第四章 对映异构 4.1 几个基本概念 4.2 旋光性 4.3 对映体和外消旋体 4.4 Fischer投影式 4.5 构型标记 4.6 含 2个手性碳原子的化合物 4.7 含手性碳原子的单环化合物 4.8 不含手性碳原子的手性分子 4.9 手性分子的形成和生物作用 对映异构 — 从三维空间的角度研究有机分子的结 构和反应的有关内容 同分异构 立体异构体 ( Stereoisomers)：构造相同，分 子中原子在空间排列方式不同的化合物。 — 相应的现象称为立体异构 构造异构 顺反异构 构象异构 对映异构 立体异构 4.1 几个基本概念 1. 手性 --互为镜像与实物关系,彼此相似又不能重 合的现象。 (a) Structures A and B are mirror-image representations of bromochlorofluoromethane Cl F H Cl F H Br Br A B (b) Reorient B by turning it 180° Br Cl F H H F Cl Br 180° B = B’ (c) Compare A and B’. The two do not match. Cl Br F H H F Cl Br A B’ 2.手性分子 : --实体与镜象不能重合的分子 C CO 2 H CH 3 H Br C CO 2 H CH 3 H Br 3.手性中心： z与四个不同的原子或基团相接的原子主要 有： C, N, S, P COOH HOOC CH 3 H 3 C OH HO H H (-)-乳酸 (＋)-乳酸 4.手性碳原子 (C*) C CO 2 H CH 3 H OH * 5.对称元素 ?对称轴 ?对称面 ?对称中心 对称轴 （ Symmetry Axis） — 一条直线通过分子，使分子绕此 直线旋转一定角度后能与原来的分子重合 的直线。 Cl Cl HH Symmetry axis C2 绕轴转动，转动 α 角度后能与原分子重合， 则 360/ α = n 为该分子的 n重对称轴，用 Cn表示 对称面 (Plane of symmetry) ( σ ) --使成分子的所有原子都在同一平面上，或平 面可以通过分子并将其分成互为镜象的两个 部分。 苯：七个对称面 CH 2 Cl 2 Cl Cl H H 对称中心 (Center of symmetry) ( i ) --通过分子的中心与分子中的任何一个原子连 一直线，然后将此直线向相反方向延长，并在 离中心等距处遇到完全相同的原子，则此中心 是该分子的对称中心。 F H H Cl Cl H H F 反 -1,3-二氟 -反 -2,4-二氯环丁烷 判断分子有无手性的方法： ?有对称面: 非手性 ?有对称中心: 非手性 Cl H Cl F H F F F 非手性 Cl Cl H H Br Cl OH H 手性分子 非手性分子 C CO 2 H CH 3 H OH C CO 2 H CH 3 H OH (S)-(+)-乳酸(R)-(-)-乳酸 判断对映体的方法 --建分子和它的镜像模型，看是否能重合 --寻找对称面 --寻找手性碳原子 6.旋光异构体 构造相同，构型不同的异构体 CO 2 H OHH CH 3 CO 2 H HO H CH 3 (R)-(-)-乳酸 (S)-(＋)-乳酸 4.2 旋光性 平面偏振光 --在同一个平面上振动的光 当平面偏振光通过某物质时，如果该 物质能使通过它的平面偏振光的偏振 面发生旋转，则称该物质具有 旋光性 旋光性 或称该物质为 旋光性物质 旋光性物质 。 Polarimeter Tube Plane of polarization has undergone a rotation Solution of a chiral substance in which more of one enantiome than the other is present Plane-polarized lig ht α 旋光仪和比旋光度 旋光度 --偏振面被旋光性物质所旋转的角度 （ α） 左旋（逆时针）： (-) 右旋（顺时针）: (+) 旋光度测定的影响因素 与溶液浓度成正比 给定浓度下还与旋光管的长度成正比 与测定时的温度，光源波长有关 与使用的溶剂有关 比旋光度 (Specific Rotation) ----1ml 中含有 1g溶质的溶液在 1dm长的盛液管 中所测得的旋光度 ? C: 样品浓度 g/ml t: 温度 ? L: 盛液管长度 1dm λ: 测量光波长 光源：通常是钠光 D-线波长 589.3nm α [ α ]= C L t λ z比旋光度的表示： 葡萄糖（水溶液）( 20°C, 钠光灯 ) [ α ] = + 52.5° ( H 20 D 2 O) 例：将胆固醇样品 260mg溶于 5ml氯仿中，后装 满于 5厘米长的旋光管，在 20°C通过偏振钠光 测得旋光度为 -2.5°，计算胆固醇的比旋光度。 