高等有机化学课件3-第三章 立体化学
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(S)
顺时针旋转为S
CH2OH HO H CHO
(R)
B.具有其他手性原子的四面体结构分子 （含Si、Ge、Sn、N的化合物）
O16 PhCH2 S O18 PhCH3
O16 O17
P
O18 OR
2-
Me Et n-Pr
N CH2Ph Br
Me Et n-Pr N O-
C.具有三价手性原子的化合物
3-1-1 概念
（一）光学活性物质：能使偏振光平面发生 偏转的物质称为光学活性物质。 （Optically active compounds） （二）手性： 光学活性的化合物与其镜像 不能完全重叠的这种性质又称为“手 性”。（Chirality）
（三）非手性：分子具有能与其镜像重合的 性质 (Achirality)
例如：
H
H C C C CH3
H CH3
CH3
1
H
2
CH3
3
R
（三）螺旋型手性分子
H H
hexahelicene
trans-cyclooctene
（四）其它手性分子
CH3 CO2H
HO2C (CH2)10
Fe
HO2C
H Fe(CO)4
H
CO2H
3-1-4 具有多个手性中心的分子
(一)具有两个手性中心 例:
对位交叉
CH3 CH3 H H H H
邻位交叉
第三章：立体化学
•3－1 光学活性与手性 •3－2 顺反异构 •3－3 构象分析
3-1 光学活性与手性
3-1-1 3-1-2 3-1-3 3-1-4 3-1-5 3-1-6 概念 光学活性分子的判断 光学活性分子的种类 具有多个手性中心的分子 对映异构体的构型测定 光学活性化合物的获得
构象 Conformation
分子式相同，原子间的成键顺序不同。
构造异构 Constitutional isomerism
碳骨架异构 官能团位置异构 官能团异构、互变异构
同分异构 isomerism
分子构造相同，原子在空间的排列不同。 构型异构 顺反异构 cis-trans isomer Configurational 对映异构 enantiomer isomerism 非对映异构 diasteroisomer 分子构型相同，由于单键 构象异构 Conformational 的自由旋转，原子或原子 团在空间的排列不同。 isomerism
（四）对映异构体：
光学活性化合物同其镜象分子称为对映 异构体。(Enantiomers)
A D B C
R S
A B C D
对映异构体的性质：
•对映异构体使平面偏振光偏转的方向相 反但是角度不同，其他物理、化学及光谱 性质相同。 • 对映异构体与手性化合物的反应速度不 同，与非手性化合物作用速度完全相同。
..
N C A B
通常的三取代胺， 构型翻转非常快。
Cl H N Me
H N Cl Me
(室温下不翻转， 可以分离得到。)
•氮原子出于桥头时
N CH3 N CH3
Troger’s base
As原子：
..
As Et Me
S原子：
Ph
O
S
CH2Ph
[α]27 D = +92.4°
• 手性中心为非碳原子时，未配位电子 对顺序最小。
第三章：立体化学
立体化学是讨论分子的三维结构的 一个有机化学领域。 立体异构体是指 具有相同化学组成和相同原子连接顺序， 而具有不同三维结构的化合物。这种三 维结构也称“构型”。
构造 Constitution
分子 结构 Molecular structure
构型 Configuration
立体化学 Stereochemistry
COOH H H H H
H C Cl C
Cl H
COOH
α-古柯间二酸
交替对称轴 (Sn):
包含该轴分子绕轴转动360o/n的角度，而后在垂直于该轴 的平面上进行对映操作时获得的分子与原分子重合 H H H H 旋转90o C C H H H H
投影 H C H H H
S4
H H Me H Me
meso
pseudoasymmetric carbon
meso
CH3 (S) H HO (S) HO OH * H H CH3 (R) HO H (R) H
CH3 H * OH OH CH3
