8第八章立体化学 4xueshi文档格式.docx

1、指出，对映异构现象是由于分子中的原子在空间的不同排列所引起的。Pasteur的这些观点，为对映异构现象的研究奠定了理论基础。 1874年随着碳原子四面体学说的提出，Vant Hoff指出，如果一个碳原子上连有四个不同基团，这四个基团在碳原子周围可以有良种不同的排列形式，即两种不同的四面体空间构型。它们互为镜像，和左右手之间的关系一样，外形相似但不能重合。 不对称碳原子：这种与四个不同的原子或原子团相连的碳原子称为不对称碳原子。通常用“*”号标出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：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。对映异构体之

2、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。例如，丁二烯水合得到两种2-丁醇在空间的排列上，可以看出他们是不相同的。可见，这两个异构体是互相对映的，互为物体与镜像关系，故称为对映异构体。对映异构体中，一个使偏振光向右旋转，另一个使偏振光向左旋转，所以对映异构体又称为旋光异构。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。8.1 手性和对称因素8.1.1手性和对称因素1 手性 （以乳酸CH3C*HOHCOOH为例来讨论）乳酸有两种不同构型（空间排列）

3、特征： （1）、不能完全重叠， （2）、呈物体与镜象关系（左右手关系）。物质分子互为实物和镜象关系（象左手和右手一样）彼此不能完全重叠的特征，称为分子的手性。（chirality）具有手性（不能与自身的镜象重叠）的分子叫做手性分子。（chiral molecules）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。凡是含有一个手性碳原子的有机化合物分子都具有手性，是手性分子。 物质具有手性就有旋光性和对映异构现象，那么，物质具有怎样的分子结构才与镜象不能重合，具有手性呢？ 要判断某一物质分子是否具有手性，必须研究分子的对称性质，下面介绍分子中常见的几种对称因素：对称面（）、

4、对称中心（i）、对称轴（Cn）、更替对称轴（Sn）。 凡物质分子在结构上不具有对称面、对称中心或四重更替对称轴，这个物质就具有手性，它和镜象互为对映异构，具有旋光性。1.对称面（）： 假如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象，这个平面就是分子的对称面（）。如： 分子中有对称面，它和它的镜象就能够重合，分子就没有手性，是非手性分子（Achiral molecule），因而它没有对映异构体和旋光性。2.对称中心（i） 若分子中有一点P，通过P点画任何直线，两端有相同的原子，则点P称为分子的对称中心（用i表示）。 具有对称中心的化合物和它的镜象是能重合的，因此它不具有手性。

5、3.对称轴（Cn） 如果穿过分子画一直线，分子以它为轴，旋转一定角度后，可以获得与原来分子相同的形象，此直线即为对称轴（Cn表示）。 当分子沿轴旋转360/n，得到的构型与原来的分子相重合，这个轴即为该分子的n重对称轴。 因此，有无对称轴不能作为判断分子有无手性的标准。4.更替对称轴（Sn） 如果一个分子沿一根轴旋转了360/n的角度以后，再用一面垂直于该轴的镜象将分子反射，所得的镜象如能与原物重合，此轴即为该分子的n重更替对称轴（用Sn表示）。 如果旋转的角度为90（360/4），就称为四重更替对称轴（S4）。 具有四重更替对称轴。具有四重更替对称轴的化合物和镜象能够重叠，因此不具旋光性。

6、在一般情况下，四重更替对称轴往往和对称面或对称中心是同时存在的。上述化合物就同时存在两个对称面，而且在化合物分子中只具有四重更替对称轴的是极少量的。因此要判断一个化合物的分子有没有手性，一般只要考虑它有没有对称面和对称中心就可以了。有对称中心的分子没有手性。物质分子在结构上具有对称面或对称中心的，就无手性，因而没有旋光性。物质分子在结构上即无对称面，也无对称中心的，就具有手性，因而有旋光性。8.2物质的旋光性与比旋光度8.2.1平面偏振光和物质的旋光性1平面偏振光光波是一种电磁波，它的振动方向与前进方向垂直。在光前进的方向上放一个（Nicol）棱晶或人造偏振片，只允许与棱晶晶轴互相平行的平面上

