第三章立体化学介绍
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03立体化学
OCH3
第四节
一、平面偏振光（偏光）
旋光性
偏振光：只在一个平面内振动的光。
晶轴 A B C D A' 普通光 Nicol棱晶 B' A' 平面偏振光 D' C' A
二、旋光仪、旋光物质和旋光度
•旋光性：使偏光振动平面发生改变（偏转）的性质。可通过 旋光仪检测。 •旋光物质：具有旋光性的物质，分为左旋体和右旋体。 •旋光度： α 表示。其值为检偏器刻度盘上的读数，与c,γ ,t, l, 溶剂均有关。
是偶数次。
Fischer投影式中R、S的简便确定法：
（1）若最小基团d在竖线上，则a，b，c为顺时针旋转为R型， 逆时针为S型；
（2）若最小基团d在横线上，则a，b，c顺时针旋转为S型， 逆时针为R型。
COOH H2N CH3 H
H3 C OH COOH CH2OH
H
CH3
S
S
R
CHO HO H CH 2OH
乙烯轨道模型
π键：两个轨道侧面重叠形成的键。
特点：（1）容易断裂； （2）不能绕轴自由旋转。
三、乙炔sp杂化、正交的π键
乙炔轨道模型
H C C H
乙炔分子中的三键包括： 一个σ键，两个相互垂直的π键。
构象：
由于单键的自由旋转而使分子中的原 子或基团在空间产生不同的排列形式。
构象异构体：
由单键旋转而产生的异构体。
七、十氢化萘的构象
H* H
H H
顺 式
H H H
顺式 9%
H*
反 式
H
H
H
反式 91%
H
如何画多取代环己烷的优势构象？
1、画出环己烷的椅式构象； 2、把最大基团画在一个e键上； 3、根据其它基团与最大基团的相对位置，把它们画在 相应的a键或e键上。
化学第三章立体化学
C=Y
CY (Y) (C)
Y为C、O、N等常见原子，是几重键就相当于连几 个相同的原子。
H (C) CH CH2 相当于 C C H
(C) H
H(C) H(C)
相当于 (C)
H
( C)
(C)
H
H (C)
(C) (C) C CH 相当于 C C H
(C) (C)
(N) (C) C N 相当于 C N
H
H
CC C6H5
CH3 CC
H
H
（顺，顺）
H CC
C6H5
H H
CC
H
CH3
（顺，反）
H
C C6H5
H
CH3
CC
C
H
H
（反，反）
H
H
H
CC
CC
C6H5
H
CH3
（反，顺）
H
CH2CH3 CH3CH2
CH(CH3)2
CC
CC
CH3
CH2CH2CH3 CH3
CH2CH2CH3
(三) Z , E － 命名法
H5 4 H
CC
CH3
3 2H CC 1
H
COOH
(2E,4Z) – 2,4- 己二烯酸
（四）顺反异构体的性质（一般规律的比较）
顺、反-丁烯二酸的物理性质
异构体
熔点/℃ 密度
溶解度（ 25℃） /(g/100g·H2
O)
顺-丁烯二酸 130
1.590
78.8
反-丁烯二酸 287
1.625
0.7
1．构造式（结构式）相同（分子的结构相同，构型不同）
2. 比较各种取代原子或原子团的排列顺序时，先比 较直接相连的第一个原子的原子序数。如果是相同 原子，那就再比较第二个、第三个……原子的原子 序数。 C(CH3)3 > CH(CH3)2 > CH2CH3 > CH3
第 3 章 立体化学
注：判断构型是否相同：纸面旋转，基团交换。 例 Cl H Br CH3 Ⅰ = CH3 BⅣ Br H CH3 = H Cl Br CH3 Ⅴ
三： R，S 命名法 因 早期的D，L命名法（见p62）麻烦且适用范围小， 在六十年代中期提出新的 R，S 命名法： 由英戈尔德 （C.K.Ingolod）,凯恩(R.S.Cahn),普瑞洛格 (V.Prelog)三人提出,建议用原子序数大小来确定构型。 1970年，IUPAC 正式采用，作为命名组成部分。
1860年,Pesteur提出光学异构由分子中 原子在空间的不同排列引起(以前 认为分子平面状) 1874年,Vanthoff ,进化此学说,提出碳四 面体学说: 一个碳原子结合的四个基团中,只要 有任何两个基团相同,无旋光性.
The reason for handedness in molecules: chirality 分子中的手性由何而来
H C Cl Cl 两个对称面（红、蓝三角形）
苯
七个对称面
The Great Kudu Is Meso
Teaser: The Kiss of the Elephants chiral or meso?
