第八章 立体化学 分子式相同而结构式不同的异构叫做同分异构，同分异构包括构造异构（也称结构异构）和立体异构。构造异构是指分子中原子或官能团的连接顺序或方式不同而产生的异构，包括碳链异构、官能团异构、位置异构和互变异构。立体异构是指分子中原子或官能团的连接顺序或方式相同，但在空间的排列方式不同而产生的异构，包括构象异构、顺反异构和旋光异构（也称对映异构）。顺反异构和旋光异构又叫做构型异构，它与构象异构的区别是：构型异构体的相互转化需要断裂价键，室温下能够分离异构体；而构象异构体的相互转化是通过碳碳单键的旋转来完成的，不必断裂价键，室温下不能够分离异构体。 有机化学是以分子结构与其性质之间的关系为基础的一门学科，从三维空间来研究分子的结构对于研究有机反应机理、设计不对称合成、阐明有机化合物的结构与生理功能的关系等都有重要意义。在本章中，将学习怎样预测旋光异构体的存在，怎样表示和标记它们的构型，怎样比较它们的性质，以及简单地介绍怎样研究反应机理和怎样将它们分开等。 8.1 分子的手性和对映体 当在某一平面上振动的偏振光通过某些物质（如水、乙醇、氯仿）时，其振动平面不发生改变，而当通过另一些物质（如乳酸、甘油醛、2-氯丁烷）时，其振动平面会发生旋转。物质的这种能使偏振光的振动平面发生旋转的性质叫做旋光性，具有旋光性的物质叫做旋光性物质，也称光学活性物质。 偏振光 旋光性物质 旋转后的偏振光 旋光性物质能使偏振光旋转 1．对称性与对称性因素 为什么有的物质没有旋光性，而有的物质却有呢？物质的性质是与其结构紧密相关的，所以，物质的旋光性必定是由于其分子的特殊结构引起的。那么，具有怎样结构的分子才具有旋光性呢？ 实验证明，如果某种分子不能与其镜影完全重叠，这种分子就具有旋光性。分子这种实物与其镜影不能完全重叠的特殊性质叫做分子的手征性，简称手性，就像人的左右手互为实物和镜影的关系，但二者不能完全重叠一样。 左右手互为实物和镜影的关系，但二者不能完全重叠 具有手性的分子叫做手征性分子，简称手性分子。要判断一个分子是否具有手性，最直观和最靠得住的方法，是制作该分子的实物和镜影两个模型，观察它们是否能够完全重叠。但这种方法不太方便，特别是当分子很大很复杂时更是如此。常用的方法是研究分子的对称性，根据分子的对称性来判断其是否具有手性。 在有机化学中，一般采用对称面和对称中心这两个对称因素来考察分子的对称性。如果分子中存在对称面或对称中心，这样的分子就没有手性，也不具有旋光性。如果分子中既无对称面，又无对称中心，这样的分子就是手性的，也就具有旋光性。 所谓分子的对称面，就是能将分子分成互为实物和镜影关系两部分的一个平面。例如，在1,1-二溴乙烷分子中，通过H-C1-C2三个原子所构成的平面能将分子分成互为实物和镜影关系的两部分，因此该平面就是它的对称面。又如，E-1-氯-2-溴乙烯分子是一个平面结构的分子，分子所在的这个平面也能将分子分成互为实物和镜影关系的两“片”，所以该平面也是它的对称面。  （a）1,1-二溴乙烷的对称面 （b）E-1-氯-2-溴乙烯的对称面 分子的对称面 由于1,1-二溴乙烷和E-1-氯-2-溴乙烯的分子中都存在对称面，所以它们都是非手性分子，都没有旋光性。 所谓分子的对称中心，就是假设分子中存在一个点，过该点作任一条直线，若在该点等距离的两端有相同的原子或基团，则该点就是分子的对称中心。 分子的对称中心 由于上述分子中存在对称中心，所以它是非手性分子，没有旋光性。 