第七章立体化学

立体化学(Stereochemistry)：研究分 立体化学 子的三维空间结构，及其对物理、 化学性质的影响。

1§1 异构体的分类一、构造异构(Constitution)：具有相同的分子式，而分子 中原子的结合顺序不同。

CH3 骨架异构 CH3CH2CH2CH3 CH3 CH CH3 OH CH3CHCH3构造异构官能团位置异构 CH3CH2CH2OH 官能团异构 互变异构 CH3OCH3 CH2 = CHOHCH3CH2OH CH3CHO2二、立体异构(Stereoisomerism)：具有相同的分子式，相同的原 子连接顺序，但原子在空间的排布方式不同。

顺反异构CH3H C=C CH3 HCH3 H C=CCH3 CH3 H CH3 H H HCH3CH3 H构象异构CH3 CH3 H H HHH HCH3 H H CH3CH3 CH33对映异构 (Enantiomerism)实物与其镜像不能重叠，它们互为镜像的关系，称该实物与镜像为一 对对映异构体4手性(Chirality)实物与其镜像不能重叠的现象成为手性56非手性(achirality) : 实物与镜像能重合，实物与镜像所代表的化合物为同一物质7对映异构体性质(1) 物理、化学性质相似 (2) 对平面偏振光的作用不同: 一个可使平面偏振光右旋(dextrorotation) (+) 另一个可使平面偏振光左旋(levorotation) (-)大小相等，方向相反平面偏振光？8§2 偏振光、比旋光度旋光度：α平面偏振光：通过Nicol棱镜后，只在一个方向上振动的光 旋光性（光学活性，optical activity）：物质使平面偏振光发生旋转的性质9比旋光度（Specific rotation)：Specific Rotation α [α] λ = [α] D = l cto toα：旋光仪测定旋光度；l：旋 光管长度dm；c：物质浓度 g/ml 如：葡萄糖水溶液在20℃用钠 光灯做光源时，其比旋光度为 右旋52.5o[α]D20 = + 52.5o (H2O) “+”表示右旋；“-” 表 示左旋。

1011§3 分子的手性和对称因素一、对称面如果一个分子被一个平面分成两部分，一部分正好是另一部分的镜像，这个平面就是分子的对称面。

12CH 3HCH 3HC CBr HH 3C H结论：具有对称面的分子，其实物与镜像能完全重合，分子无手性，没有旋光性。

14三、反射对称如果一个分子沿轴旋转2π/n 度(n = 1,2,3,4…)，再用一个垂直于该轴的镜子将分子反射，所得的镜像如能与原来的实物重合，则分子具有反射对称，该轴用Sn 表示，分子无手性。

(n = 4, 四重交替对称轴)ClClClCl90oClClClClClClClCl判断手性依据一个分子若无对称面，对称中心，反射对称，这个分子的实物与镜像不能重合，分子有手性，有旋光性。

反之，一个分子若有对称面，对称中心，反射对称，这个分子的实物与镜像能重合，分子无手性，无旋光性。

1516§4 含有一个手性碳的化合物乳酸一对对映体Cacbd*手性碳手性分子CO 2HHOCH 3H()()()()CO 2HOHCH 3H()()()()外消旋体（Racemic form): 等量的左旋体与右旋体的混合物(±)Fischer投影式规则(Rule): 投影时将与手性碳相连的横着的两个键朝前，竖着的两个键朝后，横线与竖线的交点表示手性碳。

CO2HCOOHHOHOCH3CH3H H()()()()Fischer投影式1718注意：Fischer 投影式在一个平面上，各种Fischer 投影式不能随意转动，要转动必须遵守一定的原则。

CCO 2HCH 3H HOCO 2H HOHCH 3CCO 2HCH 3OHHCO 2H HOHCH 319Rules:(1) 如将投影式在纸平面上旋转90o ，则得到它的对映体。

(2) 在纸平面上旋转180o ，则构型保持不变。

(3) 固定一个基团，依次旋转其余三个，投影式的构型不变。

一般将含碳的基团放在竖直线上，且把氧化数高的放在上面CO 2HHOH CH 3旋90o (1)HHO 2CCH 3OHCO 2H HOHCH 3旋180o(2)CH 3HOH CO 2HCO 2H HCH 3OH(3)固定一个，依次旋转其余三个20§5 构型、构型标记一、DL 标记规定：在甘油醛的Fischer 投影式中，与手性碳相连的OH 在右边的为右旋甘油醛，定为D 构型；而它的对映体为左旋，定为L 构型。

