1、第四章第四章 立体化学（立体化学（stereochemistry）立体化学静态立体化学 动态立体化学 讨论分子的立体形象及与物理性讨论分子的立体形象及与物理性 质的关系等。质的关系等。讨论分子的立体形象对化学反应讨论分子的立体形象对化学反应性的影响及产物分子和反应物分性的影响及产物分子和反应物分子在立体结构上的关系等。子在立体结构上的关系等。原子在分子内的原子在分子内的空间空间位置；位置；在反应中，分子内或分子间的原子重新组合，在在反应中，分子内或分子间的原子重新组合，在空间空间上的上的 要求条件和变化过程如何？及由此如何决定产物分子中各要求条件和变化过程如何？及由此如何决定产物分子中各 原子
2、的原子的空间空间向位？向位？立体异构立体异构 构造相同构造相同,分子中原子或基团在空间的排列方式不同。分子中原子或基团在空间的排列方式不同。几何异构 因共价键旋转受阻而产生的立体异构。构象异构 因单键“自由”旋转而产生的立体异构。CH3HHCH3HHHCH3HHHCH3CH3CH3旋光异构 因分子中手性因素而产生的立体异构。CH3CC2H5BrClCCH3ClC2H5BrCCH3ClBrH5C2 NCH3CH3CH2CH2CH3OHNO2OHNHCOCHCl2OHd-异构体异构体 有强兴奋作用有强兴奋作用 l-异构体异构体 抗兴奋作用抗兴奋作用D-(-)有杀菌作用有杀菌作用L-(+)无药效无药
3、效OOHZ-R（有生理活性）（有生理活性）一一.分子的手性和对称因素分子的手性和对称因素 1.手性手性(Chirality)实物与其镜影不能重叠的现象。实物与其镜影不能重叠的现象。2.对称因素对称因素1）平面对称因素）平面对称因素()CCHClClHCClClHCH3COOHHOHHOHCOOH具有平面对称因素的分子是具有平面对称因素的分子是对称分子。非手性分子。对称分子。非手性分子。2）中心对称因素）中心对称因素(i)CH2CH2CH2CH2ClClHFHClClHHF 具有中心对称因素具有中心对称因素 的分子是的分子是对称分子。对称分子。非手性分子。非手性分子。3）旋转轴对称因素）旋转轴对
4、称因素(Cn)NHHH C3CH3CH3C2CH3CH3HHHHC2COOHCOOHHOHHOHC2（无）（有）（无）（有）只含旋转轴对称因素的分子是只含旋转轴对称因素的分子是非对称分子。手性分子。非对称分子。手性分子。4）反射对称因素）反射对称因素(Sn)HCH3ClHHClH3CH旋转180oClHHClH3CHCH3HHCH3ClHHClH3CH 具有反射对称因素的分子是具有反射对称因素的分子是对称分子。非手性分子。对称分子。非手性分子。一般情况下，一般情况下，不具有对称面和对称中心的分子，其实物不具有对称面和对称中心的分子，其实物 与镜影不能重叠，该分子称为与镜影不能重叠，该分子称为不
5、对称分子或手性分子。不对称分子或手性分子。手性分子具有光学活性。手性分子具有光学活性。二二.偏振光、比旋光度偏振光、比旋光度1.平面偏振光平面偏振光光源光束先进方向 光波振动方向与光束前进方向关系示意图光波振动方向与光束前进方向关系示意图 普通光普通光Nicol prism普通光平面偏振光 平面偏振光：平面偏振光：通过通过Nicol棱镜，仅在棱镜，仅在 一个平面上振动的光。一个平面上振动的光。2.旋光仪、旋光度、比旋光度旋光仪、旋光度、比旋光度aa目镜检偏镜盛液管起偏镜单色光源 旋光性：使偏振光偏振面旋转的能力。旋光性：使偏振光偏振面旋转的能力。旋光度：使偏振光偏振面旋转的角度。用旋光度：使偏