在绝大多数情况下，分子有无手性往往与分子中是否含有手性碳原子有关。所谓手性碳原子，是指和四个不同的原子或基团连接的碳原子，常用“＊”号予以标注，例如： 一般来说，含有一个手性碳原子的分子往往是手性的，不含手性碳原子的分子往往是非手性的。需要指出的是，手性碳原子是引起分子具有手性的普遍因素，但不是唯一的因素。含有手性碳原子的分子不一定都具有手性，而不含手性碳原子的分子不一定不具有手性。 8.2 旋光性和比旋光度 当偏振光通过某一旋光性物质时，其振动平面会向着某一方向旋转一定的角度，这一角度叫做旋光度，通常用“α”表示。 旋光度的大小可以用旋光仪来测定，旋光仪的构造及其工作原理如图所示。图中，起偏镜和检偏镜均为尼可尔棱镜，起偏镜是固定不动的，其作用是将入射光变为偏振光，检偏镜和刻度盘固定在一起，可以旋转，用来测量偏振光振动平面旋转的角度。 光源 起偏镜 偏振光 盛液管 旋转后的 检偏镜 通过检偏镜 偏振光 的偏振光 旋光仪的构造及其工作原理 当两个尼可尔棱镜的晶轴相互平行，且盛液管空着或装有非旋光性物质时，通过起偏镜产生的偏振光便可以完全通过检偏镜，此时由目镜能看到最大的光亮，刻度盘指在零度。当盛液管中装入旋光性物质后，由于旋光性物质使偏振光的振动平面向左或右旋转了某一角度，偏振光的振动平面不再与检偏镜的晶轴平行，因而偏振光不能完全通过检偏镜，此时由目镜看到的光亮度减弱。为了重新看到最大的光亮，只有旋转检偏镜，使其晶轴与旋转后的偏振光的振动平面再度平行，此时即为测定的终点。由于检偏镜和刻度盘是固定在一起的，因此偏振光振动平面旋转的角度就等于刻度盘旋转的角度，其数值可以从刻度盘上读出。 偏振光振动平面旋转的方向也是根据刻度盘旋转的方向确定的，若刻度盘以逆时针方向旋转，表明被测物质是左旋体，用“－”或“l”表示，若刻度盘以顺时针方向旋转，表明被测物质是右旋体，用“＋”或“d”表示（IUPAC于1979年建议取消使用“l”和“d”来表示旋光方向）。例如，从肌肉组织中提取出来的乳酸是右旋体，称为右旋乳酸、（＋)-乳酸或d-乳酸，从杂醇油中提取出来的2-甲基-1-丁醇是左旋体，称为左旋2-甲基-1-丁醇、（－)-2-甲基-1-丁醇或l-2-甲基-1-丁醇。 物质旋光度的大小除取决于物质本身的特性外，还与溶液的浓度、盛液管的长度、测定时的温度、所用光源的波长以及溶剂的性质等因素有关。所以，在比较不同物质的旋光性时，必须限定在相同的条件下，当修正了各种因素的影响后，旋光度才是每个旋光性化合物的特性。通常规定溶液的浓度为1g·ml-1，旋光管的长度为1dm，在此条件下测得的旋光度称为比旋光度，用[α]表示，它与旋光度之间有如下关系： [α]= 式中，t为测定时的温度（一般为20℃），λ为所用光源的波长（常用钠光，波长589nm，标记为D），α为测得的旋光度(°)，C为被测溶液的浓度（g·ml-1），L为盛液管的长度（dm）。若被测物质是纯液体，可用该液体的密度替换上式中的浓度来计算其比旋光度。 在表示比旋光度时，不仅要注明所用光源的波长及测定时的温度，还要注明所用的溶剂。例如，用钠光灯作光源，在20℃时测定葡萄糖水溶液的比旋光度为＋52.5°，应记作： [α] =＋52.5°（水） 比旋光度同熔点、沸点一样，是旋光性物质的物理常数之一。测定旋光性物质的比旋光度，是常用的定性和定量分析的手段之一。通过测定某一未知物的比旋光度，可初步推测该 未知物为何种物质（但不能确定，因为比旋光度相同的物质可能有若干种）。