3 第三章 立体化学
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Chapter 3
Stereochemistry The Arrangement of Atoms in Space
本
章
要
点
• 了解异构体的分类、旋光现象的产 生； • 深入了解几种构型式之间的转化； • 掌握R/S构型的标记方法； • 了解对映体的拆分
同分异构的种类
位置异构 (如 1-氯丙烷和2- 氯丙烷) 构造异构
再如：
H HOCH2
( R)
CH(CH3) 2
Cl Cl>CH2OH>CH(CH3)2
(R)-3-甲基-2-氯-1-丁醇
3. 重键的处理：
例如下列化合物：
CH=CH 2 H CCH CN
例如：
CH=O H OH CH2OH OH>CHO>CH 2OH>H H CH(CH3)2 NH2 NH2>C6H 5>CH(CH3)2>H
对称面（mirror plane）（σ）：假如有一个 平面可以把分子分割成两部分，一部分正 好是另一部分的镜像，这个平面就是分子 的对称面。要会用来判断给定的化合物是 否旋光！ All molecules with a plane of symmetry are achiral.
例如：
对称
不对称
（1）以手当模型，手臂表示最小基团的方 向，最小基团在左侧用左手，在右侧则用右 手；然后以拇指表示横键上的另一个基团， 食指朝上，表示竖键朝上的基团，中指朝 下，表示竖键朝下的基团；将这只手转向观 察者，按三个基团的大小顺序确定构型：顺 时针为R，逆时针为S。
（2）把最小的基团依次交换到竖键上， 然后再按规则标记：
旋转180
OH H
(R)
COOH H 3C
(R)
H
同一化合物
CH3
OH
COOH
旋转90
H HOOC
(S)
OH 对映体
CH3
ii. 固定一个基团，依次交换其余三个基团， 该化合物的构型不变。 A 和B 是相同还是对映体?
* 将B转变，看它与A是否重合：
iii. C*上的四个基团任意两个一次互换后，则 成为其对映体，但两次交换则恢复原结构 （交换关系必须掌握！）：
2. 比旋光度：浓度为每毫升含1g旋光性物质 的溶液，在1dm长的盛液管中测得的旋光度 称为该物质的比旋光度。其定义为：
[α]t =
1(dm) x c (g/ml) 溶液 lxd
液体
或
t [α] =
λ =589.3nm，为钠光的波长， t = 15-30˚С, 常为20或25˚С ，α为仪器测得的旋光度。
§3.2 对映异构现象与 分子结构的关系
一、对映异构现象的发现 是在1848年，由L.Pasteur研究酒石酸盐的结 晶时发现的 。
1874年van’t Hoff 和Le Bel，J.A.分别独立提 出：如果一个碳上连有四个不同原子或基 团，则有两种不同的排列形式，即有两种 不同的四面体构型：
d c a b a b d c
(±)-酸
Meso-酸
206
140
20.6
125
2.96
3.11
4.24
4.80
三、构型表示法 几种表示立体结构的表示方法：
透视式
Fischer 投影式
锯架式
Newmann投影式
要熟悉几种表示法之间的转换（要熟练握！）：
A B D C
C
CD向左旋转
A D B
投影到纸面上
C
A D B Fischer projection
COOH (R) HO H (R) Cl H COOH ± H H COOH (S) OH (S) Cl COOH COOH ( R) HO H (S) H Cl COOH COOH (S) H OH ( R) Cl H
±
COOH
（15）
CHO H H
(R)
（16）
CHO HO HO
(S) (S)
（17）
a或b为对映体， 不能重合，如c 所示。
再如：
对映体的性质： 非手性条件下，对映体的物理及化学性 质相同；
但在手性条件下，如手性试剂、手性溶 剂、手性催化剂等，两个对映体的反应速 度不同，有的对映体之一甚至不反应。 例如生物体内的酶是一种生物催化剂， 它是具有手性的，在体内进行的生物化学 反应是高度立体选择性的。
二、外消旋体（Raceme） 构型相反的两个立体异构体的等量混合物。
表3.1 酒石酸各异构体的物理性质 化合物 (+)-酸 (-)-酸 熔点/℃ 170 170 [α]
(20%aq)
溶解度 pKa1 pKa2 (g/100gH2O) 139 139 2.93 2.93 4.23 4.23
+12 -12
(R)-2,3-二羟基丙醛（甘油醛)
H3CO H
(R)-2-甲基-1-苯基丙胺
O
C OH CH3O>COOH>CH 2OH>H
HOCH 2 ( S)
(S)-3-羟基-2-甲氧基丙酸
4. 一些常见原子或基团由高到低的顺序如下：