二. 中心对称因素——对称中心：不具旋光性 H 苯 H CH3 H
H
CH3
H
H
三. 轴对称因素——对称轴：可能具有旋光性 沿轴旋转 360 /n （n > 1）后与原构型重合, 称n重旋转对称轴. CH3 CH3 H 非手性 H F CH3 非手性 手性 F B F H CH3 H
§ 3-3 手性原子和手性分子 手性碳原子（不对称碳原子） ----连有四个不同原子或基团的碳原子 （尚不能判断分子是否具有旋光性或手性） 手性分子——实物与镜像不能叠合的分子 非手性分子——实物与镜像能叠合的分子
第三章 立体化学
第三章
立体化学
Stereochemistry
主要内容
• 一、手性和手性分子
• 二、含不对称碳原子的分子的立体化学
• 三、不含不对称碳原子的分子的立体化学
• 四、 构象与构象分析
• 五、 立体化学的应用
构造 (Constitution)
官能团异构 碳骨架异构 官能团位置异构
互变异构
分子式相同，原子 的成键顺序不同。
二、含不对称碳原子的分子的立体化学
1、具有一个手性中心的对应异构体
对映异构体的构型和描述
注意：分子的旋光度符号和构型（D，L）之间没 有简单的关系。不是都象甘油醛那样D-是右旋， L-是左旋；例如，L-丙氨酸这个氨基酸是右旋的。
2、具有两个手性中心的对应异构体
例如：
旋光异构体的数目
三、不含不对称碳原子的光活异构体
1.丙二烯型的旋光异构体 （A）两个双键相连
实例：a=苯基，b=萘基，1935年拆分。
（B）一个双键与一个环相连（1909年拆分）
H H3C
COOH H
H CH3
H C CH3
（C）螺环形
H H3C
NH2 H
H COOH
NH2 H
2. 联苯型的旋光异构体
X1 X2
3. 对动态反应选择性的影响
立体专一反应和立体选择反应 • 立体专一反应是指：在相同的反应条件下， 由立体异构的起始物得出立体异构的不同产 物。 • 立体选择性反应是指：在特定反应中，单一 一种反应物能够形成两种或更多种立体异构 产物，但观察到的是其中一种异构体的形成 占优势。
某些立体专一反应
对烯的立体专一加成反应：
5 6 3 4 2 1
0.18nm 4 5 6 1
立体化学
Stereochemistry
主要内容
• 一、手性和手性分子
• 二、含不对称碳原子的分子的立体化学
• 三、不含不对称碳原子的分子的立体化学
• 四、 构象与构象分析
• 五、 立体化学的应用
构造 (Constitution)
官能团异构 碳骨架异构 官能团位置异构
互变异构
分子式相同，原子 的成键顺序不同。
二、含不对称碳原子的分子的立体化学
1、具有一个手性中心的对应异构体
对映异构体的构型和描述
注意：分子的旋光度符号和构型（D，L）之间没 有简单的关系。不是都象甘油醛那样D-是右旋， L-是左旋；例如，L-丙氨酸这个氨基酸是右旋的。
2、具有两个手性中心的对应异构体
例如：
旋光异构体的数目
三、不含不对称碳原子的光活异构体
1.丙二烯型的旋光异构体 （A）两个双键相连
实例：a=苯基，b=萘基，1935年拆分。
（B）一个双键与一个环相连（1909年拆分）
H H3C
COOH H
H CH3
H C CH3
（C）螺环形
H H3C
NH2 H
H COOH
NH2 H
2. 联苯型的旋光异构体
X1 X2
3. 对动态反应选择性的影响
立体专一反应和立体选择反应 • 立体专一反应是指：在相同的反应条件下， 由立体异构的起始物得出立体异构的不同产 物。 • 立体选择性反应是指：在特定反应中，单一 一种反应物能够形成两种或更多种立体异构 产物，但观察到的是其中一种异构体的形成 占优势。
某些立体专一反应
对烯的立体专一加成反应：
5 6 3 4 2 1
0.18nm 4 5 6 1
第三章立体化学
第三章立体化学
CH3
CH3
H
C
C OH HO
H
Ph
Ph
非对称分子 不对称分子
手性分子
对映体 旋光活性
第三章立体化学
不对称分子一定是手性分子 而手性分子不一定是不对称分子
COOH HO H
H OH COOH
左旋酒石酸
COOH H OH HO H
COOH
右旋酒石酸
COOH H OH H OH
COOH
第三章立体化学
两种同分异构体A和B
A和B的连接顺序是否相同
否
是
构造异构
立体异构体
A和B是否具有不能叠合的实物和镜像的关系
否
是
非对映异构体
对映异构体
第三章立体化学
构造异构体
碳链异构 位置异构
C H 3C H 2C H 2C H 3
C H 3C H C H 3 C H 3
C H 2 = C H C H 2 C H 3 C H 3 C H = C H C H 3
官能团异构 互变异构
C H 3 C H 2 O H C H 3 O C H 3
OO
O HO
C H 3 C C H 2 C O C H 2 C H 3 C H 3 C = C H C O C H 2 C H 3
第三章立体化学
立体异构体
顺反异构 对映异构 构象异构
H 3 H CCCH C H 3
HH H 3 CCCC H 3
第三章 有机立体化学
Organostereochemistry
2010年3月18日
第三章立体化学
1
对映异构体
2
动态立体化学
3
CH3
CH3
H
C
C OH HO
H
Ph
Ph
非对称分子 不对称分子
手性分子
对映体 旋光活性
第三章立体化学
不对称分子一定是手性分子 而手性分子不一定是不对称分子
COOH HO H
H OH COOH
左旋酒石酸
COOH H OH HO H
COOH
右旋酒石酸
COOH H OH H OH
COOH
第三章立体化学
两种同分异构体A和B
A和B的连接顺序是否相同
否
是
构造异构
立体异构体
A和B是否具有不能叠合的实物和镜像的关系
否
是
非对映异构体
对映异构体
第三章立体化学
构造异构体
碳链异构 位置异构
C H 3C H 2C H 2C H 3
C H 3C H C H 3 C H 3
C H 2 = C H C H 2 C H 3 C H 3 C H = C H C H 3
官能团异构 互变异构
