1、第七章 对映异构 1874年，年轻的物理化学家范特霍夫（J.H.Vant Hoff）和勒贝尔（J.A.Le Bel）根据有机分子的旋光性等实验事实，分别独立地发表论文提出碳的四价是指向四面体的四个顶点，即碳原子的四面体理论，打破了有机分子的平面结构理论，开创了有机分子立体结构的先河。以碳原子的四面体理论为基础的现代立体化学理论已经有了高度的发展和更加丰富的内涵，运用立体化学理论，不仅可以解释也能够用来预测有机化合物的物理性能、化学性能、反应性能甚至生理性能，解释和预测反应的进程及产物的结构，设计目标分子以及合成路线，是化学工作者及相关研究人员从事化学研究的有力工具。7.1 有机化合物的立体异构
2、现象 在有机化合物中，很多分子虽然具有相同的分子式，但原子或者原子团连接的顺序以及所处的空间方向不一样，即虽然具有相同的分子量，但结构不同，我们把这种现象叫做立体异构现象。立体异构体之间的物理、化学以及生理性能往往表现出很大的差别。7.1.1 构造异构 分子中原子相互连接的次序和方式叫做构造，分子式相同，但构造式不同的分子叫做构造异构。构造异构包括碳架异构，取代位置异构，官能团的异构如乙醇和甲醚，以及互变异构等。7.1.2 构象异构 分子式相同，原子的结合顺序即构造式也相同，但由于单键的旋转使分子中的原子或者原子团在空间的位置或者取向不同。这种通过单键旋转而导致分子中原子或者原子团在空间的不同
3、取向叫做构象，由此得到的不同空间结构叫做构象异构。7.1.3 几何异构 几何异构也是指原子或者原子团在空间的取向不同，但这种不同的空间取向不是由于单键的旋转造成的，而是由于分子的刚性造成的，因此如果没有键的断裂，几何异构体之间是不能相互转换的。这种分子的原子或者原子团在空间的排列方式叫做构型，不同构型的分子之间不能通过单键的旋转而相互转换。几何异构主要包括烯烃的顺反异构以及环状化合物的顺反异构。（1）烯烃的顺反异构。（2）环状化合物的顺反异构。7.1.4 对映异构7.1.4.1 手性和对映异构 当一个物体没有对称中心或者没有对称平面的时候，物体与它的镜像就不能重合，就象人的左手和右手一样，非常
4、相似，但不能重叠，物体的这种性质称为物体的手性。对于许多有机分子，由于原子或者原子团在空间具有一定的取向，即具有一定的构型，也会出现分子与它的镜像不能重叠的情况，这种现象就称为分子的手性，这种分子就称为手性分子。很显然，一个手性分子至少有两种构型异构体，一个是实物，一个是映在镜子里的镜像，它们互为对映异构体，简称对映体。这种由于分子和它的镜像不能重叠而产生的构型异构叫做对映异构。如乳酸分子的两种对映体如下：COOHHCH3OHCOOHHH3CHOL-(+)-乳酸 D-(-)-乳酸对映异构体在宏观性能上表现出的最大差别是生理活性不一样以及旋光性不同，其它一般性能如沸点、熔点、溶解度、极性甚至反应
5、活性都是相同的。由于旋光性是容易测定的，因此，测定旋光性是研究对映异构体最重要和最早的方法，因此对映异构也叫旋光异构，对映异构体也叫光学异构体。7.1.4.2 旋光性 普通白光是由不同波长组成的电磁波，光波的振动方向与其前进方向互相垂直。单色光，如从钠光灯发射出来的黄光，则具有单一的波长(589nm)，但仍在与其前进方向互相垂直振动。若使普通光通过尼科尔(Nicol)棱镜，则只有振动方向和棱镜的晶轴平行的光线才能通过。这种只在一个平面上振动的光叫做平面偏振光，简称偏振光。偏振光振动所在的平面叫做偏振面。普通光 尼科尔棱镜 偏振光 一束普通光（箭头为光束前进方向）一束偏振光 当两个尼科尔棱镜平行
6、放置，从一个尼科尔棱镜产生的偏振光可以全部通过，但当两个尼科尔棱镜垂直放置时，从另一个尼科尔棱镜不能看到从前一个尼科尔棱镜产生的偏振光，必须将尼科尔棱镜旋转90o才能使偏振光完全看到。当在两个平行放置的尼科尔棱镜之间放置某些液体或溶液，如葡萄糖溶液，发现从一个尼科尔棱镜产生的偏振光不可以通过另一个尼科尔棱镜，必须将尼科尔棱镜旋转一定的角度才能使偏振光完全看到。这就说明这些溶液使偏振光的偏振面发生了偏转，溶液的这种使偏振光发生偏转的性质叫旋光性，也叫具有光学活性，旋转的角度叫做旋光度。如果使偏振光向右偏转，记为（）或者l-;如果向左偏转，记为（）或者d-，如图74所示。普通光 尼科尔棱镜 样品管