-I，-Br，-Cl，S（-SO2R，-SR，-SH），-F （这些都是按照原子序数排列） >O（-OCOR，-OR，-OH）（比的是O上所连 原子的大小） >N（-NO2，-NR2，NHCOR，-NHR，-NH2） （比的是N上所连的基团或原子的大小） >C(-COCl，-COOR，COOH，-COR， -CHO，-CR2OH，-CHROH，-CH2OH， -C6H5，-C≡CH，t-Bu，-CH=CH2，CHMe2， -CH2CH2CH3，-CH2CH3)> -D，H
180
非手性化合物， 可以重合
手性化合物， 不能重合
判断：具有实物和镜像关系的分子 就是一对对映体。
§3.1物质的旋光性 一、平面偏振光和旋光性 普通光：在垂直于光束前进方向的任意平面 上振动。
偏振光：普通光通过Nicol棱镜后产生只在一 个平面振动的光，称为平面偏振光或偏光。
旋光性物质：如乳酸，葡萄糖等，当偏光 通过这类物质的溶液时，能使偏光的振动 平面旋转一定的角度，这一性质叫旋光性， 这类物质叫旋光性物质(Optically active substance)。 二、旋光仪和比旋光度 1. 旋光仪：定量测定液体或溶液旋光程度的 仪器叫做旋光仪，其工作原理如下图所示。
H< D <T <Li <B<C <N <O <F<Si< P< S <Cl <Br<I
把手性中心上所连的基团按大小排列。（以 下标记方法必须掌握！）
让序列最低的 (4) 远离观察者：
观察者从最小基团的相反方向观察其它三个 基团：其大小若为顺时针，R构型，逆时针为 S构型。
2. 若直接相连的原子（叫做“关键原子”， key atoms）相同，则逐个比较与第一个原 子相连的第二个原子序数的大小，以此类 推。常见的不含杂原子的烷基的优先顺序 为： CH3CH2CH2CH2- >CH3CH2CH2CH3CH2- >CH3 即，直链烷基，碳数越多越大。 (H3C) 3C->(H3C) 2CH->H3CCH2->CH3带支链的大小顺序为： 叔>仲>伯
5. 按照上述规则即可标记一个化合物的立体构 型（注意：要将构型的符号放在括号内！）。 例如：
Br
( R)
Cl
(S)
CH=CH2 CH3 CH2OH
( R)
H
Cl CO2H
H
HO
H CH3
(R)-2-氯-2-溴乙酸
(S)-2-氯-1-丙醇
(R)-3-丁烯-2-醇
用Fischer 投影式表示时的立体化学标记：
COOH COOH 固定COOH不动， (R) (R) H OH HO CH3 H、CH3、OH CH3 H 逆时针依次交换
CH3 (R) 固定CH3不动， H2N H H、Ph、NH2 Ph 顺时针依次交换
CH3 (R) Ph NH2 H
§3.4 含两个以上手性碳化合物 的对映异构
一、含两个不相同手性碳的化合物 对映体个数为2n 个（要能判断立体异构体 的个数）：
例如：
（a）一个异构体很容易地放入手性受体的位 点，从而发挥生理作用； （b）但另一个异构体却放不到相同的受体位 点中去，从而不起生理作用。
再如天冬酰胺：
O H2N H O (S)-asparamide
天然的是苦的
O H2N H 2N H O (R)-asparamide
具有甜味
OH NH2
OH
即，一个大的原子序数优于两个或三个小的序数 之和。
Cl>CH2Cl>CH3CH2>H
CH2CH2Br>CH3CH2 “先比较每个基团中原子序数最高的取代基”是指 在相等距离上有较大的取代基：
(R)
CH3 CH2CH2Br H CH2CHMe2
(S)
CH3 CH2CH2CH2Br CH2CHMe2
H
原子的 连接顺序
碳干异构 (如丁烷和异丁烷 ) 官能团异构( 甲醚和乙醇) 互变异构 (乙醛和乙烯醇) 顺反异构 (如顺和反-2-丁烯) 对映异构 构象异构 (如丁烷的对位交叉式 和邻位交叉式 )
同分异构 构型异构 立体异构
空间 连接顺序
非手性化合物实物与镜像可以重合，而手性 化合物实物与镜像不能重合：
OH Ph
H H
OH H
H Ph
CH3
wk.baidu.com
CH3
CH3
CH3
（23）
（24）
（25）
（26）
这样的两个C*分别用A，B来表示，即A-B 型化合物。即有四个对映体，两对外消旋体。 不呈镜像关系的立体异构体叫做非对映异构 体（Diastereomers）。分子中有两个或两个以 上手性中心时，就有非对映异构体。非对映体 的物理性质不同，化学性质相似（参见表3.1）。
对称中心（center of symmetry）：用i 来表示。
CH3
这不是 CH3 对称 Cl 中心 Cl
All molecules with a center of symmetry are achiral.