通过测定某一已知物的比旋光度，还可计算该已知物的纯度（旋光纯度）。对于已知比旋光度的纯物质，测得其溶液的旋光度后，可利用关系式[α]=求出溶液的浓度。在制糖工业中就常利用测定糖溶液的旋光度来计算溶液中蔗糖的含量，此种测定方法称为旋光法。旋光法还常用于食品分析中，如商品葡萄糖的测定以及谷类食品中淀粉的测定等。 8.3 含手性碳原子的化合物的对映体 对映体和外消旋体 2-氯丁烷分子中含一个手性碳原子，手性碳原子上的四个基团在空间有两种不同的排列方式，即有两种不同的构型。  2-氯丁烷的一对对映体 这两种构型互为实物和镜影的关系，它们不能完全重叠，代表两个不同的异构体。这种互为实物和镜影关系的异构体叫做对映异构体，简称对映体。使偏振光的振动平面向左旋转的为左旋体，记作（－)-2-氯丁烷或l-2-氯丁烷，使偏振光的振动平面向右旋转的为右旋体，记作（＋)-2-氯丁烷或d-2-氯丁烷。 当把等量的（－)-2-氯丁烷和（＋)-2-氯丁烷混合后，混合物使偏振光的旋转相互抵消，不显示出旋光性。这种由等量对映体组成的混合物叫做外消旋体，用（±）或“dl”表示，如外消旋2-氯丁烷可记作（±)-2-氯丁烷或dl-2-氯丁烷。 由上可知，含一个手性碳原子化合物的分子具有手性，因而具有旋光性。它有两个旋光异构体，一个为左旋体，另一个为右旋体，它们的等量混合物可组成一个外消旋体。 8.4 构型的表示方法、构型的确定和标记 描述旋光异构体分子中的原子或基团在空间的排列方式时，常采用透视式。这种表示方法比较直观，但书写起来比较麻烦，尤其是书写结构复杂的化合物就更加困难。因此也常采用另外一种比较简便的图形──费歇尔（E.Fischer）投影式来表示。 费歇尔投影式的投影规则如下： （1）将碳链竖起来，把氧化态较高的碳原子或命名时编号最小的碳原子放在最上端。 （2）与手性碳原子相连的两个横键伸向前方，两个竖键伸向后方。 （3）横线与竖线的交点代表手性碳原子。 按此投影规则，乳酸的一对对映体的费歇尔投影式见图。 乳酸一对对映体的费歇尔投影式 费歇尔投影式是用平面式来表示分子的立体结构，看费歇尔投影式时必须注意“横前竖后”，即与手性碳原子相连的两个横键是伸向纸前方的，两个竖键是伸向纸后方的。表示某一化合物的费歇尔投影式只能在纸平面上平移，也能在纸平面上旋转180°或其整数倍，但不能在纸平面上旋转90°或其整数倍，也不能离开纸平面翻转，否则得到的费歇尔投影式就代表其对映体的构型。 判断两个费歇尔投影式是否表示同一构型，有以下方法： （1）若将其中一个费歇尔投影式在纸平面上旋转180°后，得到的投影式和另一投影式相同，则这两个投影式表示同一构型。如下述两个投影式表示同一构型： （2）若将其中一个费歇尔投影式在纸平面上旋转90°（顺时针或逆时针旋转均可）后，得到的投影式和另一投影式相同，则这两个投影式表示两种不同构型，二者是一对对映体。如下述两个投影式表示一对对映体： （3）若将其中一个费歇尔投影式的手性碳原子上的任意两个原子或基团交换偶数次后，得到的投影式和另一投影式相同，则这两个投影式表示同一构型。如下述化合物Ⅰ和Ⅱ表示同一构型： -H和-CH3交换 -Cl和-C2H5交换 第一次交换 第二次交换 （Ⅰ） （Ⅱ） 若将其中一个费歇尔投影式的手性碳原子上的任意两个原子或基团交换奇数次后，得到的投影式和另一投影式相同，则这两个投影式表示两种不同构型，二者是一对对映体。