6、振光偏振面旋转的角度。用 表示。表示。旋光方向：右旋（旋光方向：右旋（+）、）、d-;左旋（左旋（-）、）、l-比旋光度比旋光度 t =C(g/ml)l(dm)a (物理常数物理常数)例：例：从粥样硬化动脉中分离出来的胆甾醇从粥样硬化动脉中分离出来的胆甾醇0.5g溶解于溶解于20ml 氯仿，并放入氯仿，并放入1dm的测量管中，测得旋光度的测量管中，测得旋光度-0.76o。求其比。求其比 旋光度。旋光度。如何确定一个活性物质是如何确定一个活性物质是+60o的右旋体还是的右旋体还是-300o的左旋体的左旋体？三三.含手性碳原子的分子的立体化学含手性碳原子的分子的立体化学1.含一个手性碳原子的分子含
7、一个手性碳原子的分子 1）手性碳原子的概念）手性碳原子的概念 与四个不相同的原子或基团相连的碳原子。与四个不相同的原子或基团相连的碳原子。CH3CHCOOHOH*CNH2COOHH 含一个手性碳的分子是手性分子，具有一对对映体。含一个手性碳的分子是手性分子，具有一对对映体。手性碳用C*标识CCOOHCH3OHHCCOOHCH3HOHS-(+)-乳酸R-(-)-乳酸 D20=+3.8o(水水)D20=-3.8o(水水)对对映映体体互为实物与镜互为实物与镜影关系，不能影关系，不能相互重叠的两相互重叠的两个立体异构体。个立体异构体。2）左旋体、右旋体及外消旋体）左旋体、右旋体及外消旋体 一对对映体中
8、：一对对映体中：使平面偏振光向左旋的为使平面偏振光向左旋的为左旋体左旋体，用，用“（）”或或“l”表示。表示。使平面偏振光向右旋的为使平面偏振光向右旋的为右旋体右旋体，用，用“（+）”或或“d”表示。表示。左旋体与右旋体，旋光度相同、旋光方向相反。左旋体与右旋体，旋光度相同、旋光方向相反。外消旋体外消旋体：等量的左旋体与右旋体的混合物。无旋光性。：等量的左旋体与右旋体的混合物。无旋光性。外消旋体用外消旋体用()或或(RS)或或(dl)或或 DL表示。表示。+CH3CHCOOHOHCH3CHCOOHOHCH3CHCOOHOH()()()+外消旋体外消旋体可分离可分离成左旋体与右旋体。成左旋体与右
9、旋体。3）构型的）构型的 R、S 表示方法表示方法手性碳的构型：与手性碳相连的四个不同基团的空间排列。手性碳的构型：与手性碳相连的四个不同基团的空间排列。R、S 标记手性碳原子构型。标记手性碳原子构型。COHHOOCCH3HCCOOHCH3OHHCCOOHHOCH3HCCOOHCH3HOH(S)-(S)-(R)-(R)-基团大小顺序：OH COOH CH3 HCH3CHOCH2CH3HCH3CHOCH2CH3HCCH2CH3HOCH3H SRR4）Fischer投影式投影式CCOOHH3CHOHCCOOHCH3HHOHOHCOOHCH3（前）（前）（后）（后）交叉点 手性碳（位于纸平面上）规定
10、规定 投影时，与手性碳相连横向两个键朝前，竖向两个投影时，与手性碳相连横向两个键朝前，竖向两个 键向后，交叉点为手性碳。键向后，交叉点为手性碳。将下列化合物改写成将下列化合物改写成Fischer投影式，并标出手性碳原子构型。投影式，并标出手性碳原子构型。CCOOH H ClCH3CCOOH Cl CH3HClCOOHHH3CSCOOHClCH3HS 顺序最小的原子顺序最小的原子(或基团或基团)在竖线上在竖线上,顺时针排列为顺时针排列为R构型构型,逆时逆时 针排列为针排列为S构型。构型。顺序最小的原子顺序最小的原子(或基团或基团)在横线上在横线上,顺时针排列为顺时针排列为S构型构型,逆时逆时 针