D-甘油醛Br 2/H 2OHOH CH 2OH CHO HOH CH 2OH COOHD-甘油酸CHOHOH CH 2OH甘油醛CHOHOH CH 2OHD L二、RS标记Rules(1) 将与手性碳原子相连的4个原子或 基团按次序规则排序，优先的在前a dCc ba>b>c>d(2) 将最小的基团远离观察者， 从最小的基团的对面观察其它 三个原子，如其余三个原子从 大到小的顺序a-b-c以顺时针方 向排列，称为R构型，若a-b-c 按反时针方向排列，称为S构 型。

21a da c bCc bCdSR22例：判断下列化合物中手性碳的RS构型，并命名CH3 H ICC2H5 H CHO OHI>C2H5>CH3>HH HOH2CS-2-碘丁烷HOH2CCOHCHOOH>CHO>CH2OH>H S-甘油醛CHO H OH CH2OH H3 C C H H CH3 Cl C HCHO HCOHR-甘油醛CH2OHCl>烯基>CH3>H（4R,2E)-4-氯-2-戊烯23CO2H HSOHCH3固定一个，依次 旋转其余三个(3)HOCO2HCO2H HSCH3HRCH3OH旋180o (2)CH3 H旋90o (1)H HO2C CH3 OHSOHCO2HR注意： （1）化合物的构型RS与DL与旋光方向(+)(-)没有直接联系，(+)(-)是物质固 有的性质，实际测量的结果，而RS 与DL是人为规定的. （2）如一个化合物是(+)，它的对映体肯定是(-)；如物质的构型是R，则它的 对映体必是S.24§6 含两个手性碳原子的化合物一、含有两个不同手性碳原子的化合物HOOC* H * H COOH C CCl OH CO2H氯代苹果酸CO2H H ClCO2H H HR RCl OH1CO2HCO2HCO2H1和3, 1和4, 2和 3, 2和4为立体 异构体，但不 是镜像关系， 称为非对映体 ( diasteroisomer)CO2H Cl HS RCO2H HR SCO2HH OHCl H4HO3H HS SOH Cl如以n代表手性 碳的个数，光 活性异构体最 大数目可达2n个225CO2HCO2HCO2H二、含有两个相同手性碳原子的化合物H HOOC * C* C COOHH酒石酸CO2HCO2H H HROH OHCO2H H HOR ROH HHO HS SH OH CO2HOH OHSCO2HCO2H567内消旋(meso)体: 具有手 性中心，但整个分子具 有对称因素，无手性。

26Fischer投影式、透视式及Newman式间的转换CO2H HO H H OH CO2HCOOH HO H COOH C C H OHHOHHCOOH H OH COOHHOHHO CO2 H CO2HBrHH H Br CH3 CH3Br CH3CH3 H Br C C CH3 Br HH BrCH3 Br H CH327BrH CH3§7 含有三个手性碳原子的化合物HOOC H C H C H C COOH2,3,4-三羟基戊二酸OH OH OHH H HRCO2H OH OH OHR>S 假手性碳CO2HRCO2H H HO HOR RCO2H HO H HS SH HO HOH H OHOH H HH OH OHSSCO2HCO2HCO2HCO2H8内消旋体9内消旋体101128§8 环状化合物的立体异构体环状化合物的立体异构体比较复杂，往往顺反异构和对映异构同时存在CO2HSCO2HR SCO2H HHSHRCO2HRHHCO2HCO2HH1S,2S-环丙烷二甲酸1R,2R-环丙烷二甲酸Meso1R,2S-环丙烷二甲酸2930CH3 CH3CH3 CH3RCH3 H3CSSRHHCH3 H3CSR顺1,2-二甲基环己烷无论看作平面或是分析其椅式构象，均无手性31CH3 HS SHRCH3CH3R SCH3RH HHCH3CH3 HH CH3S SHRCH3RCH3CH3 HH32CH3CH3CH3H(1S,3S)-1-甲基-3-叔丁 基环己烷的稳定构象HHHCH3t-But-BuS 存在对称面，无手性 注意：1位与4位碳上所连取 代基中有两个是相同的，故 1位与4位碳不是手性碳t-BuSS SCH3t-BuSSCH3§9 不含手性碳原子的旋光异构体一、丙二烯型化合物a b C=C=Ca a b a b C b两个p键互相垂直，当a≠b 时，无对称因素，分子具 有手性CH3 C=C=C HCH3 HCH3 C=C=C HCH3 H34对映体CH3 C=C=C HCH3 CH3 对称面CH3 HCCOOH H将一个双键用一个环代替, 环相当 于一个双键, 分子不具对称因素， 有手性判断如下化合物是否具有手性:H3C C H3 C CO2H HH3C C H CH3 CH3H CH3CH3 C CH3无H3C C2H5无CH3 C2H5有有35二、联苯烯型化合物2 1 1' 6CO2H HO2C2'2,2’以及6,6’位带有取代基时，两个苯环饶单键旋转 受阻，两苯环间成一个角度，不在一个平面内，如同 一苯环的邻位带有不同的取代基，则分子无对称因 素，具有手性。