C H 3 C H 2 O H C H 3 O C H 3
OO
O HO
C H 3 C C H 2 C O C H 2 C H 3 C H 3 C = C H C O C H 2 C H 3
第三章立体化学
立体异构体
顺反异构 对映异构 构象异构
H 3 H CCCH C H 3
HH H 3 CCCC H 3
第三章 有机立体化学
Organostereochemistry
2010年3月18日
第三章立体化学
1
对映异构体
2
动态立体化学
3
第三章 立体化学讲解
优势构象
叔丁基是一个很大的基团，一般占据e键。
某些取代环己烷，张力特别大时，环 己烷的椅式构象会发生变形，甚至会 转变为船式构象
CH3
H
H3C
CH3
C
H
C(CH3)3 C(CH3)3
C(CH3)3 H
椅式
船式 优势构象
一般对优势构象的讨论，只是从取代 基的体积影响进行分析，对于烷基这类基 团来说是正确的。但有时非键合原子间的 其它作用力 如偶极-偶极间的电效应也会 影响分子的构象稳定性。
109o28'
60o
105o
3.3.1Baeyer张力学说
当碳原子的键角偏离109°28′时，便会产生一种 恢复正常键角的力量。这种力就称为张力。键角偏离 正常键角越多，张力就越大。
偏转角度=
109°28′内角
2
N=3 4 5 6 7
偏转角度
24o44’ 9o44’ 44’ -5o16’ -9o33’
…… n个C*
…………
AB+ B-
C+ C- C+ C-
D+D- D+D-D+D-D+D-
…………
2 4
8 16 …… 2n
例如: 一个C* 二个C* 三个C*
R\S RR\SS RS\SR RRR\SSS RRS\SRR RSR\SRS RSS\RRS
（2）非对映体
不呈镜影关系的旋光异构体为非对映异构体。非对映体具有不 同的旋光性，不同的物理性质和不同的化学性质。
立体异构体的定义：分子中的原子或原子团互相连接的 次序相同，但在空 间的排列方向不同而引起的异构体。
3.1 轨道的杂化和碳原子价键的方向性
高等有机化学第三章立体化学
高等有机化学第三章立体化学
contents
目录
• 立体化学基本概念 • 碳原子立体化学 • 手性分子结构与性质 • 立体化学在有机合成中应用 • 立体化学在药物设计中的应用 • 实验方法与技巧
01
立体化学基本概念
立体异构现象
立体异构体
分子式相同，但空间排列不同的化合 物，具有不同的物理和化学性质。
碳原子手性判断
对称面与对称中心
若一个分子中存在一个对称面或对称中心，则该分子不具有旋光性。对称面是指能将分子分为两个互为镜像的部 分的平面；对称中心是指能将分子中任意一点与另一点重合的点。
潜手性与非对映异构体
潜手性是指分子中某些基团可以围绕单键旋转而产生手性的现象。非对映异构体是指具有相同分子式、不同结构 且不能通过旋转操作相互转化的立体异构体。
感谢观看
。
化学性质差异
手性分子在化学反应中可能表 现出不同的反应速率和选择性
。
生物活性差异
许多生物活性物质都是手性的 ，其生物活性与手性密切相关 ，不同手性分子的生物活性可
能存在显著差异。
手性识别与拆分方法
手性识别
通过对手性分子的结构和性质进行分析，确定其手性特征。常见的方法包括X射线晶体学、圆二色光 谱、核磁共振等。
构型与构象
构型
分子中原子或基团在空间中的相 对位置关系，是固定的空间排列
。
构象
由于单键旋转而产生的不同空间排 列，是动态的空间排列。
构型与构象的关系
构型是构象的基础，构象是构型的 动态表现。不同的构型可能产生不 同的构象，而同一构型也可能产生 多种不同的构象。
02
碳原子立体化学
碳原子杂化类型
sp杂化
03
contents
目录
• 立体化学基本概念 • 碳原子立体化学 • 手性分子结构与性质 • 立体化学在有机合成中应用 • 立体化学在药物设计中的应用 • 实验方法与技巧
01
立体化学基本概念
立体异构现象
立体异构体
分子式相同，但空间排列不同的化合 物，具有不同的物理和化学性质。
碳原子手性判断
对称面与对称中心
若一个分子中存在一个对称面或对称中心，则该分子不具有旋光性。对称面是指能将分子分为两个互为镜像的部 分的平面；对称中心是指能将分子中任意一点与另一点重合的点。
潜手性与非对映异构体
潜手性是指分子中某些基团可以围绕单键旋转而产生手性的现象。非对映异构体是指具有相同分子式、不同结构 且不能通过旋转操作相互转化的立体异构体。
感谢观看
。
化学性质差异
手性分子在化学反应中可能表 现出不同的反应速率和选择性
。
生物活性差异
许多生物活性物质都是手性的 ，其生物活性与手性密切相关 ，不同手性分子的生物活性可
能存在显著差异。
手性识别与拆分方法
手性识别
通过对手性分子的结构和性质进行分析，确定其手性特征。常见的方法包括X射线晶体学、圆二色光 谱、核磁共振等。
构型与构象
构型
分子中原子或基团在空间中的相 对位置关系，是固定的空间排列
。
构象
由于单键旋转而产生的不同空间排 列，是动态的空间排列。
构型与构象的关系
构型是构象的基础，构象是构型的 动态表现。不同的构型可能产生不 同的构象，而同一构型也可能产生 多种不同的构象。
02
碳原子立体化学
碳原子杂化类型
sp杂化
03
3立体化学
CH2 H3C CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3
二、乙烯的sp2杂化 π键
C2H4 即 CH2=CH2 的结构式:
. .× . H×C .× C× H .× ×. H H
H
H C H
H
H C H
所有的原子都是处 在同一平面上。如何 解释这个问题？
121.7°
O H H H H O H H
H Cl H H H O H
2-氯乙醇 乙二醇 氯乙醇 大多数分子主要以交叉式构象的形式存在； 大多数分子主要以交叉式构象的形式存在； 在乙二醇和2-氯乙醇分子中 由于可以形成分子内氢键， 氯乙醇分子中， 在乙二醇和 氯乙醇分子中，由于可以形成分子内氢键， 主要是以邻交叉构象形式存在。 主要是以邻交叉构象形式存在。
H
22.6 14.6 3.8