α -2.5 ° [ α ] = = = -96 ° C L 0.26g/5ml × 0.5dm t D 手性与旋光性 ?手性只能在手性环境中识别 ? — 在非手性环境中（除了旋光性），对映体物 理，化学性质相同 ?识别手性的常用手段是测定旋光性 ?手性化合物在液态或溶液中是旋光的 ?有些非手性化合物在液晶状态下有旋光性 ?旋光方向与构型没有对应关系 4.3 对映体和外消旋体 对映体 —互为镜像关系的旋光异构体 对映体的异同点 --相同点 物理性质:熔点、沸点和溶解度 化学性质:与试剂的反应速度相同 --不同点 对偏振光的偏振面的作用不同 在生理作用上有着显著的不同 外消旋体 —一对对映体的等量混合物 乳酸的三种不同旋光性现象： --(+)乳酸－从肌肉组织中分离出 --(-)乳酸－由左旋乳酸杆菌使葡萄糖发酵而得 --(±)乳酸－化学合成而得（如丙酮酸还原） 外消旋体常用 (±)或 dl表示 C CO 2 H CH 3 H OH C CO 2 H CH 3 H OH (S)-(+)-乳酸 (R)-(-)-乳酸 (+)-乳酸 m.p. 53 ℃ 53 ℃ 18 ℃ α 20 3.82 -3.82 0 D 外消旋体的拆分 化学法： 最常用的是把一对对映体设法转变为非 对映体，再用分步结晶法或蒸馏法分开 生物法 晶种结晶法 光学纯度 光学纯度百分率 (%OP)= × 100% 例： S-(+)-2-丁醇比旋光度为 +13.52° R-(-)-2-丁醇比旋光度为 -13.52° 一个 2-丁醇样品比旋光度为 +6.76° 求该样品百分光学纯度？ 经计算：为 50% 则： S-(+)-2-丁醇占 75%， R-(-)-2-丁醇占 25%。 [ α ] [ α ] t D样品 t D纯品 4.4 Fischer 投影式 C C CO 2 H H HO CO 2 H OH H CO 2 H H HO CO 2 H OH H (b)Fischer 投影式 (a)透视式或伞形式 H OH CO 2 H CH 3 CO 2 H C OHH CH 3 CO 2 H OHH CH 3 横向基团位于平面的前方 竖向基团位于平面的后方 水平线和垂直线的交叉点代表手性碳 一般将最长的碳链作为一直链垂直投影在纸面上 ， 同时把氧化状态较高的基团放在上面。 COOH HOOC CH 3 H 3 C OH HO H H (-)-乳酸 (＋ )-乳酸 处理 Fischer投影式的注意事项 1. 在平面上旋转 90°× 2n ，构型不变。 CO 2 H OHH CH 3 180 CO 2 H HO H CH 3 相同 (＋ )-乳酸 2. 在平面上旋转90° × (2n + 1 ) ，构型翻 转，得到对映体。 CO 2 H OH H CH 3 HO 2 C OH H CH 3 CO 2 H OH H CH 3 90 270 对映体 (＋ )-乳酸 (-)-乳酸 3. 离开平面翻转180°，构型翻转，得到 对映体。 CO 2 H OHH CH 3 CO 2 H HO H CH 3 180 翻转 对映体 (＋ )-乳酸 (-)-乳酸 BrH CH 3 CH 2 CH 3 HBr CH 3 CH 2 CH 3 Br H CH 3 CH 2 CH 3 纸面旋转 离开纸面 旋转 180 90 Br H CH 3 H 3 CH 2 C (2S) - 2 -bromo - butane (2S) - (2R) - (2R) - 4. 取代基互换位置奇数次，得到对映体。 CO 2 H OHH CH 3 CO 2 H HO H CH 3 对映体 互换奇数次 取代基位置 (＋ )-乳酸 (-)-乳酸 5. 取代基互换位置偶数次，构型不变。 CO 2 H OHH CH 3 互换偶数次 取代基位置 CO 2 H HO H CH 3 相同 (-)-乳酸 (＋ )-乳酸 6.Fischer投影式中的任意三个基团可同时 在不改变彼此相对位置下沿闭合环移动 US R T R >S>T > U (R) - TU R S TR S U (R) - (R) - OH 3 2 CH 3 OHH HH 3 C CH 3 CH 3 OHH OHH (2R,3S) - (2R,3S) - CH 3 OH HH 3 C OHH (2R,3S) - 4.5 构型标记 1.D/L标记（相对构型） 2.R/S标记（绝对构型） 1.D/L标记（相对构型） 化合物的 绝对构型 指键合在手性中心的四 个原子或原子团在空间的真实排列方式。 