第五章 光学异构对映异构体
光学异构体和对映异构体的关系
光学异构体和对映异构体的关系光学异构体和对映异构体是有机化合物中常见的概念，它们之间存在着密切的关系。
本文将从定义、性质、产生原因以及应用等方面，对光学异构体和对映异构体的关系进行探讨。
一、光学异构体和对映异构体的定义光学异构体是指具有相同分子式、相同结构式但旋光性质不同的化合物。
而对映异构体则是一对具有相同物理化学性质、分子式和结构式但镜像对称的化合物。
可以说，光学异构体是对映异构体的一种特殊情况。
二、光学异构体和对映异构体的性质1. 光学异构体的旋光性质不同：光学异构体存在着旋光性质的差异，即它们能够使偏振光发生旋光现象，旋光方向和旋光角度均不同。
2. 对映异构体的镜像对称性：对映异构体之间存在着镜像对称关系，它们的分子结构可以通过旋转或翻转来对应，但无法通过旋转或平移使得两者重合。
三、光学异构体和对映异构体的产生原因光学异构体和对映异构体的产生原因主要归结为手性中心的存在。
手性中心是指一个原子或一个原子团，它们的四个取代基围绕着该中心排列成空间上不可重合的两种构型。
当一个分子中存在手性中心时，就会产生光学异构体和对映异构体。
四、光学异构体和对映异构体的应用1. 药物研发：光学异构体和对映异构体在药物研发中起着重要的作用。
由于对映异构体具有相同的物理化学性质，但在生物活性上却有很大差异，因此在药物研发过程中需要对对映异构体进行分离和研究，以确定其活性和毒性。
2. 化学合成：光学异构体和对映异构体的产生常常伴随着化学合成过程。
通过控制反应条件或选择适当的催化剂，可以合成单一的光学异构体或对映异构体，这对于某些药物和化学品的制备具有重要意义。
3. 光学器件：光学异构体和对映异构体的旋光性质可以应用于光学器件的设计和制造。
例如，光学异构体可以用于制备具有特定旋光性质的偏振片，用于旋光测量和光学信号处理等领域。
光学异构体和对映异构体之间存在着密切的关系。
光学异构体是对映异构体的一种特殊情况，它们都具有旋光性质的差异和镜像对称性。
高教版 有机化学 第五章 对映异构体
2、手性分子在分子对称性上必须具备的条件 1）、具有对称面的分子没有手性
H
Cl
CH3
Cl
Cl C H C
H
Cl
两分子都有对称面
2）、具有对称中心的分子没有手性
Cl F H
H
H H
Cl
F
CH3
H Br
Br H CH3
3）、具有对称轴的分子不一定没有旋光性
Cl C H C
H
Cl
具有二重对称轴，有对 称面，没有旋光性
COOH H OH CH3 手性碳原子
2，3-二溴丁烷的Fischer投影式
费歇尔投影式只能在平面内旋转180°，而不能离开平面旋转 180°，也不能在平面内旋转90°，否则就会变为它的异构体
练习题：
下列化合物哪些是相同的？哪些是对映体？ 1）
Cl CH3 Br CH3 Cl
CH3 H
Br Cl H
H
溴翁离子
CH3 C H
1
Br H C CH3
2
CH3 H C
Br C H Br CH3 H 3C H
BrH C CH3CBrBr
-
CH3 Br Br H H CH3 H H
CH3 Br Br CH3
同一种化合物
2）顺-2-丁烯与Br2 的加成
H C + C H
Br CH3 C H
1 2
CH3 B r2
2）偏振光 普通光线通过尼克尔棱镜后光线的振动方向只能有一 个方向通过棱镜（与棱晶晶轴平行），成为偏振光。
3）旋光性 物质使偏振光振动方向发生偏转的性质之称为旋光性
4）、旋光度和比旋光度 a、偏振光通过某旋光性液体物质或溶液后偏振光偏转 的角度。上途中该物质的旋光度为40° b、比旋光度：由于物质的旋光度受温度，物质的浓度 等影响，所以规定物质在室温、浓度为1g/ml、样品管 为1dm、光源为钠光（589.3nm)时测得的旋光度为比旋 光度。 则旋光度与比旋光度的关系为：
光学异构对映异构体
§5-2 含手性碳原子的链状化合物的 旋光异构现象
一、含一个手性碳原子的化合物
二、旋光异构体构型的表示方法和命名 1.表示方法
COOH
H
C CH3 OH
COOH
H3C C HO
H
透视式
COOH
COOH
H
OH HO
H
CH3
CH3
Fescher投影式
2.命名 (1)相对构型 D/L命名法
CHO
CHO
