3.立体化学基础

O
Ph
第三章 NH O
O
O
O
OH
立体化学基础
OH HO Ph O O O O
Ph
O
O
异构现象
构造异构 (碳链结 H H H 分子的 构不同) 构象异构 异构 (可自由转化， H H H 是相同分子) 立体异构 顺反异构 (碳链结 构相同) 构型异构 对映异构 H3C (不可自由 转化，为 非对映异构 H 不同分子)
S4
H
Cl H Cl H
H Cl
Cl
具有更迭对称轴的分子是非手性分子
4. 更迭对称轴(反轴，Sn)
S1——不旋转直接反射——对称面σ
S2——旋转180º再反射——对称心i
因此，有无更迭对称轴即可判断分子是否具有手性。
1.4、无手性碳原子的手性分子 1. 手性杂原子
季铵盐
CH3 I N+ C2H5 Ph CH2 CH CH2
COOH
(CH2)n
n=10，室温不可分离对映体
3. 其它手性分子
螺旋烃
六螺苯
第二节、旋光性
2.1、偏振光和旋光性
光束先进方向
光源
平面偏振光
Nicol prism
普通光
平面偏振光：普通 光通过Nicol棱镜 （起偏镜）后，仅 在一个平面上振动 的光。
旋光性
光源 偏振光 起偏镜
化合物能使偏振光的 偏振面发生旋转的 性能称为旋光性 长1dm
pKa 3.76 3.76 3.76
COOH H HO CH3 H H3C
COOH
H
CHO OH OH CH2OH HO HO
CHO H H CH2OH
OH
H
R-
S-
2R, 3R-
2S, 3S-
两个对映体由于互为镜像，它们所有 相对应的手性碳原子的构型均相反。
第六节、非对映体和内消旋化合物
6.1、非对映体
R HN * R'
R-乳酸 (-)-奎宁
R COOH HO H CH3 R' + N * HO COOH CH3 HN * R' R
非 对 映 体
S-乳酸
(-)-奎宁
第八节、环状化合物的立体异构
8.1、同二取代三员环
R
R
有对称面，无手性
R R R
R
无对称因素，有手性
8.2、同二取代四员环
R
1, 2-二取代
COOH H HO CH3
只有一个手性碳原子的分子一定是手性分子； 有两个或以上手性碳原子的分子不一定是手性分 子——如内消旋体。 手性分子不一定都有手性碳原子。
手性分子示例
2
3 3
1.3、对称因素和手性
手性碳原子是“不对称”的碳原子。
非手性碳原子
“对称”碳原子
可根据分子的对称因素来判断分子是否具 有手性。 常见对称因素：对称面，对称心，对称轴， 更迭对称轴。
4.2、R/S构型命名法
R/S构型命名法广泛应用于各种手性化合物的命 名，是目前应用最广泛，也是IUPAC建议采用的命 名法。 命名步骤： 1. 首先确定手性碳原子相连的四个不同基团的大小 顺序。 2. 将最小基团远离视线，然后确定剩余三个基团的 优先次序（由大到小）。 3. 剩余三个基团由大到小若为顺时针排列，则为R构型；若为逆时针排列，则为S-构型。
旋光管 旋光仪的基本原理 检偏镜 旋光度
2.2、旋光度(optical rotation)与比旋光度 旋光度：使偏振光偏振面旋转的角度。用α表示。 旋光方向：右旋（+）; 左旋（-）。 比旋光度：
t [α]D =
α l×C
l：旋光管的长度（即光在样品中通过的距离）,dm。 C：溶液浓度，g/mL；纯液体则用密度g/mL。 互为对映异构体的两种化合物比旋光值相等，符 号相反。 比旋光度的表示：
外消旋体
一对对映异构体的等量混合物即为外消旋体， 用(±)表示。 外消旋体的特点： 1. 无旋光现象——两个对映体旋光抵消。 2. 物理性质与单一对映体有区别。——熔点、 密度、溶解度常有差异，但沸点相同。
乳酸及其外消旋体
mp (+)-乳酸 (-)-乳酸 (±)-乳酸 26 26 28
[α]D20 +3.8 -3.8 0
1. 对称面(σ)
具有对称面的分子可以与其镜像重合，是非手性 分子。
COOH H H3C H H
COOH H CH3 Cl H H Cl
2. 对称心(i)
分子中的任何一个原子或基团，都能够在其 与分子中心对称的地方找到另一个相同的原子 或基团，则分子的这个中心称为对称心。具对 称心的分子也是非手性分子。
