立体异构

第10章立体异构

一、学习基本要

·了解立体异构的种类。

·了解偏振光的产生，掌握手性、手性分子、旋光活性、对映异构体等基本概念。

·了解手性分子构型的表示方法，掌握费歇尔投影式的书写方法。

·掌握手性分子的R、S标记方法，了解不含手性碳原子的手性分子的旋光性，了解一取代环己烷的优势构象。

二、重点和难点

·重点：运用旋光知识测定物质浓度和鉴别物质，旋光异构体的费歇尔投影式，手性碳原子的R、S标记法。

·难点：费歇尔投影式的写法，手性碳原子的R、S标记法。

三、教案

（一）基本概念

1、偏振光：透过尼尔棱镜只在一个平面上振动的光称为偏振光。

2、手征性：两个物体看起来完全一样，像左右手那样互呈实物与镜像关系而不能完全重合的特性称为手征性，简称手性。

3、手性分子：有些微观分子也具有手性，两个分子看起来完全一样，像左右手那样互呈实物与镜像关系而不能完全重合，这种分子称为手性分子。

4、旋光活性：偏振光透过手性分子及其水溶液时，光的振动平面发生偏转，手性分子具有的这种性质成为旋光活性，或光学活性。

5、手性碳原子：与四个不相同的原子或基团相连的碳原子称为手性碳原子，简称手性碳。含有手性碳原子是分子具有手性的普遍因素，但不是分子具有手性的充分必要条件。

6、旋光度：旋光物质使偏振光旋转的角度称为旋光度，一般用α表示，α与溶液的浓度、盛液管的长度，测定时的温度以及光源和溶剂的性质有关。

7、比旋光度：旋光物质在光源波长和测定温度一定的条件下，溶液浓度为1ｇ.ml-1,盛液管长度为1dm时的旋光度，比旋光度一般用[α]表示。

8、对映异构体：互呈实物与镜像关系的两个手性分子，使偏振光旋转的角度相同，但方向相反，

这两个分子称为对应异构体。

9、外消旋体：等量的左旋体和右旋体混合在一起，导致旋光性消失，这种混合物称为外消旋体。

10、内消旋：含有两个相同手性碳原子的化合物，如果两个手性碳原子的构型相反，其旋光性在分子内就相互抵消了，这种化合物成为内消旋体。

（二）基本知识

1、物质的光学活性

偏振光透过一些天然物质的水溶液时会产生两种现象；一种是像水、酒精等物质，不使偏振光的振动平面发生旋转，此类物质称为非旋光物质或非光学活性物质。另一种是像乳酸、

酒石酸等物质，可以使偏振光的振动平面旋转一定角度，这类物质称为旋光物质或光学活性物质。旋光物质中能使偏振光向右旋转的称为右旋体，用（+）号表示；能使偏振光向左旋转的称为左旋体，用（-）号表示。如从肌肉中提取的乳酸就是（+）乳酸，而由葡萄糖酵得到的乳酸则是（-）乳酸。等量的左旋体和右旋体组成的混合体系，失去旋光性、称为外消旋体，用（±）表示。如酸牛奶中的乳酸就是（±）乳酸，外消旋体没有光学活性，但可以拆分为左旋和右旋两个具有旋光活性的异构体。

旋光物质使偏振光旋转的角度称为旋光度，一般用α表示，α与溶液的浓度、盛液管的长度，测定时的温度以及光源和溶剂的性质有关。为了消除溶液浓度和盛液管长度对旋光度α的影响，引入比旋光度的概念，比旋光度用[]α表示，比旋光度[]α与旋光度α的关系为：

[]αλt

=

l ?

B ρα

2、手性分子的构型表示方法

手性分子的构型有两种表示方法，即透视式和投影式。

透视式是将手性碳和另外两个基团放在纸面上，并用实线连接，用楔型实线表示伸出纸面前的基团，用虚线表示伸向纸面后的基团。

投影式又称费歇尔投影式，是一种人为规定的投影方式。其方法为：用十线的交叉点代表手性碳原子，水平线所连的两个原子或基团伸出纸面外，竖直线所有的两个原子或基团伸向纸面里。投影时将含手性碳的碳键竖直摆放，把命名时编号最小的碳原子放在上端，这样

3、费歇尔投影式的使用原则

使用费歇尔投影式时，要注意投影式不能离开纸面翻转，也不能旋转90o或270o，因为这样会改变手性碳原子的构型；但可以在纸面上旋转180o，不改变分子的构型关系，仍代表原来分子的构型。如果固定手性碳原子的一个基团位置，而把另外三个基团顺时针或逆时针调换位置，不改变原化合物的构型；如果将手性碳原子所连的任何两个基团交换位置，会使构型变为它的对映异构体，连续交还两次又变回原分子的构型。

