第六章第六章 立体化学立体化学 6.1 异构体的分类异构体的分类6.2手性和对称性手性和对称性6.2.1 分子的手性分子的手性 对映异构对映异构 对映对映(异构异构)体体6.2.2 对称因素对称因素 6.3 手性分子的性质手性分子的性质光学活性光学活性6.3.1 旋光性旋光性6.3.2 旋光仪和比旋光度旋光仪和比旋光度6.4 具有一个手性中心的对映体具有一个手性中心的对映体 分子的构型分子的构型6.4.1 对映体和外消旋体的性质对映体和外消旋体的性质6.4.2 构型的表示法构型的表示法6.4.3 构型的标记法构型的标记法6.5 具有两个手性中心的对映异构具有两个手性中心的对映异构 6.5.1 具有两个不同手性碳原子的对映异构具有两个不同手性碳原子的对映异构6.5.2 具有两个相同手性碳原子的对映异构具有两个相同手性碳原子的对映异构6.6 手性中心的产生手性中心的产生6.6.1 第一个手性中心的产生第一个手性中心的产生6.6.2 第二个手性中心的产生第二个手性中心的产生6.7 手性合成手性合成6.8 外消旋体的拆分外消旋体的拆分 旋光纯度旋光纯度6.9 脂环化合物的立体异构脂环化合物的立体异构6.10 构象对映体和构象非对映体构象对映体和构象非对映体6.11 不含手性中心化合物的对映异构不含手性中心化合物的对映异构6.11.1 丙二烯型化合物丙二烯型化合物6.11.2 联苯型化合物联苯型化合物6.12 对映异构在研究反应机理中的应用对映异构在研究反应机理中的应用6.1 异构体的分类异构体的分类 碳架异构碳架异构官能团位次官能团位次异构异构官能团异构官能团异构互变异构互变异构异构异构 现象现象(isomeri-zation)构造异构构造异构(constitutional isomerization)立体异构立体异构(stereo-isomerization 具有相同的分子具有相同的分子式，原子成键的式，原子成键的顺序不同顺序不同 具有相同的构造，原子或基团在具有相同的构造，原子或基团在空间的排布不同。空间的排布不同。对映异构对映异构构型异构构型异构构象异构构象异构非对映异构非对映异构构型异构体构型异构体(configurational isomers): 分子的构造相同，分子的构型不同分子的构造相同，分子的构型不同例如：顺反异构体例如：顺反异构体 非非对对映异构体。映异构体。构象异构体构象异构体(conformational isomers): 分子的构造相同，由于分子的构造相同，由于CC的旋的旋转，原子或基团在空间转，原子或基团在空间的排布不同。的排布不同。6.2 手性和对称性手性和对称性6.2.1 分子的手性分子的手性 对映异构对映异构 对映对映(异构异构)体体 当一个碳原子与四个不同的原子或基团相连当一个碳原子与四个不同的原子或基团相连时，分子在空间有两种不同的排列方式。例如：时，分子在空间有两种不同的排列方式。例如： 2溴丁烷溴丁烷图图 6.1 2溴丁烷分子模型示意图溴丁烷分子模型示意图 两个分子为实物和镜像的关系：两个分子为实物和镜像的关系： 彼此不能重合，如同人的左、右手一样。彼此不能重合，如同人的左、右手一样。手性分子手性分子(chiral molecules)手性分子具有两种构型。手性分子具有两种构型。不能与自身镜像重合不能与自身镜像重合的分子的分子-不对称分子不对称分子非手性分子非手性分子(achiral molecules)能够与自身镜像重合能够与自身镜像重合的分子的分子-对称分子对称分子手手(征征)性性(chirality) 分子与它的镜像不能分子与它的镜像不能重合的性质重合的性质对映异构体对映异构体(enantiomers)具有相同的分子构造，具有相同的分子构造，构型不同的两个分子，构型不同的两个分子，互为镜像，不能重合。互为镜像，不能重合。