7、振动的光线透过棱晶，而在其它平面上振动的光线则被挡住。这种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物质的旋光性能使平面偏振光振动平面旋转的物质称为物质的旋光性，具有旋光性的物质称为旋光性物质（也称为光活性物质）。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，使偏振光振动平面旋转的角度称为旋光度，用表示。8.2.2旋光仪与比旋光度1 旋光仪测定化合物的旋光度是用旋光仪，旋光仪主要部分是有两个尼可尔棱晶（起偏棱晶和检偏棱晶），一个盛液管和一个刻度盘组织装而成。其测定原理见P120 若盛液管中为旋光性物质，当偏光透过该物质时会使偏光向左或右旋转

8、一定的角度，如要使旋转一定的角度后的偏光能透过检偏镜光栅，则必须将检偏镜旋转一定的角度，目镜处视野才明亮，测其旋转的角度即为该物质的旋光度。如下图所示2 比旋光度旋光性物质的旋光度的大小决定于该物质的分子结构，并与测定时溶液的浓度、盛液的长度、测定温度、所用光源波长等因素有关。为了比较各种不同旋光性物质的旋光度的大小，一般用比旋光度来表示。比旋光度与从旋光仪中读到的旋光度关系如下。当物质溶液的浓度为1g/ml，盛液管的长度为1分米时，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），=589.3nm,所测得的旋光度

9、记为 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： = +3.79 （乙醇，5%）。上面公式即可用来计算物质的比旋光度，也可用以测定物质的浓度或鉴定物质的纯度。具体实例见P121-122。8.2.3产生旋光性的原因 我们知道光是一种电磁波，平面偏振光也是电磁波，它可以看作是由两种圆偏振光合并组成的。它们都围绕着光前进方向的轴呈螺旋形向前传播，其中一种圆偏振光呈右螺旋行，称为右旋圆偏光，而另一种呈左螺旋形称为左旋圆偏光。 这两种光互为不能重叠的镜象关系。 当偏光经过一个对称的区域时，这两种圆偏光受到分子的阻碍相等，所以它

10、们以相同的速度经过这个区域，因此，合成光仍保持原来偏光的振动平面，不表现出旋光性。 一般规定若先沿OE方向传播，从E点向O点看过去，螺旋前进是顺时针时，称为右圆偏振光；反之，为左圆偏振光。 倘若偏光遇到的是手性分子手性分子在左、右圆偏振光中的折射率不同则左、右圆偏振光通过手性分子的速度不同，因而由它们叠加产生的平面偏振光的振动方向也会改变。 平面偏振光通过光学活性介质产生的旋光。 由上述讨论可知，旋光产生的根本原因是因为入射光的左、右圆偏振光在手性介质中的传播速度不同。（化学通报，1984年 第6期 p29-30）。 如：右旋圆偏光对右旋乳酸的折射率为1.10011，而左旋圆偏光对右旋乳酸的折

11、射率为1.100178.3含一个手性碳原子化合物的对映异构8.3.1对映体1对映体互为物体与镜象关系的立体异构体。含有一个手性碳原子的化合物一定是手性分子，含有两种不同的构型，是互为物体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。2对映体之间的异同点（1）、物理性质和化学性质一般都相同，比旋光度的数值相等，仅旋光方向相反P128。（2）、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。8.3.2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（）来表示。

12、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8.4对映体构型的表示方法1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（EFischer）投影式表示， （1）、立体结构式 （2）、Fischer投影式 为了便于书写和进行比较，对映体的构型常用费歇尔投影式表示： 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，

13、编号最小的碳原子写在竖线上端。 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。 2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 （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：8.4.3 构型的标记R、S命名规则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

14、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）。实例：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

15、，然后注明各标记的是哪一个手性碳原子。 次序规则1.如果连在手征性中心的四个原子都是不相同的，先后次序取决于原子序数，原子序数较大的原子优先，如果两个原子是同一元素的同位素，则质量数较高的原子优先。 次序规则2.如果两个基团的相对次序不能由规则1.决定，可用类似的方法比较基团中第二个原子（如有必要，可以从手征性中心再逐步向外推）就是说，如果两个连在手征性中心的原子相同时，我们就比较在这两个原子上的下一个原子。 在-CH3中第二个原子是H，H，H，C2H5中，第二个原子是C，H，H由于碳原子序数比氢大，因此C2H5较-CH3优先。 Cl-CH2Cl-CH（CH3）2H 为S构型 -CH2Cl的C