7、 尼科尔棱镜 旋光仪的工作原理偏振光是1809年法国物理学家马露首次发现的，普通光通过石英晶体会产生偏振光。在1812年另一个法国物理学家拜奥特发现有些石英的结晶将偏振光朝右旋，有些石英的结晶将偏振光朝左旋。他进一步又发现某些有机化合物的液体或者溶液也具有旋转偏振光的作用。由于有机化合物的溶液也有旋光性，因此他认为石英晶体对偏振光的旋转与有机溶液对偏振光的旋转是不同的。由石英产生的旋光性是由石英整体产生的，由有机物质产生的旋光性是由单个分子产生的，因此他推想旋光性应该和物质组成的不对称有关。1848年巴斯德借助显微镜用镊子将外消旋的酒石酸钠铵晶体分离成两个对映体，一个将偏振光朝左旋,一个将偏振
8、光朝右旋，因此他提出分子有旋光性即有光学活性的性质是由分子的不对称性引起的，左旋和右旋的酒石酸盐为实物和镜影的关系，相互不能重叠。但直到1874年，年轻的物理化学家范霍夫和勒贝尔才分别独立地发表论文提出碳的四面体理论，分子的旋光性是由不对称碳原子造成的，并进一步预言，某些分子如丙二烯衍生物即使没有不对称碳原子，也应该有旋光异构体存在，这个预言在六十年以后为实验所证实。因此，正是因为研究旋光性，才产生了立体化学。7.1.4.3 比旋光度旋光度的大小和管内所放物质的浓度，温度，旋光管的长短及溶剂的性质有关。为了便于比较，一般用比旋光度表示物质的旋光能力大小和旋光方向t=tL x Ct为测定的旋光度
9、；L为管长，以分米为单位；C为浓度，以克毫升为单位，如果为纯的液体则浓度改换成比重（克厘米3）。或者t=tL x cX 100此时浓度c为克100毫升。通常在文献上报道的即是以克100毫升为单位的浓度，因为经全合成得到的最后产物往往很少。由于两个对映体的旋光度大小相等但方向相反，将两个对映体等量混合所得到的溶液，其旋光能力相互抵消，没有旋光性，这种混合物叫做外消旋体。一些纯的对映异构体在酸碱、高温等条件下甚至在放置一段时间后，会转化为另外一个对映体，当两个对映体的量相等时，其旋光性也会消失，我们把这种现象叫做外消旋化。对映体容易发生外消旋化会影响对映体的旋光性和纯度，但要将一个没用的对映体转化
10、为另一个有用的对映体时，在一定条件下进行外消旋化是经常要用到的。7.1.4.4 分子的对称性与手性 只有手性分子才能分离出纯的对映体而显示光学活性，如何判断一个化合物是否具有手性，最好的办法是判断化合物分子是否具有对称性，如果一个分子没有对称面或者对称中心，这个分子与它的镜像不能重叠，分子具有手性。这里分几种情况进行讨论。（1）具有一个不对碳称原子的手性分子当分子中的一个碳原子连接四个不同的原子或者原子团时，这个分子是不对称的，具有手性，这个碳原子叫做不对称碳原子，也叫做手性中心或者手性碳原子。如下图所示的-丙氨酸即为手性分子，碳上有四个不同的取代基，分子与其镜像不能重叠，有两个对映体。左边的
11、对映体即为天然的L-丙氨酸，右边为人工合成的D-丙氨酸。2氨基丙酸CNH2HCOOHCH3CHH2NCOOHCH3如果碳原子上有两个相同的原子或者原子团，则分子有一个对称面，不具有手性，没有对映体，如丙酸。COOHHCH3H被考测的碳原子，甲基以及羧酸在一个平面上，两个氢原子处在与平面相对称的两边，两个氢原子交换后得到的是同一个分子，这个平面即为对称面。也可把这个平面看作一面镜子，氢原子投影后，实物与镜像相同，可以相互重叠，因此具有对称面的分子没有手性。（2）具有两个以上不对称碳原子的手性分子 当分子含有两个以及两个以上的不对称碳原子时，对映体的数目会急剧增加，情况变得复杂。如果一个分子内两个
