第二讲 手性概述

① 对称面 (m) 如果一个分子的所有原子都处在一个平面 上，或者有一个能把分子分为物体和镜像两部 分的平面，该平面称为这个分子的对称面。 如果一个分子能够被一个平面分割成两个 部分，而这两个部分刚好互为实物与镜像关系 ，那么这个平面即为此分子的对称平面，该分 子则具有平面对称因素，这就是一个对称分子 ，它和它的镜像能够彼此重叠，所以分子是非 手性分子。
非对映异构体(diastereoisomers) 非对映异构体 (diastereoisomers) 是指分子具有二个 或多个手性中心，并且分子间为非镜像的立体异构体。 具有一个以上手性中心的化合物存在许多对对映异构 体或非对映异构体。非对映体被定义为具有相同化学组成 ，但不是镜像，在分子中的一个或多个不对称中心具有不 同的构型而彼此不同的物质。非对映异构体之间不呈镜面 对称，具有不同的物理性质，其混合物能够被分离。例如 ，2-氯-3-羟基丁烷，可以画出四个不同的结构:二对对映体 化合物，四个非对映体化合物。
D和L异构体 D和L用于标记分子的绝对构型，传统上常用于标记生化 过程中的重要化合物。它们本身并不具有专一性并且也不 能确定旋光的方向。D/L标记需要参照化合物，一般按照与 D-或L-甘油醛的绝对构型的实验化学关联而指认。D/L标记 常被用来描述氨基酸或糖。此外，现在已经很少使用 D 和 L 标记。也常用小写的 d 和 l 来表示，它仅仅与偏振光的旋转 方向有关。 (+)- 甘油醛的构型被指定为 D 构型， (-)- 甘油醛为 L 构型 ，其他分子构型与(+)-甘油醛构型相似的标记为D，与(-)-甘 油醛相似的标记为L。 （Fischer惯例）
构象异构体 如果两个或两个以上的化合物通过 σ 键的旋转而相关， 则互称为构象异构体。构象异构体为立体异构体的一种。 碳是四价原子，能够形成四根共价键。一旦形成键，这 些键将指向四面体的四角。然而，一旦存在一个以上的四面 体中心，这些四面体之间将有一系列不同的空间排列方式。 举一个简单的例子，乙烷具有两个sp3碳中心。随着碳-碳键的 旋转能够画出多种结构，其中有两种极限式:其中一种结构式 中所有的键相互重叠(重叠式)，另一种结构式中所有的键相 互离得尽可能地远(交叉式) 。
2.3.2
立体异构
几何异构体 （1）顺/反异构体
E/Z异构体
当几何异构体被三或四取代基时(此处不将氢作为取代基) ，顺反标记则无法满足要求。可采用另一种标记体系，此体 系根据取代基确定基团优先顺序，规定原子序数高的取代基 较优先。
优先顺序高
Br
优先顺序高
F
优先顺序高
Br
优先顺序低
H
Cl
H
Cl
F
优先顺序低 Z
外消旋体(raceme)是指两种对映体的1:1混合物，可用dl或 (±)表示。外消旋体也称为外消旋物或外消旋混合物。外消旋 化racemization是指一种化合物转化为两个对映异构体的等量 混合物的过程。内消旋体(mesomer)是指分子内具有2个或多个 非对称中心，但又有其他对称因素，如对称面等存在，因而使 整个分子不具有对称性，没有对映异构体存在，用meso表示， 例如内消旋酒石酸。
非对映异构体是旋光异构体，具有旋光性，但在某种 情况下，它的旋光度为零，这就是内消旋体。
在酒石酸分子中含有两个手性碳原子，这两个碳原子 上所连接的基团相同，这是两个相同的手性碳原子，图 中化合物(3)没有手性、无旋光性，称为内消旋体酒石酸 (meso tartaric acid) 。化合物（ 1 ）和（ 2 ）为对映异 构体，其中（ 2 ）为右旋酒石酸，（ 1 ）为左旋酒石酸， 它们的等量混合物就是外消旋酒石酸。 （1）与(3)或（2）与(3)之间的关系不是物体与镜像的关 系。它们叫做非对映异构体。非对映异构体的化学性质 基本上相同，但是物理性质却不同，例如熔点、密度、 介电常数、溶解度等都不相同，其旋光性差异更大。表21所示各种酒石酸立体异构体的物理性质。
Cat.*
Rh
+ OCH 3
OCH3 H
COOH H NH2 HO OH L-Dopa
治疗帕金森病
