有机化学-陆阳主编-第二章 立体化学Chapter-2-Stereochemistry

（无生理效应）
HOOC *
OH
H2N H
（-）-多巴
OH
（抗帕金森氏症）
资料： 生物分子手性同一性
在生命的产生、演变、进化这样 漫长的过程中，自然界造就了许多分 子，手性分子占去了很大的比例。构 成蛋白质的氨基酸都是 L 型氨基酸， 多糖和核酸的单糖是 D 型糖。
DNA
手性与环境：手性技术与手性产品符合绿色化学原则
名称
(+)-乳酸
mp（℃）： 26
[]20D：
+3.82
pKa（25℃）： 3.76
()-乳酸 26
-3.82 3.76
()-乳酸 18
0 无旋光性？
3.76
结论：对映体之间物理性质除旋光方向相反外，其余均相同；外消 旋体除无旋光性外，其他物理性质与单一对映体不同。
对映体化学性质比较
与非手性试剂反应时化学性质相同，反应速度也相同；若与 手性试剂反应，化学性质相似，但反应速度有差异。
2.1 Chirality, Chiral molecules & Enantiomer 手性、手性分子和对映体
一、手性
问题：什么是手性？
观察自己的双手，二者有什么联系和区别？
结论：1. 互为实物与镜像的关系；
镜面
2. 相似但不能重叠（合）；
手性
手套与左右手的相互关系:
二、手性分子和对映体
思考题：如果把手换成物质（分子），考察实物（分子） 与其镜像（分子）之间会有怎样的关系？
1、非手性分子 以乙醇（CH3CH2OH ）为例：
实物
镜像
实物与其镜像完全重叠，不具手性，这种分子称为 非手性分子；实物与其镜像是同一种物质。
2、手性分子和对映体 以乳酸（CH3CHOHCOOH）为例：
实物与其镜像不能完全重叠，具有手性，这种分子称 为手性分子；实物与其镜像是两种物质（对映体）；这种 异构现象称为对映（或旋光）异构。
2.5 Diastereomer & Meso Compound 非对映体和内消旋体
一、非对映异构体 （以2-羟基-3-氯丁二酸为例）
结构式：
HOOC4
*3
CH
2* 1
CH COOH
Cl OH
问题：1. 指出该化合物中的手性碳原子。
2. 两手性碳所连接的原子(基团)分别是？
C2 H OH C3 H Cl C2=C3
HO COOH HO COOH
Louis Pasteur
三、手性分子的特点
1. 存在对映异构（异构现象之一）； 光学性质
2. 具有旋光性（见第三节）； 由于手性分子所产生的不同异构体其旋
光性不同，因此对映异构又称为旋光异构或
光学异构。
3. 生理活性不同
例： HO
HO
* COOH
H NH2
（+）-多巴
2.8 Split of Racemate 外消旋体的拆分 Learn on your own 自学
2.9 Source of Chiral molecules & Biological Effect 手性分子的来源和生物作用 Learn on your own 自学
立体化学从三维空间揭示分子的结 构和性能。手性分子是立体化学中及 其重要的部分之一。
COOH COOH
CH COOH Cl
CH COOH OH
有四个异构体：
COOH
COOH
CHO H———OH HO———H
CH2OH Fischer投影式
CHO H C OH HO C H
CH2OH 透视式
H OH
HO H CHO
CH2OH
锯架式
HO H
H OH
OHCCH2OH
Newman投影式
2.3 Optical Activity 物质的旋光性
自学
要解决的问题：
1. 什么是旋光性？
MeO
O
Cl N
(S)-Metolachlor
异丙甲草胺
“反应停”是1953年由一家德国公 司合成的药物—thalidomide（沙利度 胺）。能够有效地阻止女性怀孕早期的 呕吐。在欧洲、南美洲被医生大量使用， 但该药妨碍了孕妇对胎儿的血液供应， 导致大量“海豹畸形婴儿”出生。
“反应停”悲剧
沙利度胺的两个异构体：
演示：乳酸对映异构
小结： 1. 实物与其镜像能完全重叠（不具手性）； 实物与镜像为同种分子-非手性分子。 2. 实物与其镜像不能完全重叠（手征性简称手性）； 实物与镜像为两种分子-手性分子。
