立体化学(Stereochemistry) 基础

立体异构 分子构造相同，只是立体结构
（既分子中原子或原子团在三维空间的 排列方式）不同所引起的一类异构） 立体化学（stereochemistry） 描述分子中原子或原子团在空间的排布 以及由于不同的空间排布对化合物理化 性质的影响。

碳链异构： 构造异构— 位置异构： Constitution 官能团异构： isomerism 互变异构： 同分异构— 顺反异构： 构型异构— 对映异构 立体异构— Enantiomerism Stereoisomerism 构象异构
C2H5 H H CH3
CH3 C2H5
R
S
B. Fischer 投影式：
CHO CHO H OH CH2OH H OH H HO CHO
R
CH2OH
CH2OH
(二)次序规则
决定有关原子或基团的排列次序的方 法称为次序规则 次序规则的主要内容如下： (1) 将与主链碳原子直接相连的两 个原子按其原子序数大小排列，大者 为“较优”基团。如果两个原子为同 位素，则质量大者定为“较优”基团。 I > Br > Cl > S > F > O > N > C > D > H
o
CH3 HOOC H CH2CH3
(在纸平面上)
R
S
COOH COOH HO H 再对调一次 HO H OH 对调一次 CH3
R
CH3
CH3
S
H 在纸平面上 COOH
R
旋转180o
COOH H OH CH3
R
试判断下列Fischer投影式中与(s)-2-甲基丁酸成对 映关系的有哪几个？
H H3C CH3CH2 Cs COOH H 3C
碳原子氧化态顺序：
羧基>醛基>羟甲基>甲基
3.横前
竖后
使用Fischer 投影式的注意事项： （1）可以沿纸面旋转，但不能离开纸面翻转。
COOH H OH CH3
翻 转
COOH HO H CH3
翻 转
（2）可以旋转180。，但不能旋转90。或270。。
COOH H OH CH3
旋 转180
手性和对映体
生活中的对映 体-镜像
沙漠胡杨
左右手互为镜像
井冈山风景
桂林风情
2.对称性
对映体：成对存在，旋光能力相同，但旋光方向 相反。二者能量相同（分子中任何两原子的距离 相同）。 换句话说，具有实物和镜象关系的两个化 合物互称对映异构体(enantiomer) 。
COOH C CH3 H OH COOH H C CH3 HO R-(-)-乳酸
解：根据：
t

B l
=-3.90/0.5×0.1=-780
练习题3-2比旋光度+400的物质，在1分米 的旋光管中测得的旋光值为+100，试问此 溶液的百分比浓度为多少？ 解：
摩尔旋光度

[α]×分子量 [M]= 100
分子量不同的两种物质重量相 等时
二、对映异构和手性(chiralit)
顺时针 右旋，以 “ d ” 或 “ + ” 表示。 其旋光方向 逆时针 左旋，以“ l ” 或 “ ” 表示。
但旋光度“”不是一个常量，它受 温度、光源、浓度、管长等许多因素 的影响，为了便于比较，就要使其成 为一个常量，故用比旋光度(specific rotation)[]来表示：
t [] D
H H3C CH2CH3 COOH CH3CH2 H COOH CH3 COOH H CH2CH3 CH3 CH3 H COOH CH2CH3
S
S
S
S
任何两个交换偶数次构型不变改变 交换奇数次构型改变 ，对映体
将投影式在纸平面上旋转90o,则成它的对映体。
CH2CH3 H3C H COOH 转 90
幻灯片 32
幻灯片 77
第三章
立体化学 (Stereochemistry) 基 础
新进展:盐酸普罗帕酮旋光异构体的人 体立体选择性相互作用研究
探讨盐酸普罗帕酮(PPF)
旋光异构 体在人体内是否存在立体选择性相 互作用及其作用规律。 结论：盐酸普罗帕酮旋光异构体在 人体内存在立体选择性相互作用， 为临床合理应用手性药物提供新的 理论依据。