4、R 、S 表记法

为了表示旋光异构体的不同构型，需要对手性分子进行标记，一般采用R 、S 标记。具体方法是：先将与手性碳所连的四个基团按次序规则排定顺序，对于乳酸来说，四个基团的顺序为：-OH,> -COOH > -CH 3 >-H ，然后将四个基团中最小的（-H ），放在离眼睛最远的位置，观察剩余三个基团从大到小的排列顺序，即由-OH 经-COOH 到-CH 3,的走向，

如为顺时针方向，用R表示；如为逆时针方向，以S表示。

顺时针位R-型逆时针位S-型

使用透视是比较容易确定对映异构体的构型，但在熟悉了这种方法之后，即使使用费歇尔投影式，也不难确定分子构型，如乳酸的一对对映异构体可表记为：

（R）-乳酸（S）-乳酸

5、手性碳原子与旋光异构体的关系

（1）含有一个手性碳原子的化合物，有两个旋光异构体，即一个左旋体和一个右旋体，构成一对对映异构体，等量的异构体混合形成一个外消旋体。例如乳酸、甘油醛等。

（2）含有两个不相同的手性碳原子的化合物，有四个旋光异构体，构成两对对映异构体、四个非对映异构体、可组成两个外消旋体。例如2，3二羟基丁酸。

（3）含有两个相同手性碳原子的化合物，有三个旋光异构体，一个左旋体、一个右旋体和一个内消旋体。构成一对对映异构体、两个非对映异构体和一个外消旋体。

（4）不含手性碳原子的化合物，有些不含手性碳原子的化合物，由于分子内具有不对称因素而具有旋光现象，如四取代联苯分子、二取代环丙烷分子，都是手性分子。

例1 将某糖5 g溶于100 ml 甲醇中，在T=20℃，L=1. 0 dm 的条件下, 以钠光为光源，测得旋光度α= －4.64°，试计算该糖的[α]。

例2下列化合物中有无手性碳原子（用星号标出），写出可能有的旋光异构体的费歇尔投影式，用R、S标记，指出对映异构体、内消旋体和外消旋体。

①2-氯丁烷②2，3-丁二醇③α，β-二溴代丁酸④2，2-二氯代丁酸

分析 （1）根据名称写出结构式。

（2）找出分子中的手性碳原子，用星号表记。 （3）按费歇尔投影式的书写原则，写出投影式。 （4）指出各种旋光异构体。

解： ①、②、③是手性分子，其结构式和费歇尔投影式为

C C H H C Cl

C H H *

323

①

Cl H H C C

H H

H H C C H

H Cl 323

323

(a) (b)

a 、 a 、

b 是一对对映异构体，等量的a 、b 混合，组成一个外消旋体。

②

H C *

C H H C C

H H *H 33

H H H

O C H C H

C H C H

C H C H O H O

H O

H O H H O

H

H

H

H 333

33

3

(a) (b) (c)

a 、

b 是一对对映异构体，等量的a 、b 混合，组成一个外消旋体，

c 是内消旋体。

③

O Br C

*

C H C C H H * Br

H O 3

Br H

C C

H C C

H C C H O H O H

H

H

H

H Br Br Br

Br Br C C H H

H Br Br

O O H

O O H

O O H

3

3

33

(a) (b) (c) (d)

a 与

b ，

c 与

d 是两对对映异构体，等量的a 与b ，c 与d 组成两个外消旋体。

④ 不含手性碳原子，无旋光异构体。

O Cl O Cl

O H O C C H C

H C 2

例3 2-甲基丁烷进行氯化，列出所有可能的一氯代产物，写出其中手性分子的投影式，

并用R 、S 标记。

分析 （1）烷烃氯化，由于碳原子的级数和所在的位置不同，氯化可能有不同产物。 （2）由于氯原子取代氢原子，可产生手性碳原子，也可产生手性分子。 （3）写出一氯代产物的结构式，写出手性分子的投影式，用R 、S 标记。 解：2-甲基丁烷进行氯化，有四种产物：① ③是手性分子。

* C C

H C C H H C H

23

3 C C H H C Cl C

H C H

3233

* C C H H C Cl C H H C H

3

33 C H H C C H H Cl C C H

3223 ① ② ③ ④

H H C C C

H H

H H H C C H H Cl Cl C H

2

2

332

3

33

33

① （R ） (S) ③ (S) (R)

例3 2-氯丁烷与甲醇钠作用生成两种醚，画出这两种醚的投影式，并表明构型。 分析 （1）2-氯丁烷含有一个手性碳原子，是手性分子。

（2）2-氯丁烷与甲醇钠作用生成两种醚，是一对对映异构体，可用费歇尔投影式表示。 解：

C H H C

C H *

H C O C H

Na C H H C

C H *

H C O

C H 323

33233

C H C

H H C H H

H C H

C H O O

C H C

H 223

333

(S) (S) (R)