1氟氟1氯甲烷为非手性分子氯甲烷为非手性分子图图 6.2 1氟氟1氯甲烷分子模型示意图氯甲烷分子模型示意图 对映体对映体 对映体的特点：对映体的特点： 具有相同的分子构造具有相同的分子构造 两者的关系为：实物与镜像两者的关系为：实物与镜像 不能相互重叠不能相互重叠 物理性质相同，化学性质相似物理性质相同，化学性质相似 手性分子一定有其对映体手性分子一定有其对映体 对映体也称旋光异构体对映体也称旋光异构体2丁醇：丁醇： 镜镜 面面图图6.3 2丁醇的对映异构体丁醇的对映异构体图图6.4 2丁醇对映异构体的比例模型丁醇对映异构体的比例模型6.2.2 对称因素对称因素 (1) 对称面对称面 () 有两种对称面有两种对称面: (a) 一个平面把分子分成两部分，而一部分一个平面把分子分成两部分，而一部分恰好是另一部分的镜像。恰好是另一部分的镜像。例如：例如：2氯丙烷氯丙烷 图图6.5 分子中的对称面的示意图分子中的对称面的示意图 (I)(b) 组成分子的所有原子都在一个平面上组成分子的所有原子都在一个平面上 例如例如: (E)1,2二氯乙烯二氯乙烯图图6.6 分子中的对称面的示意图分子中的对称面的示意图 (II)(2) 对称中心对称中心(i) 任何的直线通过分子的中心，在距中心任何的直线通过分子的中心，在距中心等距离处遇到相同的原子。例如：等距离处遇到相同的原子。例如：反反1,3二氟二氟反反2,4二氯环丁烷二氯环丁烷图图6.7 分子中的对称中心的示意图分子中的对称中心的示意图 任何含有对称面或对称中心的分子任何含有对称面或对称中心的分子 -它们是对称分子它们是对称分子 -非手性分子非手性分子(achiral molecules)； -分子与其镜像能够重合，没有对分子与其镜像能够重合，没有对 映异构体。映异构体。 不含以上两种对称因素的分子不含以上两种对称因素的分子 -不对称分子不对称分子 -手性分子手性分子 -与其镜象不能重合，有一对对与其镜象不能重合，有一对对 映体。映体。 (+)乳酸乳酸 (+)-Lactic acid(-)乳酸乳酸(-)-Lactic acid1,2环氧丙烷环氧丙烷例如：例如： 乳酸有一对对映体乳酸有一对对映体: 当平面偏振光通过手性分子的每个对映体时，偏当平面偏振光通过手性分子的每个对映体时，偏振光振动的方向发生旋转。手性分子的两个对映体振光振动的方向发生旋转。手性分子的两个对映体使偏振光旋转的角度相同，而方向相反。使偏振光旋转的角度相同，而方向相反。6.3 手性分子的性质手性分子的性质光学活性光学活性6.3.1 旋光性旋光性(optical activity) 图图6.8 普通光和平面偏振光示意图普通光和平面偏振光示意图通过通过Nicol 棱镜的光线为平面偏振光。棱镜的光线为平面偏振光。 使偏振光振动平面旋转的物质使偏振光振动平面旋转的物质旋光性物旋光性物质质或或光学活性物光学活性物质质比旋光度比旋光度:= B lt：旋光度；：旋光度； l: 样品管长度样品管长度(dm); B: 质量浓度质量浓度(g/mL); t:温度；温度；：波长：波长, 钠光：钠光：D, 589nm6.3.2 旋光仪和比旋光度旋光仪和比旋光度旋光仪旋光仪(polarimeter): 检测偏振光平面旋转的仪器检测偏振光平面旋转的仪器图图6.9 旋光仪示意图旋光仪示意图()2丁醇丁醇 (+)2丁醇丁醇D = 13.25 D = +13.256.4 具有一个手性中心的对映体具有一个手性中心的对映体6.4.1 对映体和外消旋体的性质对映体和外消旋体的性质手性中心手性中心：不：不对对称称中心中心与四个不同原子或基团相连的碳原子与四个不同原子或基团相连的碳原子含一个手性中心的分子具有一对对映体含一个手性中心的分子具有一对对映体1,2环氧丙烷环氧丙烷 123456柠檬油精柠檬油精()乳酸乳酸2溴丁烷溴丁烷 *外消旋体外消旋体(racemate) ：()2丁醇丁醇 图图 6.10 2丁醇对映体的示意图丁醇对映体的示意图使偏振光反时针旋转的对映体使偏振光反时针旋转的对映体左旋体左旋体()，使偏振光顺时针旋转的对映体使偏振光顺时针旋转的对映体右旋体右旋体()。等量的对映体的混合物等量的对映体的混合物外消旋体外消旋体()例如：例如：2丁醇的两个对映体丁醇的两个对映体()2丁醇丁醇, (+)2丁醇丁醇乳酸乳酸:图图 6.11 乳酸对映体的示意图乳酸对映体的示意图从肌肉中得到从肌肉中得到葡萄糖发酵得到葡萄糖发酵得到()乳酸乳酸 1515D = 3.82 D = + 3.82 mp : 26()乳酸乳酸()乳酸：乳酸：mp : 181氘氯乙烷氘氯乙烷:图图 6.12 1氘氯乙烷对映体的示意图氘氯乙烷对映体的示意图6.4.2 构型的表示法构型的表示法(1) 透视式透视式化合物分子在纸面上的立体表达式。