第三章 立体化学基础

主要内容

第一节 概述

第二节 对映异构和非对映异构

第三节 取代环烷烃的立体异构

第四节 旋光异构在研究反应机制中的应用

第一节 概述一、平面偏振光及比旋光度

1 、平面偏振光

尼科尔棱晶：只允许与棱晶晶轴平行的平面上振动的光线透过。平面偏振光：只在一个平面上振动的光称为平面偏振光。

2 、比旋光度

旋光仪的构造

二、对映异构和手性

1 、手性（ Chirality)

什么是手性？

左手 右手

左手 左手的镜像

镜子

左手 右手 左右手不能完全重叠

手性（手征性）：实物与其镜像不能重叠的特点。

列举具有手性的例子

2 、手性

任何一个不能与其镜像完全重叠的分子，称为手性分子。手性分子都具有旋光性。

对映异构体（旋光异构体）：两个分子互为实物与镜像关系，且不能完全重叠。

若实物与镜像能重合，则实物与镜像所代表的化合物为同一物质。

3. 手性碳原子。

连有四个不同原子或基团的碳原子为手性碳原子。

只含一个手性碳原子的分子为手性分子，存在一对对映体。

4 、有机化合物对映异构分子的发现

1848 年，巴斯德（ L. Pasteur ）在显微镜下发现酒石酸盐形成两种类型的晶体，并且一种晶体是另一种晶体的镜像，两种晶体的水溶液使偏振光向不同方向偏转。

左旋和右旋酒石酸钠铵晶体

巴斯德推测：构成盐的分子本身是两种不同类型，分子不同因而旋光性质不同。

Jacobus Henricus van ‘t Hoff (1852-1911)

第一个 Nobel 化学奖获得者（ 1901 ）

1874 年，年仅 22 岁的荷兰科学家范霍夫 (Herr van’t Hoff) 发表了名为“原子的空间排布”一文，正式将有机化合物的结构推到了三维层次——立体化学 (stereochemistry) ，帮助我们解释了有机化合物的立体结构不同可以导致它们的性质不同。

三、分子的对称性和手性（一）对称因素

1、对称面：如果分子中存在一个平面，能将分子分割为互为实物与镜象的两半，此平面就是对称面。

B. 一氯甲烷有类似的三个对称面（只画了其中一个）；A. 甲烷分子有四个对称面（只画了其中一个）；

C. 二氯甲烷只有两个对称面；D. 氯溴取代甲烷只有唯一的一个对称面；

E. 氟氯溴取代甲烷没有对称面。

2 、对称轴：当分子环绕通过该分子的轴旋转一定的角度，得到与原来分子完全重合的构型，此轴称为对称轴 ( 符号 C) 。当旋转 360/n 角度后，此轴即称为 n 重对称轴 (Cn) 。