C-3称为假手性碳原子。 如果C-3所连的两个C*构造和构型完全相 同，分子有手性，实物和镜象不能重叠，在空 间有两种排列，得到一对对映体；若这两个C* 构造相同、构型相反，在空间也有两种排列， 但由于分子内部有对称面，所以得到两个不同 的内消旋体。
§5-3 碳环化合物的旋光异构现象
例1 2-甲基环丙基甲酸 4种构型
两两互为非对映体。
COOH
H OH HO H
COOH
COOH
HO
H
H OH
COOH
COOH
HO
H
HO H
COOH
(2R,3R)
(2Smeso-）
五、含假手性碳原子的分子
HOOC C*H CH C*H COOH HO OH OH
单从构造式看，C是非手性碳原子。分子 中含两个相同C*，有3个旋光异构体。其中一 对对映体，一个内消旋体。但其旋光异构体的 总数=4，有一对对映体，两个内消旋体。
H
OH HHOO
H
CH2OH
D(+)-甘油醛
CH2OH
L(-)-甘油醛
(2)绝对构型 R/S命名法
系统命名法用以“基团次序”规则为基础的 R/S命名法命名绝对构型。 R：Retus （拉丁文，右） S：Sinister（拉丁文，左）
05-对映异构
b.非对映体之间，旋光性能不同，其它物理性质也不
相同。
c.外消旋体和内消旋体无旋光性，其他物理性质和相
应的左旋体或右旋体相比也有差异。
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在化学性质方面： a.对映异构体与非手性试剂的作用是完全相同的。 b.与手性试剂作用时，或在手性溶剂或手性催化剂的作用下，
二者的反应速率有所不同，在某些特殊情况下，其中的一个会
例如：左旋的麻黄碱的升压效能比右旋麻黄碱大四倍；
左旋氯霉素具有杀菌作用，而右旋氯霉素则完全无效；
维生素C左旋体疗效显著，右旋体无效。人体所需要的
氨基酸都是L-型的，人体所需要的糖则都是D-型的。
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5.6 不对称合成 立体选择反应与立体专一反应 Cl （1）自由基反应的立体化学
H3C CH2 CH2 CH3 Cl2
COOH H HO C CH3
H OH CH3 CH3 OH H
COOH C H3C H OH
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@ 含两个手性碳原子化合物的对映异构
一、含两个不同手性碳原子的化合物 这类化合物中两个手性碳原子所连的四个基团不完全相同。 例如：
CH3 CH-Br CH-Br CH2CH3
2，3-二溴戊烷
sp2 sp
a C C C b 有手性
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a b
a C C C b 无手性
b b
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如2，3-戊二烯就已分离出对映异构体。
CH3
CH3
CH3
CH3
C
H
C
C
H H
C
C
C
H
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（二）单键旋转受阻碍的联苯型化合物
有机化学第五章对映异构
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5.1.5 比旋光度
检测偏振光平面的旋转可用旋光仪。
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9
测得的旋光角度α同盛液管的长度、溶液的浓度、 测定时的温度、所用的溶剂、光源的波长都有关系。 因为不同的条件不仅改变旋光的度数，甚至还可以改 变旋光的方向。在一定条件下，不同的旋光性物质的 旋光度是一个特有的常数，通常用比旋光度[α]来表示。
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值得提及的是，旋光仪不能分辨出α±n180°的度 数，这里的n为正整数。例如，旋光仪分不出+28°， +208°，+388°或-152°。在这种情况下，至少应做两 个不同浓度或不同盛液管长度的测定。
例如:1 mol／L的试样测得读数为60°，究竟应为+60°还是-300°? 可再用1.1 mol／L的试样测定，其结果将是+66°或-330°，这样 就容易知道了。
