第八章、立体化学
8 立体化学
CH3 * * C 2H 5
35
OH OH
C2 H 5 * OH
2. 对映异构体构型的命名
（1） D、L命名法
CHO H OH CH2OH D-(+)-甘油醛 HO CHO
D、L与 “+、-” CH2OH 没有必然的联系
H
L-(-)-甘油醛
规定：羟基在右边为右旋，称D型，羟基在左边为 左旋，为L型。
镜像不能重叠，称对映异构现象。
对映异构体（enantiomers）：一个化合物的分
子与其镜像不能相互重合，称这两个分子为对映异构体。
13
手性：一个物体若自身与其镜像不能重叠。 手性分子(chiral molecules)： 不能与自身镜像重合的分子。 非手性分子(achiral molecules) ： 能够与自身镜像重合的分子。 手性分子是不对称分子；非手性分子 是对称分子。
CH3 HO C H
OH >
CH2CH3 >
CH3 > H
• 从次序最小的基团背后看上去
CH3 H OH Et
HO CH3 CH3 HO H CH2CH3
CH2CH3
(–)–2–丁醇
食指
H Et
中指 (R)–2–丁醇 拇指
38
• 其它三个基团由大到小为顺时针方向时 为R型；反时针时为S型
CH3 CH3CH2 OH
26
手性分子大都含有与四个互不相同的基团相连的碳
原子。
有左旋和右旋两种异构体，如何表示？
1.构型的表示法：
用分子模型可清楚
地表示出手性碳原
子的构型，但不方便。
27
（1）透视式
将手性碳表示在纸面上，用实线表示纸面上的键，用虚
有机化学：第8章-立体化学
H
Cl 旋转 90。
Cl
Cl
HH
Cl
HH
Cl
Cl
H
23
H
-H
Cl
Cl
Cl
Cl
H
-
H
Cl HH
Cl
8.1 手性和对映体
有4重交替对称轴的分子
24
8.1 手性和对映体
❖ 对称性与手性的关系
❖非手性分子——凡具有对称面、对称中心或交替对称轴的 分子，都能与其镜像重合.
❖手性分子——既没有对称面,又没有对称中心,也没有交替 对称轴的分子,都不能与其镜象叠合,都是手性分子.
❖7.1 多环芳烃分类 ❖7.2 联苯及其衍生物 ❖7.3 多苯代脂烃 ❖7.4 稠环芳烃-萘及其衍生物 ❖7.5 稠环芳烃-蒽及其衍生物 ❖7.6 稠环芳烃-菲及其衍生物 ❖7.7 稠环芳烃-其它稠环芳烃 ❖7.8 有机化合物与环境污染 ❖7.9 非苯芳烃
1
回顾
第8章 立体化学
❖8.1 手性和对称性 ❖8.2 旋光性和比旋光度 ❖8.3 分子的手性和手性碳原子 ❖8.4 构型的表示法、构型的确定和标记 ❖8.5 含手性碳原子化合物的旋光异构 ❖8.6 环状化合物的立体异购 ❖8.7 不含手性碳原子化合物的对映异构 ❖8.8 手性分子的获得
碳链异构(如:丁烷/异丁烷) 官能团异构(如:醚/醇) 位置异构(如:辛醇/仲辛醇)
同分异构 isomerism
立体异构 Stereo-
构型异构 configurational
构象异构 conformational
顺反, Z、E异构 对映异构
H
H
H
H
H
H
HH
HH
HH
立体化学
HH
重叠式:
H H
H
H H
能量高，不稳定 ( 因 非键张力大 ) ，一般 含0.5%
交叉式:
H H H
H H
非键张力小，能量低， ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ定。一般含99.5%
注意：
室温下不能将乙烷的两种构象分离，因单键旋转能 垒很低(～12.6KJ/mol)
以能量为纵坐标，以单键的旋转角度为横坐标作图， 乙烷的能量变换曲线如下：
乙烷的交叉式构象
H H
H
C
C
H H H H
H
H H
H H
H H
H H
H
H
H H
楔形式
锯架式
纽曼式
乙烷的重叠式构象
能 量 最 高 的 最 不 稳 定 构 象
乙烷的重叠式构象
H H
H HH H H H
C H H
C
H H H H
HH H
H
H H
楔形式
锯架式
纽曼式
介于重叠式与交叉式之间的无数构象称为扭曲式构象。
第二章 2.4.3 环己烷的构象
饱和烃:烷烃和环烷烃
椅型 稳定
船型 不稳定
两种构象通过C-C单键的旋转，可相互转变；
室温下，环己烷主要在椅型构象存在(99.9% 以上)。 为什么椅型构象稳定?