11、排列为针排列为R构型。构型。如果固定某一个基团，而依次改变另三个基团的位置，则分子如果固定某一个基团，而依次改变另三个基团的位置，则分子 构型不变。构型不变。H3CCH2CH3HCOOHHCH2CH3COOHCH3CH3CH2COOHHCH3HCOOHCH3CH2CH3 S S S S 试判断下列试判断下列Fischer投影式中与投影式中与(s)-2-甲基丁酸成对映关系的有哪甲基丁酸成对映关系的有哪 几个？几个？CHCOOHCH3CH2H3CH3CC2H5HCOOHC2H5COOHHCH3HC2H5A B CH3CHCOOHC2H5HCH3COOHHCH3H3CHC2H5COOHHCH3D E
12、 F G HCOOHCH3 C2H5 COOHC2H5C2H5COOHs 将投影式在纸平面上旋转将投影式在纸平面上旋转90o,则成它的对映体。则成它的对映体。H3CHCH2CH3COOH转 90o(在纸平面上)HOOCCH2CH3CH3H R S 将投影式中与手性碳相连的任意两个基团对调将投影式中与手性碳相连的任意两个基团对调,对调一次对调一次 （或奇数次）则转变成它的对映体；对调二次则为原化合物。（或奇数次）则转变成它的对映体；对调二次则为原化合物。HOHCOOHCH3对调一次HOHCOOHCH3再对调一次HOHCH3COOH旋转180o在纸平面上HOHCOOHCH3R S R R5）D、L
13、标记法标记法 甘油醛HOHCHOCH2OHHOHCHOCH2OHD-(+)-甘油醛L-(-)-H2NHCOOHRL-氨基酸2.含两个手性碳原子的分子含两个手性碳原子的分子1)含两个不同手性碳原子的分子含两个不同手性碳原子的分子HOOC-CH-CH-COOH*OH ClC-2:-OH CHCOOH COOH HC-3:Cl COOH CHCOOH HClOHHOHClHCOOHCOOHCOOHHOHHClCOOHHOHHClCOOHCOOHHOHClHCOOHCOOH 2R3R 2S3S 2R3S 2S3R dl-dl-对映关系：对映关系：与与；与与 非对映关系：非对映关系：与与、与与、与与、与
14、与 非对映体：非对映体：构造相同构造相同,构型不同构型不同,相互间不是实物与镜影关系相互间不是实物与镜影关系 的立体异构体。的立体异构体。非对映异构体其旋光性不同非对映异构体其旋光性不同,物理性质不同。物理性质不同。光活异构体数目光活异构体数目=2n;(n=不同手性碳原子数不同手性碳原子数)外消旋体数目外消旋体数目=2n-1 2）含两个相同手性碳原子的分子）含两个相同手性碳原子的分子HOOC-CH-CH-COOHOH OH*酒石酸 OH COOH CHCOOH HOH*C2 *C3：HOHHOHCOOHCOOHHOHHOHCOOHCOOHHOHHOHCOOHCOOHHOHHOHCOOHCOOH
15、 内消旋体内消旋体(meso)：分子内部形成对映两半的化合物。分子内部形成对映两半的化合物。(有平面有平面 对称因数对称因数)。具有两个手性中心的内消旋结构一定是具有两个手性中心的内消旋结构一定是（RS）构型。构型。HOHHOHCOOHCOOH R S内消旋体无旋光性内消旋体无旋光性(两个相同取代、构型相两个相同取代、构型相反的手性碳原子，处于同一分子中，旋光性反的手性碳原子，处于同一分子中，旋光性抵消抵消)。内消旋体内消旋体不能分离不能分离成光活性化合物。成光活性化合物。指出下列指出下列(A)与与(B)、(A)与与(C)的关系的关系(即对映体或非对映体关系即对映体或非对映体关系)。CH3HC
