高中化学奥林匹克竞赛辅导讲座：第16讲《立体化学基础》

-1-高中化学奥林匹克竞赛辅导讲座第16讲立体化学基础【竞赛要求】有机立体化学基本概念。构型与构象。顺反异构（trans-、cis-和Z-、E-构型）。手性异构。endo-和exo-。D,L构型。【知识梳理】从三维空间结构研究分子的立体结构，及其立体结构对其物理性质和化学性质的影响的科学叫立体化学。一、异构体的分类按结构不同，同分异构现象分为两大类。一类是由于分子中原子或原子团的连接次序不同而产生的异构，称为构造异构。构造异构包括碳链异构、官能团异构、位置异构及互变异构等。另一类是由于分子中原子或原子团在空间的排列位置不同而引起的异构，称为立体异构。立体异构包括顺反异构、对映异构和构象异构。二、立体异构（一）顺反异构分子中存在双键或环等限制旋转的因素，使分子中某些原子或基团在空间位置不同，产生顺反异构现象。双键可以是C=C、C=N、N=N。双键产生顺反异构体的条件是双键两端每个原子所连二基团或原子不同。如：顺反异构的构型以前用顺–和反–表示。如：但顺反异构体的两个双键碳原子上没有两个相同的取代基用这种命名法就无能为力。如：abcabcabcadcabccdcHHC=CH3CH3C顺–2–丁烯HCH3C=CH3HC反–2–丁烯H3CCH2CH3C=HCH(CH3)2C-2-系统命名法规定将双键碳链上连接的取代基按次序规则的顺序比较，高序位基在双键同侧的称Z型，反之称E型。如上化合物按此规定应为E型。命名为E–4–甲基–3–已基–2–戊烯。所谓“次序规则”，就是把各种取代基按先后次序排列的规则。（1）原子序数大的优先，如I＞Br＞Cl＞S＞P＞F＞O＞N＞C＞H，未共用电子对为最小；（2）同位素质量数大的优先，如D＞H；（3）二个基团中第一个原子相同时，依次比较第二、第三个原子；（4）重键，如：分别可看作：（5）当取代基的结构完全相同，只是构型不同时，则R＞S，Z＞E。常见基团排序如下：–I＞–Br＞–Cl＞–SO2R＞–SOR＞–SR＞–SH＞–F＞RCOO–＞–OR＞–OH＞–NO2＞NR2＞–NHCOR＞–NHR＞–NH2＞–CCl3＞–COCl＞–COOR＞–COOH＞RCO–＞–CHO＞–CR2OH＞–CHROH＞–CH2OH＞–C6H5＞–C≡CH＞–CR3＞–CH=CH2＞–CHR2＞–CH2R＞–CH3＞–D＞–H＞未公用电子对按次序规则可以对下列化合物进行标记：(2Z，4E)–庚二烯对于环状化合物，由于环的存在阻止了碳碳单键的自由旋转，所以也有顺反异构体。HHC=CH3C231HC=HCH2CH3C42567CH3CH3HH顺–1，4–二甲基环乙烷CH3HCH3VH反–1，4–二甲基环乙烷-3-（二）对映异构1、分子的对称性、手性与旋光性（1）分子的对称因素：对称因素可以是一个点、一个轴或一个面。对称面：把分子分成互为实物和镜像关系两半的假想平面，称为对称面。对称中心：分子中任意原子或原子团与P点连线的延长线上等距离处，仍是相同的原子或原子团时，P点就称为对称中心。凡具有对称面或对称中心任何一种对称因素的分子，称为对称分子，凡不具有任何对称因素的分子，称为不对称分子。（2）分子的手性和旋光性象人的两只手，由于五指的构型不同，左手和右手互为实物和镜像关系，但不能完全重叠，称为手性。具有手性的分子，称为手性分子或手征性分子。判断一个化合物是不是手性分子，一般可考查它是否有对称面或对称中心等对称因素。而判断一个化合物是否有旋光性，则要看该化合物是否是手性分子。如果是手性分子，则该化合物一定有旋光性。如果是非手性分子，则没有旋光性。所以化合物分子的手性是产生旋光性的充分和必要的条件。2、含一个手性碳原子的化合物（1）对映异构体当分子中只含一个手性碳原子时，这个分子就一定有手性。如乳酸分子，其第二个碳原子上连有–OH、–COOH、–CH3和–H四个不相同原子或原子团，即含有手性碳原子（一般用C*表示）故乳酸有手性。