有机化学：立体异构
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有机化学： 第五章:立 体 异 构
本章内容简介
一、手性分子和对映异构
二、手性物质的旋光性
三、 含有一个手性碳原子的化合物的对映异构
四、含两个C*的构型异构
碳架异构 构造异构 官能团异构
碳链异构 碳环异构
位置异构
同分异构 互变异构
立体异构
构型异构
构象异构
非对映异构
对映异构
一、手性分子和对映异构 ㈠手性 ㈡分子的对称性与手性的关系 ㈢对映异构体
有对称中心的分子
• 对称性与手性的关系:
A: 非手性分子——凡具有对称面、对称中心 B: 手性分子 —— 既没有对称面 , 又没有对称中心 , 都不能与其镜象叠合,都是手性分子. •手性分子的一般判断:只要一个分子既没有对称面,又 没有对称中心,就可以初步判断它是手性分子.
(三) 对映异构体 •凡是手性分子 , 必有互为镜象的构型 . 分子的手性是 存在对映体的必要和充分条件. • 互为镜象的两种构型的异构体叫做对映体. • 一对对映体的构造相同 , 只是立体结构不同 ,这种立 体异构就叫 对映异构 .如乳酸是手性分子 ,故有对映 体存在:
1. 旋光仪 (旋光性物质) α
钠光灯
起偏镜 (固定)
旋光管
检偏镜 (可转动)
2. 旋光度、比旋光度
t α =[α ] D×c×l
α—实测的旋光度(度数)，t—测定时的温度(℃) D—钠光D线的波长589nm，[α] —比旋光度(度数) c —溶液的浓度(g· l-1)(纯液体用密度)，l —旋光管长(dm) 旋光度的大小除了与旋光性物质的本性有关外，还和溶液 的浓度、旋光管长度、温度、光源波长及溶剂性质有关. 比旋光度是旋光性物质的特征物理常数，就象熔点、 沸点一样，反映旋光性物质旋光能力的大小和方向.
旋光性物质使偏振光旋转的角度，称为旋光度，
以“α”表示。
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。
• 对映体的一般物理性质(熔点,沸点,相对密度...,以
及光谱)都相同,只有对偏振光的作用不同.
偏振光的形成
偏振光的旋转
(二)旋光度和比旋光度
pKa=3.86(25oC)
(二) 构型的表示法，构型的确定和构型的标记 1 构型的表示法 （1）菲舍尔投影式
乳酸的分子模型和投影式
• 菲舍尔投影式:两个竖立的键—向纸面背后伸去的键; 两个横在两边的键—向纸面前方伸出的键. •在纸面上旋转180º —不变；旋转90º 或270º 或翻身—镜象
总结: Fischer投影式的转换规则
• 乳酸的两个模型的关系象左手和右手一样,它们
不能相互叠合,但却互为镜象.
(二) 分子的对称性与手性的关系
考察分子的对称性,要考察的对称因素有以下二种
(1) 对称面(镜面) 设想分子中有一平面 , 它可以把分子分成互为镜象 的两半,这个平面就是对称面.如:
有对称面的分子 (氯乙烷)
(2) 对称中心 设想分子中有一个点 , 从分子中任 何一个原子出发 , 向这个点作一直 线,再从这个点将直线延长出去 ,则 在与该点前一线段等距离处 , 可以 遇到一个同样的原子 , 这个点就是 对称中心.
1. 不能离开纸面翻转。翻转180 ，变成其对映体。
。
2. 在纸面上转动90 , 270 ，变成其对映体。
3. 在纸面上转动180 构型不变。
。
。
。
4. 保持1个基团固定，而把其它三个基团顺时针或 逆时针地调换位置，构型不变。
5. 任意两个基团调换偶数次，构型不变。 6. 任意两个基团调换奇数次，构型改变。
W C X Z Y
镜面
W Y Z C X
• 含有一个手性碳原子的分子一定是手性分子；
•一个手性碳原子可以有两种构型。 • 具有手性的物质和分子中有无手性碳原子无关.
外消旋体—由等量的对映体相混合而成的混合物. •外消旋体不仅没有旋光性，且其他物理性质也往往与单 纯的旋光体不同。例如：外消旋体乳酸熔点为18 ℃.
(一)手性
左手和右手不能叠合
左右手互为镜象
• 一个物体若与自身镜象不能叠合,叫具有手性.