CH3 H H CH3 H H H 3C H H CH3 H H H H H
14.6 3.8
CH 3 CH 3 H CH3 H H CH3 H H
0
60
120
180
240
300
360
degrees of rotation
四、其他链烷烃的构象
高级烷烃的碳链呈锯齿形
H H H H
3
H3CCH3 H
CH3
H3CH CH3 H
CH3
旋60°
H H 全重叠 H H H H 部部部部 H3CH
120°
H H
180°
CH H 3 部部部部 CH3
H H CH3 全部部 H3CCH3
H H
240°
H3C H H H
300° H3C
H H 部部部部
二、乙烯的sp2杂化 π键
C2H4 即 CH2=CH2 的结构式:
. .× . H×C .× C× H .× ×. H H
H
H C H
H
H C H
所有的原子都是处 在同一平面上。如何 解释这个问题？
121.7°
O H H H H O H H
H Cl H H H O H
2-氯乙醇 乙二醇 氯乙醇 大多数分子主要以交叉式构象的形式存在； 大多数分子主要以交叉式构象的形式存在； 在乙二醇和2-氯乙醇分子中 由于可以形成分子内氢键， 氯乙醇分子中， 在乙二醇和 氯乙醇分子中，由于可以形成分子内氢键， 主要是以邻交叉构象形式存在。 主要是以邻交叉构象形式存在。
H
22.6 14.6 3.8
CH3 H H CH3 H H H 3C H H CH3 H H H H H
14.6 3.8
CH 3 CH 3 H CH3 H H CH3 H H
0
60
120
180
240
300
360
degrees of rotation
四、其他链烷烃的构象
高级烷烃的碳链呈锯齿形
H H H H
3
H3CCH3 H
CH3
H3CH CH3 H
CH3
旋60°
H H 全重叠 H H H H 部部部部 H3CH
120°
H H
180°
CH H 3 部部部部 CH3
H H CH3 全部部 H3CCH3
H H
240°
H3C H H H
300° H3C
H H 部部部部
第三章立体化学基础
2、D/L命名法 这是与（+）—甘油醛比较得出的，故用 这种方法标记的构型叫相对构型。 当一个光活性化合物在发生反应时，只 要不对称中心的键不发生断裂，分子的空 间构型就保持不变。例如：
CHO H OH CH 2OH D-(+)-甘油醛 [O] H COOH [H] OH CH 2OH D-(-)-甘油酸 H CH 3 D-(-)-乳酸 OH COOH
COOH
OH
H
OH
CH3
CH3
例如：(+)- 酒石酸
COOH H HO C C OH H
H HO COOH OH H COOH
透视式
COOH
Fischer投影式
例如： COOH
H C OH Fischer 投影式 HO
CH3
COOH H CH3
CHO H C CH3 Fischer 投影式 H CHO NH2 CH3
H3 C C2 H5 H OH
-OH >-CH2CH3 >-CH3 > H
R-2-丁醇
（3）若手性碳连有含重键的基团时，则可 看作多次与同一原子相连。例如：
-CHO < H,O,O
H3C CHO H CH2OH
-COOH O,O,O
< -CH2SH H,H,S (S>O)
-CHO>-CH2OH>-CH3>H
Fischer规定D-(+)甘油醛的Fischer投影式如下：
CHO H OH CH2OH HO CHO H CH2OH
D-(+)甘油醛
L-(-)甘油醛
羟基在右边即为D-型，在左边为L-型。 将其他手性化合物的Fischer投影式与甘油醛的 比较，若手性碳上的取代基写在碳的右边， 就称该化合物为D-型；反之，为L-型。
立体化学基础
21
（2）取代环己烷的构象
当环己烷分子中的一个氢被其它基团取代时，可取代 ａ键，也可以取代ｅ键，得到两种不同的构象。
甲基环己烷：
优势构象(95%)
22
（2）取代环己烷的构象
取代环己烷优势构象判断的一般规律： 一元取代环己烷，e键取代最稳定; 多个相同取代基的环己烷，e键取代最多的
构象最稳定； 含不同的取代基的环己烷，较大的基团在e
键（平伏键）或ｅ键。
18
椅式构象中的横键和竖键
竖键（a）
横键（e）
三上三下， 三左三右， ae夹角109°
19
（2）椅式构象中的横键和竖键
翻环作用: 当环己烷的一个椅式构象转变为另一个椅 式构象时，原来的ａ键将转变为ｅ键，而ｅ键也相应 转变为ａ键。
20
椅式构象中的横键和竖键 椅式构象的特点:
① 椅式构象中1.3.5碳在一个平面， 2.4.6碳在另一平面，两平面相距 0.5nm。 ② 分子中有6个α键(直立键)，6个 e键(平伏键)。 ③ 构象具有转环作用(104~105次/秒)。
2 x 1.0 = 2.0
2 x 11.4 = 22.8
叔丁基是一个很大的基团，一般占据e键。
26
26
（2）二取代环己烷的构象
某些取代环己烷，张力特别大时，环己烷的椅 式构象会发生变形，甚至会转变为船式构象
CH3
H3C
CH3
C
H
H C(CH3)3
C(CH3)3 C(CH3)3
H
椅式
船式 优势构象
27
CH3
(2)
Br
(H3C)3C Br
H
OH OH
CH3 H
OH
H O
（2）取代环己烷的构象
当环己烷分子中的一个氢被其它基团取代时，可取代 ａ键，也可以取代ｅ键，得到两种不同的构象。
甲基环己烷：
优势构象(95%)
22
（2）取代环己烷的构象
取代环己烷优势构象判断的一般规律： 一元取代环己烷，e键取代最稳定; 多个相同取代基的环己烷，e键取代最多的
构象最稳定； 含不同的取代基的环己烷，较大的基团在e
键（平伏键）或ｅ键。
18
椅式构象中的横键和竖键
竖键（a）
横键（e）
三上三下， 三左三右， ae夹角109°
19
（2）椅式构象中的横键和竖键
翻环作用: 当环己烷的一个椅式构象转变为另一个椅 式构象时，原来的ａ键将转变为ｅ键，而ｅ键也相应 转变为ａ键。
20
椅式构象中的横键和竖键 椅式构象的特点:
① 椅式构象中1.3.5碳在一个平面， 2.4.6碳在另一平面，两平面相距 0.5nm。 ② 分子中有6个α键(直立键)，6个 e键(平伏键)。 ③ 构象具有转环作用(104~105次/秒)。
2 x 1.0 = 2.0
2 x 11.4 = 22.8
叔丁基是一个很大的基团，一般占据e键。
26
26
（2）二取代环己烷的构象
某些取代环己烷，张力特别大时，环己烷的椅 式构象会发生变形，甚至会转变为船式构象
CH3
H3C
CH3
C
H
H C(CH3)3
C(CH3)3 C(CH3)3
H
椅式
船式 优势构象
27
CH3
(2)
Br
(H3C)3C Br
H
OH OH
CH3 H
OH
H O
第三章 立体化学
构象异构
HH
H
conformational HH H H H
异构现象：由化学键的刚性和方向性引起的
2
3.1 构象与构象分析
• 构象：
由单键旋转所形成的分子中基团在空间不同排列的立体 形象。
是立体异构中的一个重要结构层次，是在构造、构型确 定的基础上因为单键的旋转而产生的分子中的原子或原子团 在空间的排列。
CH3
H
H
CH3
H
CH3
H3CCH3
HCH3
H
H
CH3
对位交叉式
H
H
H
邻位交叉式
H H
HH
H3C H
H
全重叠式 部分重叠式
构象稳定性： 对位交叉式 > 邻位交叉式 > 部分重叠式 > 全重叠式 最稳定的对位交叉构象是优势构象，能量最低。。
7
正 丁 烷 构 象 分 析 势 能 图
8
注意：并不是任何化合物都是对位交叉构象所占比例 大于邻位交叉构象。
碳链（碳架）异构
构造异构
官能团位置异构
constitutional
OH OH OH
isomers
同
官能团异构 CH3CH2OH CH3 O CH3
分 异 构
enantiomers
configurational 对映异构
构型异构
顺反异构
非对映异构
立体异构
stereoisomers
diastereomers 光学异构( 非物象关系)
第三章 立体化学
Stereochemistry
• 立体化学（Stereochemistry）就是空间化学（1874） • 立体化学的任务：研究分子的立体形象及与立体形象相 联系的特殊物理性质和化学性质的科学。 • 有机立体化学
有机化学第三章立体化学基础(2024)
实例三
手性药物的合成。手性药物是指具有手性中心的药物分子。在合成手性药物时，需要利用 立体化学原理来控制产物的立体构型。例如，通过引入手性辅剂或利用不对称催化等方法 ，可以实现手性药物的高效合成。
22
06
2024/1/25
立体化学在药物设计中的重要性
23
药物活性与手性关系
手性对药物活性的影响
手性药物的两个对映异构体可能具有 不同的生物活性，其中一个可能具有 治疗效果，而另一个可能无效或有毒 。
手性中心判断方法
7
2024/1/25
03
观察碳原子连接的四个基团或 原子是否相同，若不相同则为 手性中心。
04
使用Cahn-Ingold-Prelog规则 （CIP规则）进行判断。
9
手性分子表示方法
2024/1/25
Fischer投影式
01
将碳链竖直表示，横前竖后，横向基团朝右，纵向基团朝上。
透视式
一个物体不能通过旋转和平移操作与其镜 像完全重合的性质。
对称性的定义
一个物体可以通过旋转和平移操作与其镜 像完全重合的性质。
手性与对称性的关系
手性是对称性的一个特例，即没有对称中 心或对称面的物体具有手性。
手性在化学中的应用
手性化合物在生命体系中具有重要的作用 ，如氨基酸、糖类等。
5
构型与构象
构型的定义
02
将碳链放平，基团朝向观察者方向。
Newman投影式
03
沿碳-碳键的键轴方向观察，将碳原子和与之相连的基团放在纸
平面上，其他基团则竖立在纸平面上。
10
2024/1/25
03
对称性与对称操作
11
对称元素及类型
手性药物的合成。手性药物是指具有手性中心的药物分子。在合成手性药物时，需要利用 立体化学原理来控制产物的立体构型。例如，通过引入手性辅剂或利用不对称催化等方法 ，可以实现手性药物的高效合成。
22
06
2024/1/25
立体化学在药物设计中的重要性
23
药物活性与手性关系
手性对药物活性的影响
手性药物的两个对映异构体可能具有 不同的生物活性，其中一个可能具有 治疗效果，而另一个可能无效或有毒 。
手性中心判断方法
7
2024/1/25
03
观察碳原子连接的四个基团或 原子是否相同，若不相同则为 手性中心。
04
使用Cahn-Ingold-Prelog规则 （CIP规则）进行判断。
9
手性分子表示方法
2024/1/25
Fischer投影式
01
将碳链竖直表示，横前竖后，横向基团朝右，纵向基团朝上。
透视式
一个物体不能通过旋转和平移操作与其镜 像完全重合的性质。
对称性的定义
一个物体可以通过旋转和平移操作与其镜 像完全重合的性质。
手性与对称性的关系
手性是对称性的一个特例，即没有对称中 心或对称面的物体具有手性。
手性在化学中的应用
手性化合物在生命体系中具有重要的作用 ，如氨基酸、糖类等。
5
构型与构象
构型的定义
02
将碳链放平，基团朝向观察者方向。
Newman投影式
03
沿碳-碳键的键轴方向观察，将碳原子和与之相连的基团放在纸
平面上，其他基团则竖立在纸平面上。
10
2024/1/25
03
对称性与对称操作
11
对称元素及类型
有机化学 第3章 立体化学
COOH H3C OH H 实物 C HO 镜子
COOH C CH3 H 镜象
乳酸分子的一对对映体
四面体碳
连接四个不同原子(团)
C
§3.2 偏振光和分子的旋光性(P61)
旋光度：a
平面偏振光：通过Nicol棱镜后，只在一个方向上振动的光 旋光性(光学活性, optical activity)：物质使平面偏振光发生旋
F
H
H F
H
Cl
依据对称元素判断旋光性:
当分子中有对称面或对称中心时,其实物与镜象的分子可 以完全重合,分子就没有旋光性。
反之,当分子中没有对称面或对称中心时，(在绝大多 数情况下)其实物与镜象就不能叠合，产生对映异构现象, 如同左右手的关系,故又称为手性。
手性分子
旋光性
判断下列化合物是否有手性碳？是否是手性分子?