其分子模型可表示如下：像乳酸分子这样存在构造相同，但构型不同，彼此互为实物和镜像关系，相互对映而不能完全重合的现象，叫做对映异构体。（+）–乳酸和（－）–乳酸是互为镜像关系的异构体，称对映异构体，简称对映体。因其对映体的旋光性不同，因此又称旋光性异构体或光学异构体。在实验室合成乳酸时，得到的是等量的左旋体和右旋体混合物，这种由等量的对映体所-4-组成的混合物称为外消旋体。因这两种组分比旋光度相同，旋光方向相反。所以旋光性正好互相抵消不显旋光性。（2）费歇尔投影式因对映异构属于构型异构，分子的构型最好用分子模型或立体结构式表示，但书写时相当不方便。一般用费歇尔投影式表示。其投影规则如下：一般将分子中含有碳原子的基团放在竖线相连的位置上，把命名时编号最小的碳原子放在上端。然后把这样固定下来的分子模型投影到纸平面上。这样将手性碳原子投影到纸面上，把分子模型中指向平面前方的两个原子或原子团投影到横线上，把指向平面后方的两个原子或原子团投影到竖线上，有时手性碳原子可略去不写。例如乳酸的一对对映体可用下式表示：由此可见，含一个手性碳原子的分子的费歇尔投影式是一个十字交叉的平面式。它所代表的分子构型是：十字交叉点处是手性碳原子，在纸面上，以竖线和手性碳原子相连的上、下两个原子或原子团位于纸平面的后方，以横线和手性碳原子相连的左右两个基团位于纸平面的前方。但是，由于同一个分子模型摆放位置可以是多种多样，所以投影后得到的费歇尔投影式也有多个。费歇尔投影式必须遵守下述规律，才能保持构型不变：①投影式中手性碳原子上任何两个原子或原子团的位置，经过两次或偶数次交换后构型不变。②如投影式不离开纸平面旋转180度，则构型不变。③投影式中一个基团不动，其余三个按顺时针或逆时针方向旋转，构型不变。反之，如基团随意变动位置，则构型可能发生变化。（3）构型的标示方法两种不同的构型的对映异构体，可用分子模型、立体结构式或费歇尔投影式来表示。这些表示法只能一个代表左旋体，一个代表右旋体，不能确定两个构型中哪个是左旋体，哪个是右旋体。因旋光仪只能测定旋光度和旋光方向，不能确定手性碳原子上所连接基团在空间的真实排列情况。下面介绍两种构型的标示方法。①D/L标示法该法是一种相对构型表示法，是人为规定的。该法选择甘油醛作为标准，规定（+）–甘油醛为D构型，其对映体（－）–甘油醛为L构型。CH3COOHHHOCH3COOHHOHCH3CHOHHOCH3CHOHOH-5-D–(+)–甘油醛L–(－)–甘油醛然后将其它分子的对映异构体与标准甘油醛通过各种直接或间接的方式相联系，来确定其构型，例如下列化合物都是D构型：D–(－)–甘油酸D–(+)–异丝氨酸D–(－)–乳酸D、L构型标示法有一定的局限性，它一般只能标示含一个手性碳原子的构型，由于长期习惯，糖类和氨基酸类化合物，目前仍沿用D、L构型的标示方法。②R/S标示法R、S构型标示的方法，是1970年由国际纯粹和应用化学联合会建议采用的。它是基于手性碳原子的实际构型进行标示，因此是绝对构型。其方法是：按次序规则，对手性碳原子上连接的四个不同原子或原子团，按优先次序由大到小排列为a→b→c→d，然后将最小的d摆在离观察者最远的位置，最后绕a→b→c划圆，如果为顺时针方向，则该手性碳原子为R构型；如果为逆时针方向，则该手性碳原子为S构型。对于费歇尔投影式，直接按照a→b→c划圆方向标示R、S构型的规律是：当最小的基团在横线上时，如果a→b→c划圆方向是顺时针，为S构型，是逆时针为R构型；当最小基团在竖线上时，如果a→b→c划圆方向是顺时针，为R构型，是逆时针，为S构型。R-甘油醛R-乳酸S-2-氯丁烷S-2-氨基苯乙酸S-2-氨基-3-巯基丙酸R-2-氯-1-丙醇值得注意的是，D、L构型和R、S构型之间并没有必然的对应关系。例如D–甘油醛和D–2–溴甘油醛，如用R、S标示法，前者为R构型，后者却为S构型。