Lc
式中： α 为旋光仪测得试样的旋光度 C为试样的质量浓度，单位 g/mL; 若试样为纯液体则为密度。
l 为盛液管的长度，单位 dm 。 t 测样时的温度。 λ为旋光仪使用的光源的波长 （通常用钠光，以D表示。）
求葡萄糖溶液的浓度
比旋光度的应用： 1、根据测定的某物质的旋光度，计 算该物质的比旋光度； 2、已知某物质的比旋光度，通过测 定旋光度计算该物质的浓度，制糖工 业中，常用旋光度来控制糖液的浓度。
B.大多数非手性分子都有对称轴或 对称中心，只有交替对称轴而无对称 面或对称中心的化合物是少数。 ∴既无对称面也没有对称中心的 ，一般判定为是手性分子。 分子的手性是对映体存在的必要 和充分条件。
练习题3.3判断下列分子是否具有 对称中心、对称轴或对称面？
（1）反-1，2-二甲基环丙烷 解：没有对称因素 （2）环己烷的船式构象 解：有对称轴和对称面 （3）乙烷的交叉式构象 解：有对称中心
1.对映异构
分析有旋光性的乳酸和没有旋光性的 丙酸在结构上的差别：
H CH3 C H COOH CH3 H * C OH COOH
乳酸所以具有旋光性，可能是因为分子 中有一个*C原子（不对称碳原子或手性 碳）。 为什么有*C原子就可能具有旋光性？ ：
(1)一个*C就有两种不同的构型：
COOH COOH
(CH2)n
O R
O
3.旋光性的产生
light
无旋光性物质溶液
shade
有旋光性物质溶液
α
折射：一种光线通过透明物质时， 因与分子的作用而使光速减
慢，光速的减少与光的折射率成正
比。 螺旋按顺时针右旋偏振光 螺旋按逆时针左旋偏振光
图3-5 右旋及左旋偏振光
图3-5 右旋及左旋偏振光
从 入 射 光 方 向 观 察
S-(+)-乳酸
外消旋体：等量对映体的混合物。
三、分子的对称性和手性
（一）对称因素： 1. 对称面(symmetric plane)（m）
2. 对称中心(symmetric center)（σ）
H H 3C H H H H
H CH3
3. 对称轴(symmetric center)（Cn） 以设想直线为轴旋转360。/ n，得到 与原分子相同的分子，该直线称为n重 对称轴（又称n阶对称轴）。

（4）丁烷的对位交叉式构象
解：有对称中心 （5）乙烷的重叠式构象 解：有对称面
（二）手性因素
1.手性中心(chiral
center) 手性碳C*(chiral carbon)
COOH C CH3 H OH
COOH H C CH3 HO R-(-)-乳酸
S-(+)-乳酸
2.手性面(chiral plane) 分子的手性是由于某些基团对分子中 某一平面的不同分布而引起，此平面
相对构型和绝对构型
CHO H OH CH2OH
O
H
COOH OH CH2OH
H
H
COOH OH CH3
D-(+)-甘油醛
D-(-)-乳酸
绝 对 构 型
能真实代表某一 光活性化合物的 构型（R、S）
相 与假定的D、L甘油 对 醛相关联而确定的 构 型 构型。
2. R / S标记法
A. 三维结构：
OH OH
H C 2H 5 COOH A C 2H5
H COOH CH3 B COOH H CH3 C 2H5 F H C 2H 5 CH3 COOH G H
COOH C 2H 5 CH3 C C 2H5 H3C H COOH H
COOH H3C H C 2H 5 D
CH3 C 2 H5 H COOH E
练习题3.5
构造异构（结构异构）