当上下两个碳的构型不同时，中间碳原子就 成为不对称碳原子，但这时整个分子却成为 meso，因此该分子为非手性分子。
25 [α] D =＋19.8o (C 2.2g/100ml, CHCl3)
25
（六）外消旋体 （racemic mixtures ,or racemate）
• 等量的对映异构体混合物称为外消旋体，它是非光 学活性的。 • 消旋体不仅在偏振光或手性条件下与单一对映异构 体不同.当它是固态时，许多性质也不同，如： m.p., 溶解性、溶解热等。
今有两试管分别置入（－）乳酸和（＋）乳酸，我 们如何知道它们的构型？
CO2H H OH CH3
R
CO2H OH H CH3
S
• D-，L-表示法
Rosanoff 建议，用甘油醛作为标准： D/L绝对构型 CHO CHO
H OH CH2OH OH H CH2OH
D-(+)-甘油醛
L-(-)-甘油醛
o
Me H
Me
N
旋转90 H Me Me 投影 H Me Me H H
+
N
H Me Me H
+
仅有S4轴分子很少
S4
H Me
N
Me H
+
具有σ、i、Sn的分子没有手性
3-1-3 光学活性分子的种类
（一）具有一个手性中心的手性分子
A.有手性碳：
A
B C D C
CHO
如：
H C OH CH2OH
甘油醛
手性化合物都具有光学活性
但是没有光学活性的物质不一定是非手性化合物
3-1-2 光学活性分子的判断
对称平面 (σ): 将分子平均分成互成实物与镜象关系的平面
H2O, NH3, CH4的对称面？
CH3
对称中心 (i)：分子中的一个点，由该分子中任一 部分向该中心画出的直线以等距离延长到另一 侧时会遇到相同部分
如：酒石酸
CO2H H HO OH H CO2H
外消旋体
CO2H HO H H OH CO2H
CO 2H H H OH OH CO 2H
meso-内消旋体
（二）含有多个手性中心的化合物：
(S) H H (R) H
.
CH3 OH OH OH CH3 (S) H HO (R) H
.
CH3 OH H OH CH3
对映体过量值：(ee值)
ee = (R) R-S R+S
×100％
（五）比旋光度[α]
[α] =
l C
α为观察到的旋光值； l 为测量用槽的长度（分米为单位）； c 为浓度为100ml溶液中的克数。
对于给定对映异构体， [α]并非一个常数，它随温 度、波长、溶剂、浓度等的变化而变化，甚至发生旋 光方向的改变。所以，[α]值只有在确定的条件下才 有比较意义。
无论取代基之间的不同之处多么小，只要不 同，就是手性分子。 如
H BrCH2CH2CH2CH2CH2CH2 C CH2CH2CH2CH2CH2Br CH3
H CH3CH2CH3 C OH D
※含手性碳的手性分子构型的表示方法 • Fisher投影式
CO2H H2N C CH3 H
CO2H H2N H CH3
例1：aspartic acid
in H2O [α] D20= + 4.36o 例2:
CH3 HO2CCH2C CO2H C2H5
[α]
HO2C
* CO2H NH2
90 －1.86o [α] D =
25 o = － 5.0 D
(C 16.5g/100ml, CHCl3)
[α] D =－0.7 o (C 10.6g/100ml, CHCl3)
构型异构： 顺反异构： H
Cl CH3 Cl H
COOH H OH CH3 HO
CH3 H
COOH H CH3
H
对映异构：
wk.baidu.com
D-(-)-乳酸 mp: 52.8° 非对映异构： H
H COOH OH OH CH3
L-(＋)-乳酸
COOH H HO OH H CH3
构象异构：
H H
CH3 H H CH3
NaOH
¡ £
NaN3
¡ £
(S)-(+)-乳酸
(S)-(+)-丙氨酸
（三）生物化学方法：类似化合物同酶作用时， 酶进攻具有相同构型的化合物（利用了 酶的反应专一性）。 （四）光学比较法：同系物中，相同构型常具 有相同的旋光方法。 （五）特殊的x-ray晶体衍射方法。
三取代的联苯分子亦可具有手性
NO2 OMe
CO2H
消失的半寿命为9 .4分钟/25℃。 这类手性分子被广泛地应用于不对称合成中。