16、l,H,H优先于异丙基的C，C，H。氯原子序数大于碳，一方虽有两个碳原子而另一方只有一个氯原子，但这是不重要的，（一个大的原子序数比二个或三个小的原子序数更重要），取决于原子序数大的，只要第二原子原子序数大，则次序优先，依次类推。 次序规则3. 如果原子团含有双键或叁键时，则当作两个或叁个单键看待，可以认为连有两个或三个相同原子。3.根据Fischer投影式，确定R或S构型 （若让判断n个构型式，其手性原子所连四个基团相同时，则先判断其R、S构型，若构型相同为同一化合物。）8.5含两个手性碳原子化合物的对映异构从上面的讨论已知，含一个手性碳原子的化合物有一对对映体，那么含有两个手性碳原子的化合

17、物有多少个对映异构体呢？8.5.1含两个不同手性碳原子的化合物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。我们以氯代苹果酸为例来讨论1 对映异构体的数目其Fischer投影式如下：含n个不同手性碳原子的化合物，对映体的数目有2 n个，外消旋体的数目2 n-1个。2 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： 物理性质不同（熔点、沸点、溶解度等）。 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。8.5.2含两个相同手性碳原子的化合物酒石酸、2，3-二氯丁烷等分子中含有两个相同

18、的手性碳原子。同上讨论，酒石酸也可以写出四种对映异构体（3）、（4）为同一物质，因将（3）在纸平面旋转180即为（4）。因此，含两个相同手性碳原子的化合物只有三个立体异构体，少于2 n个，外消旋体数目也少于2 n-1个。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。酒石酸的三种异构体和外消旋体的物理常数见P133表6-3。从内消旋酒石酸可以看出，含个手性碳原子的化合物，分子不一定是手性的。故不能说含手性碳原子的分子一定有手性。 68 外消旋体的拆分 P140141 （自学）多旋光物质是从自然界生物体中获得的。如在实验室中用非

19、旋光物质合成旋光物质（除了用特殊方法-不对称合成Asymmetric synthesis 以外）常得到的多是外消旋体，即左旋体和右旋体各50%的混合物，因此，要获得旋光纯的异构体需要经过拆分（Resolution）。由于对映体的一般物理性质和化学性质都相同（除对旋光性试剂作用外）。因此它们的混合物很难用一般的方法来拆分。 最早拆分外消旋体的方法是根据晶体的不同在显微镜下慢慢地用镊子挑选，这个方法非但麻烦，而且亦不能用于液态的化合物，所以被淘汰。 后来人们还用过以微生物或酶来破坏外消旋体中的一种对映异构体而达到提纯的目的。但这种方法也不理想。第一，至少要损失一半原料；第二，要加入培养微生物或酶的

20、原料使尔后的纯化困难，所以也不大使用了。 目前最常用的方法是通过光与一个有旋光性的拆分剂作用，生成非对映异构体，然后利用非对映异构体物理性质上的不同（特别是沸点和溶解度的不同），而将两个非对映异构体分开（通过分馏或分步结晶），最后除去拆分剂恢复到纯粹的左旋体和右旋体。 如果外消旋体是碱，则可用旋光性酸如（+）酒石酸，樟脑磺酸等使它变成盐，然后用分步结晶法将它们分开。 随着分离技术的进展，近来发现外消旋体可以用播种结晶法和层析法来拆分，前者是利用溶液中对映异构体之间的晶间力不同而达到拆分。后者是利用对映异构体吸附能力的不同而进行分离。（徐积功 p101-102）* 尤田耙 编著 手性化合物的现代

21、研究方法 中国科技大学出版社（1993） 工业上有些产品用晶种的方法拆分，这是最经济的方法。这个方法是当一个溶液含有稍微过量的一对对映体之一，它就先沉淀出来，而且沉淀出来的量为过量的一倍多。过滤后，滤液就含有过量的另一个对映体，升温加入DL外消旋体，冷却时，另一对映体就会沉淀出来。通过这种方法，只是第一次加入一个光活对映体，就能交替地把外消旋体分为左、右旋体。 例如，100克的DL氯霉素碱和1克的D碱在80C时溶于100毫升水中，冷却到20C，沉淀出1.9克的D碱，过滤后，再加入2克的DL碱到滤液中，加热到80C，冷却后，2.1克的L碱就沉淀出来了。 利用具有光活性的吸附剂，有时用柱层析的方法