从天文学到地球科学，从 化学到生物学，几乎处处都 有手性显身影。
Not superposable
2000年8月发生于 大西洋的阿尔贝 托飓风，其螺旋 具有手性特征。
* CH3
H
*
CH3
HO *
CH3-C* H-C* H-CH2CH3
OH OH
H
*
**
*
*
H
H
*
*
H
胆固醇
2.2 Fischer Projection Formulas 费歇尔投影式
已知：含一个手性碳的化合物如乳酸，有两种异构体。
COOH
H
HO
CH3
COOH
H
CH3
OH
用CH3CHOHCOOH（平面结构式），无法区分 二者，可见对映异构体必须用立体结构式表示。
CH3
H
Cl
H
Br
CH3
比较投影式时必须遵守下列规则：
1、 Fischer投影式不能离开纸面进行翻 转。
2、若要知道两个投影式是否能重合， 只能使它在纸面上旋转180°, 而不能旋转 90°或270°。
3、Fischer式中*C上所连原子或基团可 以两-两交换偶数次。若交换奇数次，将 会使构型变为它的对映体。
与4个不相同原子(基团) 相连接的碳原子称为手性碳原子
例乳酸CH3C*HCOOH 有一个手性碳原子，正是这种 OH
碳原子使乳酸分子产生了手性，有两种异构体。
D-(-)-乳酸（糖发酵） L-(+)-乳酸（肌肉中）
比旋光度： -3.82°
+3.82°（第三节）
练习:指出下列化合物中的手性碳原子。
CH3-C*HCl-CH2CH3
Learn on your own 自学 2.4 Racemate 外消旋体 2.5 Diastereomer & Meso Compound
非对映体和内消旋体 2.6 D/L system & R/S system 构型标记方法
2.7 Enantiomer Without Chiral Carbon 无手性碳原子的对映体 Learn on your own 自学
2. 什么物质具有旋光性？
3. 物质的旋光性是如何测定的？
4. 测定旋光性有何意义？
5. 什么是左旋体和右旋体？
t
6. 符号(+)、(－)、d、l、、[]D 所表示的意义？
7.
[]Dt =

C×L
答：使平面偏振光旋转的性质
手性物质具有旋光性
旋光仪
不同旋光性物质，生理活性不同
使平面偏振光的偏振面向左（右）旋转
表示的却是具有一定空间构型的分子，因此和其他
表示分子立体结构的式子不同，不能任意旋转，也
不能任意改变手性碳连接的原子或基团的位置。另
外含多个手性碳的化合表示起来虽不很确切（所表
示的构象全部是重叠式），但依然使用。
P16介绍了有关Fischer投影式改变，但构型保持的几种操作，如将Fischer投影式不离开纸 面翻转180°，同一手性碳上的原子（基团）交换偶数次等，待学习构型命名后是可以证明。
在农药使用上，手性农药的使 用可以达到减少剂量，提高药效 的作用；并且减少不良和无效对 映体的可能造成的环境污染。如 除草剂Metolachlor以消旋体的形 式问世以来，每年以2万多吨的产 量投放市场，1997年后以手性的 替代消旋体，使用量减少了40％， 这相当于每年少向环境中排放8千 多吨化学物质。
在植物学中，手性也是一个 重要的形态特征。绝大部分 攀缘植物是沿着主干往右缠 绕的，但也有少部分是往左 缠绕的，如香忍冬。
左手性紫藤
右手性多花紫藤
有机分子手征性的发现
1848年，法国化学家Louis Pasteur发现酒石酸 两种不同的存在形式：左旋酒石酸和右旋酒石酸， 并把这两种晶体分开。
HO COOH HO COOH
O
N OO
O NH
(R)-thalidomide
O
O
N
N H OO
(S)-thalidomide
致畸作用是S-异构体，而R-构型即使大剂量使 用，也不会引起致畸作用。
资料：药物的构效关系十分重要 O2N
OH
* * OH
NHC O C HC2l
氯霉素
如:
(+)-葡萄糖具有营养价值，而(-)-葡萄糖无营养；
这样固定下来的分子模型投影，得到的Fischer投影式 为最严格的Fischer式，用D/L法命名时必须用这种Fischer 式。
乳酸对映异构体的Fischer 投影式
COOH
COOH