如下述化合物Ⅲ和Ⅳ表示一对对映体： -H和-CH3交换 -H和-C2H5将换 第一次交换 第二次交换 （Ⅲ） -Cl和-CH3交换 第三次交换 （Ⅳ） 构型的标记方法 （1）D、L标记法 已知2-氯丁烷、乳酸等含一个手性碳原子的化合物有两个旋光异构体，一个为左旋体，一个为右旋体。但左旋体是哪种构型？右旋体又是哪种构型？ 在早期还没有方法测定时，为避免混淆和研究的需要，人为选择用甘油醛作为参比物，规定在费歇尔投影式中，手性碳原子上的羟基在碳链右侧的为右旋甘油醛，定为D-构型（D：dexter, 拉丁文，右），则它的对映体就是左旋的，定为L-构型（L：laevus，拉丁文，左）。 D－（＋）－甘油醛 L－（－）－甘油醛 规定了甘油醛的构型后，其它旋光性物质的构型就可通过一定的化学转变与甘油醛联系起来。凡可由L-甘油醛转变而成的或是可转变成为L-甘油醛的化合物，其构型必定是L-构型的，凡可由D-甘油醛转变而成的或是可转变成为D-甘油醛的化合物，其构型必定是D-构型的。需要注意的是，在转变的过程中不能涉及到手性碳原子上键的断裂，否则就必须知道转变反应的历程。例如，右旋甘油醛通过下列步骤可转变成为左旋甘油酸和左旋乳酸，因为反应过程中并未涉及手性碳原子上键的断裂，所以生成的左旋甘油酸和左旋乳酸都应是D-构型的。 D－（＋）－甘油醛 D－（－）－甘油酸 D－（－）－乳酸 其它与甘油醛结构类似的化合物可同甘油醛对照，在费歇尔投影式中，手性碳原子上的两个横键原子或基团中较大的一个在碳链左侧的为L-构型，在右侧的为D-构型。例如： L－2－氯丙醛 D－2－氯丙醛 L－2－氨基丙酸 D－2－氨基丙酸 由于D、L标记法是相对于人为规定的标准物而言的，所以这样标记的构型又叫做相对构型。1951年毕育特（J.M.Bijvoetetal）等人用X－射线衍射法测定了右旋酒石酸铷钾的真实构型（也称绝对构型），发现其真实构型与其相对构型恰好相同。这意味着人为假定的甘油醛的相对构型就是其绝对构型，同时也表明用甘油醛作为参比物确定的其它旋光性物质的相对构型也就是其绝对构型。 D、L标记法一般适用于含一个手性碳原子的化合物，对于含多个手性碳原子的化合物很不方便，且选择的手性碳原子不同，得到的结果可能不同，容易引起混乱。由于D、L标记法是以甘油醛作为参比物的，被标记的化合物必须与甘油醛有一定的联系，或者与甘油醛的结构类似才行。另外，有时一个化合物可以从两个不同构型的化合物转化而来，此时只好任意选定D-或L-构型。所以D、L标记法有很大的局限性。鉴于此，IUPAC于1970年建议采用R、S标记法。但在标记氨基酸和糖类化合物的构型时，仍普遍采用D、L标记法。 （2）R、S标记法 R、S标记法是根据手性碳原子上的四个原子或基团在空间的真实排列来标记的，因此用这种方法标记的构型是真实的构型，叫做绝对构型。R、S标记法的规则如下： ①按照次序规则，将手性碳原子上的四个原子或基团按先后次序排列，较优的原子或基团排在前面。 ②将排在最后的原子或基团放在离眼睛最远的位置，其余三个原子或基团放在离眼睛最近的平面上。 ③按先后次序观察其余三个原子或基团的排列走向，若为顺时针排列，叫做R-构型（R：Rectus，拉丁文，右），若为逆时针排列，叫做S-构型（S：Sinister，拉丁文，左）。 例如，2-氯丁烷分子中手性碳原子上四个基团的先后次序为：－Cl﹥－C2H5﹥－CH3﹥－H。将排在最后的－H放在离眼睛最远的位置，其余的－Cl、－C2H5、－CH3放在离眼睛最近的平面上，按先后次序观察－Cl → －C2H5 → －CH3的排列走向，顺时针排列的叫做R-2-氯丁烷，逆时针排列的叫做S-2-氯丁烷。 