(S)-Metolachlor (Novatis, 1996) 不对称合成最大的工业化例子（>10,000 吨/年）
H3CO N O CH2Cl H3CO N O CH2Cl H3CO N O CH2Cl H3CO N O CH2Cl
aR, 1'S
aS, 1'S
aR, 1'R
aS, 1'R
2 active stereoisomers
H3CO
2 inactive stereoisl Cl
[Ir(COD)Cl]2 / L* ee 79% TON 1 000 000 TOF 30 000/s
material MEA-imine
除草剂
2.3.1 异构体 构造异构体 由于共价键的排列(顺序)不同而形成的同分异构体称为 构造异构体，构造异构可能导致形成不同的官能团。构造异 构体有时也称为构成异构体。 构造异构体常用于区分具有相同分子式但物理性质不同 的两种化合物。乙醇和甲醚，它们是不同种类的化合物。1丙醇(CH3CH2CH2OH，沸点为97.4℃)和2-丙醇CH3CHOHCH3, 沸点为82.4℃)都是分子式为C3H6O的醇，但它们是构造异构 体。它们不能通过键的旋转而互变，并且也不呈镜面对称， 因此它们不属于其他类别的异构体。
含有n个互异性手性碳原子的化合物则有可能存在2n个立体异构体
从这些结构中可以看出，D-赤藓糖(4)和L-赤藓糖(5)互为对 映体异构体，(D)-苏糖(6)和 L-苏糖(7)也互为对映体。而赤藓糖 和苏糖之间则为非对映体，即结构式(4)与(6)和(7)以及结构式(5) 与(6)和（7）之间不存在实物与镜像的对映体关系。
2 手性概述Chirality
2.1 手性概念的提出 2.1.1 手性概念 术语"手性"（Chirality），是参照人的左右手不能相互 重叠而来。当一个物体不能与其镜像重合时，被称为手 性物体，正如我们的左手右手一样。“cheir”是古希腊 语中手的意思。
2.2 手性的意义
我们周围的世界是手性的，构成生命体系的生物大 分子的大多数重要的构件仅以一种对映形态存在。 一般就手性化合物而言，可能有四种不同的行为:(1) 只有一种异构体具有所希望的生物活性，而另一种没有显 著的生物活性； (2)两种对映体都有等同的或近乎等同的 定性和定量的生物活性； (3)两种对映体具有定量上等同 的但定性上不同的活性； (4)各对映体具有定量上不同的 活性。例如，它们可能有不同的味道，不同的气味，最重 要的是，各对映体可能表现出极不相同的生理行为。广泛 应用于农业的手性除草剂、杀虫剂和植物生长调节剂同样 表现出强烈的生物识别作用。
构型异构体 立体异构体:其分子由相同数目和相同类型的原子组成 ，是具有相同的连接方式但构型不同的化合物。其分子具有 相同的元素组成(也有相同的官能团组成)，但是官能团在三 维空间上的排列不同，这种立体异构体也称为构型异构体。 构型异构体不能通过键的旋转，而只有通过键的断裂和形成 才能互相转变。构型异构体有两种:几何异构体和旋光异构 体。
数字1到4表示优先顺序从高到低，可以看出L-丙氨酸取代 基优先顺序和L-甘油醛的一致。但是由于这一体系不考虑取代 基的化学性质，因而被淘汰了。有可能D构型的旋光为(-)，反 之亦然。如L-(-)-甘油醛的氧化物2,3-二羟基丙酸为L-(+)-型羧酸。
使用R/S标记必须遵守卡恩-因格德-普里洛 格(Cahn-Ingold-Prelog)规则： ★根据与手性中心相连基团的优先顺序将 其进行排列，分别标记1到4，其中1的优先 顺序最高。 ★从最低优先顺序基团的对面观察余下的 三个基团，按基团1、2、3的顺序画圈。 ★如果所画圈的方向为顺时针，则手性中 心 标 记 为 R( rectus ) ， 逆 时 针 则 标 记 为 S(sinister)。 ★对于每一个手性中心重复上述三步。
