛋白质的活性就会改变甚至消失。
7.2.2几何异构
几何异构是指原子或者原子团在空间的取向不同，但这种不同的空间取向不是由于单键的旋转而是分子的刚性造成的，因此如果没有键的断裂，几何异构体之间是不能相互转换的。
这种分子的原子或者原子团在空间的排列方式叫做构型。
几何异构主要包括烯烃的顺反异构以及环状化合物的顺反异构。
一、烯烃的顺反异构
烯烃的双键不能自由旋转，因而会有顺反异构。
如2－丁烯分子，两个甲基可以在双键的同一侧，也可以分别在双键的两侧。
前者叫做顺－2－丁烯，后者叫做反－2－丁烯。
烯烃双键的两个碳原子分别带有一个相同的原子或者原子团时都会有顺反异构。
二、环状化合物的顺反异构。
对于环状化合物，由于取代基可以处于环平面的上下两侧，也会产生顺反异构。
取代基在环平面的同一侧时为顺式，在反侧时为反式。
如1，4－二甲基环己烷就有顺式和反式两种异构体。
7.2.3对映异构
一、手性和对映异构
当一个物体没有对称中心或者没有对称平面的时候，物体与它的镜像就不能重合，就象人的左手和右手一样，非常相似，但不能重叠，物体的这种性质称为物体的手性。
许多有机分子，由于原子或者原子团在空间具有一定的取向，也会出现分子与它的镜像不能重叠的情况，这种现象就称为分子的手性，这种分子称为手性分子。
很显然，一个手性分子至少有两种构型异构体，一个是实物，一个是映在镜子里的镜像，它们互为对映异构体，简称对映体。
这种由于分子和它的镜像不能重叠而产生的构型异构叫做对映异构。
如乳酸分子的两种对映体如下：
对映异构体在宏观性能上表现出的最大差别是生理活性不一样以及旋光性不同，其它一般性能如沸点、熔点、溶解度、极性甚至反应活性都是相同的。
由于旋光性是容易测定的，因此，测定旋光性是研究对映异构体最重要和最早的方法，因此对映异构也叫旋光异构，对映异构体也叫光学异构体。
二、旋光性
普通白光是由不同波长组成的电磁波，光波的振动方向与其前进方向互相垂直。
单色光，如从钠光灯发射出来的黄光，则具有单一的波长（λ＝589nm），但仍在与其前进方向互相垂直振动。
若使普通光通过尼科尔（Nicol）棱镜，则只有振动方向和棱镜的晶轴平行的光线才能通过。
这种只在一个平面上振动的光叫做平面偏振光，简称偏振光。
偏振光振动所在的平面叫做偏振面。
当在两个平行放置的尼科尔棱镜之间放置某些液体或溶液，如葡萄糖溶液，发现从一个尼科尔棱镜产生的偏振光不可以通过另一个尼科尔棱镜，必须将尼科尔棱镜旋转一定的角度才能使偏振光完全看到。
这就说明这些溶液使偏振光的偏振面发生了偏转，溶液的这种使偏振光发生偏转的性质叫旋光性，也叫具有光学活性，旋转的角度叫做旋光度。
如果使偏振光向右偏转，用（＋）标记，如果向左偏转，用（－）标记记，如图7.3所示。
普通光尼科尔棱镜样品管尼科尔棱镜
图7.3旋光仪的工作原理
1848年巴斯德借助显微镜用镊子将外消旋的酒石酸钠铵晶体分离成两个对映体，一个将偏振光朝左旋
，一个将偏振光朝右旋，因此他提出分子有旋光性即有光学活性的性质是由分子的不对称性引起的，左旋和右旋的酒石酸盐为实物和镜影的关系，相互不能重叠。
但直到1874年，年轻的物理化学家范霍夫和勒贝尔才分别独立地发表论文提出碳的四面体理论，分子的旋光性是由不对称碳原子造成的，并进一步预言，某些分子如丙二烯衍生物即使没有不对称碳原子，也应该有旋光异构体存在，这个预言在六十年以后为实验所证实。
因此，正是因为研究旋光性，才产生了立体化学。
三、比旋光度
旋光度的大小和管内所放物质的浓度，温度，旋光管的长短及溶剂的性质有关。
为了便于比较，一般用比旋光度[α]表示物质的旋光能力大小和旋光方向。
αλt为测定的旋光度；