这种表示方法虽然比较直观，但书写麻烦，一般还是 应用投影式较为方便，特别是结构比较复，有一对对映体，由 于对映体的构型不同，对偏振光的作用就不一样，这就 是在手性环境中显出了它们的不同。它们的一般化学性 质也都一样，但在手性环境中，对映体的反应速率却有 所不同。
左旋体或右旋体与外消旋体的旋光性是不同的，它们 的物理性质也不一样。
例如:(+)-乳酸， [α] 1=5 +3.82° ，熔点26℃； D (-)-乳酸， [α] 1D5=-3.82° ，熔点26℃； ， 但(±)-乳酸的熔点是18℃。
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5.3 构型和命名法
5.2.1 D，L的命名法(标记法)
t
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t
式中：α是从旋光仪测得的旋光度；ρB是质量浓度，以每 毫升溶液中所含溶质的质量表示，即g(溶质)／ml(溶液)； l是盛液管的长度，以dm表示；t 是测定时的温度；λ是所 用光源的波长。
光学异构体和对映异构体的关系
光学异构体和对映异构体的关系光学异构体和对映异构体是有机化学中的重要概念，它们在化学反应、药物设计和生物活性等方面具有重要的意义。
本文将介绍光学异构体和对映异构体的定义、特点以及它们之间的关系。
光学异构体是指具有相同化学组成但空间结构不同的分子。
它们的存在是由于手性中心的存在。
手性中心是指一个原子或一个原子团，它与其它原子或原子团形成的化学键中，可以找到两个非重合的取向。
根据手性中心的个数，光学异构体可以分为单手性异构体和多手性异构体。
对映异构体是一种特殊的光学异构体，它们是由光学活性分子在没有外界干扰的情况下自发形成的。
对映异构体之间没有化学性质上的差异，它们只是在光学活性上呈现镜像对称的关系。
对映异构体之间的相对配置关系可以用R和S来表示。
光学异构体和对映异构体之间存在着一一对应的关系。
对于任何一个光学异构体来说，都存在一个与之对应的对映异构体。
这是因为光学异构体的形成是由于手性中心的存在，而手性中心的两种取向又是完全对称的。
因此，光学异构体和对映异构体之间的关系是一种镜像对称的关系。
光学异构体和对映异构体在性质上有很大的差异。
由于其空间结构的不同，光学异构体和对映异构体在物理性质、化学性质以及生物活性方面表现出不同的特点。
例如，药物的对映异构体可能具有不同的药效、毒性或副作用。
因此，在药物设计和临床应用中，对映异构体的分离和鉴定非常重要。
在实验室中，分离和鉴定光学异构体和对映异构体是一项常见的工作。
常用的方法包括手性柱色谱、手性气相色谱和手性核磁共振等。
通过这些方法，可以将光学异构体和对映异构体进行有效分离，并确定它们的相对配置关系。
光学异构体和对映异构体在有机化学中具有重要的地位和作用。
它们的存在和性质对于理解化学反应机制、药物活性、生物学行为等方面具有重要的指导意义。
因此，在有机化学研究和应用中，对光学异构体和对映异构体的理解和运用是不可或缺的。
对映异构基本概念
第五章 对 映 异 构本章要点：1、概念：手性碳原子，手性分子，对映体，内外消旋体，……2、产生原因：根本原因、常见原因3、构型表示：费歇尔投影式；D/L 、R/S 命名4、对映异构体及数目判断一、基本概念1、旋光性——物质使平面偏振光旋过一定角度的特性；有左旋和右旋之分；物质具备旋光性与否需要通过旋光仪进行测定。
2、旋光性物质——具有旋光性的物质，分左旋体（l 或 -）、右旋体（d 或 +）。
3、手性——实物与镜像关系，即只能重合不能重叠。
4、对映异构——构造相同的两个化合物，互呈“实物与镜像”关系，对映而不能重叠，它们对平面偏振光的作用不同，生理活性也不同，称为对映异构体。
因其旋 光性上的表现不同，又称旋光异构体。
5、对映异构体特征——构型上互为实物与镜像关系；旋光性上大小相等方向相反。
6、外消旋体——等量的左旋体＋右旋体，混合后体系失去旋光性（外因使然），是混合物。
7、内消旋体——分子内存在对称因素使分子不具有旋光性（内因造成），是纯净物。
8、手性碳C ——sp 3杂化，连接四个不同基团的碳原子。