眼睛的位置 眼睛的位置 －Cl → －C2H5 → －CH3为顺时针排列 －Cl → －C2H5 → －CH3为逆时针排列 R－2－氯丁烷 S－2－氯丁烷 R、S标记法也可以直接应用于费歇尔投影式的构型标记，关键是要注意“横前竖后”，即与手性碳原子相连的两个横键是伸向纸前方的，两个竖键是伸向纸后方的。观察时，将排在最后的原子或基团放在离眼睛最远的位置。例如： 从右后方观察 从左后方观察 －OH → －COOH → －CH3为顺时针排列 －OH → －COOH → －CH3为逆时针排列 R－乳酸 S－乳酸 因为一对对映体分子中的两个手性碳原子互为镜影，即手性碳原子的构型是相反的，所以2-氯丁烷或乳酸的一对对映体的构型分别是R-构型和S-构型。 值得注意的是，旋光性化合物的构型（R、S或D、L）和其旋光方向（－或＋）没有必然的联系。旋光方向是旋光性化合物固有的性质，是用旋光仪实际测定的结果，而旋光性化合物的构型是用人为规定的方法确定的。根据化合物的构型能够做出这个化合物的空间模型，但不经测量不能知道这个化合物的旋光方向。但有一点可以肯定，一对对映体中的一个是左旋的，另一个必然是右旋的，一个是R-构型，另一个必然是S-构型。 还应强调指出，D、L和R、S是两种不同的构型标记方法，它们之间也没有必然的联系。R、S标记法是由分子的几何形状按次序规则确定的，它只与分子的手性碳原子上的原子和基团有关，而D、L标记法则是由分子与参比物相联系而确定的。D-构型或L-构型的化合物若用R、S标记法来标记，可能是R-构型的，也可能是S-构型的。 另外，R、S标记法有不易出错的优点，但它不能反映出立体异构体之间的构型联系，尤其是在研究糖类化合物和氨基酸的构型时。 8.5 含两个手性碳原子化合物的旋光异构 1．含两个不同手性碳原子化合物的旋光异构 2,3-二氯戊烷分子中含有两个不同的手性碳原子（不同的手性碳原子是指两个手性碳原子上连接的四个基团不同或不完全相同）。已知含一个手性碳原子的化合物有两个旋光异构体，则含两个手性碳原子的2,3-二氯戊烷就应该有四个旋光异构体（因为每个手性碳原子有两种空间构型，两个手性碳原子就应该有四种空间构型）： （2S,3R） （2R,3S） （2S,3S） （2R,3R） Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 化合物Ⅰ和Ⅱ是一对对映体，化合物Ⅲ和Ⅳ也是一对对映体，两对对映体可组成两个外消旋体。化合物Ⅰ或Ⅱ与化合物Ⅲ或Ⅳ不是实物和镜影的关系。这种不为实物和镜影关系的异构体叫做非对映体。 用R、S标记法确定含两个或两个以上手性碳原子的化合物的构型时，过程与确定含一个手性碳原子的化合物的构型时一样，只是需要分别标出每一个手性碳原子的构型。例如，化合物（Ⅰ）中C2上的四个基团的先后次序为－Cl﹥－CHClC2H5﹥－CH3﹥－H, 将－H放在离眼睛最远的位置，观察从－Cl → －CHClC2H5 → －CH3的走向，因为是逆时针排列，所以是S-构型，因为标记的是C2，所以用2S表示。同样，C3上的四个基团的先后次序为－Cl﹥－CHClCH3﹥－C2H5﹥－H, 将－H放在离眼睛最远的位置，观察从－Cl－CHClCH3 －C2H5的走向，因为是顺时针排列，所以是R-构型，因为标记的是C3，所以用3R表示。即化合物（Ⅰ）的构型是（2S,3R）。