H
OH
HO
CH3
H CH3
COOH
H
OH
CH3
COOH
HO
H
CH3
3、注意事项
Fischer投影式看起来是一种平面结构式，但它
(+)或d：右旋体； (－)或l：左旋体；
：旋光度；
t
[]D
：比旋光度
[]Dt =

C×L
例：肌肉运动时产生的乳酸，其 []
20 D
=（+）3.82°
表示以钠光D-线作为光源，温度20℃，其 比旋光度为右旋3.82度。如果溶剂不是水，还 应注明溶剂的类型,有时还需注明溶液浓度。
练习：将胆固醇样品260mg溶于5ml氯仿中，然 后将其装满5厘米长的旋光管，在室温通过偏 振的钠光测得旋光度为-2.5° ,计算胆固醇的比 旋光度。
(-)-氯霉素有抗菌作用，而(+)-几乎无效;
(-)-多巴治疗帕金森症，而(+)无效，有毒；
(+)-四咪唑抗忧郁药，而(-)-四咪唑抗肿瘤辅助药；
四、手性分子的判定方法
1、最可靠的方法是考察分子的本身与其镜像 的关系(模型,但不现实);
非手性分子
手性分子
2、考察分子的对称性（对称面、对称中心）因素
1、Fischer投影式 以乳酸为例：
COOH
HO
H
C H3
十字线表示手性碳的四价，交点代表手性 碳(位于纸平面），横键向前，竖键向后。
2、投影规则
COOH
H
OH
CH 3
（1）手性碳（ ）位于纸面（十字线交点）； （2）与*C结合的横向的两原子（基团 ）位于纸面的前方； （3）与*C结合的竖向的两原子（基团 ）位于纸面的后方； （4）一般将主碳链放在竖线上，把命名时编号最小的碳放在上端。
Stereochemistry
第二章 立体化学
Content
2.1 Chirality, Chiral molecules & Enantiomer 手性、手性分子和对映体
2.2 Fischer Projection Formulas 费歇尔投影式 2.3 Optical Activity 物质的旋光性
透视式：
COOH
H
HO
CH3
一个手性碳
COOH
H
CH3
OH
注：实线连接的原子（基团）位于纸平面上； 实楔线连接的原子（基团）指向纸的前面； 虚楔线连接的原子（基团）指向纸的后面。
H OH HO H COOH
COOH
锯架式
二个手性碳
H
H
HO
OH
HOOC COOH
Newman投影式
这些表示方法书写麻烦，多手性碳时均不易使用。
解：
[]tD=

2.5。
l c 0.26g / 5ml 0.5dm
96。（氯仿）
2.4 Racemate 外消旋体 外消旋体：等量对映体的混合物。
用 (±) 或 (dl)表示。
例：
H
COOH OH 和 HO
COOH H
的等量混合物，称外消旋体。
CH3
CH3
资料：对映体、外消旋体物理性质比较
分子中原子间的排列顺序、结合方式
碳架异构
构造异构 位置异构
同
官能团异构(包括互变异构)
分
异 构
构象异构 立体异构 构型异构
顺反异构 旋光异构
构造相同，原子在空间排布方式不同
Key words: 1.手性 2.手性碳原子 3.手性分子和非手性分子 4.对映异构（或旋光异构） 5.旋光度和比旋光度 6. 对映体和非对映体 7.外消旋体和内消旋体 8.对映异构体的表示方法（Fischer投影式） 9.构型标记
① 对称面 假设：-H、-C、 -Cl、-CH3 、-OH均为球体
OH
C
H
H
C H3
顺-1，2-二氯乙烯 两个对称面
乙醇
CH3-CH2-OH
乙醇的 对称面
分子的对称面 具有对称面的分子为非手性分子
② 对称中心
COOH
CH3
H =.
H
H
=H
CH3
COOH
有对称性因素的分子，一般是非手性分子。
3、多数情况,根据分子中是否存在手性碳原子 （以C*表示）来判定。
Problem 3: 下列Fischer式是否表示同一化合物？
COOH
CH2OH
H
OH
HO
H
镜
CH2OH
COOH
像 关 系
1
2
旋转180℃后可重叠
--
对
COOH
映 HO
H
体
CH2OH
OH
HOCH2 H
COOH
源自文库
3
4
交换偶数次后与1同
同一个异构体可以用几种不同的 方法表示其立体结构。
如：2R,3S-2,3,4-三羟基丁醛：