1951年前，人们无法确定化合物的绝对构型 1906, Fischer CHO OHH CH 2 OH CHO H HO CH 2 OH L-(-)-甘油醛 D-(+)-甘油醛 关联构型 在不涉及与手性碳连接四个键断裂的前提下 D型 :由 D- ( + ) -甘油醛反应获得或可转变为 D- (+) -甘油醛的化合物的构型 。 L型: 由 L- ( - ) -甘油醛反应获得或可转变为 L- (-) -甘油醛的化合物的构型 相对构型： 由于直接或间接与甘油醛关联的 手性化合物的构型。 实例 CHO OHH CH 2 OH D-(+)-甘油醛 CO 2 H OHH CH 2 OH D-(?)-甘油酸 CO 2 H OHH CH 3 D-(?)-乳酸 HgO [O] [H] 1951, Bijvoet J M 确定 (+)-酒石酸铷钠的 绝对构型，从而推断出 (+)-甘油醛的构型 与 Fischer等假设的 Ｄ 型相同 。 结论： z(+)-甘油醛的相对构型即为绝对构型 z所有与 (+)-甘油醛关联得出的构型也都 是绝对构型 C C COOH H HO C COOH CH 3 OH H COOH OH H C C COOH H H COOH OH H [ H ] - CO 2 C CHO CH 2 OH OH H 酒石酸 苹果酸 D - (+)-甘油醛 C C HOOC H H COOH HO H 乳酸 2.R/S标记（绝对构型） ?首先按次序规则把连在手性碳原子 上的四个不同基团进行排序： A>B>C>D ?把最小的基团 (D)放在观察者的对面 ?A→ B → C 顺时针为 R型 ?A→ B → C 逆时针为 S型 乳酸 H 3 C HO COOH H HOOC OH CH 3 H ( R )-乳酸 ( S )-乳酸 命名氯溴碘甲烷的两个构型 次序法则 次序法则 1 : 与手性碳原子直接相连的四个不相同的原 子的先后顺序取决于原子序数的大小,原子序数较大的 原子较优先. I＞ Br ＞ Cl ＞ H. C Cl Br H I C Br H Cl I 转动 使 H远离 视线 R C H Br Cl I C Cl H Br I 转动 使 H远离 视线 S 次序法则 次序法则 2 : 当手性碳所连的四个原子或基团,有些基团 的第一个原子相同时,则要依次看第二个甚至第三个原 子,直到遇到差别时,将其中原子序号大的仍然排前. HO＞ CH 2 CH 3 ＞ CH 3 ＞ H C HO CH 3 H CH 2 CH 3 CH 3 C H OH C 2 H 5 转动 使 H远离 视线 R CH CH 3 OH CH 2 CH 3 CH 3 C H C 2 H 5 OH 转动 使 H远离 视线 S 次序法则 次序法则 3 : 若手性碳所连的基团含有双键或三键,则可 看成连接两个或三个相同的原子. -COOH ＞ -CHO ＞ -CH 2 OH 对 Fischer投影式的 R、 S标记 最小基团在竖线上: A→ B → C 顺时针为 R型 A→ B → C 逆时针为 S型 最小基团在横线上: ?A→ B → C 顺时针为 S型 ?A→ B → C 逆时针为 R型 CO 2 H OHH CH 3 CO 2 H HO H CH 3 (R)-(-)-乳酸(S)-(＋)-乳酸 HOH CH 3 COOH （S）-2-羟基丙酸 4.6 含 2个手性碳原子的化合物 ?1. 手性碳原子不同 ?2. 手性碳原子相同 1. 手性碳原子不同 手性碳原子 A和 B。 A(R)和 A(S) B(R)和 B(S) A (R) A (R) A(S) A(S) B(R) B(S) B(R) B(S) HOCH 2 CHCHCHO OHOH 非对映体（光学异构体） 对映体 对 映体 (2R,3R) (2S,3S) (2R,3S) (2S,3R) CHO HHO OHH CH 2 OH CHO OHH HHO CH 2 OH CHO HHO HHO CH 2 OH CHO OHH OHH CH 2 OH 赤藓糖 (erythrose), 赤式 苏糖 (threse)，苏式 OH OH OH * * * HOCH 2 CHCHCHCHO CHO OHH OHH OHH CH 2 OH CHO HO H HO H HO H CH 2 OH CHO HHO OHH OHH CH 2 OH CHO H OH HO H HO H CH 2 OH 1 2 34 1和3是差向异构体（仅有一个手性碳原子的构 型相反） CHO HHO HHO OHH CH 2 OH CHO H OH H OH HO H CH 2 OH 56 CHO HHO OHH HHO CH 2 OH CHO H OH HO H H OH CH 2 OH 78 2. 