第七章 立体化学

第七章立体化学立体化学(stereochemistry)是从三维空间来研究分子的结构和性质的科学，是近代有机化学的重要组成部分。立体化学研究的重要内容是立体异构，包括顺反异构、构象异构和对映异构。顺反异构是由于双键(或环)的存在使分子中某些原子或基团在空间的位置不同引起的，不同异构体具有不同的物理性质(不同的熔点、沸点、折射率、溶解度、密度等)。立体异构体可分为对映异构体和非对映异构体。其中两个分子彼此为物与像的关系，且彼此不能完全重合的立体异构体，称为对映异构体(enantiomers)。构象异构是分子内绕键旋转造成原子在空间具有各种不同的排列。本章主要讨论对映异构立体化学（对映异构）一、手性和对映体二、手性分子的命名三、含有多个手性C的手性分子四、不含手性C的手性化合物五、对映异构体的化学性质一、手性和对映体我们的左手和右手非常相似，互为镜像，但不能重合，人们将这种性质叫手性。（一）手性碳原子与手性分子（二）手性和对称性（三）手性分子的性质（四）手性分子的表达（一）手性碳原子与手性分子1848年，LowisPasteur在研究酒石酸钠铵时发现对映异构体。他发现无旋光性的酒石酸钠铵是两种不同结晶的混合物，两种结晶互为镜像。溶于水，均有旋光性，且两个溶液的旋光度相等，但方向相反。Pasteur的发现导致了1874年Van‘tHoff提出碳的四面体学说，从理论上解释了对映异构现象的存在。按照该学说，当一个碳原子和四个其他原子相连时，这四个原子占据一个四面体的四个角，而碳原子则在中央。这样，四个基团在空间的不同排列方式有两种，即存在两种不同的构型，互为对映体的关系。把实物与其镜象不能重合的现象称为手性(chirality)，具有手性的分子称为手性分子(chiralmolecule)。人们发现手性是自然界化合物普遍存在的现象，只要一个碳原子上的四个取代基各不相同，该化合物就必然存在互为镜像的一对结构，如：我们将这个碳原子叫手性碳原子，以C*表示。这种分子叫手性分子，这两种互为镜像的分子叫对映异构体，只有具有手性的分子才存在对映体。当ABCD中任意两个相等，该分子就不具有手性。手性与对映体的存在关系密切，如何判断分子有无手性？直接办法是看分子的结构模型和其镜像能否重叠，如不能重叠则是手性的；能重叠，则无手性。此乃是物质具有旋光性和产生对映异构现象的必要条件。ACBDADBC如图为分子的结构模型和其镜像，可以看出，当A、B、C、D各取代基不相同时，分子实物与其镜像是不能完全重合的，二者互为对映异构体。判断是否有手性还可以看分子是否有对称因素，有对称因素，分子能与其镜像重叠，无手性；反之，无对称因素，则有手性。（二）手性和对称性上述可见，手性分子在空间结构上具有高度不对称。为了判断一个分子是否具有手性，就需要了解分子的对称性。1、对称轴Cn当分子环绕通过该分子中心的轴旋转2π/n角度后，得到的构型与原分子相重合，则该分子有对称轴存在，叫n重对称轴，记为Cn。其对称操作为转动。对称因素包括对称轴、对称面、对称中心和n重交替对称轴。如下分子具有对称轴：一个分子可以有一个或多个对称轴2、对称面σ若某分子的所有原子都在同一平面上，或有一平面能将该分子分成完全相同的两部分，则该平面就是这个分子的对称面。如：对称面的对称操作是反映，即所谓的照镜子。σ在分子中有一点，它与分子中任何原子（或基团）相连成线，在此连线的反向延长线上等距离处有相同的原子（或基团），此点为该分子的对称中心。CH3CH3ClCl3、对称中心对称中心的对称操作是反演，即假定对称中心是直角坐标的原点，分子中某一原子的的坐标为(x,y,z)，经过反演操作变为(-x,-y,-z)。4、n重交替对称轴假如分子中有一直线，当分子以此直线为轴旋转2π/n角度后，再用一个与此直线垂直的平面进行反映，若得到的镜像与原来的分子完全相同，该直线即是交替对称轴。如四重交替对称轴：结论1、一个分子有无手性与有无对称轴没有关系。