第八章 对映异构

间接的方法：先人为确定一个旋光方向化合物的构型，然后 通过化学关联法，就可以确定其它化合物的构型。
CHO H OH CH2OH HO CHO H CH2OH
(+)
CHO COOH
(-)
COOH COOH
HgO
H OH CH2OH H OH CH2OH
NOBr
H CH2Br OH
Na-Hg
H CH3 OH
H Cl C a H C CH3 H3C H b Cl C H CH3 Cl2 b H Cl C C Cl H H C a Cl H CH3 CH3 CH3 H Cl CH3 Cl H CH3
S,S-
29%
CH3 Cl 71% Cl CH3
S,R-
[构象分析] 中间体自由基构象能
Cl CH3 H (主)
COOH C CH3 (R )-
(S)-
(S)-
(R)-
基团大小顺序：OH > COOH > CH3 > H
CH3 C HO H CH2CH3 HO
CH3 C CH2CH3 H HO
CH2CH3 C H CH3
S
R
R
COOH H OH CH3 H
CHO OH CH2OH
CHO H OH HO H H OH CH2OH
CH3 OH OH HO HO CH3 CH3 CH3
2. 对映体：互为镜像而又不能重合的两种构型的分子，互为对 映异构体，这种异构称为对映异构。
COOH C CH3 H OH
COOH H C CH3 HO R-(-)-乳酸
[]D20= -3.8o(水)
对 映 体
S-(+)-乳酸
[]D20= +3.8o(水)
CH3 OH H H OH CH3 CH3 HO H H OH CH3 CH3 H OH H HO CH3 CH3 H HO H HO CH3
1. 外消旋体：由等量的一对对映体混合在一起，此时组 成的混合物没有旋光性，该混合物叫做外消旋体。
2. 内消旋体：含有多个手性碳原子的化合物，由于分子 内对称性的原因，分子没有手性，即没有旋光性，该 化合物叫做内消旋体。
R-S标记法 (1)确定手性碳上四个原子或基团的大小，确定大小的原则 和双键上顺反异构时的确定原则相同。 (2)将最小的原子或基团作为伞尖，其余的作为伞柄，眼睛 从伞内向上看。将三个伞柄按从大到小的顺序轮转，顺时 针的为R构型，反时针的为S构型。
OH C HOOC H CH3 COOH C CH3 H OH COOH C HO H CH3 H HO
(+)-酸-(-)-碱
+ (_)-酸+(-)-碱
结晶分离 (-)-酸-(-)-碱
(+)-酸-(-)-碱 (-)-酸-(-)-碱
HCl HCl
(+)-酸 (-)-酸
四、手性合成（不对称合成）
不经过拆分直接合成出具有旋光性的物质的方法，叫做手性 合成或不对称合成。关键是营造不对称的环境，方法有： 1、用手性原料合成手性产物。
第八章 对映异构
8.1 手性和对映异构
一、手性和对映体 1.手性：一个物体若与自身镜像不能重叠，就叫做具有手性。 在立体化学中，不能与镜像重叠的分子叫做手性分子。
COOH H C CH3 OH HO
COOH C CH3 H
对映异构体在宏观性能上表现出的最大差别是生理
活性不一样以及旋光性不同。
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？
H H3C CH3CH2 Cs COOH H3C H C2H5 COOH A COOH H3C H C2H5 D CH3 H COOH E COOH H CH3 C2H5 F H C2H5 CH3 B C2H5 CH3 COOH G COOH H
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
4. 差向异构体：含多个手性碳原子的立体异构体中，只有 一个手性碳原子的构型不同，而其余的构型都一样的非对 映体，叫做差向异构体。
HO HO H H
CHO H H OH OH CH2OH
H HO H H
CHO OH H OH OH CH2OH
三、外消旋体的拆分