L为管长，以分米（dm）为单位；
C为浓度，以克／毫升（g/ml）为单位，如果为纯的液体则浓度改换成比重（克／厘米3）。
由于两个对映体的旋光度大小相等但方向相反，将两个对映体等量混合所得到的溶液，其旋光能力相互抵消，没有旋光性，这种混合物叫做外消旋体。
一些纯的对映异构体在酸碱、高温等条件下甚至在放置一段时间后，会转化为另外一个对映体，当两个对映体的量相等时，其旋光性也会消失，这种现象叫做外消旋化。
对映体容易发生外消旋化会影响对映体的旋光性和纯度，但若能将没用的对映体转化为另一个有用的对映体，在合成上是有应用价值的。
四、分子的对称性与手性
只有手性分子才能分离出纯的对映体而显示光学活性，如何判断一个化合物是否具有手性，最好的办法是判断化合物分子是否具有对称性，如果一个分子没有对称面或者对称中心，这个分子与它的镜像不能重叠，分子具有手性。
这里分几种情况进行讨论。
（1）具有一个不对称碳原子的手性分子
当分子中的一个碳原子连接四个不同的原子或者原子团时，这个分子是不对称的，具有手性，这个碳原子叫做不对称碳原子，也叫做手性碳原子。
如下图所示的α-丙氨酸即为手性分子，α碳上有四个不同的取代基，分子与其镜像不能重叠，有两个对映体。
左边的对映体即为天然的L-丙氨酸。
如果碳原子上有两个相同的原子或者原子团，则分子有一个对称面，不具有手性。
丙酸具有一个由H-C-H组成的对称面，因此没有手性。
（2）具有两个或两个以上不对称碳原子的手性分子
当分子含有两个以及两个以上的不对称碳原子时，对映体的数目会急剧增加，情况变得复杂。
如果一个分子内两个不对称碳原子是不相同的，即两个不对称碳原子上所连接的四个取代基不完全一样，这个分子会有四种不同的立体构型，即存在四种旋光异构体。
例如，3－氯－2－丁醇，有两个不同的不对称碳原子，可以形成下述四个旋光异构体，它们的对映和非对映关系可图示如下：
从上面推断旋光异构体的方法中可以知道，如果分子中有n个不相同的不对称碳原子，则会有2n个旋光异构体。
其中对映体总是成对出现，非对映体会有很多。
如果一个分子具有两个相同的不对称碳原子，旋光异构体的数目和性质会与上述的不一样。
例如，酒石酸只有三个立体异构体，分别为D-酒石酸、L-酒石酸和内消旋酒石酸。
内消旋酒石酸虽然有不对称碳原子，但分子内有一个对称平面，因而没有手性和旋光性。
内消旋体用meso标记。
D-（-）-酒石酸L-（+）-酒石酸meso-酒石酸
L-（+）-酒石酸为天然产物，D-（-）-酒石酸是人工合成的，它们两个互为对映体，有相同的熔点（170oC）,在120毫升水中都能溶解139克，酸性强度也相同，比旋光度大小相同，方向相反。
meso-酒石酸与D或者L－酒石酸性能完全不同，与D和L的外消旋体也不相同，虽然内消旋体和外消旋体都没有旋光性。
内消旋体是一个单一分子，由于分子内有一个对称平面而没有旋光性；
而
外消旋体是两个对映体的等量混合物，可以再分离为两个对映体相反的化合物。
从理论上讲，凡含有两个相同的不对称碳原子的化合物都有三种立体异构体，一对对映体和一个内消旋体。
（3）没有不对称碳原子的手性分子
分子含有不对称碳原子是判断分子是否具有手性的一个重要条件，但不是充分和必要条件。
分子含有不对称碳原子可能没有手性，如内消旋体；
分子没有不对称碳原子也可以具有手性，只要整个分子是不对称的。
（a）联苯型的化合物
很多具有构象异构体的分子应该具有手性，因为当单键旋转到一定角度的时候，分子就会呈现不对称性。
但由于很多分子单键旋转的能垒很低，构象异构体之间相互转化很快，各个手性构象呈现出的手性性能相互抵消，最终不能表现出手性。
但当单键旋转的能垒很大，不对称的构象异构体能够分离出来时，分子就是手性分子。