正丁烷 1-丁烯
异丁烷 (碳链异构) 2-丁烯 甲醚 (位置异构) (官能团异构)
乙醇
乙酰乙酸乙酯（互变异构）酮式烯醇式
第一节概述
一、平面偏振光及比旋光度
光是一种电磁波，光波的振动方向 与光的前进方向垂直。
平面偏振光
只在一个平面振动的光，称为平面偏振 光，简称偏振光(polarized light)或偏光。
Cl C C H
H Cl
4. 交替对称轴（旋转反映轴）（Sn）
H Cl Cl H H
Cl H Cl
。 旋转 90 Cl
Cl H H
H Cl Cl H
-
H Cl Cl H
Cl H Cl
-
H
判别手性分子的依据
A.有对称面、对称中心、交替对称轴 的分子均可与其镜象重叠，是非手性分 子；反之，为手性分子。 至于对称轴并不能作为分子是否 具有手性的判据。
COOH H HO C CH 3
H OH CH3 CH3 OH H
COOH C H3C H OH
-
(2)二者的关系：互为镜象（实物与镜象 关系，或者说左、右手关系）。二者无 论如何也不能完全重叠。 与镜象不能重叠的分子，称为手性分子。
对映异构体(enantiomer)
分子的构造相同，但构型不同，形成 实物与镜象的两种分子，称为对映 异构体(enantiomer)（简称：对映 体）。
COOH H C OH
(R)-(-)-乳酸
mp 53oC []D=-3.82
pKa=3.83(25oC)
外消旋乳酸
CH3
()-乳酸
mp 18oC []D=0
pKa=3.86(25oC)
(S)-(+)-乳酸
mp 53oC []D=+3.82
pKa=3.79(25oC)
（一）对映异构体的性质
1 结构：镜影与实物关系。
注意：
① 在不用水作溶剂时，需标明溶剂； ② 由于分子的缔合、离解及与溶剂
的相互作用等因素对有机物质浓度
的改变会影响比旋光度的数值甚至
方向，因此，需要标明浓度。
83页 练习题3-1 某光学物质1g，溶于10ml氯 仿之后，在5cm长的旋光管中测定其旋光度为 -3.90，试问此物质的比旋光度为多少？
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。
（二）外消旋体（recemate）
一对对映体等量混合，得到外消旋体。 外消旋体与纯对映体的物理性质 不同，旋光必然为零。 旋光方向相反，旋光度数相等 外消旋体表示符号（）or dl
CH3 。 HO H COOH
旋转180
。
COOH H OH CH3
旋 转90
H 。 CH3 OH COOH
旋 转90
。
3.投影式中如果使一个基团保持固 定，而把另三个基团顺时针或
逆时针旋转，原化合物构型不变
Fischer投影式具有下列几个性质：
如果固定某一个基团，而依次改变
另三个基团的位置，则分子 构型不变。
亮
α 丙 酸
暗 亮
乳酸
结论： 物质有两类：
（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。
旋光性物质使偏振光旋转的角度， 称为旋光度 (specific rotatron)，以“α”表示。
由两个周期振幅相同，而旋转方 向相反的圆偏振光叠加产生平面 偏振光
右旋组分
图3-6
左旋组分
AA`相等
AA`不相等
图3-7 通过无旋光性物质或旋光性物 质时两种圆偏振光的叠加
迅速发展的单旋光异构体药物 新进展

近几年，单旋光异构体药物发展迅速， 其中抗病毒药是发展最快的种类之一， １９９７年至１９９８年间，其训额增 长了２７％。心血管类药物是单旋光异 构体药物的另一主要领域，。
１９９７年到１９９８年，其销 售额仅次于抗生素类位居第二。
虽然最近一些药物在新药申请时遇
到一些问题，但从１９９９年到２ ００４年，单旋光异构体药物仍将 保持强 增长势头
第二节 对映异构和非对映异构 一、含一个手性碳的化合物
（一）对映异构体的理化性质
具有镜像与实物关系的一对旋光异构体。
COOH CH3Cl (2)CHCl3

*
* *
(6)
* *
（三）对映异构体的表示方法 1. 透视式（三维结构）
OH OH
C2H5 H H CH3
CH3 C2H5
R
S
2.Fischer 投影式
COOH
COOH
H OH
H CH3
OH
C H3
Fischer 投影式
1.十字交叉处代表手性碳 2.氧化态高的放在上端
对映体
（2）和
（3） 对 映 体 (1) 和
(1) (2)
同一化合物
（2）
和
（4）
同一化合物
(4)
（4）(3)
（四）对映异构体构型的命名 D/L标示法和R/S标示法 1. D / L标示法
CHO H OH CH2OH
D-(+)-甘油醛
HO -
CHO H CH2OH
L-(-)-甘油醛
D、L与 “+、-” 没有必然的联系