12、不对称碳原子是不相同的，即两个不对称碳原子上所连接的四个取代基不完全一样，这个分子会有四种不同的立体构型，可获得四种旋光异构体。因为每一个不对称碳原子会有一正一负两个旋光异构体，其中正的旋光异构体可与另一个不对称碳原子一正一负旋光异构体组合成两个旋光异构体，负的旋光异构体也可与另一个不对称碳原子组成两个旋光异构体，这样便得到四个旋光异构体a,b,c和d。图解如下：C1C2不 对 称碳 原 子可 能 的 旋 光 异 构 体abcd例如3氯2丁醇，有两个不同的不对称碳原子，可以形成四个旋光异构体。CCHClHOHCH3CH3CCHClHHOH3CCH3 其中和，和两对旋光异构体互为实物和镜像关系，
13、互为对映异构体，两个对映体的一般物理性质和化学性质相同，很难通过一般的分离方法进行分离。和、，以及和、之间不是实物和镜像关系，为非对映异构体。非对映体的理性质和化学性质往往不同，可以通过一般的分离方法如重结晶、柱层析等进行分离。3氯2丁醇四个旋光异构体的对映和非对映关系可图示如下：CCClHHOHCH3CH3CCClHHHOH3CCH3CCClHHOHCH3CH3CCClHHHOH3CCH3CCHClHOHCH3CH3CCHClHHOH3CCH3互为对映体互为非对映体 从上面推断旋光异构体的方法中可以知道，如果分子中有n个不相同的不对称碳原子，则会有2n个旋光异构体。其中对映体总是成对出现，非
14、对映体会有很多。如果一个分子具有两个相同的不对称碳原子，旋光异构体的数目和性质会与上述的不一样。在上面推断旋光异构体数目的时候，有两个异构体是通过一个不对称碳原子的负旋光异构体与另一个不对称碳原子的正旋光异构体组合的，如果两个不对称碳原子不同，在组合时正负不会抵消。如果两个不对称碳原子相同，则在组合时正负旋光能力大小相等，会相互抵消。这样原来通过和组合得到的两个异构体将没有旋光性，成为一个异构体。这样就只有三个异构体，两个旋光，一个不旋光，不旋光的异构体叫做内消旋体，记为meso-.如酒石酸的结构所示，内消旋体虽然有不对称碳原子，但有一个对称平面，所以没有手性，没有旋光性。CCHOHHOHCO
15、OHCOOHCCOHHHHOCOOHCOOHCCHOHHOHCOOHCOOH 左旋酒石酸 右旋酒石酸 内消旋酒石酸 D-(-)-酒石酸 L-(+)-酒石酸 meso-酒石酸 L-(+)-酒石酸为天然产物，D-(-)-酒石酸是人工合成的，它们两个互为对映体，有相同的熔点（170oC）,在120毫升水中都只能溶解139克，酸性强度也相同，比旋光度大小相同，方向相反。meso-酒石酸与D或者L酒石酸性能完全不同，与D和L的外消旋体也不相同，虽然内消旋体和外消旋体都没有旋光性。内消旋体是一个单一分子，由于分子内有一个对称平面而没有旋光性；而外消旋体是两个对映体的等量混合物，可以再分离为两个对映体相反的
16、化合物。从理论上讲，凡含有两个相同的不对称碳原子的化合物都有三种立体异构体，一对对映体和一个内消旋体。当环状化合物的环上有不对称碳原子时，旋光异构体数目与开链化合物相同，如2,5-二羧基四氢吡咯有两个相同的不对称碳原子，有三个立体异构体，包括二个对映体和一个内消旋体。NHHOOCCOOHNHCOOHHOOCNHHOOCCOOH左旋二羧基四氢吡咯可从海藻中分离得到。很显然，两个旋光异构体有一个C2对称轴，即绕轴旋转180oC后，还是原来的立体构型。因此分子的轴对称性不会使分子失去手性。事实上，在开链的酒石酸旋光异构体中也有一个C2对称轴，但分子仍然具有手性。COOHCOOHHHOHOHNHCOO
17、HHOOCC2C2左旋二羧基四氢吡咯 右旋二羧基四氢吡咯 meso-二羧基四氢吡咯（3）没有不对称碳原子的手性分子 分子含有不对称碳原子是判断分子是否具有手性的一个重要条件，但不是充分和必要条件。分子含有不对称碳原子可能没有手性，如内消旋体；分子没有不对称碳原子也可以具有手性，只要整个分子是不对称的。（a）联苯型的化合物 很多具有构象异构体的分子应该具有手性，因为当单键旋转到一定角度的时候，分子就会呈现不对称性。但由于很多分子单键旋转的能垒很低，构象异构体之间相互转化很快，各个手性构象呈现出的手性性能相互抵消，最终不能表现出手性。但当单键旋转的能垒很大，不对称的构象异构体能够分离出来时，分子就