9、手性分子——分子内无对称因素（要求掌握对称面），常常是“有且只有一个手性碳”的分子；手性分子具有旋光性、存在对映异构体。
10、对称面(σ)——把分子分成实物与镜像关系的面，即平分分子的平面，把分子分成完全相等的两个部分，可以有一个或多个。
手性、手性分子、旋光异构体、对映体：dbd 实物镜像两者对平面偏振光作用不同,称为旋光异构体；两者只能重合不能重叠，互为镜像关系，具有手性，是手性分子；因具有镜像关系，又称对映体对称面σ举例（可以有多个）：二、分子具有手性的原因根本原因——分子内无对称因素；常见原因——具有手性碳原子。
三、对映异构体的判断手性分子具有对映异构体，故判断有否对映体只需判断是否是手性分子。
1、有且只有一个C *，一定是手性分子。
2、分子内找不到对称因素（掌握对称面），一定是手性分子。
有机化学-第5章 对映异构
如：右旋洒石酸在乙醇中浓度为5%时，其比旋光度：
[α
]
20
D
=
+
3.79（乙醇，5%）
§2 旋光性与分子结构关系 一、手性和手性分子
1. 手性 左右手关系 ~ 实物和镜像关系 特征 ~ 外观相似却不能重叠
物质的手性 ~ 物质和其镜像外观相似却不能重叠的特性
物质
手性物质 非手性物质（球、杯子等）
手性不仅仅是宏观物质的特性，有些微观分子也具有手性。
1. 对映体和外消旋体
（1）对映体 乳酸
H CH3 C* COOH
OH
手性碳上四个不同的基团在空间有两种不同的排列方式
COOH
C
HO
CH3
H
COOH
C
CH3
OH
H
互为实物和镜像关系，相互对映，因而称其为一对对映 异构体，简称对映体
*1 含一个手性碳的化合物有一对对映体，均为手性分子， 有旋光性，其中之一为左旋体，另一为右旋体，它们 使平面偏振光旋转的角度相同，方向相反。
a
a
CCC
b
b
a
c
CCC
b
d
a≠b≠c≠d
手性分子
如：2,3-戊二烯
* 分子无对称因素，有手性，手性分子（对映体已分离）。 如果在任何一端或两端的碳原子上连有两个相同的原子或 基团，则其有对称面，而不具有手性，无对映体，非手性 分子。
* 取代丙二烯类化合物具有手性，早在1814年就有人提出， 但直到1935年密尔斯（ls）首次合成了丙二烯型 化合物1,3-二苯基-1,3-二萘基丙二烯后，其旋光性才被 人们接受。
e) 若将手性碳上任何两个原子或原子团相互交换
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CHO H
OH HO HO
CHO H CH2OH
L(-)-甘油醛
Hale Waihona Puke CH2OHD(+)-甘油醛
(2)绝对构型
R/S命名法
系统命名法用以“基团次序”规则为基础的 R/S命名法命名绝对构型。 R：Retus （拉丁文，右） S：Sinister（拉丁文，左）
COOH H CH3
D(-)-乳酸 R-
COOH HO CH3
手征性分子
旋光活性
3.手征性碳原子（不对称碳原子） sp3杂化的碳原子所连的 4 个基团不相 同——手征性碳原子：C* 。例如：
* CH3CHCOOH OH
4.对映体
如果两个旋光异构体互为实物和镜像不能 重叠的关系——一对对映体。例如，肌肉运动 产生的乳酸和糖发酵产生的乳酸就是一对对映 体。一对对映体比旋光度相等，方向相反。
4
§5-4 旋光异构体的性质
一、对映体的性质 对分子式相同、结构式相同，互为实物和 镜像不能重叠的一对对映体来说，二者都是手 性分子，但在非手性条件下二者的理化性质完 全相同，没有手征性，只有在手性条件下其手 征性才能表现出来。
一对对映体就好比是两个螺纹相反的螺丝 钉，木制品对它们来说，就是非手性条件，这 两个螺丝钉都能旋进去，性质相同，没有手征 性；而螺丝帽则为手性条件，只有与螺丝帽螺 纹方向一致的螺丝钉才能旋进去，二者性质不 同，具有手征性。
糖发酵产生的乳酸 牛奶发酵产生的乳酸
二、分子的手征性和旋光活性
1.手征性（手性或不对称性）
手征性 —— 手的特性：实物和镜像不能重
叠的特性。 例：人的左、右手分别与自己的镜像不能 重叠，且二者具有互为实物和镜像不能重叠的 关系。
2. 手征性分子 手征性分子 ——与自己的镜像不能重叠的 分子。
充要条件
COOH H 2 OH HO 3 H H 4 OH COOH
(2R,3r,4S)
(2R,3s,4S)