16、H3OHOHHHCH3HOHOHCH3HCH3HOHOHCH3(A)(B)(C)3.含三个不同手性碳原子的分子含三个不同手性碳原子的分子 八个旋光异构体、组成四对对映体。八个旋光异构体、组成四对对映体。CH3HBrBrHHBrC2H5CH3 Br H BrHHBrC2H5 C-2差向异构体差向异构体 差向异构体：差向异构体：含多个手性碳的两个光活异构体，仅有一个手含多个手性碳的两个光活异构体，仅有一个手 性碳原子的构型相反，其余的手性碳构型相同，性碳原子的构型相反，其余的手性碳构型相同，这两个光活异构体称为差向异构体。这两个光活异构体称为差向异构体。C-2差向异构：差向异构：由由C-2引起的差
17、向异构。（引起的差向异构。（C-2构型相反）构型相反）1.内消旋内消旋 2,3-二甲基二甲基-1,4-丁二醇经氧化后得丁二醇经氧化后得 到到 2,3-二甲基二甲基-4-羟基丁酸，问产物有没有羟基丁酸，问产物有没有 旋光性？旋光性？2.胆甾醇分子中有多少个不对称碳原子？胆甾醇分子中有多少个不对称碳原子？HOHHHH3CH3C四四.不含手性碳原子的光活性异构体不含手性碳原子的光活性异构体 1.丙二烯型分子丙二烯型分子CCCABABsp2sp中心碳原子两个中心碳原子两个 键平面正键平面正 交交,两端碳原子上四个基团，两端碳原子上四个基团，两两处于互为垂直的平面上。两两处于互为垂直的平面上。当当AB
18、B，分子有手性。分子有手性。C=C=CClHClH（有手性）类似物：类似物：HHCH3ClHCOOHHHOOC无无 有有2.联苯型分子联苯型分子苯环间碳碳苯环间碳碳 键旋转受阻，产生位阻构象异构。键旋转受阻，产生位阻构象异构。HH当同一环上邻位有不对称取代时（取代基或原子体积较大）当同一环上邻位有不对称取代时（取代基或原子体积较大）,整个分子无对称面、无对称中心整个分子无对称面、无对称中心,分子有手性。分子有手性。NO2HOOCCOOHO2NO2NHOOCCOOHNO2当一个苯环对称取代时（即邻位两个取代基相同时），当一个苯环对称取代时（即邻位两个取代基相同时），分子无手性。分子无手性。O2N
19、HOOCClCl联萘衍生物：联萘衍生物：2,2-联萘二酚是手性分子。联萘二酚是手性分子。OHOH3.螺旋型分子螺旋型分子 (-)-六螺六螺駢苯駢苯末端两苯环不在同平面上。末端两苯环不在同平面上。4.含其它不对称原子的光活性分子含其它不对称原子的光活性分子N+C6H5 OH-CH3CH3CH2CH2C6H5P+C6H5CH2CH2CH3CH3 Br-CH2C6H5五五.环状化合物的立体异构环状化合物的立体异构HOOCHCOOHHHHCOOHCOOHHHHOOCHOOC meso-(S,S)-(R,R)-同时存在顺反异构、对映异构。同时存在顺反异构、对映异构。HBrOHH试给化合物：一个正确名称。
20、（1R，3S）-3-溴溴-1-环己醇环己醇思思考考题题1）写出化合物）写出化合物(1R,3S,5R)-1-甲基甲基-3-硝基硝基-5-氯环己烷的氯环己烷的 结构并画出其优势构象。结构并画出其优势构象。2）写出环己六醇所有立体异构体及其中一个最稳定的写出环己六醇所有立体异构体及其中一个最稳定的 构象。构象。六六.外消旋化、差向异构化外消旋化、差向异构化外消旋化：外消旋化：某一旋光化合物的一半转化为其对映体，成为某一旋光化合物的一半转化为其对映体，成为 外消旋体的过程。外消旋体的过程。HOHCOOHC6H5HOH2COOHC6H5H2OHCOOHC6H5H2OH+-CCOOHC6H5H+-H2OH