Conformational Energy
直立键和平伏键 Axial and Equatorial Positions
H H H H
5 其它碳环的构象
主要是环丙烷和环丁烷（小环）、环戊 烷和环庚烷（普通环）的构象。 小环的特点是角张力和扭转张力很大； 普通环的张力较小（如环己烷），构象多受 扭转因素的影响；在中环（环辛烷到环十一 烷）中，取代基之间的跨环范德华相互作用 对构象有重要影响。
第八章立体化学
i
OH ②对称中心 H
. H
H
OH
CH3 H
08-2 水、氨对称轴
C2 H
O
C3 H H N
③对称轴
CH3
H H 旋转360／n度，分子相同
分子有对映异构的条件——既无对称面，也无对称中心
分子是否含有手性C*是最常用的判定标准。
4、手性碳和对映异构体之间什么关系？ 08-3 若含一个C*， 一个手性碳 只有两种空间排列方式。 只有两种结构式， 任换两个基团，变成对映体； 一对对映异构体。 换三个基团，仍是自身。 左旋体和右旋体。两者的等量混合物，称为外消旋体。 5、对映异构体怎么命名？ ——R/S命名法(系统) bCOOH COOH ①按次序规则由大到小排列四 m.p. []25 D 个基团a＞b＞c＞d ( – )乳酸 53℃ -2.60 a C C OH I＞Br＞Cl＞F＞O＞N＞C＞H HO c H H CH3 CH3 (＋)乳酸 53℃ +2.60 (R)-乳酸 (S)-乳酸 ②把最小基团d放在远处， 看 a a (±)乳酸 18℃ —— a→b→c的顺序。顺时针，R； R S C C c 逆时针，S。——方向盘定则 左右旋表示旋光方向， d c d 不是命名。 b b
检偏镜 [ ] +900
C l
l—dm C—g· -1 mL
例如：右旋乳酸 []25＝+2.60(水) D
②物质的旋光度，需要通过改变浓 度或者改变盛液管长度的方式测定 左旋？右旋？ 两次，才能确定。
3、什么样的结构会产生对映异构体？ 对映异构是由 于分子的不对 称结构引起的
①对称面
因为用平面书写方式表达 立体结构，所以使用菲舍 尔投影式的原则是——
有机化学 第八章 立体化学
C2H5 Cl Cl
19
H
CH3 H Cl Cl H C2H5 Cl H
CH3 H Cl C2H5 Cl Cl
CH3 H H C 2H 5 H H
CH3 Cl Cl C2H5
CH3 Cl H Cl H C2 H5
CH3 H Cl Cl H C2H5
CH3 H Cl Cl H C2H5
CH3 Cl H Cl H C2 H5
20
注意: 注意
D,L是相对构型,与假定的 、 甘油醛相关联而确定的构型 甘油醛相关联而确定的构型。 D,L是相对构型,与假定的D、L甘油醛相关联而确定的构型。R,S 是相对构型 是绝对构型,能真实代表某一光活性化合物的构型（ 、 ） 是绝对构型,能真实代表某一光活性化合物的构型（R、S） 。 两种标记法的依据： 两种标记法的依据：R／S法依据与＊C相连的四个原子或基团 法依据与＊ 的大小顺序； 法依据与D 甘油醛的构型是否相同。 的大小顺序；D／L法依据与D-甘油醛的构型是否相同。 无论是D,L还是R,S标记方法， D,L还是R,S标记方法 无论是D,L还是R,S标记方法，都不能通过其标记的构型来判 断旋光方向。因为旋光方向使化合物的固有性质， 断旋光方向。因为旋光方向使化合物的固有性质，而对化合 物的构型标记只是人为的规定 人为的规定。 物的构型标记只是人为的规定。 目前从一个化合物的构型还无法准确地判断其旋光方向， 目前从一个化合物的构型还无法准确地判断其旋光方向，还 是依靠测定。 是依靠测定。
锲形式
COOH H OH CH3
Fischer投影式 投影式
项：
(1)不能离开纸面翻转；可以沿纸面旋转 )不能离开纸面翻转；可以沿纸面旋转180°，但不能旋转 ° ° 但不能旋转90° 或270°。 ° (2) 基团交换次数可以为偶数次，不能为奇数次；亦可以一基团 基团交换次数可以为偶数次 不能为奇数次； 偶数次， 不动，另三基团顺或逆时针轮换（相当于交换两次）。 不动，另三基团顺或逆时针轮换（相当于交换两次）。
立体化学
８.２对映体的物理性质—光学活性
旋光性：物质能使偏光平面发生旋转的性质叫物质的