§3.3 含一个手性碳原子 化合物的对映异构
一、对映体（Enantiomers） 若两种立体异构体互为镜像与实物的对映关 系（要掌握定义！），就把它们称为对映 异构体，简称对映体。例如：
Et
(S)
Cl CH3
H
（11）
COOH (R) H OH CH3
（12）
CH3 (R) H2N H Ph
（13）
用Fischer式标记构型时的两种情况：
1. 最小基团在竖键上时，直接读出结果，如 （11）； 2. 最小基团在横键上时，得到相反的结果， 如（12）和（13）；
3. 此时也可采用如下的标记方式：
CHO H HO
(S) (R)
（18）
CHO HO H
(S) (R)
OH
H H
OH H
H OH
(R) OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
（19）
（20）
（21）
（22）
CH3 H H
(S) (S)
CH3 HO Ph
(R) (R)
CH3 H Ph
(S) (R)
CH3 HO H
(R) (S)
从而奠定了立体有机化学的基础。
1.手性和对称因素（Chirality and Symmetric elements）
生活中的手型物体：
手性（Chiral）：即实物与镜象的不重合性。 也可以说，手性是物质具有旋光性和对映异 构现象的必要条件。
手性分子：含一个手性碳的化合物一定是手性 的，但有两个以上手性碳原子的化合物却不 一定具有手性。一个分子是否具有手性，取 决于分子本身的对称性，也就是与分子内的 对称因素有关。
sawhorse projection
例如，乳酸的立体式及Fischer式可表示如下：
COOH H3C H OH HO COOH H CH3 H COOH OH CH3
使用Fischer投影式时应注意下列几点：
i. 横键在前、竖键在后； 按照习惯，主碳链从上到下； 投影式不能离开纸面，可在纸面上旋转 n180°，但不能旋转90°、270°等，否则 转变为其对映体：
(R)-2-丁醇
当两个基团上有不同取代基时，则先比较每个 基团中等距离上原子序数最高的取代基，由这 些取代基的大小来决定这些基团的顺序。例如：
CHMe2 CHMe2 依次 (S) H CH2CH2Cl ClCH2CH2 CMe3 交换 CMe3 H
CH2CH2Cl>CMe3>CHMe2>H
H CH3CH2 Cl CH2Cl
例如：
H CH3CH2 Cl Cl>CH3CH2>CH3>H CH3 (CH3)2CH Cl Cl>CH(CH3)2>CH3CH2CH2>H H CH2CH2CH3
(R)-2-氯-丁烷
(R)-2-甲基-3-氯己烷
H H2N CH2OCH3 CH3 C 2H5
H OH CH3
(S)-1-甲氧基-2-丙胺
四、构型的R/S命名规则 D/L标记法： 来自糖的标记， 如甘油醛， （标记 构型的）OH 在碳链右侧 的为D-构型， 在左侧的 为L-构型。
IUPAC法：化合物的立体化学用R/S命名法。
次序规则(sequence rule)要点如下：
1．所连原子按原子序数排列，较大的为较优 基团；重同位素原子较优。即：
Stereochemistry The Arrangement of Atoms in Space
本
章
要
点
• 了解异构体的分类、旋光现象的产 生； • 深入了解几种构型式之间的转化； • 掌握R/S构型的标记方法； • 了解对映体的拆分
同分异构的种类
位置异构 (如 1-氯丙烷和2- 氯丙烷) 构造异构
再如：
H HOCH2
( R)
CH(CH3) 2
Cl Cl>CH2OH>CH(CH3)2
(R)-3-甲基-2-氯-1-丁醇
3. 重键的处理：
例如下列化合物：
CH=CH 2 H CCH CN
例如：
CH=O H OH CH2OH OH>CHO>CH 2OH>H H CH(CH3)2 NH2 NH2>C6H 5>CH(CH3)2>H
对称面（mirror plane）（σ）：假如有一个 平面可以把分子分割成两部分，一部分正 好是另一部分的镜像，这个平面就是分子 的对称面。要会用来判断给定的化合物是 否旋光！ All molecules with a plane of symmetry are achiral.