其中联苯型化合物就是典型的例子。
例如，6,6’-二硝基-2,2’-联苯二甲酸在连接两个苯的单键旋转时，由于两个苯环上的邻位取代基互相靠得很近，立体位阻很大，导致单键旋转受阻，使得两个苯环不在一个平面上，分子具有手性。
这两个对映体已经拆分得到。
6,6’-二硝基-2,2’-联苯二甲酸
另一个单键旋转受阻的重要实例是1,1’-联二-（2-萘酚）。
它的两个对映体在对映异构体的不对称合成中是非常有名的，常被用作催化剂的手性配体，得到的选择性很高。
（b）丙二烯型的手性分子
在丙二烯分子中，两个累积双键是相互垂直的。
如果在两边的碳原子上有取代基，两个碳原子上的取代基也是相互垂直的。
如果两个碳原子上分别连接不同的取代基，则分子将没有对称性而具有手性，可拆分出两个对映体。
人工合成的丙二烯衍生物1,3-二苯基-1,3-二（1’－萘基）丙二烯的两个对映体已经拆分得到。
（c）其它的手性分子
氮、磷以及硫等原子连接四个不同的取代基时，分子没有对称面或者对称中心，也具有手性。
叔胺有三个不同取代基时，氮的孤对电子占据锥形的顶点，分子是不对称的，也应该能够得到旋光异构体，但由于氮的孤对电子位阻较小，构型之间很易翻转相互转化，不能得到对映体。
但叔膦、亚砜和季铵盐化合物都可能存在对映体。
例如：
当一个分子的骨架上有不同的取代基时，也会造成分子的不对称而具有手性。
如在杯芳烃的下端连接的取代基后，可以分离出杯芳烃的对映体。
7.2.4立体异构体的命名法
一、顺反异构
1）环状化合物
当原子或者基团在环的同一面为顺式，在相反的面为反式。
2）烯烃
当烯烃的双键上两个碳原子分别连接相同的的原子或者原子团时，可以用顺/反标记的方法来命名。
两个相同的原子或者基团在同一侧为顺式，在不同侧为反式。
当两个双键碳原子上没有共同的原子或原子团时，不再适合用顺/反标记法表示构型，而采用Z/E法标记。
二、Z/E构型标记法
Z/E构型标记法是根据原子或者原子团的顺序大小来命名的。
根据系统命名法，顺反异构体的构型分别用Z（德文Zugammen，同侧）和E（德文Entgegen，异侧）来表示。
如果两个最大的原子或者基团处于同一侧，为Z式；
处于反侧，则为E式。
原子或者原子团的大小次序规则如下：
（1）在原子团或者取代基中，与分子骨架直接相连的原子按原子序数或者原子量大小排列，原子序数或者原子量大的优先。
常见元素的原子的大小次序排列如下：
Br>
Cl>
S>
P>
Si>
F>
O>
N>
C>
B>
Li>
T>
D>
H
（2）如果取代基中与分子骨架直接相连的原子大小顺序相同时，应用外推法顺次比较第二第三个原子的大小顺序，直到能够确定较优的基团为止。
例如；
（CH3）3C－〉（CH3）2CH－〉CH3CH2－〉CH3－
（3）确定不饱和基团的大小次序时，应把不饱和键的成键原子看作是以单键分别和相同的原于相连接。
例如，C=C键可以看成一个碳原子分别以单键与两个碳原子相连接，一个羰基可以看成一个碳原子分别以单键与两个氧原子相连接：
要决定烯烃是Z构型还是E构型时，只要将双健碳原子上的取代基按大小次序规则排列，较大基团在同一侧的为Z式，在相反侧的为E式。
假如a>
b,c>
d,则有如下的一般Z/E构型式。
Z式E式
下面为两个实例：
Z-2-甲基-1-氯-1-溴-1-丁烯E-2-甲基-1-氯-1-溴-1-丁烯
（2E,4Z）-3-乙基-2,4-己二烯（2Z,4E）-3-乙基-2,4-己二烯
三、D/L相对构型标记法
在上世纪初光学异构体的绝对构型通常是不清楚的。
为了确定其它手性分子的相对构型，费歇尔（E.Fisher）选择D-甘油醛作为构型联系的标准物。