旋光性。
具有旋光性的物质称为旋光性物质或光学活性物质。 能使平面偏振光振动平面向右旋转称为右旋体。用 （+）表示右旋； 能使平面偏振光振动平面向左旋转称为左旋体。用 （-）表示左旋。 2、旋光仪 用于测定物质旋光度的仪器
普通光通过尼可尔棱镜后得到的只在一个平面上振 动的光叫平面偏振光，简称偏光。 能使平面偏振光振动平面旋转的性质称为物质的旋 光性。
８.２对映体的物理性质—光学活性
二、旋光性与比旋光度
1、旋光性 旋光物质使平面偏振光振动平面旋转的角度称为旋光 度，通常用α表示。
(1)水等不旋光物质
(2)乳酸等旋光物质
§8.1 对映异构体和手性分子
反 -1,2- 二氯环丙烷分子中有二重对称轴，但没有对称 面和对称中心，它和镜象不能重叠，互为对映异构。
H
H
H H
H
H
Cl H Cl
H
Cl H
Cl H
H
H Cl
Cl
有无对称轴不能作为判断分子有无手性的标准。
§8.1 对映异构体和手性分子
4、更替对称轴(或旋转反射轴)
两个对映体的总摩尔数
100%
对映体过量可以从比旋光度计算：
观察的比旋光度
e.e%=
一种纯对映体的比旋光度
X %
8.３含一个手性碳原子化合物的对映异构
1、定义：两种立体异构体在空间有两种不同的排列方 式互呈物体和镜象的对映关系，互称对映异构体，简称为 对映体 。
例如Cwxyz
8.３含一个手性碳原子化合物的对映异构
2、性质 （1） 外消旋体没有旋光性。
第八章 立体化学对映异构
? : 旋光度；c: 溶液浓度 (g/mL)；ρ: 纯液体密度(g/mL) ；l: 管长(dm)
? ? 通常要标出测定时的温度和偏振光的波长:
?
t
?
溶剂对比旋光度也有影响，要注明所用溶剂。
例: 在20℃时，以钠光灯为光源测得葡萄糖水溶液的比旋光度为
右旋52.5°，记为:
??
?20 D
?
? 52.5?(水)
返回
26
R-S 标记法
? 根据手性碳原子所连接的四个基团在空间的排列来标记： (1)先把手性碳原子所连接的四个基团设为： a、b、c、d，并
将它们按次序规则排队。 (2)若a,b,c,d 四个基团的顺序是 a(较优基团)>b>c>d ，将该手
性碳原子在空间作如下安排：
? 把排在最后的基团 d放在离观察者 最远的位置，然后按 先后次序观察其他三个基团。 ? 即从最先的a开始看，经过b，再到c。 ? 若方向是 顺时针 的，则该手性碳原子的构型标记为 “R”；若为逆时针，则标记为“S”
-31.3°(乙酸乙酯 )
+31.3°(乙酸乙酯
外消旋体153
)
(III) (2R,3S)-(-) 167
-9.4°(水)
(IV) (2S,3R)- 167
+9.4°(水)
?非对映(+体) 可用一般的物理方法分离.
37
例:酒石酸的立体异构体
COOH
COOH
O HO C
HH *C C* OH OH
COOH
OH
乳酸(2-羟基丙酸)
H3C
C H
COOH
手性分子
乳酸的分子模型图
两个乳酸模型不能叠合
第八章 旋光异构(立体化学)
•普通光是由各种波长的、在垂直于前进方向的各个平面内振 动的光波组成。 •偏振光：只在某一平面上振动的光，叫做“平面偏振光”， 简称“~”。
17
旋光活性和比旋光度 1. 旋光活性
•使偏振光振动平面旋转的物质，称为“旋光活性物 质”．它使偏振光振动平面旋转的角度称为“旋光 度”．(浓度、盛液管长度、温度、光波波长、溶剂
≡
≡
23
（2）Ｆischer投影式
乳酸的分子模型和投影式
Ｆischer投影式: 1.两个竖立的键 —向纸面背后伸去的键; 2.两个横在两边的键—向纸面前方伸出的键. 3.碳架竖向排列，编号小的放在上面。
24
思考：指出下列各组结构之间的关系 （对映体或相同化合物）
OH OH H COOH H CH3 COOH
1. 化学分离法
通过与旋光性拆分剂（从自然界生物体中获得）作用，生成 非对映异构体，利用其物理性质上的不同而将其分开（如分馏或 分步结晶），最后除去拆分剂得纯的单旋体。
(+)-酸-(-)-碱
+)-酸+(-)-碱 (_
结晶分离 (-)-酸-(-)-碱
(+)-酸-(-)-碱 (-)-酸-(-)-碱
HCl HCl
•手性碳原子的概念—与四个互不相同 的基团相连的碳
原子。
W C X Z Y