具有联萘结构的化合物
OH OH
BINOL
具有手性轴（Chiral axis）的分子的构型判定
•先写出手性轴化合物的Fisher投影式，十字交叉处表示手性轴 •按照横线上较优基团——横线上末优基团——竖线上较优基团 的顺序进行比较， 符合顺时针的为“R”构型，相反为“S”构型。
V U X
R R
V W Z W Z
S S
V
V W X W X
S R
U X
U Z
R S
U Z
Y (A)
Y ( B)
Y (C)
Y ( D)
A和B（C和D）为对映异构体，A和C或者D（B和 C或者D）为非对映异构体。
• 对映异构体之间有相同的性质（除了对偏 振光和手性环境），然而非对映异构体具 有不同的熔点、沸点、溶解度、反应性等 物理、化学及光谱性质。 • 多手性中心的分子最多具有2n个异构体（n ＝分子中手性中心数），但有时分子内存 在着对称面，这时异构体数减少。
联苯类化合物
NO2 CO2H
NO2 CO2H
有对称面（能同镜影分子重选），非手性。
NO2 CO2H
CO2H NO2
CO2H NO2
NO2 CO2H
手性分子
6
Br Br 6'
Br
Br
2' 2 Cl Cl
Cl
Cl
(R)-2,2’-二氯-6,6’-二溴联苯
(R)-2,2’-dibromo-6,6’-dichlorobiphenyl
erythro-(赤)
threo-(苏)
3-1-5 对映异构体的构型测定
（一）在不干扰手性中心的前提下，将未知构 型的化合物转变为已知构型的化合物
如：
OH CH3CH2 H CH2Br CH3CH2 H OH CH3
(R)
(S)
CHO H OH CH2OH
HgO
COOH H OH CH2OH HNO2 H2O H
所有其它化合物可以通过化学转化到甘油醛来 确定其构型： 如：
CO2H H OH CH3 H CO2H OH CH2OH H CHO OH CH2OH
D－（－）
D－（－）
D－（＋）
• Cahn-Ingold-Prelog 体系
按照CIP规则（手性规则，1966年三人同时提出）， 手性分子的绝对构型用“R”和“S”来表述。 设：取代基的顺序为 A > B > C > D A A
D C B C D C C B
S.逆时针方向排列
（S为拉丁语，sinister，左）
R.顺时针方向排列
（R为拉丁语，rectus,右）
在Fisher 投影式中
• 最小基团在垂直方向：
H HOC OH CH2OH
HOCH2 H OH CHO
(R)
(R)
顺时针旋转为R
• 最小基团在水平方向：
CH2OH H OH CHO
CO2H O S CH3
P CH CH CH H3C ph 2 2 3
..
(S)
(R)
（二）含有手性轴的化合物
A. 丙二烯型化合物（allene）
A C C C B
CH3 CH3 H C C C H
D C
CH3 CH3 H C C C CH3
CH3 H C C C H CH3
非手性（有对称面）
非手性
COOH OH CH2NH2
(+)
(-)
COOH H OH
COOH OH CH2Br
(+)
Zn/H H
+
HNO2 HBr
(-)
CH3
(-)
(R)-(-)-lactic acid 乳酸
（二）在已知机理的前提下，手性中心构型 发生转化的反应
如:
HO CO2H H CH3 CO2H H Br CH3 R reduction CO2H H2N H CH3 CO2H N3 H CH3 S
HO CH3 H HO H H
CH3
H
CH3 CH2CH2COOH
H OH
Cholic acid （胆酸） 11 stereogenic centers
• 赤式和苏式
分子中有两手性中心，且有两取代基相同， 第三个取代基不同时，用Fisher投影式表示：
Y W W Z X X X X Z Y W W W X Z Y X X Z W W Y W X
手性
B. 螺环类化合物
NH2
H (R)-spiro[3.3]-2,6-heptanediamine
(R)-螺[3.3]-2,6-庚二胺
NH2 H
H CH3
H C CH3
(S)-4-ethylidine-1-methylcyclohexane