21、2O-H+-H+H2O+H+HOHCOOHC6H5平面结构SR 差向异构化：差向异构化：在含有两个或多个手性中心的体系中，仅有一个在含有两个或多个手性中心的体系中，仅有一个 手性中心发生构型转化的过程。手性中心发生构型转化的过程。CH2OHOHHOOHOHCH2OHCCHOHOHHOOHOHCOHCH2OHCHOHOOHOHHaabbHOD-葡萄糖 烯醇中间体D-甘露糖七七.旋光异构体的性质旋光异构体的性质 在相同的非手性条件下，旋光异构体的物理性质与化学性在相同的非手性条件下，旋光异构体的物理性质与化学性 质相同。质相同。名称名称 熔点熔点/oC 25(20%水水）溶解度溶解度 pka1 p
22、ka2 (+)-酒石酸酒石酸 170 +12o 139 2.93 4.23 (-)-酒石酸酒石酸 170 -12o 139 2.93 4.23(+)-2-甲基-1-丁醇(-)-2-甲基-1-丁醇热H2SO4HBrCH3COOH烯酯溴烷 旋光异构体在旋光异构体在手性条件手性条件下下(如手性试剂、手性催化剂等如手性试剂、手性催化剂等)其反应其反应 速率不同。速率不同。生物体内的酶和各种底物具手性。手性分子的对映体进入生物生物体内的酶和各种底物具手性。手性分子的对映体进入生物 体内手性环境后体内手性环境后,引起不同的引起不同的分子识别分子识别,使其生理活性相差很大。使其生理活性相差很大。例如：抗妊娠
23、反应的镇静药例如：抗妊娠反应的镇静药(R)-酞胺哌啶酮酞胺哌啶酮(“反应停反应停”)NONOOH 手性药物的旋光异构与生物活性手性药物的旋光异构与生物活性1）旋光异构体具有不同的生物活性强度）旋光异构体具有不同的生物活性强度COOHHH3C(S)-萘普森 非麻醉性的消炎镇痛药非麻醉性的消炎镇痛药(S)-酮咯酸酮咯酸 NCOOHHO 2)旋光异构体具有完全相反的生物活性。旋光异构体具有完全相反的生物活性。NNOOCOOC2H5HCH3利尿药：利尿药：(S)-(-)-依托唑啉依托唑啉 3)旋光异构体的毒性或严重副作用旋光异构体的毒性或严重副作用 HCF3CH3CH2NH减肥药减肥药(S)-(+)-
24、氟苯丙胺氟苯丙胺八八.不对称合成不对称合成 非手性化合物在非手性条件下生成外消旋体。非手性化合物在非手性条件下生成外消旋体。C=OCH3CH3CH2H2NiCH3OHC2H5HCH3HC2H5HO+50%50%50%50%CH3CH2CH2CH3Cl2hvCH3HC2H5ClCH3ClC2H5 H +为什么总得外消旋体为什么总得外消旋体?Cl2hv2ClCH3CH2CH2CH3 ClCH3CHCH2CH3+HClCH3CHC2H5Cl2ababCH3CClHC2H5CH3CClC2H5H50%50%一个分子在一个分子在对称环境对称环境下反应下反应,不可能有选择性。不可能有选择性。(左旋体与左旋
25、体与 右旋体过渡态能量相同右旋体过渡态能量相同,反应活化能相同反应活化能相同,反应速率相同反应速率相同)。1.由手性化合物进行不对称合成由手性化合物进行不对称合成CCH3CHClCH3HCCH3CClHClCCH3CClHClCl2ababCH3HHH3CCH3ClHCH3CH3ClHCH3HClClHS,S-S,R-29%71%构象分析构象分析 中间体自由基构象能中间体自由基构象能CH3ClHCH3HClHCH3CH3HCl2受阻(主)ClHCH3ClCH3HClCH3HClCH3HClHCH3ClCH3HCH3HClCH3ClCl2H71%29%结果：产物为不等量的非对映体，且结果：产物为