镜面
W Y Z C X
• 有且只有一个手性碳原子的分子一定是手性分子。
21
例：乳酸CH3CHOHCOOH
*
O
* CH 3 CH
C
OH
OH Lactic acid
乳酸
22
构型的表示法，构型的确定和构型的标记 构型的表示法 （1）锲形式——比较直观
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第八章 立体化学
1． 解释下列各名词，举例说明：
（1）旋光活性物质 （2）右旋体
（3）手性原子 （4）手性分子和非手性分子 （5）对映异构体 （6）非对映异构体 （7）外消旋体 （8）内消旋体 2． 回答间题：
（1）对映异构现象产生的必要条件是什么？
（2）含手性碳原子的化合物是否都有旋光性？举例说明。
（3）有旋光活性的化合物是否必须含手性碳原子？举例说明。
3．一个酸的分子式是C 5H 10O 2，有旋光性，写出它的一对对映异构体，并标明R..S.。
4．下列化合物中，哪个有对映异构体？标出手性碳原子，写出可能的对映异构体的投影式，
并说明内消旋体和外消体以及哪个有旋光活性。
（1） 2-溴-1-丁醇 （2）α，β-二溴丁二酸 （3）α，β-二溴丁酸 （4）α-甲基-2-丁烯酸 （5）2，3，4-三氯已烷 （6）1，2-二甲基环戊烷 （7）1，1-二甲基环戊烷
5．樟脑、薄荷醇以及蓖麻酸具有下列结构，分子中有几个手性碳原子？有几个光活异构体存在？
O
HO
樟脑
薄荷醇
蓖麻酸
CH 3(CH 2)5CHOHCH 2CH=CH(CH 2)7COOH
6.下列各对化合物是对映体还是非对映体或是同一化合物？
CH 3
H
Br
Cl
CH 3
H
Cl
Br
CH 3
H
Br
Cl
CH 3
Cl
H
Br
(1)
(2)
CH 3
H H
Br
CH 3CH 3
CH 3
CH 3
CH 3CH 3
CH 3
Cl
Cl
Cl
Cl H
H
Br H H Br
H
H Br (3)
(4)
CH 3
CH 3CH 3
CH 3
CH 3
Cl
Cl
H
H Br
H
H Br (5)
(6)
H 3C
CH 3H 3C
CH 3CH 3
(7)(8)
H 3C
CH 3
H 3C
CH 3H 3C
H 3C
7.(1)有比旋光度+3.820
的乳酸转化成乳酸甲酯 CH 3CHOHCOOCH 3,[α]D 20
=-8.250
,(一)-乳酸甲酯的绝对构型是什么?
(2)下列反应中,构型有无变化?试为原料及产物指定D/L 和R/S.
CH 3Cl
Cl
H H (a)CH 2CH 3CH 2
CH 3CH 2
Cl
Cl 2,hv
CH 3
Cl
CH 3
H
H
(b)CH 3CH 2
CH 3CH 2
I-,丙酮
I
CH 3
Cl
H
H
CH 3
COOCH3
(c)COOCH3
CN
CN -
8.下列化合物能不拆分为光活对映体?
(1)
I COOH Br
COOH
CONH 2
CONH 2
CH
3
CH 3COOH
(2)
(3)
NO 2
COOH
CH 3
COOH
(4)
(5)
(6)
C H 5C C
C
CH 3H
H
CH 3CH 2
NO 2
9.(1)化合物A 的分子式是C 5H 8,有光学活性,在催化氢化A 时产生B,B 的分子式是C 5H 10,无光学活性,同时不能拆分。
（2）化合物C 的分子式为C 6H 10，有光学活性，C 不含三重键，催化氢化C 产生D ，D 的分子式是C 6H 14，无光学活性，同时不能拆分，推测A →B 的结构。
10．1，3-二-促丁基环已烷的一个立体异构体的结构是无光学活性，写出这个异构体的构象结构式。
11．一个光学活性的化合物A （假定它是右旋的）的分子式为C 7H 11Br 。
A 和HBr 作用产生异构体B 和C ，其分子式为C 7H 12Br 12，B 是有光学活性的，C 则没有光学活性。
用1mol 的叔丁醇钾处理B 产生（+）A 。
用 1mol 的叔丁醇钾处C 产生（±）A 。
用一摩尔的叔丁醇钾处理A 产生D （C 7H 10），1molD 进行臭氧解接着用Zn 和水处理，产生两分子的甲醛和一分子的1，3-环戊二酮，提出A 、B 、C 、D 的立体化学式，并写出各步演变的反应。