C-3称为假手性碳原子。 如果C-3所连的两个C*构造和构型完全相 同，分子有手性，实物和镜象不能重叠，在空 间有两种排列，得到一对对映体；若这两个C* 构造相同、构型相反，在空间也有两种排列， 但由于分子内部有对称面，所以得到两个不同 的内消旋体。
§5-1 旋光异构现象 一、偏振光和旋光活性
1.偏振光
普通光和偏振光
2.旋光活性 3.旋光度α 4.旋光仪 旋光仪示意图
5.比旋光度
α t [α] = —— λ c× l
或 —— d×l
α
例，
肌肉运动产生的乳酸
[α]=﹢3.8° [α]=﹣3.8° [α]=0° (﹢)或d-，右旋 (﹣)或l-，左旋 (±)或dl-
L(+)-乳酸 S-
OH
H
(+) (- )
D、L-
R之间没有任何必然的联系。 、S-
Fischer投影式在纸平面上转动90°或90°的奇 数倍，所得构型相反。例： Fischer投影式在纸平面上转动90°的偶数倍， 所得构型不变。 将Fischer投影式的 C*任意两个原子或基团 对调， C*构型改变。 将Fischer投影式的 C*任意 3 个原子或基团按一 定方向依次调换位置， C*构型不变。
CH3 H I Cl H CH3
(2S,3S)
CH3 Cl H
(2R,3R)
H I CH3
分子式、结构式相同，含n个不相同手性碳 原子→旋光异构体总数 =2n 四、含两个相同手性碳原子的化合物
HOOC
* CH OH
* CH OH
COOH
酒石酸
分子式、结构式相同，含两个相同手性碳 原子→旋光异构体总数=3→一对对映体和一个 内消旋体→一对对映体和内消旋体之间，彼此 两两互为非对映体。
中含两个相同C*，有3个旋光异构体。其中一
对对映体，一个内消旋体。但其旋光异构体的
总数=4，有一对对映体，两个内消旋体。
COOH H 2 OH (2R,4R) H 3 OH HO 4 H COOH
COOH H 2 OH H 3 OH H 4 OH COOH
COOH HO 2 H HO 3 H (2S,4S) H 4 OH COOH
COOH H HO OH H COOH HO H
COOH H OH COOH
COOH HO HO H H COOH
(2S,3R) 内消旋体（meso-）
(2R,3R) (2S,3S) 一对对映体
五、含假手性碳原子的分子
HOOC
* CH HO
CH
* CH
COOH
OH OH
单从构造式看，C是非手性碳原子。分子
三、含两个不同手性碳原子的化合物
* * CH3CH CHCH3 Cl I
2-氯-3-碘丁烷
* * CH3CH CHCH3 OH OH
2,3-二羟基丁烷
22 =4→两对对映体→两对对映体之间，彼此两 两互为非对映体。
CH3 H H Cl I CH3 Cl I
CH3 H H CH3
(2R,3S)
(2S,3R)
例3 1,2-二甲基环丙烷 3种构型
顺-
H3C H
CH3 H
H H3C CH3 H
反-
H3C H
H CH3
分子式为C5H10的环丙烷异构体的数目？
例4 3-甲基环丁基甲酸 2种构型 顺H3C H COOH H
反-
H3C H
H COOH
用透视式、平面式或构象式判断环烷烃衍 生物有无手性，其结果相同。
* CH3CHCOOH OH
肌肉运动产生的乳酸：[α]=﹢3.8°，右旋体 糖发酵产生的乳酸 ： [α]=﹣3.8°，左旋体
→ 一对对映体 对映体 旋光异构体
例2
COOH
O2N
NO2
含C*的分子
HOOC
手性分子
决定分子手征性的因素？
有对称面或对称中心 → 分子无手性 → 基团在空间只有一种排列→无旋光异构现象
§5-3 碳环化合物的旋光异构现象
例1 2-甲基环丙基甲酸 4种构型 顺-
H CH3
H COOH
H CH3
H COOH
H HOOC
H CH3
反-
H CH3
COOH H
H CH3
COOH H
HOOC H
H CH3
例2 2,2-二甲基环丙基甲酸 2种构型
H3C CH3
H COOH
H HOOC
CH3 CH3
§5-2 含手性碳原子的链状化合物的
旋光异构现象
一、含一个手性碳原子的化合物
二、旋光异构体构型的表示方法和命名 1.表示方法
COOH C H CH3 OH H3C HO
COOH C H
透视式
COOH H CH3
Fescher投影式
COOH HO CH3 H
OH
2.命名 (1)相对构型 D/L命名法