例如：
对称
不对称
（1）以手当模型，手臂表示最小基团的方 向，最小基团在左侧用左手，在右侧则用右 手；然后以拇指表示横键上的另一个基团， 食指朝上，表示竖键朝上的基团，中指朝 下，表示竖键朝下的基团；将这只手转向观 察者，按三个基团的大小顺序确定构型：顺 时针为R，逆时针为S。
（2）把最小的基团依次交换到竖键上， 然后再按规则标记：
旋转180
OH H
(R)
COOH H 3C
(R)
H
同一化合物
CH3
OH
COOH
旋转90
H HOOC
(S)
OH 对映体
CH3
ii. 固定一个基团，依次交换其余三个基团， 该化合物的构型不变。 A 和B 是相同还是对映体?
* 将B转变，看它与A是否重合：
iii. C*上的四个基团任意两个一次互换后，则 成为其对映体，但两次交换则恢复原结构 （交换关系必须掌握！）：
2. 比旋光度：浓度为每毫升含1g旋光性物质 的溶液，在1dm长的盛液管中测得的旋光度 称为该物质的比旋光度。其定义为：
[α]t =
1(dm) x c (g/ml) 溶液 lxd
液体
或
t [α] =
λ =589.3nm，为钠光的波长， t = 15-30˚С, 常为20或25˚С ，α为仪器测得的旋光度。
§3.2 对映异构现象与 分子结构的关系
一、对映异构现象的发现 是在1848年，由L.Pasteur研究酒石酸盐的结 晶时发现的 。
1874年van’t Hoff 和Le Bel，J.A.分别独立提 出：如果一个碳上连有四个不同原子或基 团，则有两种不同的排列形式，即有两种 不同的四面体构型：
d c a b a b d c
(±)-酸
Meso-酸
206
140
20.6
125
2.96
3.11
4.24
4.80
三、构型表示法 几种表示立体结构的表示方法：
透视式
Fischer 投影式
锯架式
Newmann投影式
要熟悉几种表示法之间的转换（要熟练握！）：
A B D C
C
CD向左旋转
A D B
投影到纸面上
C
A D B Fischer projection
COOH (R) HO H (R) Cl H COOH ± H H COOH (S) OH (S) Cl COOH COOH ( R) HO H (S) H Cl COOH COOH (S) H OH ( R) Cl H
±
COOH
（15）
CHO H H
(R)
（16）
CHO HO HO
(S) (S)
（17）
a或b为对映体， 不能重合，如c 所示。
再如：
对映体的性质： 非手性条件下，对映体的物理及化学性 质相同；
但在手性条件下，如手性试剂、手性溶 剂、手性催化剂等，两个对映体的反应速 度不同，有的对映体之一甚至不反应。 例如生物体内的酶是一种生物催化剂， 它是具有手性的，在体内进行的生物化学 反应是高度立体选择性的。
二、外消旋体（Raceme） 构型相反的两个立体异构体的等量混合物。
表3.1 酒石酸各异构体的物理性质 化合物 (+)-酸 (-)-酸 熔点/℃ 170 170 [α]
(20%aq)
溶解度 pKa1 pKa2 (g/100gH2O) 139 139 2.93 2.93 4.23 4.23
+12 -12
(R)-2,3-二羟基丙醛（甘油醛)
H3CO H
(R)-2-甲基-1-苯基丙胺
O
C OH CH3O>COOH>CH 2OH>H
HOCH 2 ( S)
(S)-3-羟基-2-甲氧基丙酸
4. 一些常见原子或基团由高到低的顺序如下：
-I，-Br，-Cl，S（-SO2R，-SR，-SH），-F （这些都是按照原子序数排列） >O（-OCOR，-OR，-OH）（比的是O上所连 原子的大小） >N（-NO2，-NR2，NHCOR，-NHR，-NH2） （比的是N上所连的基团或原子的大小） >C(-COCl，-COOR，COOH，-COR， -CHO，-CR2OH，-CHROH，-CH2OH， -C6H5，-C≡CH，t-Bu，-CH=CH2，CHMe2， -CH2CH2CH3，-CH2CH3)> -D，H
180
非手性化合物， 可以重合
手性化合物， 不能重合