将外消旋体分离成旋光体的过程，一般的分离提纯方法难以 用来分离外消旋体，而必须用一些特殊的方法才行。拆分的 方法有多种，一般的有以下几种： 1. 机械拆分法：对化合物的结晶形态要求较高，即两种旋光 性的对映体的结晶不一样，通过人工分辨来分离。 2. 微生物拆分法：某些微生物或它们产生的酶只消耗对映体 中的一种，另一种得以保留。 3. 选择吸附拆分法：用某种旋光性的物质作吸附剂，使它选 择性地吸附对映体中的一种，或两种异构体和吸附剂的结 合力不同而分离。如高效液相色谱、气相色谱、凝胶电泳 等方法。
一、含有一个手性碳原子的化合物的对映异构 1. 手性碳原子：与四个互不相同的基团相连的碳原子，叫
手性碳原子。该碳原子没有任何的对称因素，在结构式中 通常用*号标出来。 * * HOH2C CH CHO H3C CH COOH 甘油醛 乳酸
OH OH
2. 构型的表示方法（即如何画结构式）
三维的构型表示方法：如前面的表示方法。即画出分子的立 体结构，这种表示方法比较直观，容易理解，但画起来比较 麻烦，特别是遇到含有多个手性碳原子的化合物时，更麻烦。
的几种影响因素固定，于是就有了比旋光度。
[]tD=/(l×C)
[]tD=/(l×)
其中上标 t 表示温度，下标D表示钠光波长，l 表示盛液管 的长度（单位为dm），C表示测量溶液的浓度（单位为 g/mL），当被测物质为纯物质时，C用该物质的密度代 替（单位为g/cm3）。
8.2 分子的对称性和手性
D-L标记法 规定右旋甘油醛的构型为D型，则碳水化合物中，凡是离
醛基最远的手性碳上的羟基在右边的为D型。-氨基酸中，
氨基在右边的为D型。
CHO H OH CH2OH
CHO H OH H OH H OH CH2OH HO HO H H CHO H H OH OH CH2OH
COOH H R NH2
D
其它一般性能如沸点、熔点、溶解度、极性甚至反
应活性都是相同的。
由于旋光性是容易测定的，测定旋光性是研究对映
异构体最重要和最早的方法，因此对映异构也叫旋
光异构，对映异构体也叫光学异构体
判断分子是否具有手性，一般看该分子是否具有对称面、对 称中心或交替对称轴。如果有上面任意一项，则该分子不具 有手性。
3. 非对映体：构造相同，构型不同，相互间不是实物与镜影关 系的立体异构体，叫做非对映体。 对映体和非对映体的差别为：
（1）对映体可以组成外消旋体，非对映体不能。 （2）对映体除了旋光方向相反外，其余的性质都一样，对映 体则都不同。 （3）对映体的拆分很难，而非对映体则容易分开。
COOH HO H Cl H COOH 2R3R dlCOOH H OH H Cl COOH 2S3S COOH HO H H Cl COOH 2R3S dlCOOH H OH Cl H COOH 2S3R
要能够将各种书写结构式进行互相转换，如纽曼式、三维 结构式、Fischer式等。
CH3 H H2N CH3 OH H H2N H H3C H OH H CH3 H CH3 OH NH2 CH3
3. 构型的确定 确定化合物的旋光方向很容易，但是要确定某一旋光方向 的化合物的绝对构型却很难。目前可以通过X衍射、核磁共 振等方法直接确定化合物的绝对构型，也可以用间接方法 来确定。
COOH H OH HO H COOH
COOH HO H H OH COOH
COOH H OH H OH COOH
COOH HO H HO H COOH
外消旋体和内消旋体的区别为： （1）前者是由两个互为对映体的手性分子组成的混合物； 后者是一个非手性分子，是纯的化合物。 （2）前者可以拆分，后者不能再拆分。
CH3 C H H Cl Cl H CH3 C H CH3 CH3 CH3 CH3
COOH CH3 H HH
CH3 H
COOH H H
H
H
CH3
COOH
COOH CH 3
H Cl Cl H H
Cl H Cl H
Cl H Cl
H Cl Cl H
其中最常用的判断方法为：对于开链化合物，看是否有手 性碳原子，即和碳原子相连的四个原子或基团都不一样； 对于环状化合物，则看是否有对称面或对称中心。仅有对 称轴，不能作为判断标准
CHO H OH CH2OH
CHO HO H CH2OH