右旋和左旋对映体的等摩尔混合物称 为外消旋混合物或外消旋体。当然，它的 旋光值应该是零，因为两个对映体的数值 相等方向相反的旋光彼此抵消。如d-和l-乳 酸的l:1混合物对平面偏振光不产生净偏转， 这一比例的对映异构体混合物称为外消旋 体。外消旋混合物在其分子名称的前面冠 以(±)或(dl)，或rac。许多天然产物和药品 具有手性中心，都有对映异构体。但是由 于生物作用中特定的三维结构要求，通常 天然产物、酶或药物靶点只能识别一个异 构体。
获得手性化合物的不同途径
天然手性 化合物 消旋 化合物
或
手性池
或
拆分
和
前手性 化合物
催化不对称合成
孟山都公司的L-多巴生产工艺 第一例工业化成功的催化不对称反应（1970’S）
COOH NHCOCH3 AcO OMe
MeO P MeO P H
H2
COOH H NHCOCH3 AcO OMe HCl
旋光纯
单一对映异构体的样品是旋光纯的。然而通常 情况是能检测到旋光，但又低于纯异构体的旋光值 ，这是由于其中一种对映异构体过量。对映体过量 百分数用e.e.表示。在手性化合物的合成中常用到e.e. 值，然而只有当对映异构体被分离后才能确定e.e. (enantiomeric excess)值。
光学活性、光学异构体和光学纯度 光学活性 : 实验观察到的一种物质将单色平面偏 振光的平面向观察者的右边或左边旋转的性质。 光学异构体 : 对映体的同义词，现已不常用，因 为一些对映体在某些光波长下并无光学活性。 光学纯度:根据实验测定的旋光度，在两个对映异 构体混合物中一个对映体所占的百分数，不能用于 叙述由其它方法测定的对映体纯度。
对称中心 (i) 如果在所有穿过分子中心的直线上，离中心等距离处都有 相同的原子(团)，则此中心称为对称中心。
简单旋转对称轴 (Cn) 当一条直线穿过一个分子并使这个分子以该条直线为轴 旋转(2π/n)角度后仍能与原来分子中的各原子(团)的空间排 列相同，即分子的空间图形复原，该直线就是这个分子的 简单对称轴。任何分子都有C1对称元素，而有无Cn轴也不 能对分子有无手性作出判断，如内消旋酒石酸和光活性的 酒石酸都有C2轴。
amount 10,000 Kg
1'S
H3CO N O CH2Cl H3CO N O CH2Cl Fe P PPh2
2
[Ir(COD)Cl2]2
Ligand NaI H2SO4
34 g
68 g 92 g 250 g
aR, 1'S (S)-Metolachlor
aS, 1'S
Xyl-Josiphos
H. U. Blaser, ASC 2002, 344, 17
2.3.3 手性，对映体和光学活性 偏振仪
具有光学活性的化合物对平面偏振光产生的偏转角度称为 旋光度，符号为α。利用旋光仪测定旋光度时，除了光活性化 合物本身的性质之外，还有一些因素影响α，如光源的波长、 温度、样品液的浓度、溶剂的类型和样品管的实际长度。所以 一般采用比旋光度 [α] ，而不是旋光度 α 。比旋光度 [α] 的定 义是：采用 10 厘米长的样品管和样品浓度为 1g/ml 时所测定的 偏转角度。
优先顺序低
优先顺序低 E
优先顺序高
左边结构的碳-1上，Br原子序数大于Cl，因此Br优先于Cl, 碳-2上F优先于H。因此，在左边结构中，两个高优先的取代 基位于同一侧，此构型标记为Z (类似于顺式)。 相反地，在右边结构中，两个高优先顺序的基团位于分子的 两侧，被标记为E。
E和Z标记应用于有三取代基或四取代基的不能用顺式， 反式标识的几何异构体。在判断Z/E构型之前，应根据基团的 原子序数判断各取代基的优先顺序。Z构型(类似于顺式)表示 高优先的基团位于分子的同一侧，而E构型(类似于反式)意味 着它们分别处于分子的异侧。
旋光异构体
① 对映异构体(enantiomers) 一对化合物分别具有一个或者多个手性中心并且两者 互为实物与镜像的关系，称为对映异构体。“enantio”在 古希腊语中的是“相反”的意思，“对映体” 是一种特 殊的立体异构体，是指无法相互叠合的互为镜像的一对分 子。对映异构体在非手性环境中具有相同的物理和化学性 质（比如熔、沸点和溶解度），唯一的不同是它们对于偏 振光的偏振方向不同，它们对偏振光旋转角度相同但方向 相反。常被称为旋光异构体。 。