把D-甘油醛所具有的立体结构，即与不对称碳原子相结合的氢原子处在费歇尔投影式左边，编号最小的原子处在顶端，这样一种结构称为D-构型，其对映体为L-构型。
D-（+）-甘油醛L-（-）-甘油醛
其它旋光化合物的构型以甘油醛为标准比较得到。
凡是由D-甘油醛通过化学反应得到的化合物或可转变为D-甘油醛的化合物，只要在转变过程中原来的手性碳原子构型不变，其构型即为D型。
同样，与L-甘油醛相关的即为L型。
从上述转化中可以看到，D型或者L型与化合物旋光方向没有对应关系，D型化合物旋光度可以是正值或负值。
后来通过用X射线衍射法测得右旋酒石酸铷钠的绝对构型，证明费歇尔选择的D-甘油醛的构型为真实的绝对构型，其它化合物以甘油醛为标准确定的构型也就是实际构型，不需要再改变。
四、R/S绝对构型标记法
D/L构型标记法只适合标记与甘油醛结构类似的化合物，而像糖类、氨基酸类及其它没有类似结构或者结构复杂的化合物，是很难用D/L构型标记的。
实际上，用这种D/L构型标记也不便于记忆和书写化合物的立体结构。
因此，另外一种更加方便的命名方法，即R/S标记法，已被广泛采用。
R/S命名法是将手性碳原子上四个不同的取代基中最小的基团放在离观察者最远的地方，其它三个基团按照从大到小的顺序数下去，如果为顺时针方向，则为R构型；
如果为反时针方向，则为S构型，如图7.4所示（其中取代基a>
b>
c>
d）。
图7.4确定R/S构型的方法
在书写立体构型时，既可用透视式表示，如图7－5所示的方法，这样的书写比较直观，也可用费歇尔投影式表示。
费歇尔投影式是将分子的四面体棍球模型按一定规则在纸面上投影。
其投影规则是：
手性碳原子为投影中心并位于纸平面上，以横线相连的两个原子或原子团在纸平面的前方，以竖线相连的两个原子或原子团在纸平面的后方，横坚两线的交点代表手性碳原子，这种书写简便快捷。
具体如下所示：
从书写这些结构可知，如果任意调换两个原子或者原子团的位置，则分子的构型改变。
命名含有多个手性碳原子的化合物时，应将每个手性碳原子的构型依次标出，并把手性碳原子的编号和构型符号一起放在化合物名称前的括号内。
例如用R/S命名D-和L-酒石酸：
D-（-）-酒石酸L-（+）-酒石酸
（2S,3S）-2，3-二羟基丁二酸（2R,3R）-2，3-二羟基丁二酸
7.2.5立体异构体的性质
一、物理性质
两个对映体的一般物理性质相同，如溶解度、熔点、沸点、折光率、极性等是相同的，所以不能用这些性质区分一对对映体，也不能用相应的分离方法将一对对映体分离。
但在手性条件下，如偏振光照射下旋光方向相反，在旋光性的溶剂中物理性质会不同。
非对映异构体虽然分子量相同，但不是实物和镜像的关系，因此非对映体的物理性质完全不同，可以用重结晶、蒸馏、柱层析等物理方法将两个非对映体分离开，也可以用这些物理方法对它们进行分析。
外消旋体是两个对映体等量的混合物，没有旋光性，其它物理性质也与对映体的不同。
内消旋体是单一化合物，不是手性分子，没有旋光性，其物理性质与对映体、非对映异构体及外消旋体都不同。
二、化学性质
在手性条件下，例如使用手性试剂，或者在偏振光的照射下，两个对映体的化学性质可以表现出差异。
在一般的非手性条件下，两个对映体的化学性质完全相同。
三、生物活性
在生命体内，两个对映体往往表现出不同的生理性能，最著名的例子是在上世纪六十年代德国一家制药公司开发的一种治疗孕妇早期不适的药物——酞胺哌啶酮（thalidomide），商品名叫反应停，其中R-构型对映异构体是强力镇定剂，S-构型对映异构体是强烈的致畸剂，但由于当时对此缺少认识，将反应停以外消旋混合物出售，虽然药效很好，但很多服用了反应停的孕妇生出的婴儿是四肢残缺，引起了轩然大波。