例如，在温度为20°C时，用钠光灯为光源 测得的葡萄糖水溶液的比旋光度为右旋52.2°, 应记为：[α]D20=+52.2°（水）
§3.3 对称元素和手性(P62)
如何依据结构判断分子是否有旋光性？
与分子的对称性有关——需要考虑的对 称元素主要有以下三种:
(甲) 对称轴（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axis symmetry （又称Cn阶对称轴）
自然界: 糖类、氨基酸、生物碱、萜类、甾体化合物
不对称有机合成反应
2. 获得手性分子的重要意义要部分大多数是以一种 对映体形式存在的。故药物与其作用也是以手性的方式进 行的。
§3.6 含一个手性碳原子的化合物(P66)
一、 手性分子的表示方法
手性分子与手性生物受体之间的相互作用
第三章 立体化学
尼可尔棱镜
平面偏振光
平面偏振光的模型
旋光性与旋光性物质
装入水、或乙醇
光源 自然光 尼科尔 偏振光 样品管 尼科尔
偏振面不改变
偏振面发生偏转
装入葡萄糖水溶液
旋光性——物质使偏振光偏转面发生旋转的特性 ➢ 旋光 性 物 质 ——使偏振光偏转面发生旋转的物质 ➢ 非旋光性物质——不能使偏振光偏转面发生旋转的物质
构造 constitution 构型 configuration 构象 conformation
同分异构 isomerism
构造异构 constitutional
碳架异构 官能团异构 位置异构 互变异构
立体异构 Stereo-
构型异构
顺反异构
configurational 手性异构
构象异构
旋转异构
1902年获诺贝尔化学奖
In recognition of the extraordinary services he has rendered by his work on sugar and purine syntheses
埃米尔·费雪 Hermann Emil Fisher
1852～1919 Germany
COOH
H
OH
H
OH
COOH
COOH
H
OH
HO
H COOH
COOH
H *C OH
H C OH COOH
COOH
HO
H
H
OH
COOH
* H
OH
H
OH
COOH COOH
H
OH
COOH
H
OH
COOH
第二节 立体化学中的顺序规则
有机化学第三章立体化学基础
H
HO
CHO
C H2O H
R
H
HO
CHO
C H2O H
结论：当最小基团处于竖键位置时，其余三个基 团从大到小的顺序若为顺时针，其构型为R；反 之，构型为S。
判断基团大小的依据是我们已经熟悉的顺 序规则
OH
COOH
COOH
COOH
CH HOOC CH3
(S)-
CH
CH3
OH
(S)-
C H
HO CH3 (R)-
Cl
Cl
H
H
-
H
（二） 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。
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。
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
丙酸
α
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，
以“α”表示。
COOH
H CH3CH2 COOH
CH3
COOH H CH2CH3
CH3
CH3 H COOH
CH2CH3
S
S
S
S
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？
第三章立体化学
CH3 CH-Br CH-Br CH2CH3
2，3-二溴戊烷
COOH CH-OH CH-Cl COOH
2-羟基-3-氯丁二酸 （氯代苹果酸）
CH3 CH-OH CH-C6H5 CH3
3-苯基-2-丁醇
29
（1）对映异构体的数目
COOH
COOH
H
OH
HO
H
H
Cl
Cl
H
COOH
COOH
(1) 对映体 (2)
10
4、判断手性分子的依据 （1）对称面s
假设分子中有一平面能把分子切成互为镜象的两半， 该平面就是分子的对称面，例如：
H
对称面
C
CH3
Cl
Cl
Cl C
H
H C
Cl
对称面
具有对称面的分子无手性。
11
（2）对称中心i
若分子中有一点P，通过P点画任何直线，如果在离P等距 离直线两端有相同的原子或基团，则点P称为分子的对称中心。
CHO
HO
H
CH 2OH
CH 2OH
H
OH
CHO
CHO
HO
H
CH 2OH
同一构型
CHO
H
OH
CH 2OH
OH与H对调一次 CHO与 CH2OH对 调 一 次
OH与H对调一次
对映体
27
5、相对构型和绝对构型
CHO HO H
CH2OH
L-(-)-甘油醛
L：左边； D：右边。
CHO
O
COOH
H
H OH
H OH
式中，两个H在同一侧，称为赤式，在不同 侧，称为苏式。
有机化学第三章-立体化学
顺 _1,2_二氯乙烯 Z _1,2_ 二氯乙烯
H
Cl
C=C
Cl
H
反_ 1,2 _ 二氯乙烯 E _1,2_ 二氯乙烯
3.顺 / 反标记法和Z/E标记法一致吗？
两种标记方法绝大多数情况下一致，即顺式 就是Z 式，反式就是E式。但有时却刚好相反。
H
COOH
C=C
CH3
CH3
顺 _ 2 _ 甲基 _ 2 _ 丁烯酸
合霉素 —— 外消旋体 已淘汰
手性药物 ——二十一世纪的宠儿
第五节 构象异构
构象异构产生的原因：
由于以σ键 连接的两个原子可以相对的自由旋转，
从而使分子中的原子或基团在空间有不同的排布方式。
2、每个双键或环上碳原子上连接两个不 同基团
顺反异构体的命名：
1. 顺/反构型标记法：
a