•在立体化学中,不能与镜象叠合的分子叫手性分子, 而能叠合的叫非手性分子.
• 饱和碳原子具有四面体结构. (sp3杂化) 例: 乳酸(2-羟基丙酸CH3-CHOH-COOH) 的立体结构：
乳酸的分子模型图
两个乳酸模型不能叠合
具有镜像与实物关系的一对旋光异构体。
COOH C CH3
(S)-(+)-乳酸 mp 53oC []D=+3.82
pKa=3.79(25oC)
Hale Waihona Puke Baidu
COOH H
(R)-(-)-乳酸 mp 53oC []D=-3.82
pKa=3.83(25oC)
H OH
C OH CH 3
()-乳酸
外消旋乳酸
mp 18oC []D=0
那么，偏振光能否透过第二个Nicol 棱镜 (检偏 镜) 取 决于两个棱镜的晶轴是否平行，平行则可透 过；否则不能通过。 如果在两个棱镜之间放一个盛液管，里面装 入两种不同的物质。
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。
三、含有一个手性碳原子的化合物的对映异构
（一）手性碳原子的概念 (二) 构型的表示法，构型的确定和构型的标记
三、含有一个手性碳原子的化合物的对映异构
（一）手性碳原子的概念 在有机化合物中，手性分
子大都含有与四个互不相同的基团相连的碳原子。 • 这种碳原子没有任何对称因素,故叫不对称碳原子,或 叫手性碳原子,在结构式中通常用*标出手性碳原子。
（2）锲形式——比较直观 •将手性碳原子表示在纸面上，用实线表示在纸面 上的键，虚线表示伸向纸后方的键，用锲形实线表 示伸向纸前方的键。
乳酸的对映体
二、手性物质的旋光性
(一)偏振光
(二)旋光度和比旋光度
二、手性物质的旋光性
(一)偏振光 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
如果让光通过一个象栅栏一样的 Nicol 棱镜 (起 偏镜)就不是所有方向的光都能通过，而只有与棱镜 晶轴方向平行的光才能通过。这样，透过棱晶的光 就只能在一个方向上振动，象这种只在一个平面振 动的光，称为平面偏振光，简称偏振光或偏光。
本章内容简介
一、手性分子和对映异构
二、手性物质的旋光性
三、 含有一个手性碳原子的化合物的对映异构
四、含两个C*的构型异构
碳架异构 构造异构 官能团异构
碳链异构 碳环异构
位置异构
同分异构 互变异构
立体异构
构型异构
构象异构
非对映异构
对映异构
一、手性分子和对映异构 ㈠手性 ㈡分子的对称性与手性的关系 ㈢对映异构体
有对称中心的分子
• 对称性与手性的关系:
A: 非手性分子——凡具有对称面、对称中心 B: 手性分子 —— 既没有对称面 , 又没有对称中心 , 都不能与其镜象叠合,都是手性分子. •手性分子的一般判断:只要一个分子既没有对称面,又 没有对称中心,就可以初步判断它是手性分子.
(三) 对映异构体 •凡是手性分子 , 必有互为镜象的构型 . 分子的手性是 存在对映体的必要和充分条件. • 互为镜象的两种构型的异构体叫做对映体. • 一对对映体的构造相同 , 只是立体结构不同 ,这种立 体异构就叫 对映异构 .如乳酸是手性分子 ,故有对映 体存在:
1. 旋光仪 (旋光性物质) α
钠光灯
起偏镜 (固定)
旋光管
检偏镜 (可转动)
2. 旋光度、比旋光度
t α =[α ] D×c×l
α—实测的旋光度(度数)，t—测定时的温度(℃) D—钠光D线的波长589nm，[α] —比旋光度(度数) c —溶液的浓度(g· l-1)(纯液体用密度)，l —旋光管长(dm) 旋光度的大小除了与旋光性物质的本性有关外，还和溶液 的浓度、旋光管长度、温度、光源波长及溶剂性质有关. 比旋光度是旋光性物质的特征物理常数，就象熔点、 沸点一样，反映旋光性物质旋光能力的大小和方向.
旋光性物质使偏振光旋转的角度，称为旋光度，
以“α”表示。
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。
• 对映体的一般物理性质(熔点,沸点,相对密度...,以
及光谱)都相同,只有对偏振光的作用不同.