判断：具有实物和镜像关系的分子 就是一对对映体。
§3.1物质的旋光性 一、平面偏振光和旋光性 普通光：在垂直于光束前进方向的任意平面 上振动。
偏振光：普通光通过Nicol棱镜后产生只在一 个平面振动的光，称为平面偏振光或偏光。
旋光性物质：如乳酸，葡萄糖等，当偏光 通过这类物质的溶液时，能使偏光的振动 平面旋转一定的角度，这一性质叫旋光性， 这类物质叫旋光性物质(Optically active substance)。 二、旋光仪和比旋光度 1. 旋光仪：定量测定液体或溶液旋光程度的 仪器叫做旋光仪，其工作原理如下图所示。
H< D <T <Li <B<C <N <O <F<Si< P< S <Cl <Br<I
把手性中心上所连的基团按大小排列。（以 下标记方法必须掌握！）
让序列最低的 (4) 远离观察者：
观察者从最小基团的相反方向观察其它三个 基团：其大小若为顺时针，R构型，逆时针为 S构型。
2. 若直接相连的原子（叫做“关键原子”， key atoms）相同，则逐个比较与第一个原 子相连的第二个原子序数的大小，以此类 推。常见的不含杂原子的烷基的优先顺序 为： CH3CH2CH2CH2- >CH3CH2CH2CH3CH2- >CH3 即，直链烷基，碳数越多越大。 (H3C) 3C->(H3C) 2CH->H3CCH2->CH3带支链的大小顺序为： 叔>仲>伯
5. 按照上述规则即可标记一个化合物的立体构 型（注意：要将构型的符号放在括号内！）。 例如：
Br
( R)
Cl
(S)
CH=CH2 CH3 CH2OH
( R)
H
Cl CO2H
H
HO
H CH3
(R)-2-氯-2-溴乙酸
(S)-2-氯-1-丙醇
(R)-3-丁烯-2-醇
用Fischer 投影式表示时的立体化学标记：
COOH COOH 固定COOH不动， (R) (R) H OH HO CH3 H、CH3、OH CH3 H 逆时针依次交换
CH3 (R) 固定CH3不动， H2N H H、Ph、NH2 Ph 顺时针依次交换
CH3 (R) Ph NH2 H
§3.4 含两个以上手性碳化合物 的对映异构
一、含两个不相同手性碳的化合物 对映体个数为2n 个（要能判断立体异构体 的个数）：
例如：
（a）一个异构体很容易地放入手性受体的位 点，从而发挥生理作用； （b）但另一个异构体却放不到相同的受体位 点中去，从而不起生理作用。
再如天冬酰胺：
O H2N H O (S)-asparamide
天然的是苦的
O H2N H 2N H O (R)-asparamide
具有甜味
OH NH2
OH
即，一个大的原子序数优于两个或三个小的序数 之和。
Cl>CH2Cl>CH3CH2>H
CH2CH2Br>CH3CH2 “先比较每个基团中原子序数最高的取代基”是指 在相等距离上有较大的取代基：
(R)
CH3 CH2CH2Br H CH2CHMe2
(S)
CH3 CH2CH2CH2Br CH2CHMe2
H
原子的 连接顺序
碳干异构 (如丁烷和异丁烷 ) 官能团异构( 甲醚和乙醇) 互变异构 (乙醛和乙烯醇) 顺反异构 (如顺和反-2-丁烯) 对映异构 构象异构 (如丁烷的对位交叉式 和邻位交叉式 )
同分异构 构型异构 立体异构
空间 连接顺序
非手性化合物实物与镜像可以重合，而手性 化合物实物与镜像不能重合：
OH Ph
H H
OH H
H Ph
CH3
wk.baidu.com
CH3
CH3
CH3
（23）
（24）
（25）
（26）
这样的两个C*分别用A，B来表示，即A-B 型化合物。即有四个对映体，两对外消旋体。 不呈镜像关系的立体异构体叫做非对映异构 体（Diastereomers）。分子中有两个或两个以 上手性中心时，就有非对映异构体。非对映体 的物理性质不同，化学性质相似（参见表3.1）。
对称中心（center of symmetry）：用i 来表示。
CH3
这不是 CH3 对称 Cl 中心 Cl
All molecules with a center of symmetry are achiral.