a
C=C
b
b
a
b
C=C
b
a
a
a
b
b
顺式 (cis_)
反式 (trans_ )
顺式 (cis_)
a
b
b
a
反式 (trans_ )
相同的原子或基团位于双键（或环平面）的同侧为 “顺式”；否则为“反式”。
2. Z /E构型标记法：
CH3 H Cl
C2H5
C2H5
旋转180°Cl
H
构型保持
CH3
旋转90°
C2H5
H CH3
Cl
构型改变
2 投影式不能离开纸面翻转。
3 投影式手性C原子上所连的原子或基 团，可以两—两相互交换偶数次，不能 交换奇数次。
CH3 H Cl
C2H5
有机化学第三章 立体化学
两种标记方法绝大多数情况下一致，即顺式 就是Z 式，反式就是E式。但有时却刚好相反。
H C H3 CO O H C H3 H C H3 C H3 CO O H
C=C
C=C
_ _ _ _ 顺 2 甲基 2 丁烯酸 _ _ _ _ 2 甲基 2 丁烯酸 (E)
_ _ _ _ 反 2 甲基 2 丁烯酸 _ _ _ _ (Z) 2 甲基 2 丁烯酸
1、测得一个葡萄糖溶液的旋光角为+3.4°，而 葡萄糖的比旋光度为+ 52.7(°)· ml· g-1· dm-1，若 盛液管长度为1dm，计算出葡萄糖的浓度为
3.4 1 B 0.0646 ( g.m l ) m· l 52.7 1
同样也可通过已知旋光度物质的浓度而求得该 物质的比旋光度。
（-）-麻黄碱 （1R，2S）
2
1
H C OH H C NHCH3 CH3
（+）-麻黄碱 （1S，2R）
2
1
HO C H H C NHCH3 CH3
2
1
H C OH H3CHN C H CH3
（+）-伪麻黄碱
（1S，2S）
2
1
（-）-伪麻黄碱 （1R，2R）
说明：
1、n个不同C* ， 产生 2n 个对映异构体
L-（-）-甘油醛
CHO HO H CH2OH
Br2/H2O
COOH HO H CH2OH
L-(-) -甘油醛
L-(+) -甘油酸
说明：D,L-构型与旋光方向无简单对应关系， 旋光方向是由旋光仪实际测得的。
（二） R、S 标记法
（序旋标记法）
1.排序:将四个基团按顺序规则排序,a>b>c>d。 2.定向:从最小基团d的对面进行观察，C-d键。
H C H3 CO O H C H3 H C H3 C H3 CO O H
C=C
C=C
_ _ _ _ 顺 2 甲基 2 丁烯酸 _ _ _ _ 2 甲基 2 丁烯酸 (E)
_ _ _ _ 反 2 甲基 2 丁烯酸 _ _ _ _ (Z) 2 甲基 2 丁烯酸
1、测得一个葡萄糖溶液的旋光角为+3.4°，而 葡萄糖的比旋光度为+ 52.7(°)· ml· g-1· dm-1，若 盛液管长度为1dm，计算出葡萄糖的浓度为
3.4 1 B 0.0646 ( g.m l ) m· l 52.7 1
同样也可通过已知旋光度物质的浓度而求得该 物质的比旋光度。
（-）-麻黄碱 （1R，2S）
2
1
H C OH H C NHCH3 CH3
（+）-麻黄碱 （1S，2R）
2
1
HO C H H C NHCH3 CH3
2
1
H C OH H3CHN C H CH3
（+）-伪麻黄碱
（1S，2S）
2
1
（-）-伪麻黄碱 （1R，2R）
说明：
1、n个不同C* ， 产生 2n 个对映异构体
L-（-）-甘油醛
CHO HO H CH2OH
Br2/H2O
COOH HO H CH2OH
L-(-) -甘油醛
L-(+) -甘油酸
说明：D,L-构型与旋光方向无简单对应关系， 旋光方向是由旋光仪实际测得的。
（二） R、S 标记法
（序旋标记法）
1.排序:将四个基团按顺序规则排序,a>b>c>d。 2.定向:从最小基团d的对面进行观察，C-d键。
[化学]第三章立体化学
![[化学]第三章立体化学](https://img.taocdn.com/s3/m/709be4fddd3383c4ba4cd248.png)
H Cl
H
H
H
Cl
Cl
H
Cl Cl HH
具有二重对 H 称轴，有旋 Cl 光性
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）。 如：
(N) (C)
CN>
> C CH > CH CH2
练习：
1.
C H
CH2
H3C CH CH3
HC C
3
4
1
CH3CH2
CH3
H
CH3 C CH3 CH3
2
5
6
7
O
O
O
2.
OR OH
C OR
C NH2 C OH
12
3
5
4
CH2OH
6
第三节 顺反异构
定义：有机物分子中如具有双键或环的存在，键的自由旋 转会受到阻碍，当双键或环上连接不同的原子或基团时， 就会产生顺式和反式的结构，这种异构现象称为顺反异构
第三章 立体化学基础
Organic Stereochemistry
（一） 分子模型的平面表示方法 （二） 立体化学的顺序规则 （三） 顺反异构 （四） 对映异构 （五） 构象异构
有机化合物异构现象的关系：
构造异构 异构现象
立体异构
碳架异构 官能团位置异构 官能团异构 互变异构
顺反异构 构型异构
对映异构 构象异构
ρB: 质量浓度(g/ml) l: 盛液管的长度(分米) t: 测定时的温度
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二、对映体及其光学活性
[α] = -3.8°
[α] = +3.8°
图 3.1 乳酸分子的两种构型
[α] = 0° 图 3.2 乳酸两种构型不能叠合
◆对映体：互为实物与镜像关系的两个分子互相称为对映体。 ◆对映体的构造相同，但分子的三维空间构型不同。 ◆互为对映体的两个手性分子具有不同的光学活性，它们的光 学活性用旋光度（Optical rotation）来反映 。 ◆旋光度：平面偏振光的偏振面旋转的角度。