18、是手性分子。联苯型的化合物就是典型的例子。NO2COOHO2NHOOCO2NHOOCNO2COOH 6,6-二硝基-2,2-联苯二甲酸在连接两个苯的单键邻位全部有取代基，当这个单键旋转时，一个苯上的取代基和另一个苯上的取代基靠得很近，相互排斥力很大，单键旋转受阻，两个苯环不在一个平面上，分子具有手性。上上述两个对映体已经拆分得到。6,6-二硝基-2,2-联苯二甲酸再如1,1-联二(2-萘酚)也是由于单键旋转受阻而成为手性分子。OHOHHOHO 右旋1,1-联二(2-萘酚)左旋1,1-联二(2-萘酚)1,1-联二(2-萘酚)的两个对映体在对映异构体的不对称合成中是非常有名的，常被用作催化剂的手性
19、配体，得到的选择性很高。（b）丙二烯型的手性分子在丙二烯分子中，两个累积双键是相互垂直的。如果在两边的碳原子上有取代基，两个碳原子上的取代基也是相互垂直的。如果两个碳原子上分别连接不同的取代基，则分子将没有对称性而具有手性，可拆分出两个对映体。CCCbaab CCCHHHH下列人工合成的丙二烯衍生物 1,3-二苯基-1,3-二（1萘基）丙二烯的两个对映体已经拆分得到。CCCC6H5C6H5CCCC6H5C6H5丙二烯型分子 丙二烯键轨道（c）其它不同取代产生的手性分子 氮，磷以及硫等原子连接四个不同的取代基时，分子没有对称面或者对称中心，也具有手性，如碘化甲基烯丙基苯基苄基铵的对映体是稳定的旋
20、光体。NH3CPhCH2CH=CH2CH2Ph+I-NCH3PhCH2CH=CH2PhH2C+I-叔胺有三个不同取代基时，氮的孤对电子占据锥形的顶点，分子是不对称的，但构型之间很易翻转相互转化，不能得到对映体。叔膦的化合物能得到对映体，如甲基正丙基苯基膦的对映体可用作铑的手性配体。PH3CPhCH2CH2C H3.PCH3PhH3 CH2CH2C.当硫的两个取代基不同时，很多亚砜化合物是一个稳定的手性分子。如甲基苯基亚砜。SOPhCH3.SOPhH3C.甲基苯基亚砜的对映体甲基正丙基苯基膦的对映体当一个分子的骨架上有不同的取代基时，也会造成分子的不对称而具有手性。如在杯芳烃的下端连接的取代基后
21、，可以分离出杯芳烃旋光体。OOOHOOOCOOHOOOOHOOHOOC 右旋杯芳烃 左旋杯芳烃7.2 对映异构体的命名法7.2.1 D/L相对构型标记法 在上世纪初光学异构体的绝对构型是不知道的。为了确定其它手性分子的相对构型,费歇尔(E.Fisher)选择D-甘油醛作为构型联系的标准。并且把D-甘油醛所具有的立体结构,即与不对称碳原子相结合的氢原子处在费歇尔投影式左边，编号最小的原子处在顶端，这样一种结构称为D-构型，其对映体为L-构型。CHOCH2OHOHHCHOCH2OHHOHD-(+)-甘油醛 L-(-)-甘油醛CHOCH2OHOHHHgOCOOHCH2OHOHHCOOHCH2OHNH
22、2HHNO2NOBrCOOHCH2BrOHHNa-HgCOOHCH3OHHD-(+)-甘油醛 D-(-)-甘油酸 D-(+)-异丝氨酸 D-(-)-溴乳酸 D-(-)-乳酸 其它的旋光化合物的构型以甘油醛为标准比较得到。凡是由D-甘油醛通过化学反应得到的化合物或可转变为D-甘油醛的化合物，只要在转变过程中原来的手性碳原子构型不变，其构型即为D型。同样，与L-甘油醛相关的即为L型。例如：7.2.2 R/S绝对构型标记法 用D/L构型标记法只适合与甘油醛结构类似的化合物，像糖类以及氨基酸类，对其它结构没有类似或者比较复杂的化合物，是很难与甘油醛的结构相比较的。此外用这种构型标记也不便于记忆和书写化
