第八章 对映异构

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。
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。
(+)-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。
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
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
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。
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。
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。
醇铝还原
(-)-薄荷醇 COOH
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。
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
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)
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。
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。
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。
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
D-(+)-甘油醛
D-(-)-甘油酸 HNO2
COOH H NH2 CH2OH
D-(-)-β-溴乳酸
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。
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
受阻
Cl Cl2 CH3 H H CH3 H Cl Cl H CH3 71%
源自文库
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
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)
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
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。
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
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。
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
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
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