偏振光的形成
偏振光的旋转
(二)旋光度和比旋光度
pKa=3.86(25oC)
(二) 构型的表示法，构型的确定和构型的标记 1 构型的表示法 （1）菲舍尔投影式
乳酸的分子模型和投影式
• 菲舍尔投影式:两个竖立的键—向纸面背后伸去的键; 两个横在两边的键—向纸面前方伸出的键. •在纸面上旋转180º —不变；旋转90º 或270º 或翻身—镜象
总结: Fischer投影式的转换规则
• 乳酸的两个模型的关系象左手和右手一样,它们
不能相互叠合,但却互为镜象.
(二) 分子的对称性与手性的关系
考察分子的对称性,要考察的对称因素有以下二种
(1) 对称面(镜面) 设想分子中有一平面 , 它可以把分子分成互为镜象 的两半,这个平面就是对称面.如:
有对称面的分子 (氯乙烷)
(2) 对称中心 设想分子中有一个点 , 从分子中任 何一个原子出发 , 向这个点作一直 线,再从这个点将直线延长出去 ,则 在与该点前一线段等距离处 , 可以 遇到一个同样的原子 , 这个点就是 对称中心.
1. 不能离开纸面翻转。翻转180 ，变成其对映体。
。
2. 在纸面上转动90 , 270 ，变成其对映体。
3. 在纸面上转动180 构型不变。
。
。
。
4. 保持1个基团固定，而把其它三个基团顺时针或 逆时针地调换位置，构型不变。
5. 任意两个基团调换偶数次，构型不变。 6. 任意两个基团调换奇数次，构型改变。
W C X Z Y
镜面
W Y Z C X
• 含有一个手性碳原子的分子一定是手性分子；
•一个手性碳原子可以有两种构型。 • 具有手性的物质和分子中有无手性碳原子无关.
外消旋体—由等量的对映体相混合而成的混合物. •外消旋体不仅没有旋光性，且其他物理性质也往往与单 纯的旋光体不同。例如：外消旋体乳酸熔点为18 ℃.
(一)手性
左手和右手不能叠合
左右手互为镜象
• 一个物体若与自身镜象不能叠合,叫具有手性.
•在立体化学中,不能与镜象叠合的分子叫手性分子, 而能叠合的叫非手性分子.
• 饱和碳原子具有四面体结构. (sp3杂化) 例: 乳酸(2-羟基丙酸CH3-CHOH-COOH) 的立体结构：
乳酸的分子模型图
两个乳酸模型不能叠合
具有镜像与实物关系的一对旋光异构体。
COOH C CH3
(S)-(+)-乳酸 mp 53oC []D=+3.82
pKa=3.79(25oC)
Hale Waihona Puke Baidu
COOH H
(R)-(-)-乳酸 mp 53oC []D=-3.82
pKa=3.83(25oC)
H OH
C OH CH 3
()-乳酸
外消旋乳酸
mp 18oC []D=0
那么，偏振光能否透过第二个Nicol 棱镜 (检偏 镜) 取 决于两个棱镜的晶轴是否平行，平行则可透 过；否则不能通过。 如果在两个棱镜之间放一个盛液管，里面装 入两种不同的物质。
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。
三、含有一个手性碳原子的化合物的对映异构
（一）手性碳原子的概念 (二) 构型的表示法，构型的确定和构型的标记
三、含有一个手性碳原子的化合物的对映异构
（一）手性碳原子的概念 在有机化合物中，手性分
子大都含有与四个互不相同的基团相连的碳原子。 • 这种碳原子没有任何对称因素,故叫不对称碳原子,或 叫手性碳原子,在结构式中通常用*标出手性碳原子。
（2）锲形式——比较直观 •将手性碳原子表示在纸面上，用实线表示在纸面 上的键，虚线表示伸向纸后方的键，用锲形实线表 示伸向纸前方的键。
乳酸的对映体
二、手性物质的旋光性
(一)偏振光
(二)旋光度和比旋光度
二、手性物质的旋光性
(一)偏振光 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
如果让光通过一个象栅栏一样的 Nicol 棱镜 (起 偏镜)就不是所有方向的光都能通过，而只有与棱镜 晶轴方向平行的光才能通过。这样，透过棱晶的光 就只能在一个方向上振动，象这种只在一个平面振 动的光，称为平面偏振光，简称偏振光或偏光。