2、一般来讲一个分子如果既没有对称面，又没有对中心，基本上断定为手性分子（开环化合物）。如果也没有交替对称（螺环化合物），则一定为手性分子。3、判断一个分子又无手性，不能单纯用有无手性碳原子，而要拥有无对称性判断。但只含一个手性碳原子的分子一定是手性分子。（三）手性分子的性质手性分子必然存在对映异构体，对映异构体之间的差异是分子中原子在空间的排列方式不同，而构造式、原子或原子团在空间的相对关系是相同的，因此，分子之间的相互作用相同，所以，对映异构体的一般物理性质是相同的。除一般物理性质外，对映异构体对非手性试剂也表现出完全相同的化学性质和化学反应。那么，如何分析判断对映异构体？人们发现不同的对映异构体对平面偏振光的旋转方向不同。如，从肌肉中得到的乳酸使偏振光平面向右旋，称为右旋乳酸。从乳糖发酵得到的乳酸使偏振光平面向左旋，称为左旋乳酸。由于对映异构体具有以相反方向转动偏振光平面的物理性质，也称其为“旋光异构体”(opticalisomer)。又因其对偏振光平面有旋转作用，也有称其为光活性(opticalactivity)物质。平面偏振光：使普通光通过尼克尔棱镜，则通过棱镜的光线只在一个平面上振动，这样的光叫平面偏振光(plane-polarizedlight)，简称偏振光。1、旋光性—比旋光度根据光活性物质与平面偏振光的作用原理，设计出旋光仪，它主要由一单色光源和两个尼克尔棱镜组成。其作用原理如下：起偏镜和检偏镜均为尼科尔棱镜。偏振光通过手性化合物溶液后，光线振动方向偏转的角度为α，叫旋光度。[α]=αl.C若被测物是纯液体ρ:液体的密度[α]=αl.ρ其中：C:溶液的浓度(g/ml)l:样品池的长度[α]还与温度、溶剂、光的波长等因素有关。旋光度除了与物质本身的性质有关以外，还与样品池的长度、溶液的浓度、光源的波长、测量时的温度等有关。为了排除物质属性以外的因素，常用比旋光度[α]来表示，其定义是浓度为1g/ml的溶液在1dm长的盛液管中测得的旋光度。因此经常要注明，如：[α]20D=+52.5°（水）是葡萄糖的水溶液[α]20D=-93°（水）是果糖的水溶液其中：20是指20℃，D是指钠光灯。使偏振光右旋（顺时针）的对映异构体称为右旋体(dextrorotationform)，记为（+）。使偏振光左旋（逆时针）的对映异构体称为左旋体(levorotationform)，记为（-）。将等量的两种对映异构体混在一起，则不具有旋光性，称为外消旋体(racemicform)，记为（±）。2、手性分子的其它性质除了旋光性以外，手性分子还具有许多特殊性质，如：1）在人体或生物体内，两种异构体的活性不同。2）手性分子的各种异构体的溶解性不同，特别是在手性溶剂中，两种对映异构体的溶解度不同，这样可以将外消旋体拆分成两对映异构体。注意，旋光仪不能分辨α±n180◦的度数，如它不能区分+28◦，+208◦，+388◦。此时，应做两个不同浓度或不同盛液管长度的测定。（四）手性分子的表达—Fischer投影式手性分子在空间的构型要表达清楚，需要用透视式，如乳酸：手性碳原子、两个基团(-OH,-COOH)处于平面上，以实线与碳连接。其余两个，一个伸向纸面前方，以实楔与碳相连；另一个伸向纸面后方，以虚楔连接。透视式比较直观，但书写起来不太方便，Fischer提出投影式，用平面形式来表示具有手性碳原子的分子立体模型的式子。如：习惯上把含碳原子的基放在竖键的方向，并把命名最小的碳原子放在上端。Fischer投影式规定：竖直线上表示向纸平面内延伸的两个基团横直线上表示向纸平面外延伸的两个基团两直线交叉点表示手性碳原子（1）Fischer投影式只能在纸平面上移动或旋转180◦进行比较，不能在纸平面上翻转。（2）任意对调两个基团一次或离开纸平面翻转一次都将得到原构型的对映异构体。（3）在投影式中，如果一个基团保持不变，而把其余三个基团顺次改变位置，则构型不变。