§3.3 含一个手性碳原子 化合物的对映异构
一、对映体（Enantiomers） 若两种立体异构体互为镜像与实物的对映关 系（要掌握定义！），就把它们称为对映 异构体，简称对映体。例如：
Et
(S)
Cl CH3
H
（11）
COOH (R) H OH CH3
（12）
CH3 (R) H2N H Ph
（13）
用Fischer式标记构型时的两种情况：
1. 最小基团在竖键上时，直接读出结果，如 （11）； 2. 最小基团在横键上时，得到相反的结果， 如（12）和（13）；
3. 此时也可采用如下的标记方式：
CHO H HO
(S) (R)
（18）
CHO HO H
(S) (R)
OH
H H
OH H
H OH
(R) OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
（19）
（20）
（21）
（22）
CH3 H H
(S) (S)
CH3 HO Ph
(R) (R)
CH3 H Ph
(S) (R)
CH3 HO H
(R) (S)
从而奠定了立体有机化学的基础。
1.手性和对称因素（Chirality and Symmetric elements）
生活中的手型物体：
手性（Chiral）：即实物与镜象的不重合性。 也可以说，手性是物质具有旋光性和对映异 构现象的必要条件。
手性分子：含一个手性碳的化合物一定是手性 的，但有两个以上手性碳原子的化合物却不 一定具有手性。一个分子是否具有手性，取 决于分子本身的对称性，也就是与分子内的 对称因素有关。
sawhorse projection
例如，乳酸的立体式及Fischer式可表示如下：
COOH H3C H OH HO COOH H CH3 H COOH OH CH3
使用Fischer投影式时应注意下列几点：
i. 横键在前、竖键在后； 按照习惯，主碳链从上到下； 投影式不能离开纸面，可在纸面上旋转 n180°，但不能旋转90°、270°等，否则 转变为其对映体：
(R)-2-丁醇
当两个基团上有不同取代基时，则先比较每个 基团中等距离上原子序数最高的取代基，由这 些取代基的大小来决定这些基团的顺序。例如：
CHMe2 CHMe2 依次 (S) H CH2CH2Cl ClCH2CH2 CMe3 交换 CMe3 H
CH2CH2Cl>CMe3>CHMe2>H
H CH3CH2 Cl CH2Cl
例如：
H CH3CH2 Cl Cl>CH3CH2>CH3>H CH3 (CH3)2CH Cl Cl>CH(CH3)2>CH3CH2CH2>H H CH2CH2CH3
(R)-2-氯-丁烷
(R)-2-甲基-3-氯己烷
H H2N CH2OCH3 CH3 C 2H5
H OH CH3
(S)-1-甲氧基-2-丙胺
四、构型的R/S命名规则 D/L标记法： 来自糖的标记， 如甘油醛， （标记 构型的）OH 在碳链右侧 的为D-构型， 在左侧的 为L-构型。
IUPAC法：化合物的立体化学用R/S命名法。
次序规则(sequence rule)要点如下：
1．所连原子按原子序数排列，较大的为较优 基团；重同位素原子较优。即：