注意：对称轴不能作为非手性分子判断的依据。

3 、对称中心

（二）手性因素

1 、手性中心：能引起分子具有手性的特定原子或分子骨架的中心。

最常见的为手性碳原子。 N、 P等也可形成手性中心

判断对映体的方法

1、无对称面 2 、无对称中心 3 、手性碳原子

分子中只有一个手性碳原子，则分子存在对映体。

分子中有两个或两个以上手性碳原子，则有例外。COOH

COOH

C OHH

C OHH

COOH

NO2

NO2

COOH

C C CH

CH3

H

CH3

有手性碳，无手性 无手性碳，有手性

第二节 对映异构和非对映异构

一、含有一个手性碳原子的化合物

只具有一个手性碳的分子一定具有手性！

（一）对映异构体的理化性质

1、物理性质：对映体除旋光性不同，其它相同；2、化学性质：非手性条件下相同；手性条件下不相同。3、生物活性：对映体的生物活性不同。

由上可知， Ibuproven ( 布洛芬 )尽管原子组成相同，但互为对映异构体，构型不同，药效不同，说明生命体对异构体具有偏爱，这是一种不对称行为。

生物体中的手性分子

酶（ enzyme ）：生物催化剂，具有较多的手性中心。

底物（ substrate ）：被酶催化而发生反应的化合物，大多数底物为手性化合物。

受体靶位（ target site ）：在细胞上特定接受化学物质引起或改变细胞反应的部位。

特异性手性分子的立体异构只有与特定受体之间的立体结构有互补关系（象钥匙与锁），才能进入受体靶位，产生生理活性。

（二）外消旋体

人出汗时肌肉分泌出来的乳酸和由蔗糖发酵得到的乳酸具有旋光性，但由丙酮酸加氢还原得到的乳酸没有旋光性。

外消旋体——等量的左旋体和右旋体的混合物

外消旋体的化学性质一般与旋光对映体相同，但物理性质有差异。

（三）对映异构体过量百分率和光学纯度

]%[]%[%100][][

][][.% SR

SR

SRee

对映体过量百分率表示：

光学纯度百分率：

%100][

][.%

纯

观察PO

（四）对映异构体的表示方法

费歇尔 (Fischer)投影式投影法：（ 1 ）主链竖立，氧化态较高的基团朝上（ 2 ）横前竖后

Fischer投影式使用规则（ 1 ） Fischer投影式只能在纸面上旋转 1800 的整数倍， 不能旋转 900 的奇数倍。

（ 2 ） Fischer投影式不能离开纸面进行翻转。

（ 3）将手性碳原子上的一个取代基保持不变，另外三个基团按顺时针或逆时针方向旋转时，分子的构型不变。

（ 4）将手性碳原子上所连任何两个原子或基团相互交换奇数次，将会变成其对映体。如果交换偶数次则不会改变原化合物的构型。

( 五）对映异构体构型的命名

1、 D、 L命名法

用化学方法将某些旋光性化合物的构型与甘油醛联系而确定。

以甘油醛为例：

这种与人为规定的标准物相联系而得出的构型称为相对构型。

分子真实的三维空间构型为绝对构型。

注意：右旋体不一定是 D 型，左旋体不一定是 L 型。

2 、 R 、 S 构型命名法 若连在手性碳上的四个基团的优先顺序（大小顺序）为： A>B>C>D

基团的顺序规则

（ 1）若取代基的第一个原子不相同，比较原子序数，序数大的为优先基团（大基团）；同位素，则质量大的为优先基团。

（ 2）若取代基的第一个原子相同，则比较与该原子相连的后面原子，直到比较出大小为止。

（ 3）若第一个原子以双键或三键与其它原子相连，则把它看作与两个或三个其它原子相连。

R/S命名在 Fischer投影式中的应用

（ 1 ）最小基团处于竖键上时顺时针旋转为 R ，逆时针旋转为 S 。

（ 2 ）最小基团处于横键上时顺时针旋转为 S ，逆时针旋转为 R 。

二、含有多个手性碳原子的化合物

（一）含有两个不同的手性碳原子

人们规定：对于两个手性中心上分别连有一组相同基团的 Cabx—Cady 化合物，如果用 Fisher 式表示，相同基团在同边的为赤式，不在同边的为苏式：

赤式，苏式表示法

碳水化合物赤藓糖（ erythrose ）和苏阿糖（ threose ）具有如下结构式：

（二）含有两个相同的手性碳原子

习题及讨论 : 下列化合物的相互关系

（一）丙二烯型化合物的旋光异构体

三、含手性轴化合物的旋光异构体

分子中由若干原子组成的轴状化合物由于分子中的原子或原子团在此轴周围的空间排列情况不同而产生手性，此轴称为手性轴。

（二）联苯型化合物的旋光异构体

联苯型化合物

分子的手性由于某些基团对分子中某一个平面的不同分布而引起的，此平面称为手性面。

( 一 ) 外消旋体的拆分

四、获得单一光学异构体的方法

1 、晶种结晶法

2 、化学法

3 、生物分离法（酶解法拆分）

4 、色谱分离法

（二）不对称合成简介

一个有机反应，其中底物分子整体中的对称单元被一个试剂不等量地转化成一个不对称的单位，而产生不等量的立体异构产物的途径。这里，反应剂可以是化学试剂、催化剂、溶剂或物理因素。

沙利度胺（ Thalidomide)——又名反应停

镇静剂无致畸作用

无镇静作用 致畸变

1957 年～ 1962 年，反应停的服用造成数万名婴儿严重畸形。研究发现，其致畸作用是由右式所代表的异构体引起，而左式所代表的异构体不引起致畸作用。

五、旋光异构与生理活性

左氧氟沙星抗菌药

D- （ - ） - 氯霉素抗生素

左旋多巴治疗帕金森病

第三节 环烷烃的立体异构一、取代环烷烃的立体异构

（一）顺反异构和旋光异构把环烷烃成环碳原子看成在一个平面上，两个取代基在环平面同侧的为顺式，异侧的为反式。

CH3

H

CH3

H

H3C H

HH3C

CH3

CH3

顺-1£¬4-二甲基环己烷

H

CH3

CH3

H CH3H

CH3H CH3

CH3

反-1£¬4-二甲基环己烷

怎样判断单环化合物是否有旋光性呢？

实验证明：单环化合物有否旋光性可以通过其平面式的对称性来判别，凡是有对称中心或对称平面的单环化合物无旋光性，反之则有旋光性。

二、取代环己烷的构象分析

1 、单取代环己烷

甲基处于横键是优势构象

随着取代基的增大，取代基在竖键的比例更少。

不同基团二取代环己烷

总结：

三、二环环烷烃的构象

H

H

H

H

注意：我们前面只讲到了空间效应，但有些化合物受到氢键或偶极 -偶极相互作用的影响， aa 键取代产物比 ee 键取代产物还稳定。

练习：

四、构象异构和构型异构

内消旋酒石酸的构象异构与构型异构

得到全重叠式构象

第四节 旋光异构在研究反应机制中的应用

一、自由基卤代反应

反应中手性碳上的键未发生断裂，反

应物和产物的构型一样。

二、卤素与烯烃的加成反应