命名示例
COOH H HO CH3
C2H5 OH H3C H
R-2-羟基丙酸 (R-乳酸)
R-2-丁醇
基团大小顺序规则
1. 比较和双键两端碳原子直接相连的原子的原 子序数，原子序数大者为较大基团。 2. 若第一个原子相同，则按顺序比较第二个原 子，依次类推。 3. 对于含有双键或三键的取代基，则看作以2 个或3个单键与相同的原子相连接。
对映异构体
内消旋化合物的特点
1. 为纯净化合物，而不像外消旋体为两种物 质的混合物。 2. 没有旋光性。 3. 物理性质和单一对映体有区别。
实例
mp (+)-酒石酸 (-)-酒石酸 (meso)-酒石 酸 (±)-酒石酸 170 170 140 206
[α]D20 +12 -12 0 0
溶解度 (g/100 g水) 139 139 125 20
例：比较基团优先顺序
c
CH=CH2
d
a
CHO b CH2OH
(R)-
Fischer投影式的R/S命名——横反竖同原则
直接在Fischer投影式上读取构型，不用转化成透 视式。——若最小基团位于横键上，则其绝对构型 与读取构型相反；若最小基团位于竖键上，则其绝 对构型与读取构型相同。
COOH COOH H HO CH3 H HO H CH3 CH3
2S, 3S非对映体
2R, 3S非对映体
2S, 3R-
赤型和苏型命名法
CHO H OH OH CH2OH H HO CHO OH H CH2OH
赤藓糖
H
苏阿糖
针对两个不完全相同的手性碳原子的化合物命名
CH3 H H Br OH CH3 Br H CH3 H OH CH3
赤型
苏型
3-溴-2-丁醇
6.2、内消旋化合物(meso-)
(S)-乳酸
(2R, 3RБайду номын сангаас-2-甲基-3羟基丁酸
含手性轴分子的R/S命名
c b
O2N
COOH
NO2
a
a d
HOOC
d
COOH
O2N
Rc
NO2
HOOC
b
第五节、外消旋体
对映异构体的混合物旋光度的计算
若混合物中R-构型的对映体所占比例为R%， 则混合物的比旋光度α为： α = αR×R% + αS×S% 其中： αR = - αS R% + S% = 1
4.1、D/L构型命名法
(+)-甘油醛
CHO H OH CH2OH
CHO HO H CH2OH
H2N
COOH H R
H HO H H
CHO OH H OH OH CH2OH
D-甘油醛
L-(-)-甘油醛
L-氨基酸
D-葡萄糖
规则：在严格的Fischer投影式中，C*上取代基 处于右侧为D-构型；处于左侧为L-构型。 注意：D/L构型和旋光的方向并没有对应关系。
COOH MeO
Ru-(S)-BINAP, 135 atm H2 MeO
COOH
非手性分子转化为手性分子
Cl CH3CH2 H CH3
CH3CH2
H CH3
Cl
CH3 H Cl
CH3CH2
外 消 旋 体
9.2、催化不对称合成
2001年度诺贝尔化学奖：
R
R
R
1, 3-二取代
R
R R
R
8.3、同二取代五员环
R
1, 2-二取代
R R R
1, 3-二取代
R R
R R
第九节、手性分子的形成和生物作用
9.1、手性分子的形成
生物体内的手性分子
O O Ph Ph OH NH O O HO Ph O O O O O OH
O O
抗癌药物：紫杉醇
手性化合物的制备途径 外消旋体的拆分（一半为不需要产品，浪费） 手性化合物 手性源合成（原料有限） 的制备途径 催化不对称合成（少量手性催化剂即可得到 大量手性产品，为最佳方法，如S-萘普生的 合成：）
第七节、外消旋体的拆分
¾优化结晶拆分 ¾非对映体结晶拆分 ¾包结拆分 ¾色谱拆分 ¾结晶诱导不对称转变法拆分
非对映体结晶拆分
一般方法：成盐。
若外消旋体为碱，则用光学纯的酸：酒石酸、樟脑磺酸。 若外消旋体为酸，则用光学纯的碱：奎宁。
R COOH H OH CH3 + N * R' H COOOH CH3
H
HH H H H
H
C2H5 OH H HO H
C2H5 CH3
CHO OH OH CH2OH H HO
CHO OH H CH2OH