HOHCOOHCH3OHHCOOHCH3HOHCOOHCH3≡≡使用Fischer投影式应注意以下几个问题：二、手性分子的命名（一）、D-L标记法（习惯命名）（二）、R-S标记法（系统命名）（一）D-L标记法（习惯命名）D-(+)-甘油醛HHOCHOCH2OHL-(-)-甘油醛最初只能测定出手性化合物的旋光度，不能确定它们所对应的异构体的绝对构型（1951年以前）。Fischer以甘油醛为标准，写出其投影式，规定将CHO写在最上端，CH2OH写在最下端，人为规定OH在右端的为右旋体（+），叫D型，OH在左端的为左旋体（-），叫L型。HOHCHOCH2OH后来X衍射证实人为的指定与实际相符，属巧合。对映体的构型和它们对偏振光的旋转方向之间没有明显的对应关系，D型的化合物不一定是右旋的，也可以是左旋的，如D-(+)-甘油醛和D-(-)-乳酸有相同的构型，但旋光方向相反。D型只是说明某化合物分子中手性碳原子的空间排列与D-(+)-甘油醛是同一类型，而旋光方向是用旋光仪测定的。1951年，Bijroet使用x-射线衍射的特殊技术(反常散射法)确定了(+)-酒石酸分子中原子在空间的实际排列(绝对构型)为L型。COOHOHHOHHCOOHL-(+)-酒石酸该式正好与甘油醛为标准确定的相对构型相同其它手性化合物的构型是在不破坏手性碳原子的前提下通过各种化学方法，将甘油醛转化过去来确定其构型。如右旋乳酸与右旋甘油醛构型相同，左旋乳酸与左旋甘油醛相同。D-(-)-乳酸COOHCH3HOHL-(+)-乳酸含多个手性碳原子的化合物，根据尾部手性碳的构型确定其构型。COOHCH3OHH说明1、人为指定的构型称相对构型，用X衍射测定出的真实构型叫绝对构型，现在已不存在相对与绝对之分。2、D-L标记只表示构型，不表示旋光性，直到现在手性化合物的旋光性只能靠测定，不能从构型推测出来。3、D-L标记非常简单，因而现在还在使用，但对于含多个手性碳原子的化合物以及其它复杂的手性化合物都无法命名。4、D/L构型命名法的另一局限是只适用于如下结构的化合物(a)，而对于其他的如(b)则不适合。RR‘HYCHOCH2OHCH3OH(a)(b)（二）R-S标记法(系统命名)为克服D-L标记法的不足，Ingold等人提出R-S命名法。R和S是拉丁文Rectus和Sinister的简写，分别表示“右”和“左”。R-S标记法是由IUPCA确定的系统命名法，其命名原则如下：(1)将与手性碳原子相连的四个基团按次序规则大小排序。若分别是a、b、c、d，且有a＞b＞c＞d。(2)将最小的基团放在离观察者最远的地方，再从优先基团a开始，沿a、b、c顺序旋转，若为顺时针方向，称为R构型，逆时针方向为S构型。≡CHOCH2OHHOHCD-(+)-甘油醛R-(+)-甘油醛HOHCHOCH2OH用D-L和R-S分别标记的乳酸如下：L-(+)-乳酸D-(-)-乳酸S-(+)-乳酸R-(-)-乳酸3）外消旋体则表示为(DL)-(±)-或(RS)-(±)-，如：(RS)-(±)-乳酸。R-S命名法已广泛采用，但还没有完全代替D-L命名法。在糖类、氨基酸类化合物中仍采用D-L命名法。1）R、S同样只表示构型，不表示旋光性2）R-S和D-L是两种命名方法，没有直接联系。说明：三、含有多个手性C的手性分子1、含有两个相同的手性碳原子的化合物如酒石酸分子，含有两个相同的手性碳原子。许多有机分子，尤其是在生物体内有重要作用的有机分子，往往含有一个以上的手性碳原子。如胆固醇有8个手性碳原子。按照一个手性碳原子有两种不同的构型，则应有两对对映体。实际情况如何？HOOC-CH-CH-COOH*OH*OH(I)与(II)互为对映体。(III)和(Ⅳ)为同一构型，且在此分子中，有一对称面，没有旋光性，此乃内消旋体。因此，酒石酸有三个立体异构体，一对对映体和一内消旋体。(I)(II)(III)≡(IV)(2R,3R)-(2S,3S)-(2R,3S)-HCOOHCOOHHHOOHHCOOHCOOHHHOOHHCOOHCOOHHHOHOOHH