手性碳原子相同 酒石酸 CO 2 H HHO OHH CO 2 H CO 2 H OHH OHH CO 2 H CO 2 H OHH HHO CO 2 H (2S,3S) (2R,3R) (2R,3S) 对映 体 内消旋 体 C C CO 2 H OH H CO 2 H OH H C C CO 2 H H HO CO 2 H H HO (d) (c) (c)和 (d)虽彼此互成镜像，却能重合 (有一对称 面， (d)在纸平面上旋转 180o就和 (c)完全相同 )。 故 (c)和 (d)是同种化合物。 内消旋体 虽含有手性碳原子，但分子中存在对 称面的旋光异构体。内消旋体的旋光 度为零，不是手性分子。 CO 2 H OHH OHH CO 2 H 内消旋体 (meso) 4.7 含手性碳原子的单环化合物 1. 命名 2. 取代环烷烃的旋光性 命名 CH 3 H CH 3 H meso SR 顺-1,2-二甲基环丙烷 (1R,2S)-1,2-二甲基环丙烷 CH 3 H H CH 3 CH 3 H H CH 3 S SRR (1R,2R)-1,2-二甲基环丙烷 (1S,2S)-1,2-二甲基环丙烷 取代环烷烃的旋光性 CH 3 CH 3 CH 3 Cl CH 3 CH 3 R R CH 3 Br CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 1,4-二甲基环己烷有顺、反两种异构体（如上图）。 两者分子结构中均无手性中心，而且都有一个通过C1 和C4及两个甲基的对称面。因此， 顺、反1,4-二甲基 环己烷均为非手性化合物，两者互为非对映体。 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 顺式 -1,3-二甲基环己烷 （内消旋化合物） 反式 -1,3-二甲基环己烷 （一对对映体） CH 3 H 3 C H 3 C CH 3 反式 -1,2-二甲基环己烷 （一对对映体） 1,2-二甲基环己烷分子中有两个手性中心(C1和C2)。 反式-1,2-二甲基环己烷没有对称面，存在一对对映体。 4.8不含手性碳原子的手性分子 ?丙二烯型和螺环化合物 ?联苯型化合物 丙二烯型 CCC b a a b a = b CCC b a a b π电子的平面 C H HO 2 C CH 3 H 螺环化合物 螺环化合物 HO 2 C H H CO 2 H 联苯型 范德华半径较大的基团: Br, I, CO 2 H, NO 2 NO 2 CO 2 H CO 2 H O 2 N 处于2,2'或6,6'位 两个苯环不能 绕单键自由旋转 含其它手性原子的化合物 许多其它原子，如 S， P， N等，当它们和四 个互不相同的基团相连时，分子中也没有对 称面和对称中心，分子具有光学活性，即为 手性分子。 4.9手性分子的形成和生物作用 ?生物体中的手性分子 生物体内存在许多手性化合物，并几乎都以 单一的对映体存在。 ?非手性分子转化成手性分子 --通过化学反应来进行 CH 3 CH 2 CH2CH 3 Cl 2 ,光 CH 3 CH 2 CHCH 3 Cl * 正丁烷 (非手性化合物 ) 2-氯丁烷 (手性化合物) 烷烃卤代反应的立体化学 hv Cl * + CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 Cl CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 Cl 2 CH 3 CH 2 CHCH 3 CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 ＋ Cl ＋HCl CH 3 CH 2 CHCH 3 CH 3 H CH 3 CH 2 Cl Cl a b CH 3 H CH 3 CH 2 C CH 3 H CH 3 CH 2 C Cl Cl a b C Sp2杂化，平面三角形 注:非手性化合物通过化学反应转化成手性化合物总 是得到外消旋体。 从一个手性化合物通过化学反应再形成一个新的 手性中心时，则生成不等量非对映体混合产物。 CH 3 H Cl Cl H CH 3 H Cl CH 3 H Cl CH 3 H Cl C 2 H 5 + Cl 2 CH 3 + S-2-氯丁烷 2S,3S-2,3-二氯丁烷 2S,3R-2,3-二氯丁烷 29％ 71％ 作业 7.4 7.6 7.11 7.13 P 137 2, 4, 5, 6, 8