化合物分子在纸面上的立体表达式。(+)2丁醇丁醇 (+)乳酸乳酸 ()乳酸乳酸 (2) Fischer投影式投影式 平面形式平面形式 具有手性碳原子的分子具有手性碳原子的分子 立体模型立体模型规则：规则： 表示表示 用用 将最长的碳链置于垂直的位置上将最长的碳链置于垂直的位置上 将编号最小的碳原子置于顶端将编号最小的碳原子置于顶端 两线的交点为手性碳原子两线的交点为手性碳原子 竖线两端上的基团在纸面的下方；竖线两端上的基团在纸面的下方； 横线两端上的基团在纸面的上方横线两端上的基团在纸面的上方()2丁醇丁醇Fischer 投影式的特性：投影式的特性： 将投影式在纸面上旋转将投影式在纸面上旋转90，得到它的，得到它的 对映体：对映体：(+)2溴丁烷溴丁烷 ()2溴丁烷溴丁烷 旋转旋转 90()2溴丁烷溴丁烷 图图6.13 Fischer 投影式旋转投影式旋转90的分子模型的分子模型 将投影式在纸面上旋转将投影式在纸面上旋转180，得到相同的，得到相同的 分子：分子：图图6.14 Fischer 投影式旋转投影式旋转180的分子模型的分子模型6.4.3 构型的标记法构型的标记法(1) D,L标记法标记法D(+)甘油醛甘油醛 L()甘油醛甘油醛 D(+)甘油醛甘油醛 D()乳酸乳酸 X射线衍射射线衍射 Bijroet J.M. 1951L(+)酒石酸酒石酸 (2) R,S标记法标记法 将手性碳原子的将手性碳原子的4个原子或基团按个原子或基团按 “次序规则次序规则”排列次序排列次序 ()2丁醇丁醇 从次序最小的基团背后看上去从次序最小的基团背后看上去 EtOHHCH3HOHCH3Et(R)2丁醇丁醇 拇指拇指 食指食指 中指中指 其它三个基团由大到小为顺时针方向时其它三个基团由大到小为顺时针方向时 为为R型；反时针时为型；反时针时为S型型(R)2丁醇丁醇 (R)()乳酸乳酸 (R)甘油醛甘油醛 (S)甘油醛甘油醛 6.5 具有两个手性中心的对映异构具有两个手性中心的对映异构 6.5.1 具有具有两个不同手性碳原子两个不同手性碳原子的对映异构的对映异构*(I) (II) (III) (IV)(2S,3S)(2R,3R)(2S,3R)(2R,3S)氯代苹果酸氯代苹果酸 (2羟基羟基3氯丁二酸氯丁二酸) 含有含有n个手性碳原子的分子个手性碳原子的分子 -最多可能有最多可能有 2n 个立体异构体个立体异构体不是实物与不是实物与镜像关系的镜像关系的立体异构体立体异构体(I)(II)(III)(IV)立立体体异异构构体体的的相相互互关关系系 (I)(III)(IV)(II)对映体的关系对映体的关系非对映异构体非对映异构体 (diastereomers:)麻黄碱麻黄碱(1苯基苯基2甲氨基甲氨基1丙醇丙醇) (1S,2R)(1R,2S)(1R,2R)(1S,2S) (I) (II) (III) (IV)mp: 34 118 D：+35 35 26.5 +26.5 12非对映体的标记：非对映体的标记： 在在Fischer投影式中，手性投影式中，手性C上，上，相同的基团相同的基团 同侧同侧赤赤型型(erythro-)异侧异侧苏苏型型(threo-)(赤型赤型)(2R,3R)赤藓糖赤藓糖 苏阿糖苏阿糖 (苏型苏型)(2S,3R)(赤型赤型) (苏型苏型) 图图6.15 赤型分子的模型赤型分子的模型 图图6.16 苏型分子的模型苏型分子的模型 6.5.2 具有两个相同手性碳原子的对映异构具有两个相同手性碳原子的对映异构*(2R,3S)(2R,3R)(2S,3S)(苏型苏型) 内消旋体内消旋体(meso form)(I) (II) (III)*非对映体非对映体 (III)(I)(II)-非手性分子非手性分子 图图 6.17 内消旋体的分子模型内消旋体的分子模型(I) 图图6.18 内消旋体的分子模型内消旋体的分子模型(II) 思考题：思考题： 是否手性分子？为什么？是否手性分子？为什么？它的反式异构体是怎样的？它的反式异构体是怎样的？