6'HO2C CO2HNH2HO2CNO2O2NNO2 O2 NNH2I对称面，无手性OHHOHOOH1,1'-联萘二酚36§10 手性化合物的制备对映异构体性质异 同：相似的物理、化学性质 与手性物质（手性试剂）作用时，反应速度不同 不同的生理活性手性化合物的制备方法(1) 从天然产物中提取 (2) 外消旋体的拆分 (3) 手性合成——不对称合成: 反应中生成的对映体或非对映体不等量37外消旋体的拆分一、化学分离法；二、生物分离法；三、结晶法；四、色谱法 化学分离法：+ 酸 + (-)碱 _+ (+)酸-(-)碱 H(+)酸 (-)酸H+ (-)酸-(-)碱非对映体对映体过量百分数(ee%): 一个对映异构体超过另一个异构体的百分数 enantiomeric excess % 例: 一反应产生90％的R构型的异构体，10%的S构型异构体 ee%：90％-10％＝80%38§11 反应中的立体化学Stereochemistry in Chemical Reactions一、自由基反应ClCH3CH2CH2CH3+ Cl2 hνCH3CH2CH2CH2Cl + CH3CHCH2 CH3*AB实验结果：分离得到A，同时还分离得到一外消旋体B, 产物无旋光性 为何B无旋光性,是一外消旋体？39ClCH3 H H Cl C2H5 -HClClCl + Cl C H CH3 C2H5Cl2C H CH3 C2H5CH3 C2H5CH3 H C C2H5HCl2Achiral radicalCH CClCH3 C2 H5从非手性化合物开始，如 不存在不对称因素，一般 得到的是外消旋体Cl + Cl40Cl41Cl 2CH 3CHCH 2CH 3Br*CH 3CHCHCH 3Br *(S)Cl (S)h ν*从手性化合物开始，得到的光学异构体是不等量的－实现不对称合成二、卤素与烯烃加成**CH3CH CHCH3+ Br2CH3CH CHCH3Br Br4243CH 3HCH 3H+ Br 2CH 3HCH 3HBr Br -abab CH 3Br H H BrCH 3CH 3HBr HCH 3BrBr H CH 3H BrCH 3H BrCH 3Br HCH 3CH 3Br HCH 3H Br CH 3H BrCH 3Br H4445HCH 3CH 3H+ Br 2HCH 3CH 3HBr Br -ababCH 3Br HH 3C Br HCH 3HBrH 3C H BrBr H CH 3Br H CH 3H Br CH 3H Br CH 3CH 3Br HCH 3Br H CH 3H BrCH 3H BrProblems:Which of the following molecules has a plane of symmetry and thus is achiral(not chiral) ?(a)(b)(c)(d)(e)Assign an (R)-(S) stereochemistry to each of the following molecules.S, S, S46Identify all the chiral centers in borneol(1,7,7-trimethylbicyclo[2,2,1]heptan-2-ol). How many are there?threeWhich of the following molecules could exist as a total of three stereoisomers(a)(b)(c)(d)(e)47Which compound below is not a meso compound?H Cl HClHClHClHCH3ClHClHHCH3HCH3ClClHBrHBr(a)(b)(c)(d)(e)Which compound will not exhibit optical activity? (Note that these are all Fischer projections.)COOCH3H HH ClH HH HHHCOCH2CH3COOCH3H OH HO H HO H HO HCOOHCOOHH OHHO HHO HHO HCOOHCOOHH OHCl HCl HH OHCOOH(a)(b)(c)(d)48。