此外，化合物的构型和旋光方向也没有内在的联系，例如D–(+)–甘油醛和D–(－)–乳CH2NH2COOHHOHCH2OHCOOHHOHCH3COOHHOHHC2H5CH3ClCH2OHCHOHOHCH3COOHHOHHNH2HSH2CCOOHC6H5COOHHH2NCH3CH2OHHCl-6-酸。因构型和旋光方向是两个不同的概念。构型是表示手性碳原子上四个不同的原子或原子团在空间的排列方式，而旋光方向是指旋光物质使偏振光振动方向旋转的方向。3、含两个手性碳原子的化合物（1）含两个不相同手性碳原子的化合物2，3，4–三羟基丁醛，分子中具有两个不相同的手性碳原子。2号位手性碳原子连接的4个原子或基团分别是–OH、–CHO、–CH（OH）CH2OH、–H，而3号位手性碳原子连接的4个原子或基团分别是–OH、–CH（OH）CHO、–CH2OH、–H。这是两个不同的手性碳原子。由于每一个手性碳原子有两种构型，因此该化合物应有4种构型。它们的4个光学异构体的费歇尔投影式表示如下：D-（－）-赤藓糖L-（+）-赤藓糖D-（－）-苏阿糖L-（+）-苏阿糖（2R，3R）-赤藓糖（2S，3S）-赤藓糖（2S，3R）-苏阿糖（2R，3S）-苏阿糖由上可知，含一个手性碳原子的化合物，有两个光学异构体；含两个不相同手性碳原子的化合物，有4个光学异构体。依此类推，含有n个不相同手性碳原子化合物的光学异构体的数目应为2n个，组成对映体的数目则有2n－1对。含两个手性碳原子的光学异构的构型，通常是用R、S构型标示方法，分别表示出手性碳原子的构型。对于费歇尔投影式，可直接按a→b→c划圆方向，标示手性碳原子的R、S构型。例如：2R，3S2S，3R2S，3S2R，3R（2）含两个相同手性碳原子的化合物2，3–二羟基丁二酸（洒石酸），因第三碳原子和第二碳原子上连接的4个原子或基团，都是–OH、–COOH、–CH（OH）COOH、–H，，所以洒石酸是含两个相同手性碳原子的化合物。它和含两个不相同手性碳原子的四碳糖不同，只有三种构型。因其中赤型特征的分子，有对称面和对称中心，这两个手性碳原子所连接基团相同，但构型正好相反，因而它们引起的旋光度大小相等，方向相反，恰好在分子内部抵消，所以不显旋光性。OHHCHOCH2OHHOHHOHCHOCH2OHHHOHOHCHOCH2OHOHHHOHCHOCH2OHHHOOHHCOOHCOOHHClHOHCOOHCOOHHClHOHCOOHCOOHClHHOHCOOHCOOHHClHOHCOOHCOOHOHHOHHCOOHCOOHOHHHOHCOOHCOOHHHO-7-D–（－）–酒石酸L–（+）–酒石酸meso–酒石酸2S，3S2R，3R2R，3S像这种分子中虽有手性碳原子，但因有对称因素而使旋光性在内部抵消，成为不旋光的物质，称为内消旋体。内消旋体和对映体的纯左旋体或右旋体互为非对映体，所以内消旋体和左旋体或右旋体，除旋光性不同外，其它物理性质和化学性质都不相同。由此可见，分子中有无手性碳原子不是判断分子有无旋光性的绝对依据。分子有旋光性的绝对依据是其具有手性。有些化合物，虽然不含有手性碳原子，但由于它有手性，也可以是光学活性物质。内消旋体和外消旋体是两个不同的概念。虽然两者都不显旋光性，但前者是纯净化合物，后者是等量对映体的混合物，它可以用化学方法或其它方法分离成纯净的左旋体和右旋体。（三）构象异构由于原子或基团绕键轴旋转，引起碳原子上所结合的不同原子或基团的相对位置发生改变而产生若干种不同的空间排列方式，称为构象。描述构象，一般用纽曼投影式表示。它是选取分子中两个相连的原子，通过其连线对分子进行投影所得的。如乙烷的典型构象有：这两种构象中，交叉式的位能比重叠式低11.7kJ/mol。正丁烷分子中，有三个C—Cσ键可以旋转，若选择C2—C3单键旋转，可产生四个极限构象：四种极限构象的稳定性次序为：全交叉式＞斜交叉式＞部分交叉式＞全重叠式。-8-但它们之间的位能相差不大，常温时可以相互转变，达到动态平衡。环已烷也存在椅式和船式两种构象。在环已烷的构象中，最稳定的构象是椅式构象，在椅式构象中，所有键角都接