当两个手性碳原子在碳链中占有相等的位置时，可以不用在R和S前标明数字。 因为化合物（Ⅰ）和（Ⅱ）是一对对映体，分子中的两个手性碳原子互为镜影，即手性碳原子的构型是相反的，所以化合物（Ⅱ）的构型是（2R,3S）。而化合物（Ⅰ）和（Ⅲ）或（Ⅳ）是非对映体，分子中的两个手性碳原子的构型一个相同，另一个相反，所以化合物（Ⅲ）和（Ⅳ）的构型分别为（2S,3S）和（2R,3R）。 随着分子中手性碳原子数目的增加，旋光异构体的数目也会增多。其规律是，含一个手性碳原子的化合物有21=2个旋光异构体，可组成21-1=1个外消旋体，含两个不同手性碳原子的化合物有22=4个旋光异构体，可组成22-1=2个外消旋体，含n个不同手性碳原子的化合物有2n个旋光异构体，可组成2n-1个外消旋体。 2．含两个相同手性碳原子化合物的旋光异构 2,3-二氯丁烷分子中含有两个相同的手性碳原子（相同的手性碳原子是指两个手性碳原子上连接的四个基团完全相同），假如和含两个不同手性碳原子的化合物一样，则2,3-二氯丁烷也应该有四个旋光异构体： （2S,3S） （2R,3R） （2S,3R） （2R,3S） Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 化合物Ⅰ和Ⅱ是一对对映体，可组成一个外消旋体。化合物Ⅲ和Ⅳ也互为实物和镜影的关系，似乎也是一对对映体，但将Ⅳ沿纸面旋转180°即可与Ⅲ完全重叠，它们实际上是同一构型的分子。事实上，在化合物Ⅲ或Ⅳ的分子中存在一个对称面，可以将分子分成互为实物和镜影关系的两部分，这两部分的旋光能力相同，但旋光方向相反，旋光性在分子内被完全抵消，因此不具有旋光性： 这种分子中虽然含有手性碳原子，但由于分子中存在对称因素，从而不显示旋光性的化合物叫做内消旋体，常用i-或meso-标记。 因为内消旋体的分子中存在对称面，两个手性碳原子互为实物与镜影的关系，即手性碳原子的构型是相反的，所以含两个相同手性碳原子的化合物的构型必然是（R,S）或（S,R）。 由上可见，含两个相同手性碳原子的化合物有三个旋光异构体，一个为左旋体，一个为右旋体，一个为内消旋体。显然，含两个相同手性碳原子的化合物，其旋光异构体的数目要小于2n，外消旋体的数目也要小于2n-1。 不含手性碳原子的化合物的对映异构 物质的旋光性是由于分子的手性引起的，分子的手性往往又是由于分子中含有手性碳原子造成的。但含有手性碳原子的分子不一定都具有手性，而具有手性的分子不一定都含有手性碳原子。判断一个化合物是否具有手性，关键是看其分子能否与其镜影完全重叠。下面介绍两类不含手性碳原子的手性化合物。 一．联苯型化合物 在联苯型分子中，两个苯环通过碳碳单键相连。当两个苯环的邻位上都连有体积较大的基团时，基团将阻碍两个苯环绕碳碳单键的自由旋转，使得两个苯环不能在同一平面上。当每一苯环上各连有不同的基团时，则分子中既无对称面又无对称中心，分子具有手性，也就具有旋光性。例如，2,2'-二羧基-6,6'-二硝基联苯分子就有一对对映体。 二．丙二烯型化合物 在丙二烯型分子中，中间的双键碳原子是sp杂化的，两端的双键碳原子是sp2杂化的。中间的双键碳原子分别以两个相互垂直的p轨道，与两端的双键碳原子的p轨道重叠形成两个相互垂直的π键。两端的双键碳原子上各连接的两个原子或基团，分别处在相互垂直的平面上。当两端的双键碳原子上各连有不同的原子或基团时，则分子中既无对称面又无对称中心，分子具有手性，也就具有旋光性。例如，1,3-二溴丙二烯分子就有一对对映体存在。