第一节、手性分子和对映体
1.1、手性(Chirality)
手性是自然界的基本属性，自然界存在的和 生命有关的氨基酸、糖、核酸等分子均为手性 分子(chiral molecules)。 左、右手互为镜 像而不能重合， 这种性质称为— —“手性”。
Fischer投影式
翻转180°
COOH OH H3C H H3C
旋转180°
COOH H OH HOOC H CH3
旋转90°
H OH HO CH3 COOH
和Newman投影式的转换
CHO H OH HO H CH2OH
HO H
OH H
HO HO
CHO H H CH2OH
CHO CH2OH
第四节、构型命名法
Cl H3C H H H Cl H CH3
3. 对称轴(Cn)
分子绕一条直线旋转一定角度后得到与原来 分子相同的形象，这条直线叫做n阶对称轴。n 代表旋转的角度为2π/n。对称轴不能作为判断 分子是否具有手性的依据。
O H H H
N H
H
Cl H
H Cl
C2
C3
C2
4. 更迭对称轴(反轴，Sn)
酒石酸分子的立体异构体：
COOH H HO (a) OH H COOH HO H (b) COOH H OH COOH H H (c) COOH OH OH COOH HO HO (d) COOH H H COOH
2R, 3R-
2S, 3S-
2R, 3S-
2S, 3R-(=2R, 3S-)
将(c)在纸面上旋转180°即得到(d)，因此二者为相同 化合物。(c)虽然有两个手性碳原子，但由于其手性环境 完全相同而方向相反，互相抵消，因此不是手性分子， 亦没有旋光性。
只要分子中存在两个环境相同的手性碳原子， 都可能存在内消旋体。
COOH H OH CHOH HO H COOH COOH HO H HOHC H OH COOH H H H COOH OH OH OH COOH H HO H COOH OH H OH COOH
2R, 4R-
2S, 4S-
2R, 4S内消旋体 内消旋体
[α]D = +98.3° (c 1, CH3OH)
20
第三节、对映异构体结构的表示方法
3.1、透视式（楔形式）
乳酸的对映异构体：
COOH H HO CH3 H H3C OH COOH
3.2、Fischer投影式
3
3
3
[规定] 投影时，与手性碳相连横向两个键朝前， 竖向两个键向后（“横前竖后”） ，交叉点为手 性碳。一般将主碳链放在竖直线上，把命名时编号 最小（氧化态最高的基团）的碳原子放在上端。
R1 R2 R1 R2
R1
C
C
C R1
2. 含手性轴的分子
O 2N
COOH
R1 C C C R2 R1
NO2
HOOC
R2
这类手性叫做“轴手性”，这种手性主要 是由于轴两端的基团不能沿轴不同步旋转 造成。
3. 其它手性分子
柄型化合物 n=8，室温可分离对映体，且 稳定 n=9，室温可分离对映体，但 放置7 h后互相转化
彼此不成镜像的立体异构体叫做非对映体。
对映异构体 对映异构体
CHO H H OH OH CH2OH (a) HO HO
CHO H H CH2OH (b) H HO
CHO OH H CH2OH (c) HO H
CHO H OH CH2OH (d)
2R, 3R两个非对映体的所有相 对应的手性碳原子的构 型有的相反有的相同。
IPh
CH3 N+
C2H5 H2C CH CH2
磷化合物
P Me Ph Et Ph P Me Et
2. 含手性轴的分子
联苯型：
O2N NO2
HOOC
手 性 轴
COOH
NO2
HOOC
O2 N
COOH NO2
O2N
HOOC
COOH
2. 含手性轴的分子
丙二烯型：
手 性 轴
R1 C R2 C C R2 R1 R2 R1 C C C R2 R2 R2 R1
1.2、手性分子和对映(异构)体(enantiomer)
具手性的分子称为手性分子。
对映异构体
COOH H HO CH3 H H3C OH COOH
COOH HO H3C H
互为对映异构体的两种物质，除了旋光性及与 手性试剂作用外，其它物理、化学性质都相同。
手性碳原子（手性中心）
手性碳原子：连有四个不同原子或基团的碳原子。