(S)-1-甲基-4-亚乙基环己烷
C.旋转受阻型的手性分子 (atropisomers)
顺时针旋转为S
CH2OH HO H CHO
(R)
B.具有其他手性原子的四面体结构分子 （含Si、Ge、Sn、N的化合物）
O16 PhCH2 S O18 PhCH3
O16 O17
P
O18 OR
2-
Me Et n-Pr
N CH2Ph Br
Me Et n-Pr N O-
C.具有三价手性原子的化合物
3-1-1 概念
（一）光学活性物质：能使偏振光平面发生 偏转的物质称为光学活性物质。 （Optically active compounds） （二）手性： 光学活性的化合物与其镜像 不能完全重叠的这种性质又称为“手 性”。（Chirality）
（三）非手性：分子具有能与其镜像重合的 性质 (Achirality)
例如：
H
H C C C CH3
H CH3
CH3
1
H
2
CH3
3
R
（三）螺旋型手性分子
H H
hexahelicene
trans-cyclooctene
（四）其它手性分子
CH3 CO2H
HO2C (CH2)10
Fe
HO2C
H Fe(CO)4
H
CO2H
3-1-4 具有多个手性中心的分子
(一)具有两个手性中心 例:
对位交叉
CH3 CH3 H H H H
邻位交叉
第三章：立体化学
•3－1 光学活性与手性 •3－2 顺反异构 •3－3 构象分析
3-1 光学活性与手性
3-1-1 3-1-2 3-1-3 3-1-4 3-1-5 3-1-6 概念 光学活性分子的判断 光学活性分子的种类 具有多个手性中心的分子 对映异构体的构型测定 光学活性化合物的获得
构象 Conformation
分子式相同，原子间的成键顺序不同。
构造异构 Constitutional isomerism
碳骨架异构 官能团位置异构 官能团异构、互变异构
同分异构 isomerism
分子构造相同，原子在空间的排列不同。 构型异构 顺反异构 cis-trans isomer Configurational 对映异构 enantiomer isomerism 非对映异构 diasteroisomer 分子构型相同，由于单键 构象异构 Conformational 的自由旋转，原子或原子 团在空间的排列不同。 isomerism
（四）对映异构体：
光学活性化合物同其镜象分子称为对映 异构体。(Enantiomers)
A D B C
R S
A B C D
对映异构体的性质：
•对映异构体使平面偏振光偏转的方向相 反但是角度不同，其他物理、化学及光谱 性质相同。 • 对映异构体与手性化合物的反应速度不 同，与非手性化合物作用速度完全相同。
..
N C A B
通常的三取代胺， 构型翻转非常快。
Cl H N Me
H N Cl Me
(室温下不翻转， 可以分离得到。)
•氮原子出于桥头时
N CH3 N CH3
Troger’s base
As原子：
..
As Et Me
S原子：
Ph
O
S
CH2Ph
[α]27 D = +92.4°
• 手性中心为非碳原子时，未配位电子 对顺序最小。
第三章：立体化学
立体化学是讨论分子的三维结构的 一个有机化学领域。 立体异构体是指 具有相同化学组成和相同原子连接顺序， 而具有不同三维结构的化合物。这种三 维结构也称“构型”。
构造 Constitution
分子 结构 Molecular structure
构型 Configuration
立体化学 Stereochemistry
COOH H H H H
H C Cl C
Cl H
COOH
α-古柯间二酸
交替对称轴 (Sn):
包含该轴分子绕轴转动360o/n的角度，而后在垂直于该轴 的平面上进行对映操作时获得的分子与原分子重合 H H H H 旋转90o C C H H H H
投影 H C H H H
S4
H H Me H Me
meso
pseudoasymmetric carbon
meso
CH3 (S) H HO (S) HO OH * H H CH3 (R) HO H (R) H
CH3 H * OH OH CH3
当上下两个碳的构型不同时，中间碳原子就 成为不对称碳原子，但这时整个分子却成为 meso，因此该分子为非手性分子。