26、不等量的非对映体，且meso-占优势。占优势。2.非手性分子通过引入非手性分子通过引入手性基团手性基团进行不对称合成进行不对称合成CH3CCOOHO+CH3HO(-)-薄荷醇丙酮酸酯（无手性）(-)-薄荷醇 （手性分子）醇铝还原KOHCOOHCH3COOHCH3HOHHOH（过量）RS水解+一个分子的构象决定了某一试剂接近分子的方向。一个分子的构象决定了某一试剂接近分子的方向。COOHCH3HOHROLOOMS还原OLOMSOHHRH2OCOOHOHH3.非手性分子通过引入非手性分子通过引入手性催化剂手性催化剂进行不对称合成进行不对称合成R1XR2R2OOH2/(R)-BINAP-Ru(II)
27、R1XR2R2OOH X=OR,SR,NR2H2/(R)-BINAP-Ru(II)NHCOC6H5OCOOCH3NHCOC6H5OH99%eeCOOCH3 手性配体：手性配体：(R)-BINAPP(C6H5)2P(C6H5)24.选择性生物催化不对称合成选择性生物催化不对称合成条件温和、高效、立体专一条件温和、高效、立体专一CH3CHCOOHCH3 白色念珠菌CCOOHHOCH2HCH3化学合成CCOOHClCH2HCH3L-脯氨酸CCONCOOHClCH2HCH3NH4SHCCONCOOHHSCH2HCH3(S)-Captopril5.立体选择性反应与立体专一性反应立体选择性反应与立体专一性
28、反应CHOCH3C6H5HCH3MgI H2OHCH3OHC6H5CH3H+CH3HC6H5CH3HHO赤式 67%苏式 33%CHCH3CCH3HBr2反加BrBrHHCH3CH3BrHBrHCH3CH3反-2-丁烯(meso)CCCH3HH3CHBr2反加BrBrHCH3HCH3BrCH3HCH3HBr+BrHHBrCH3CH3HBrBrHCH3CH3顺式-2-烯烃dl-6.对映体过量百分率、立体选向百分率与光学纯度百分率对映体过量百分率、立体选向百分率与光学纯度百分率对映体过量百分率（%ee）=R-SR+S100%=%R-%S立体选向百分率（选向率）=A-BA+B100%=%A-%B光学
29、纯度百分率（%O.P）=100%a观察a纯品九九.外消旋体的拆分外消旋体的拆分 1.化学分离法化学分离法+_()-酸+(-)-碱(+)-酸-(-)-碱(-)-酸-(-)-碱结晶分离(+)-酸-(-)-碱(-)-酸-(-)-碱HClHCl(+)-酸(-)-酸 拆分剂光活性碱 如：奎宁、马钱子碱、辛可宁碱等光活性酸 如：酒石酸、樟脑磺酸、谷氨酸等2.生物分离法生物分离法+_()-CH3CHCOOHNH2乙酰化+_()-CH3CHCOOHNHCOCH3乙酰水解酶COOHCH3HH2N+COOHCH3NHCOCH3 H L-(+)-丙氨酸丙氨酸拆分的理论收率拆分的理论收率 50%消旋化的动态拆分消旋化的动态拆分HNOH2N水解酶PH=8HOOCNH2NH2+HNOH2N外消旋酶 3.晶种法晶种法dl-氯霉素+d-结晶 d-氯霉素滤液加入dl-结晶 l-氯霉素滤液1）2）冷却1）2）冷却4.色谱分离法色谱分离法 1）柱色谱法）柱色谱法 2）配位竞争法）配位竞争法 3）纸色谱法）纸色谱法 4）气相色谱法）气相色谱法参考书：参考书：立体化学立体化学 叶秀林编叶秀林编 北大出版社北大出版社 1999 作作 业业P 94 3-6()()p96 3-7()()p98 3-9p102 3-14p110 3-20p119 3-29p120 3-32