例4 2，3-二甲基丁二酸的衍生物有旋光性，把它水解，或用甲醇使其酯化，产物将没有旋光性。推测原来的2，3-二甲基丁二酸衍生物是什么，写出结构式。

分析 （1）2，3-二甲基二酸的衍生物有旋光性，说明分子内有两个不相同的手性碳原子。

（2）把该分子水解或酯化产物没有旋光性，说明两个不相同的手性碳原子变成了相同的手性碳原子。

（3）由此可知，原衍生物中两个甲基在费歇尔投影式的同侧，原衍生物中的一个羧基与甲醇酯化。

解：2，3-二甲基丁二酸的衍生物是：

O H C *

H H C C H *O H C C C

O C H O 33

3 C H

H H

O C O C H C H O H

C O 3

33

C H H H

O C O C H C H O H

C O 3

33

实验 葡萄糖注射液的含量测定

一、目的要求

1.掌握旋光法测定葡萄糖注射液含量的基本原理、操作方法及结果计算。

2.学会正确使用自动旋光仪。 二、仪器与试剂

仪器 自动旋光仪，旋光管，移液管（50ml ），容量瓶(100ml)。

试剂 葡萄糖注射液（含量在10%以上），氨试液（取浓氨溶液400ml ，加水使成1000ml ）。

三、方法原理

葡萄糖分子结构中有多个不对称碳原子，具有旋光性，为右旋体。一定条件下的旋光度是旋光性物质的特性常数，测定葡萄糖的比旋度，可以鉴别药物，也可以反映药物的纯杂程度。

旋光度（α）与溶液的浓度（c ）和偏振光透过溶液的厚度（L ）成正比。当偏振光通过厚1dm 且每1ml 中含有旋光性物质1g 的溶液，使用光线波长为钠光D 线（589.3nm ），测定温度为t ℃时，测得的旋光度称为该物质的比旋度，以[α]D t =α/Lc 。

四、操作步骤 1.供试液的配制

精密取葡萄糖注射液适量（浓度为25％的取40ml ，制成每100ml 中含葡萄糖10g 的溶液），置于100ml 容量瓶中，加氨试液0.2ml （10%或10%以下规格的本品可直接取样测定），用水稀释至刻度，摇匀，静置10min ，即得供试液。

2.调整零点

将旋光管用蒸馏水冲洗数次，缓缓注满蒸馏水（注意勿使发生气泡），小心盖上玻璃片、橡胶垫和螺帽，旋紧旋光管两端螺帽时，不应用力过大以免产生应力，造成误差，然后以软布或擦镜纸揩干、擦净，认定方向将旋光管置于旋光计内，调整零点。

3.测定

将旋光管用供试液冲洗数次，按上述同样方式装入供试液并按同一方向置于旋光计内，同法读取旋光度3次，取其平均值与2.0852相乘，即得供试液的旋光度。根据供试液的旋光度，求得葡萄糖注射液中C 6H 12O 6·H 2O 的含量。

五、实验结果

1.数据记录

2.结果计算

3

3

21αααα++=

%

1000852

.2'???=

L

C c α

标示量的百分含量＝

式中: a 1、a 2、a 3─ 测得的旋光度； 2.0852 ? 常数；

C － 每100ml 溶液中含葡萄糖的重量(g)； L － 旋光管的长度(dm)。

2.0852的由来：+52.75为无水葡萄糖的比旋度，按下式计算无水葡萄糖的浓度： 无水葡萄糖浓度 c =100α/[α]D 20l

如果换算成一水葡萄糖浓度（c ˊ）时，则应为：

c ˊ = c ×)(16.180)

(17.198无水葡萄糖的分子量一水葡萄糖的分子量

=α×175.52100?×16.18017

.198

=α×2.0852

所以，测定葡萄糖溶液的旋光度可以求得其含量。 六、注意事项

1.钠光灯启辉后至少20min 后发光才能稳定，测定或读数时应在发光稳定后进行。

2.测定时应调节温度至20℃±0.5℃。

3.供试液应不显浑浊或含有混悬的小粒，否则应预先过滤并弃去初滤液。

4.测定结束后须将测定管洗净晾干，不许将盛有供试品的测试管长时间置于仪器样品室内；仪器不使用时样品室可放硅胶吸潮。

七、思考题

1.为什么在10%以上的葡萄糖溶液中加入氨试液并放置10min 后才能测定旋光度？

【附一】WZZ-2自动旋光仪的使用方法

旋光仪是测定物质旋光度的仪器。通过对样品旋光度的测定，可以分析确定物质的浓度、含量及纯度等。目前使用较普遍的是国产WZZ-2自动旋光仪，该仪器采用光电检测自动平衡原理，进行自动测量，测量结果由数字显示。具有体积小，灵敏度高，读数方便等特点。对目视旋光仪难以分析的低旋光样品也能适应。