23、合物的立体结构。因此，出现了另外一种更加方便的命名方法，叫做R/S命名法，已被广泛采用。R/S命名法是将手性碳原子上四个不同的取代基中最小的取代基放在离观察者最远的地方，其它三个取代基按照从大到小的顺序数下去，如果为顺时针方向则为R构型，如果为反时针方向则为S构型。dCbac dCcab顺时针方向，R型 反时针方向，S型取代基 abcd.原子或者原子团的大小次序规则如下：（1）在原子团或者取代基中，与分子骨架直接相连的原子按原子序数或者原子量大小排列，原子序数或者原子量大的为较优的大基团。常见元素的原子的较优次序的排列如下：BrClSPSiFONCBLiTDH（2）如果取代基中与分子骨架直接相
24、连的原子大小顺序相同时，应用外推法顺次比较第二个第三个等原子的大小顺序，直到能够决定较优的更大基团为止。例如:(CH3)3C，(CH3)2CH，CH3CH2，CH3这些基团与分子骨架直接相连的原子都是碳原子，因而需用外推法即沿着碳链向外进行比较。在上面四个烷基中，与直接相连的碳原子连接的3个原子分别为3个碳，2碳1氢，1碳2氢，以及3个氢。然后比较每组3个原子中最大的原子，这里为碳原子，如果最大的原子数多则为最大的基团，最大的原子数少则为小基团。因此上述四个烷基的大小顺序即为上述顺序，较优基团在前。如果上面比较的每组3个原子都相同，可以继续比较与这三个原子相连的其它原子中最大的原子数，直到确定
25、出基团的大小。（3）确定不饱和基团的大小次序时，应把不饱和键的成键原子看作是以单键分别和相同的原于相连接。例如碳碳双键可以看成一个碳分别以单键与两个碳相连接，一个羰基可以看成一个碳分别以单键与两个氧相连接，如下所示。CCCCCCCCCCCCOCOO在书写立体构型时，既可用透视式表示，这样的书写比较直观，也可用费歇尔投影式表示。透视式 费歇尔投影式COHHCOOHCH3COHHCOOHCH3(R)-(-)-乳酸 CHHOCOOHCH3CHHOCOOHCH3CPhHNH2CH3CPhHNh2CH3 (S)-(-)-苯基乙胺CHPhNH2CH3CHPhNH2CH3从书写这些结构可知，如果任意调换两个
26、原子或者原子团的位置，则分子的构型改变。(R)-()-苯基乙胺(S)-(+)-乳酸 命名含有多个手性碳原子的化合物时，应将每个手性碳原子的构型依次标出，并把手性碳原子的编号和构型符号一起放在化合物名称前的括号内。例如用R/S命名D和L酒石酸：COOHCCCOOHOHHHOHCOOHCCCOOHOHHHOH D-(-)-酒石酸 L-(+)-酒石酸 (2S,3S)-酒石酸 (2R,3R)-酒石酸7.3 立体异构体的性质731 物理性质 两个对映体的一般物理性质相同，如溶解度、熔点、沸点、折光率、极性等是相同的，所以不能用这些性质区分一对对映体，也不能用相应的分离方法将一对对映体分离。但在手性条件下
27、，如偏振光照射下旋光方向相反，在旋光性的溶剂中物理性质会不同。非对映异构体虽然分子量相同，但不是实物和镜像的关系，因此非对映体的物理性质完全不同，可以用重结晶、蒸馏、柱层析等物理方法将两个非对映体分离开，也可以用这些物理方法对它们进行分析。外消旋体是两个对映体等量的混合物，没有旋光性，其它物理性质也与对映体的不同。内消旋体是单一化合物，不是手性分子，没有旋光性，其物理性质与对映体、非对映异构体及外消旋体都不同。732 化学性质 在手性条件下，例如使用手性试剂，或者在偏振光的照射下，两个对映体的化学性质可以表现出差异。在一般的非手性条件下，两个对映体的化学性质完全相同。733 生理性质 在生命体
28、内，两个对映体往往表现出不同的生理性能，最著名的例子是在上世纪六十年代德国一家制药公司开发的一种治疗孕妇早期不适的药物酞胺哌啶酮（thalidomide），商品名叫反应停，其中R-构型对映异构体是强力镇定剂，S-构型对映异构体是强烈的致畸剂，但由于当时对此缺少认识，将反应停以外消旋混合物出售，虽然药效很好，但很多服用了反应停的孕妇生出的婴儿是四肢残缺，引起了轩然大波。此外，许多其它对映异构体的生物或者生理性能也是相差很大的，如表1所示。HNNOOOONHNOOOO S-thalidomider反应停,致畸 R-thalidomider反应停,镇定 手性分子不同异构体不同的生理或者生物性能HOH