exit
COOH H C OH
CH3
COOH HO C H
CH3
内容提要
§3-1 手性分子及其光学活性 一、手性和手性分子 二、对映体及其光学活性 三、旋光度的测定和表示 §3-2 手性分子的判定 一、含一个手性碳原子的化合物 二、旋光异构体构型的表示方法和命名
三、含两个不同手性碳原子的化合物 四、含两个相同手性碳原子的化合物 §3-3 手性分子的构型及其表示 §3-4 含多个手性碳的化合物 §3-5 不含手性碳的手性分子 §3-6 潜手性碳和潜手性面 §3-7 旋光异构体的理化性质 §3-8 外消旋体的拆分 §3-8 天然手性分子的生物活性
Pasteur由晶体的外形联想到酒石酸钠铵 的内部结构，认为物质的旋光活性是由于分子 中原子或基团的排列不对称，即分子有手性的 缘故。并明确指出，结构式相同的两种物质的 旋光活性差异是由于分子中的原子或基团在空 间的排列不同而引起的。
完全重合。
不能相互重合，但互为镜像。 互为镜像的两种构型的分子称为对映异构体。 与其镜像不能重合的分子称为手性分子。
2. 手征性分子
手征性分子 ——与自己的镜像不能重叠的分 子，也称为不对称分子。
1848年，法国科学家Pasteur发现无旋光活性 的酒石酸钠铵晶体是两种晶形的混合物，它们之 间的关系类似于两种石英晶体（Biot），具有手 征性，且互为实物和镜像不能重合。他用镊子将 这两种晶体分开，分别溶于水，二者均有旋光活 性，测得的比旋光度大小相等，方向相反。
1. 偏振光
(1) 偏振光 光波是一种电磁波，它是依靠 振动前进的，其振动方向垂直于前进方向。普 通光是由不同波长的光波组成的。
双箭头表示不同波长的 光可能的振动方向。
普通光振动示意图
但如果使普通光通过由方解石片组成的 Nicol棱镜或由人造偏振片制成的透镜，那么只 有振动方向与棱镜晶轴平行的光才能通过。这种 通过棱镜后只能在一个平面上振动的光称为平面
普通光和偏振光
2. 旋光活性 (1)旋光活性 使偏振光的偏振面发生旋转的性质。 (2)旋光活性物质 具有旋光性质的物质。
葡萄糖、肌肉运动和糖发酵产生的乳酸等。
(3)无旋光活性物质 对偏振光不发生影响的物质。 水、乙醇和丙酮等。
3. 旋光度 某种旋光性物质使偏振光的偏振面旋转的角
度，用表示 。
4. 右旋体 使偏振光的偏振面向右旋转的物质。 用（+）或（d）表示右旋。
偏振光（简称偏振光，1809年Malus首次发 现）。
平面偏振光振动示意图
(2)起偏镜 产生偏振光的棱镜——起偏镜。 (3)检偏镜 若要使偏振光射在第二个 Nicol棱镜上，只有当第二个棱镜的晶轴于第 一个棱镜的晶轴平行时，偏振光才能完全通 过，我们才能在第二个棱镜之后看到最大亮 度的光。也就是说，第二个棱镜可以检验偏 振光的振动方向——检偏镜。Βιβλιοθήκη [α]λt=α
—— c×l
或 —α—
d×l
C: g/ml l: dm
[α]λt
=
α
—— c×l
或 —α—
d×l
一般情况下，旋光仪所用的光源是
钠光灯，其波长 =589.3nm ,相当于太
阳光谱中的 D 系光线，若测定温度为
20℃ ，则比旋光度表示为 [α]20 。
D
例 葡萄糖水溶液，使偏振光向右旋转，在 如 20℃时用钠光源测其比旋光度为+52.7 °,
1848年，巴斯德指出旋光活性是分子的不对 称结构导致的， 并首次将酒石酸拆分为左旋体和 右旋体。1874年，范德霍夫和勒贝尔据此提出碳 原子四面体构型学说，这是立体化学的基础。正 四面体结构碳原子的存在是生命分子结构不对称 性的基础。关于有机分子结构不对称性的起源及 其在生命过程中的意义，迄今尚无完美的答案。
三、旋光度的测定和表示
普通光 ( 光源 )
尼科尔棱镜 偏振面平面
非旋光性物质 旋光性物质
图3.3 偏振光的形成和旋转
偏振面不变
α
旋光度
偏振面发生旋转
旋光异构现象——偏振光和旋光活性
牛奶发酵 肌肉运动 糖发酵
乳酸 ：C3H6O3 CH3CHCOOH OH
三种不同来源的乳酸，分子式相同，结构 式相同，但某些性质有差异。例如：使偏振光 振动平面旋转的方向不同。
5. 左旋体 使偏振光的偏振面向左旋转的物质。 用（-）或（l）表示左旋。
6. 旋光仪 测定旋光物质大小和旋转方向的仪器。
旋光仪示意图
7. 比旋光度 某物质的旋光度因溶液浓度、盛液管长度、 测定温度、光源波长及溶剂性质不同而变。为 比较各种旋光活性物质旋光性的大小，规定每 毫升含1g旋光性物质的溶液放在1dm长的样品管 中测得的旋光度为该物质的比旋光度，它是旋 光物质特有的物理常数。
表示为： [α]20 = + 52.7°（水）
D
例:
肌肉运动产生的乳酸
[α]=﹢3.8° (﹢)，右旋
糖发酵产生的乳酸
[α]=﹣3.8° (﹣)，左旋
牛奶发酵产生的乳酸
[α]=0°
(±)
？
§3-2 手性分子的判定
一、手性与分子结构之间的关系 1.手征性：实物和镜像不能完全重合的特性。 例1：人的左右手，互为实物与镜像的关系，不能
第三章 立体化学——旋光异构
Optical isomerism
碳链异构
构造异构 官能团异构
同
位置异构
分
互变异构
异
构
构象异构
立体异构 顺反异构（几何异构） 构型 旋光异构（光学异构）
§3-1 手性分子及其光学活性
一、手性和手性分子
手性：指物体和镜像不能完全叠合的性质。 手性物体：手性的本质是不对称性，一个不对称的物体一 定是具有手性的，该物体就称为手性物体。 手性是三维物体的基本属性，手性现象在自然界是普遍存 在的。 手性分子：具有手性的分子称为手性分子（Chiral molecule）或光学活性分子（optical active molecule）。 很多天然分子都是手性分子，如糖、氨基酸、蛋白质、核 酸等。