22、，也可以把一对光活对映体拆分。一对光活对映体和一个光活吸附剂形成两个非对映的吸附物，它们的稳定性不同，也就是说，它们被吸附剂吸附的强弱不同，从而就可以分别地把它们冲洗出。如，光活性的D-乳糖作为吸附剂拆分特勒格碱。（邢其毅 上册 p263-264） 用生化的方法有时也可以拆分外消旋体。有机体的酶对它的底物具有非常严格的空间专一反应性能。 合成的DL丙氨酸经乙酰化后，通过一个由猪肾内取得的一个酶，水解L型丙氨酸的乙酰化物的速度要比D型的快得多。因此就可以把DL乙酰化物变为L-（+）-丙氨酸和D-（-）-乙酰丙氨酸，由于二者在乙醇中的溶解度区别很大，可以很容易地分开。 p264） 经过拆分后得到某

23、一旋光体的纯度，一般可用对映体过量酚率（%e.e 即percent enantiomeric excess）来计算。 8.7手性合成（自学）不对称合成 有机合成是对有机化学家创造能力的一种检验。近来，各种天然产物的复杂结构（多至数十个手性中心）和各种有理论意义化合物的特殊结构都向有机合成化学家提出了新的挑战。对于有机合成，除了在反应条件上要求尽量温和外，在选择性上也要求有化学选择性，区域选择性，立体选择性及对应选择性。特别是对映选择性，是人们努力奋斗的热点。可以说对映选择性的有机合成是对有机化学家创造能力的最好检验。实现对映选择性的合成，也就是手性合成，不对称合成问题。不对称合成是指在一个反应

24、中使非手性的分子转变为手性分子，在产生的手性分子中，对映异构体的含量是不等量的。一般来说，实现不对称合成的途径有五个：手性底物的诱导 通过底物原有手性的诱导，在产物中形成新的手性中心。很多天然产物的立体控制的全合成，往往选择一个手性的原料出发。青蒿素的全合成就是从手性的香茅醛或是手性的异胡薄荷醇开始的。目前常选用的手性起始物有萜类，氨基酸，糖类等。手性辅助的诱导 在合成的某一个阶段，引入一个手性辅助物，形成局部的诱导，产生一个新的手性中心。如利用手性醇来生成酯或是缩醛、酮，或是利用手性的胺来生成酰胺。这种手性辅助物往往要在反应后除去。手性试剂的控制 手性催化剂的控制 手性环境的影响 手性环境包

25、括溶剂，相转移催化剂等。以上各种途径都是利用底物或辅助物的手性，试剂或催化剂的手性。与反应物结合时，形成非对映异构的过渡态。于是对不同面的进攻产生差异，从而产生了反应的对映选择性。对映体过量百分数（%e.e.） 即enantiomeric excess % %e.e=（R-S） / （R+S）100%=%R-%S %e.e越高，说明产物光学纯度越高，不对称合成选择性越好。例铑催化的不对称氢化反应 这是美国孟山都公司用以制取治疗帕金森综合的特效药物LDopa的方法。例钛催化的不对称环氧化反应 这是Baker公司用以制备千毒蛾性引发剂的方法。1980年这种性引发剂每克售价高达一千英镑。而采用不对称

26、合成法后，价格降至每克一百英镑。千毒蛾性引发剂（dispalure）的结构式为：林国强等从C11端开始利用sharpless不对称环氧化，同时进行了动力学拆分，而后直接利用铜锂试剂进行开环：这个方法使用于烯丙醇衍生物，用的试剂是叔丁基过氧化氢，四异丙氧基钛和酒石酸酯。这里的酒石酸酯是手性的来源。用天然的L（）酒石酸酯和非天然的D（）酒石酸酯所得的环氧化物的构型是相反的。该法所用的试剂都是简单易得的，反应产率一般在80%左右，所得的e.e.值往往大于90。这个方法可以同时引入两个手性中心。加上环氧环在开环以后可能有多种变化，因而，引起人们很大的重视，并在很多天然产物的合成中得到应用。这种方法只限于烯丙醇类的衍生物，对于一些没有相邻的羟甲基的烯烃化合物，e.e.值是不高的。参考书：黄耀曾，钱延龙金属有机化学进展化学工业出版社（1987） P28（戴立信） 8.8 环状化合物的立体异构 （自学） 环状化合物的立体异构现象比链状化合物复杂，往往顺、反异构和对映异构同时存在。1,2-环丙烷二甲酸反-1，2-环己二甲酸