29、OCH2CHCOOHNH2ONHCH3ClCSHCH3H3CCHCOOHNH2EtCHNHCH2CH2NHCHEtCH2OHCH2OHOHH2NOONH2名称结构一种对映异构体性能另一种对映异构体性能Dopa(S)-异构体,治疗珀金森病(R)-异构体,严重付作用Ketamine(S)-异构体,麻醉剂(R)-异构体,致幻剂Penicillamine(S)-异构体,治疗关节炎(R)-异构体,突变剂Ethambutol(S)-异构体,治结核病(R)-异构体,致盲Asparagine(S)-异构体,苦的(R)-异构体,甜的Me2NCH2CHCOOCEtPhBnCH3NNSNOONHC(CH3)3HOO
30、NHOHH3COCOOHNF3COOCHCOOBuCH3OOCNi-PrOClPropoxyphene(S)-异构体,止痛(R)-异构体,止咳Timolol(S)-异构体,肾上腺素阻断剂(R)-异构体,无效Propranolol(S)-异构体,-受体阻断剂，治疗心脏病(R)-异构体,作为-受体阻断剂，只有(S)-异构体的约1%疗效。Naproxen(S)-异构体,抗炎药(R)-异构体,只有(S)-异构体的1/28疗效。Fluazifop-butyl(S)-异构体,除草剂(R)-异构体,无效Asana一个异构体是强力杀虫剂另三个异构体对植物有毒7.5 单一对映体的制备方法在非手性条件下，不能得到
31、单一的对映体，只有在手性条件下，才能区分和分离一对对映体。能够区分和分离一对对映体也叫手性识别。7.5.1 对映体组成和纯度的测定合成单一对映体时，必须要测定产物中对映体的组成和纯度。对映体纯度一般用对映体过量的百分数来表示，记为e.e（enantiomer excess）。对映体过量(e.e.)=一个对映体量 另一个对映体量一个对映体量 另一个对映体量100%非对映体过量(diastereomer excess,d.e.)的计算同上，只是将对映体换成非对映体。7.5.1.1 测定旋光度 一个纯的对映体具有最大的旋光度绝对值，如果混有另外一个对映体，其旋光度绝对值会减小。工业上一般通过测定旋光
32、度来判断对映体的纯度，也是最早用于分析对映体纯度的方法，用测旋光度得到的纯度也叫光学纯度。如果一个手性分子在所使用的波长范围内没有吸收，则它的对映异构体纯度不能通过测定旋光性来判断。7.5.1.2 核磁共振（NMR）测定 NMR一般不能区别两个对映体，但当这两个对映体与其它手性物质或者环境有作用时，这两个对映体实际上成为非对映体，此时则可以区别这两个对映体。(a)在手性溶剂中测定。如用(-)-苯基乙胺作溶剂，2,2,2-三氟-1-苯基乙醇的两个对映体可以用19F NMR谱区别开来。(b)使用位移试剂。常使用手性镧系配合物，对映体中含有孤对电子的原子能与手性金属配合物的金属离子配位，使对映体成为
33、非对映体而能被NMR区别。很多手性化合物如酰胺、胺、酯、酮和硫砜等都能与手性镧系配合物作用，使对映体的NMR谱产生差异。除了手性镧系配合物外，一些手性主体化合物也能用作位移试剂。如使用5.4的手性杯芳烃化合物即能够有效地区别扁桃体酸的两个对映异构体。OOHOHOH2CCH2HNHPhHHOHCH2H2CNHPhHHHHO OHCOOH杯芳烃化合物 扁桃体酸0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.57.07.58.08.59.0abcRS-CHS-CHR-CHa.手性杯芳烃的1HNMR谱图;b.扁桃体酸的1HNMR谱图;c.手性杯芳烃和扁桃体酸混合后的1HNM
34、R谱图.（c）使用手性衍生化试剂手性衍生化试剂是一种纯的光学活性试剂，它与被测的对映体反应后，使之成为非对映体而达到区别两个对映体的目的。最常用的是Mosher试剂（MTPA）,它有一个羧基，能和醇或者胺生成酯和酰胺。OCH3COOHCF3OCH3CF3COOH例如，外消旋二酮醇的甲羰基的甲基为单峰，与R-Mosher 试剂生成酯后裂分为两个相等的峰。OCH3COOHCF3+OCH3CCF3OOOHOOOODCC,DMPACH2Cl2R-Mosher 试剂 S-Mosher 试剂7.5.1.3 用手性色谱柱 用手性色谱柱确定对映体的组成是广泛使用的方法，因为很多对映体都可用手性色谱柱分开。对于