25 [α] D =＋19.8o (C 2.2g/100ml, CHCl3)
25
（六）外消旋体 （racemic mixtures ,or racemate）
• 等量的对映异构体混合物称为外消旋体，它是非光 学活性的。 • 消旋体不仅在偏振光或手性条件下与单一对映异构 体不同.当它是固态时，许多性质也不同，如： m.p., 溶解性、溶解热等。
今有两试管分别置入（－）乳酸和（＋）乳酸，我 们如何知道它们的构型？
CO2H H OH CH3
R
CO2H OH H CH3
S
• D-，L-表示法
Rosanoff 建议，用甘油醛作为标准： D/L绝对构型 CHO CHO
H OH CH2OH OH H CH2OH
D-(+)-甘油醛
L-(-)-甘油醛
o
Me H
Me
N
旋转90 H Me Me 投影 H Me Me H H
+
N
H Me Me H
+
仅有S4轴分子很少
S4
H Me
N
Me H
+
具有σ、i、Sn的分子没有手性
3-1-3 光学活性分子的种类
（一）具有一个手性中心的手性分子
A.有手性碳：
A
B C D C
CHO
如：
H C OH CH2OH
甘油醛
手性化合物都具有光学活性
但是没有光学活性的物质不一定是非手性化合物
3-1-2 光学活性分子的判断
对称平面 (σ): 将分子平均分成互成实物与镜象关系的平面
H2O, NH3, CH4的对称面？
CH3
对称中心 (i)：分子中的一个点，由该分子中任一 部分向该中心画出的直线以等距离延长到另一 侧时会遇到相同部分
如：酒石酸
CO2H H HO OH H CO2H
外消旋体
CO2H HO H H OH CO2H
CO 2H H H OH OH CO 2H
meso-内消旋体
（二）含有多个手性中心的化合物：
(S) H H (R) H
.
CH3 OH OH OH CH3 (S) H HO (R) H
.
CH3 OH H OH CH3
对映体过量值：(ee值)
ee = (R) R-S R+S
×100％
（五）比旋光度[α]
[α] =
l C
α为观察到的旋光值； l 为测量用槽的长度（分米为单位）； c 为浓度为100ml溶液中的克数。
对于给定对映异构体， [α]并非一个常数，它随温 度、波长、溶剂、浓度等的变化而变化，甚至发生旋 光方向的改变。所以，[α]值只有在确定的条件下才 有比较意义。
无论取代基之间的不同之处多么小，只要不 同，就是手性分子。 如
H BrCH2CH2CH2CH2CH2CH2 C CH2CH2CH2CH2CH2Br CH3
H CH3CH2CH3 C OH D
※含手性碳的手性分子构型的表示方法 • Fisher投影式
CO2H H2N C CH3 H
CO2H H2N H CH3
例1：aspartic acid
in H2O [α] D20= + 4.36o 例2:
CH3 HO2CCH2C CO2H C2H5
[α]
HO2C
* CO2H NH2
90 －1.86o [α] D =
25 o = － 5.0 D
(C 16.5g/100ml, CHCl3)
[α] D =－0.7 o (C 10.6g/100ml, CHCl3)
构型异构： 顺反异构： H
Cl CH3 Cl H
COOH H OH CH3 HO
CH3 H
COOH H CH3
H
对映异构：
wk.baidu.com
D-(-)-乳酸 mp: 52.8° 非对映异构： H
H COOH OH OH CH3
L-(＋)-乳酸
COOH H HO OH H CH3
构象异构：
H H
CH3 H H CH3
NaOH
¡ £
NaN3
¡ £
(S)-(+)-乳酸
(S)-(+)-丙氨酸
（三）生物化学方法：类似化合物同酶作用时， 酶进攻具有相同构型的化合物（利用了 酶的反应专一性）。 （四）光学比较法：同系物中，相同构型常具 有相同的旋光方法。 （五）特殊的x-ray晶体衍射方法。
三取代的联苯分子亦可具有手性
NO2 OMe
CO2H
消失的半寿命为9 .4分钟/25℃。 这类手性分子被广泛地应用于不对称合成中。
具有联萘结构的化合物
OH OH
BINOL