CH2OH HO H CHO
标记法和旋光性之间并没有严格的对应关系，D型结构的化合 物即有右旋的（如D-(+)-甘油醛），也有左旋的（如D-(-)-乳 酸）。R-S标记的化合物也一样。 对于一个新的手性化合物，首先是测它的旋光性，然后确定 它的绝对构型，再才能对它进行标记。
H
COOH C2H5 CH3 C C2H5 H3C H COOH H
C2H5
将投影式在纸平面上旋转90o，则成它的对映体。
CH2CH3 H3C H COOH 转 90
o
CH3 HOOC H CH2CH3
(在纸平面上)
将手性碳上的四个基团互相转换位置，操作一次则构型改 变，操作两次则构型保持。
CHO H OH CH2OH H OH CHO CH2OH H CH2OH CHO OH HO H CH2OH CHO
2. 比旋光度：可以用旋光仪来测量旋光度。
旋光度：使偏振光偏振面旋转的角度。用表示。 旋光方向：右旋（+）、d- ; 左旋（-）、l-。
a
目镜 单色光源 起偏镜 盛液管 检偏镜
a
影响旋光度大小的因素有：被测物质的结构、温度、波
长、被测样品的浓度、盛液管的长度即光通过的距离。
要将旋光值和被测物质的结构联系起来，就必须将其余
D-(+)-甘油醛
D-(-)-甘油酸 HNO2
COOH H NH2 CH2OH
D-(-)-β-溴乳酸
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
D-(-)-乳酸
D-(+)-异丝氨酸
4. 构型的标记（命名） 有D-L标记法和R-S标记法。其中D-L标记法一般用于碳水 化合物和氨基酸等天然产物，是一种相对标记法。R-S标
记法则可用于各种化合物的标记，是一种绝对标记法。
二、含多个手性碳原子的化合物的立体异构
一般含有N个手性碳原子的分子，应该有2的N次方个立体异 构体。
CH3 OH H H NH2 CH3 CH3 HO H H NH2 CH3 CH3 H OH H H2N CH3 CH3 H HO H H2N CH3
但是有时由于分子内对称性的原因，立体异构体数量会减少。
醇铝还原
(-)-薄荷醇 COOH
Fischer（菲舍尔）投影式：用途广泛，书写方便，特别是对 于含多个手性碳原子的化合物。
COOH H OH CH3 H
COOH C CH3 OH HO
COOH C CH3 H HO
COOH H CH3
书写规则：（1）将碳链写在竖直方向，氧化态高的碳原 子在上面，氧化态低的碳原子在下面，其它的原子或基团 写在水平方向。（2）竖直方向的原子或基团伸向后面， 水平方向的原子或基团伸向前面。
4. 诱导结晶拆分法：在外消旋体的过饱和溶液中，加入其中一 种纯的异构体结晶作诱导，使该类异构体优先结晶析出。 过滤后，再加入外消旋体使溶液过饱和，此时另外一种异 构体过量，则会优先析出，如此循环下去，就可以将一对 对映体分开。 5. 化学拆分法：将一对对映体和另外一种纯手性化合物反应， 这样生成的两种化合物就是一对非对映体，就可以利用其 物理性质的不同，用一般的方法将它们分离，然后通过逆 反应各得到两种化合物，分离既可以将一对对映体拆分。
含一个手性碳的分子是手性分子，具有一对对映体。
二、旋光性和比旋光度
光波振动方向与光束前进方向关系示意图
光束先进方向
光源
普通光
平面偏振光
Nicol prism
普通光
平面偏振光：通过Nicol棱镜，仅在一个平面上振动的光。
1. 旋光性：能旋转偏振光的振动方向的性质。
一对对映异构体既然存在结构上的不同，必然会在性质上 表现出来。它们在一般的物理和化学性质上完全相同，但 是旋光性不同，以及在不对称（手性）环境中表现的化学 和物理性质不同。
受阻
Cl Cl2 CH3 H H CH3 H Cl Cl H CH3 71%
H CH3
Cl
CH3
Cl H H H CH3 CH3 Cl2 H
Cl CH3 CH3 H Cl H Cl CH3 29%
Cl
CH3
2. 用手性辅助剂合成手性产物。
O CH3CCOOH + （无手性）
HO CH3
(-)-薄荷醇丙酮酸酯 （手性分子） COOH