分子中的手性中心的构型是什么分子中的手性中心的构型是什么?分子分子6.7 手性合成手性合成 反应中生成的对映体或非对映体的量不相等反应中生成的对映体或非对映体的量不相等 手性合成手性合成(不不对对称合成称合成)。手性环境手性环境 手性底物手性底物手性试剂手性试剂手性催化剂手性催化剂3苯基苯基2丁烯酸丁烯酸 ()3苯基丁酸苯基丁酸 6.6 手性中心的产生手性中心的产生 6.6.1 第一个手性中心的产生第一个手性中心的产生 6.6.2 第二个手性中心的产生第二个手性中心的产生(II) (手性化合物手性化合物) (III) (非对映体，并且不等量非对映体，并且不等量)(IV)(对映体对映体)(I) (II)6.8 外消旋体的拆分外消旋体的拆分 旋光纯度旋光纯度Pasteur L.: 酒石酸铵钠酒石酸铵钠(sodium ammonium tartrate)重结晶重结晶(recrystallization)两种晶体互为镜像两种晶体互为镜像(R)盐盐(S)盐盐CH3NH2(R)(S)镜面镜面 外消旋体外消旋体（溶解度相同）（溶解度相同）外消旋乳酸的拆分外消旋乳酸的拆分 外消旋体外消旋体非手性试剂非手性试剂(R)(S)(R,R)盐盐 (S,R)盐盐非对映体非对映体（溶解度不同）（溶解度不同）外消旋体外消旋体手性试剂手性试剂旋光纯度旋光纯度(optical purity):对映体过量百分数对映体过量百分数(percent enantiomeric excess)ee = 一个对映体的一个对映体的物质的量物质的量两个对映体的总物质的量两个对映体的总物质的量 100=观察到的比旋光度观察到的比旋光度纯的一个对映体的比旋光度纯的一个对映体的比旋光度 另一个对映体的另一个对映体的物质的量物质的量 1002丁醇样品溶液的丁醇样品溶液的D ： +6.76 +13.52+6.76=ee100 = 50%样品：样品：50% 纯的纯的(+)2丁醇丁醇 + 50%()2丁醇丁醇 6.9 脂环化合物的立体异构脂环化合物的立体异构 脂环化合物的顺反异构脂环化合物的顺反异构:2个以上的个以上的C原子原子 不同的原子或基团不同的原子或基团顺反异构顺反异构同侧同侧顺顺式式异侧异侧反式反式顺顺1,3二甲基环丁烷二甲基环丁烷反反1,3二甲基环丁烷二甲基环丁烷环己烷稳定构象环己烷稳定构象 较大的基团较大的基团 处于处于e键；键； 处于处于e键上的键上的 基团愈多其基团愈多其 构象愈稳定构象愈稳定反反1,4二甲基环己烷二甲基环己烷顺顺1,4二甲基环己烷二甲基环己烷稳定性：稳定性：反反1,4二甲基环己烷二甲基环己烷 顺顺1,4二甲基环己烷二甲基环己烷 反十氢化萘反十氢化萘(沸点沸点185)顺十氢化萘顺十氢化萘(沸点沸点194)脂环化合物的对映异构脂环化合物的对映异构: (I) (II) (III)顺式顺式 反式反式mp: 139 175 D: 84.4 84.4 1,2环丙烷二甲酸：环丙烷二甲酸： 顺式顺式 反式反式6.11.1 丙二烯型化合物丙二烯型化合物2,3戊二烯（累积双烯）戊二烯（累积双烯） ：手性轴手性轴6.10 构象对映体和构象非对映体构象对映体和构象非对映体6.11 不含手性中心化合物的对映异构不含手性中心化合物的对映异构6.11.2 联苯型化合物联苯型化合物6,6二硝基二硝基联联苯苯2,2二甲酸：二甲酸： 由于单键旋转受到阻碍而产生的立体异构现象由于单键旋转受到阻碍而产生的立体异构现象 -阻阻转转异构异构现现象象(atropisomerism)。(E)2丁烯丁烯 (S,R)体体(赤型赤型) (R,S)体体(赤型赤型)内消旋体内消旋体6.12 对映异构在研究反应机理中的应用对映异构在研究反应机理中的应用(Z)2丁烯丁烯 (R,R) 体体(苏型苏型) (S,S)体体(苏型苏型)对映体对映体(Z)2丁烯丁烯(E)2丁烯丁烯Br2一对对映体一对对映体内消旋体内消旋体 立体专一性立体专一性(stereospecific)反应反应立体选择性立体选择性(stereoselectic)反应反应生成不同的生成不同的立体异构体立体异构体反应物互为反应物互为立体异构体立体异构体条件相同条件相同一种立体异构体一种立体异构体为主的产物为主的产物