具有手性轴（Chiral axis）的分子的构型判定
•先写出手性轴化合物的Fisher投影式，十字交叉处表示手性轴 •按照横线上较优基团——横线上末优基团——竖线上较优基团 的顺序进行比较， 符合顺时针的为“R”构型，相反为“S”构型。
V U X
R R
V W Z W Z
S S
V
V W X W X
S R
U X
U Z
R S
U Z
Y (A)
Y ( B)
Y (C)
Y ( D)
A和B（C和D）为对映异构体，A和C或者D（B和 C或者D）为非对映异构体。
• 对映异构体之间有相同的性质（除了对偏 振光和手性环境），然而非对映异构体具 有不同的熔点、沸点、溶解度、反应性等 物理、化学及光谱性质。 • 多手性中心的分子最多具有2n个异构体（n ＝分子中手性中心数），但有时分子内存 在着对称面，这时异构体数减少。
联苯类化合物
NO2 CO2H
NO2 CO2H
有对称面（能同镜影分子重选），非手性。
NO2 CO2H
CO2H NO2
CO2H NO2
NO2 CO2H
手性分子
6
Br Br 6'
Br
Br
2' 2 Cl Cl
Cl
Cl
(R)-2,2’-二氯-6,6’-二溴联苯
(R)-2,2’-dibromo-6,6’-dichlorobiphenyl
erythro-(赤)
threo-(苏)
3-1-5 对映异构体的构型测定
（一）在不干扰手性中心的前提下，将未知构 型的化合物转变为已知构型的化合物
如：
OH CH3CH2 H CH2Br CH3CH2 H OH CH3
(R)
(S)
CHO H OH CH2OH
HgO
COOH H OH CH2OH HNO2 H2O H
所有其它化合物可以通过化学转化到甘油醛来 确定其构型： 如：
CO2H H OH CH3 H CO2H OH CH2OH H CHO OH CH2OH
D－（－）
D－（－）
D－（＋）
• Cahn-Ingold-Prelog 体系
按照CIP规则（手性规则，1966年三人同时提出）， 手性分子的绝对构型用“R”和“S”来表述。 设：取代基的顺序为 A > B > C > D A A
D C B C D C C B
S.逆时针方向排列
（S为拉丁语，sinister，左）
R.顺时针方向排列
（R为拉丁语，rectus,右）
在Fisher 投影式中
• 最小基团在垂直方向：
H HOC OH CH2OH
HOCH2 H OH CHO
(R)
(R)
顺时针旋转为R
• 最小基团在水平方向：
CH2OH H OH CHO
CO2H O S CH3
P CH CH CH H3C ph 2 2 3
..
(S)
(R)
（二）含有手性轴的化合物
A. 丙二烯型化合物（allene）
A C C C B
CH3 CH3 H C C C H
D C
CH3 CH3 H C C C CH3
CH3 H C C C H CH3
非手性（有对称面）
非手性
COOH OH CH2NH2
(+)
(-)
COOH H OH
COOH OH CH2Br
(+)
Zn/H H
+
HNO2 HBr
(-)
CH3
(-)
(R)-(-)-lactic acid 乳酸
（二）在已知机理的前提下，手性中心构型 发生转化的反应
如:
HO CO2H H CH3 CO2H H Br CH3 R reduction CO2H H2N H CH3 CO2H N3 H CH3 S
HO CH3 H HO H H
CH3
H
CH3 CH2CH2COOH
H OH
Cholic acid （胆酸） 11 stereogenic centers
• 赤式和苏式
分子中有两手性中心，且有两取代基相同， 第三个取代基不同时，用Fisher投影式表示：
Y W W Z X X X X Z Y W W W X Z Y X X Z W W Y W X
手性
B. 螺环类化合物
NH2
H (R)-spiro[3.3]-2,6-heptanediamine
(R)-螺[3.3]-2,6-庚二胺
NH2 H
H CH3
H C CH3
(S)-4-ethylidine-1-methylcyclohexane
(S)-1-甲基-4-亚乙基环己烷
C.旋转受阻型的手性分子 (atropisomers)