此外，许多其它对映异构体的生物或者生理性能也是相差很大的，如表7.1所示。
S-thalidomider反应停,致畸R-thalidomider反应停,镇定
表7.1手性分子不同异构体不同的生理或者生物性能
名称
结构
一种对映异构体性能
另一种对映异构体性能
Dopa
（S）-异构体,治疗珀金森病
（R）-异构体,严重付作用
Ketamine
（S）-异构体,麻醉剂
（R）-异构体,致幻剂
Penicillamine
（S）-异构体,治疗关节炎
（R）-异构体,突变剂
Ethambutol
（S）-异构体,治结核病
（R）-异构体,致盲
Asparagine
（S）-异构体,苦的
（R）-异构体,甜的
Propoxyphene
（S）-异构体,止痛
（R）-异构体,止咳
Timolol
（S）-异构体,肾上腺素阻断剂
（R）-异构体,无效
Propranolol
（S）-异构体,β-受体阻断剂，治疗心脏病
（R）-异构体,作为β-受体阻断剂，只有（S）-异构体的约1%疗效。
Naproxen
（S）-异构体,抗炎药
（R）-异构体,只有（S）-异构体的1/28疗效。
Fluazifop-butyl
（S）-异构体,除草剂
Asana
一个异构体是强力杀虫剂
另三个异构体对植物有毒
对映体之所以表现出不同的生物活性，是因为生命体是一个手性的环境。
在生命的产生和演变过程中，自然界往往偏爱于某种对映体。
例如，构成生命的糖为D-型，氨基酸为L-型，蛋白质和DNA的螺旋结构又都是右旋的，因此整个生命体处在高度不对称的环境中。
当某种外消旋体进入生命体后，只有与生命体中不对称受体在空间构型上相匹配的那种对映异构体才能表现出活性，所以不同的构型会产生不同的生物活性和药理作用。
因此，要得到性能可靠的化学物质，就必须制备出具有单一构型的对映异构体。
7.2.6单一对映体的制备方法
在非手性条件下，不能得到单一的对映体。
只有在手性条件下，才能区分和分离对映异构体。
对映异构体的区分也叫手性识别。
一、对映体组成和纯度的测定
合成单一对映体时，必须要测定产物中对映体的组成和纯度。
对映体纯度一般用对映体过量的百分数来表示，记为ee（enantiomerexcess）。
非对映体过量（diastereomerexcess,de）的计算方法同上，只是将对映体转换成非对映体。
1）旋光度的测定
一个纯的对映体具有最大的旋光度绝对值，如果混有另外一个对映体，其旋光度绝对值会减小。
工业上一般通过测定旋光度来判断对映体的纯度，也是最早用于分析对映体纯度的方法，用测旋光度得到的纯度也叫光学纯度。
如果一个手性分子在所使用的波长范围内没有吸收，则它的对映异构体纯度不能通过测定旋光性来判断。
2）核磁共振的测定
NMR一般不能区别两个对映体，但当这两个对映体与其它手性物质或者环境有作用时，这两个对映体实际上成为非对映体，因此可以区别这两个对映体。
常见的方法包括：
（1）使用手性溶剂。
例如，用（-）-α-苯基乙胺作溶剂，2,2,2-三氟-1-苯基乙醇的两个对映体可以用19FNMR谱区别开来。
（2）使用位移试剂。
手性镧系配合物能与很多手性化合物如酰胺，胺，酯，酮和亚砜等含有孤对电子的原子配位，使对映体成为非对映体而能被NMR区别。
除了手性镧系配合物外，一些手性主体化合物也能用作位移试剂。
例如，手性杯芳烃化合物能够有效地区别扁桃体酸的两个对映异构体。
（3）使用手性衍生化试剂。
手性衍生化试剂是一种纯的光学活性试剂，它与被
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