35、低沸点的手性分子，一般小于260oC，或者在高温下稳定的手性分子，可用气相色谱来分析；对于高沸点的手性分子，或者在高温下不稳定的手性分子，可用液相色谱来分析。7.5.2 化学拆分法 将外消旋化合物分离成两个纯的对映体叫做对映体的拆分。可以将外消旋化合物与一旋光性试剂反应，得到两个非对映体，利用非对映体物理性能的差别将两个非对映体分开，然后将试剂除掉，即可得到纯的对映体。如果外消旋体是酸或者碱，可以用一个旋光性的碱或者酸与之反应生成盐，盐为非对映体，溶解度不一样，通过重结晶可以分离，然后用无机碱或者酸使对映体游离出来。例如可以用天然的L-(+)-酒石酸将-苯乙胺拆分为纯的(S)-(-)-苯乙胺和
36、(R)-(+)-苯乙胺。CHPhNH4+CH3COOHCC-OOCOHHHOHCPhHNH4+CH3COOHCC-OOCOHHHOH+COOHCCCOOHOHHHOHCHNH2PhCH3+(RS)-苯乙胺L-酒石酸-苯乙胺-L-酒石酸-苯乙胺-L-酒石酸(R)-(S)-常用于外消旋碱拆分的还有樟脑磺酸、扁桃体酸、柠檬酸等；用于酸拆分的有生物碱奎宁、马钱子碱、辛可宁等。用于拆分对映体的这些具有光学活性的试剂也叫拆分试剂。如果外消旋体既不是酸又不是碱，可以引入一个羧基或者氨基，然后用上述方法进行拆分。对于外消旋的醇，也可让它与一个旋光性的酸反应生成非对映异构的酯，利用极性不同用色谱进行分离。也可用
37、旋光性的色谱柱直接分离外消旋体，这时外消旋的两个对映体与色谱柱内填充的旋光性物体生成非对映体复合物，复合物的稳定性不同，稳定性小的异构体优先洗脱出来。7.5.3 物理拆分法 这种方法是在外消旋体的过饱和溶液中，加入少量某一对映体的晶体，也叫晶种，与晶种相同的对映体的过饱和度会加大，从而优先结晶出来。由于原外消旋体就是过饱和的溶液，晶种结晶出来时会将相同的对映体一同结晶出来，并可超出晶种的一倍。过滤后，溶液中就是另一对映体过量，再加外消旋体，加热溶解，冷却后另一对映体就优先结晶析出。这样加少量一种对映体，就可以把两种对映体分离出来，非常节省拆分试剂。在氯霉素的工业生产中使用这种方法可以将氯霉素同
38、另外一种无效的对映体分开。7.5.4 动力学拆分前面两种对映体的拆分方法是利用溶解度及极性的大小来实行的。如果在手性催化剂的存在下，外消旋体中的两个对映体反应速度相差很大，一个对映体能完全转化为一种旋光产物，另外一个对映体不能转化或者转化很少，从而将两种对映体分离，这种方法叫做动力学拆分。生物酶常用于动力学拆分，因为酶的活性和选择性都非常高。例如可以利用内酯水解酶对外消旋体DL-泛酸内酯选择性水解，D-泛酸内酯水解为D-泛酸，L-泛酸内酯保留下来，酸和内酯容易分开，可得到选择性大于90的D-泛酸。OOOH内酯水解酶OOOHOHCOOHOH+DL-泛酸内酯L-泛酸内酯D-泛酸D-泛酸为B族维生素
39、，广泛用于食品和饲料添加剂，也用作药物，但L-泛酸不能被生命体吸收，必须使用纯的D-泛酸，日本富士药业公司用酶拆分法每年生产D-泛酸3千吨左右。现在很多人工合成的手性催化剂也象生物酶一样具有很高的催化活性和选择性，甚至也可以用于外消旋体的动力学拆分。例如Sharpless环氧化手性催化剂可以用于烯丙醇的环氧化动力学拆分。OHTi(O-i-Pr)4 /D-酒石酸二异丙酯t-BuOOH/CH2Cl2,-20oCOHOHO+(2R,3R)-3,4-环氧基-2-丁醇(S)-3-丁烯-2-醇(RS)-3-丁烯-2-醇Sharpless环氧化手性催化剂为钛酸异丙酯和D-(+)-酒石酸异丙酯的混合物，用叔丁