（一）构造原理

WZZ-2自动旋光仪采用20W钠光灯作光源，由小孔光栏和物镜组成一个简单的点光源平行光管（图15-1），平行光经偏振镜A变为平面偏振光，其振动平面为OO（图15-2a），当偏振光经过有法拉第效应的磁旋线圈时，其振动平面产生50Hz的β角往复摆动（图15-2b），光线经过偏振镜B投射到光电倍增管上，产生交变的电讯号。

图15-1 自动旋光仪的构造

1.光源

2.小孔光栏

3.物镜

4.滤光片

5.偏振镜

6.磁旋线圈

7.样品室

8.偏振镜

9.光电倍增管10.前置放大器11.自动高压12.选频放大器13.功率放大器14.伺服电机15.蜗轮蜗杆16.计数器

仪器以两偏振镜光轴正交时（即OO⊥PP）作为光学零点（OO为偏振镜A的偏振轴，PP为偏振镜B的偏振轴），此时，α=0°。磁旋线圈产生的β角摆动，在光学零点时得到100Hz 的光电讯号；在有α1°或α2°的试样时得到50Hz的讯号，但它们的相位正好相反。因此，能使工作频率为50Hz的伺服电机转动。伺服电机通过蜗轮，蜗杆将偏振镜转过α°（α=α1或α=α2），仪器回到光学零点，伺服电机在100Hz讯号的控制下，重新出现平衡指示。

图15-2 旋光仪工作原理

a.偏振镜A产生的偏振光在OO平面内振动

b.通过磁旋线圈后的偏振光振动面以β角摆

动c.通过样品后的偏振光振动面旋转α1°d.仪器示数平衡后偏振镜A反向转过α1°补偿了样品的旋光度

（二）使用方法

1.操作步骤

（1）将仪器电源插头插入220V交流电源，并将接地脚可靠接地。

（2）打开电源开关，这时钠光灯应启亮，需经5min钠光灯预热，使之发光稳定。

（3）打开电源开关（若光源开关打开后，钠光灯熄灭，则再将光源开关上下重复打开1到2次，使钠光灯在直流下点亮，为正常）。

（4）打开测量开关，这时数码管应有数字显示。

（5）将装有蒸馏水或其他空白溶剂的试管放入样品室，盖上箱盖，待示数稳定后，按清零按钮。试管中若有气泡，应先让气泡浮在凸颈处。通光面两端的雾状水滴，应用软布揩干。试管螺帽不宜旋得过紧，以免产生应为，影响读数。试管安放时应注意标记的位置和方向。

（6）取出试管，将待测样品注入试管，按相同的位置和方向放入样品室内，盖好箱盖。仪器数显窗将显示出该样品的旋光度。

（7）逐次按下复测按钮，重复读几次数，取平均值作为样品的测定结果。

（8）如样品超过测量范围，仪器在±45处来回振荡。此时，取出试管，打开箱盖按箱内回零按钮，仪器即自动转回零位。

（9）仪器使用完毕后，应依次关闭测量、光源、电源开关。

（10）钠灯在直流供电系统出现故障不能使用时，仪器也可在钠灯交流供电的情况下测试，但仪器的性能可能略有降低。

（11）当放入小角度样品（小于0.5°）时，示数可能变化，这时只要按复测按钮，就会出现新的数字。

2.浓度或含量测定

先将已知纯度的标准品或参考样品按一定比例稀释成若干只不同浓度的试样，分别测出其旋光度，然后以横座标为浓度，纵座标为旋光度，绘成旋光曲线。一般旋光曲线均按算术插值法制成查对表形式。测定时，先测出样品的旋光度，根据旋光度从旋光曲线上查出该样品的浓度和含量。旋光曲线应用同一台仪器、同一支试管来做，测定时应予注意。

3.比旋度、纯度测定

先按药典规定的浓度配制溶液，依法测出旋光度，然后按下列公式计算出比旋度[α] D t：

[α] D t = α/Lc

式中α为测得的旋光度（度），c为溶液的浓度（g/ml），L为溶液的长度（dm）。

由测得的比旋度，可求得样品的纯度：

纯度=实测比旋度/理论比旋度

（三）注意事项

1.仪器应放在干燥通风处，防止潮气侵蚀，尽可能在20℃的工作环境中使用仪器，搬动仪器应小心轻放，避免震动。

2.光源（钠光灯）积灰或损坏，可打开机壳进行擦净或更换。

3.机械部门摩擦阻力增大，可以打开后门板，在伞形齿轮蜗轮杆处加稍许机油。

4.如果仪器发现停转或其他元件损坏的故障，应由维修人员进行检修。