40、基过氧化氢作环氧化试剂，在二氯甲烷和20oC下进行。外消旋体中的(R)-3-丁烯-2-醇被环氧化，而(S)-3-丁烯-2-醇由于反应很慢保留了下来。(S)-3-丁烯-2-醇的沸点比环氧化物的低，先蒸馏出去，从而将两种异构体分开。得到的(2R,3R)-3,4-环氧基-2-丁醇是合成药物以及天然产物非常有用的手性原料。如它可用于合成新型抗癌药物埃博霉素（Epothilone）的手性砌块。7.5.5 不对称催化反应手性拆分的方法虽然很容易将外消旋体转化为旋光性的对映体，但最多只有50能够转化为有用的对映体，另一个对映体如果不能通过外消旋化转化为有用的对映体，就要扔掉。如果使用手性催化剂将非手性的原料
41、直接转化为纯的对映体，原料的利用率就能大幅度提高，这种通过手性催化剂将非手性原料转化为单一的对映体或者某一对映体过量的合成方法叫做不对称合成。现在不对称催化合成已经广泛的用于药物和天然产物的合成中。例如治疗帕金森病的L多巴，就是通过不对称合成在工业上进行生产的。HOH3COCHO+H2CNHCORCOOH(Ac)2OAcOH3COC CCOOHNHAcHRh-DIPAMPAcOH3COCCOOHNHAcHHOHOCCOOHNH2HH2DIPAMP =H2C CH2PPPhPhOCH3H3CO 关键的步骤是对-乙酰氨基苯基丙烯酸的不对称催化氢化反应，通过这一步能够得到选择性大于94的L-对映体双
42、键氢化产物。这里使用手性叔膦铑的配合物作手性催化剂，得到最后脱去保护基团得到纯的L-多巴。这条生产路线由Knowies开发出来，孟山都公司用于工业生产中。L多巴 在这个烯烃的氢化反应中，起反应的活性中心是双键，双键的碳原子为SP2杂化的平面结构，加氢后转化为SP3杂化的四面体结构，产生一个手性碳原子。由于手性碳原子是由前面的平面转化而来，前面的平面也叫前手性面。很显然前手性面有上下两个面，当某一面对着观察者，中心原子上连接的原子或者原子团的大小是顺时针旋转的，这个面称作Re面，如果是反时针旋转则称作Si面。abcReSiCAcHNCOOHReSiArHa b c用金属催化氢化时，氢气会吸附到金
43、属表面，烯烃也能配位到金属表面，从而能催化氢化反应。如果金属上没有旋光性配体存在，烯烃用Re面和Si面与金属配位的机会相等，得到两个等量的配合物对映体，它们与氢原子反应的活性相等，得到的手性氢化产物R和S构型各占50，是一个外消旋体，没有旋光性。当金属上连接有旋光性配体DIPAMP后，烯烃用Re面和Si面与金属配位得到的配合物是两个非对映体，非对映体与氢原子反应的活性不同，得到S构型过量94的氢化产物。2019年10月，美国的威廉S诺尔斯（William S.Knowles）、日本的野依良治（Ryoji Noyori）和美国的巴里夏普雷斯（K.Barry Sharpless）因为他们找到了有机
44、合成反应中的高效手性催化剂和不对称合成反应的方法，而获得了当年的诺贝尔化学奖。现在，有越来越多的由单一对映体构成的，疗效好、毒副作用小、生物相容性好的的手性化合物（Chiral drug）在医药，农药，材料等领域得到应用。7.5.6 生物催化反应 生物酶的催化中心是具有旋光性的，反应底物用Re面和Si面与酶接触生成的两个复合物是两个非对映体，与试剂的反应活性不一样，具有立体选择性。由于生物酶是经过自然界长期筛选的产物，其催化活性及立体选择性都特别高。如将醛转化为旋光性的氰醇可用氰醇酶进行不对称催化反应来实行。ORH氰醇酶HCNOHRHCN从水果杏中提取的氰醇酶可以得到R-氰醇，从微生物中分离的氰醇酶可用于合成S-氰醇，选择性大于99。7.6 旋光异构在反应机理测定上的应用 旋光异构不仅在生理上有重要的作用，对确定反应机制也非常重要。例如，溴与2-丁烯加成得到2,3-二溴丁烷，有两个相同的手性碳原子，应该得到一对对映体与一个内消旋体 但是通过分析产物的立体结构，发现顺-2-丁烯加溴只得到外消旋体，而反-2-丁烯加溴只得到内消旋体。根据可能的反应机理顺或反式加成来分析，只有反式加成才符合这些实验结果。所以得到烯烃加卤素为反式加成的机理。这种由一种立体异构的反应物转化为具有特定立体异构体产物的反应，称为立体专一性反应。
