第八章+立體化學(xué)

第八章立體化學(xué)8.1手性和對(duì)映體8.2旋光性和比旋光度8.3含有一個(gè)手性碳原子的化合物的對(duì)映異構(gòu)8.4構(gòu)型的表示法，構(gòu)型的確定和構(gòu)型的標(biāo)記8.5含有多個(gè)手性碳原子化合物的立體異構(gòu)8.7手性合成8.6外消旋體的拆分8.9*不含手性碳原子化合物的對(duì)映異構(gòu)8.8環(huán)狀化合物的立體異構(gòu)第八章立體化學(xué)（Stereochemistry）立體化學(xué)是有機(jī)化學(xué)的重要組成部分.它的主要內(nèi)容是研究有機(jī)化合物分子的三度空間結(jié)構(gòu)(立體結(jié)構(gòu)),及其對(duì)化合物的物理性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)的影響.立體異構(gòu)體的定義：分子中的原子或原子團(tuán)互相連接的次序相同，但在空間的排列方向不同而引起的異構(gòu)體。

本章主要討論立體化學(xué)中的對(duì)映異構(gòu).構(gòu)造異構(gòu)constitutional立體異構(gòu)Stereo-碳鏈異構(gòu)(如:丁烷/異丁烷)官能團(tuán)異構(gòu)(如:醚/醇)位置異構(gòu)(如:辛醇/仲辛醇)構(gòu)型異構(gòu)configurational構(gòu)象異構(gòu)conformational順?lè)?Z、E異構(gòu)對(duì)映非對(duì)映異構(gòu)同分異構(gòu)isomerism同分異構(gòu)現(xiàn)象20世紀(jì)60年代的“反應(yīng)?！笔录?，是一個(gè)典型的藥物導(dǎo)致胎兒畸形的例子。當(dāng)時(shí)一家西德藥廠生產(chǎn)了一種治療早期妊娠反應(yīng)的新藥，有很好的止吐作用。許多有嘔吐反應(yīng)的早期妊娠婦女，服用此藥后，可迅速把妊娠反應(yīng)性嘔吐停住，因而取名為“反應(yīng)停”。由于止吐效果顯著，頗受早孕婦女的歡迎。在很短的時(shí)間里便風(fēng)靡全世界。特別是在十幾個(gè)經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家內(nèi)，成為非常暢銷(xiāo)的藥。但是隨后不久，這些國(guó)家內(nèi)不斷出生了許多沒(méi)有胳膊也沒(méi)有腿的海豹樣新生嬰兒。僅在生產(chǎn)此藥的西德，10個(gè)月中，就有5500多個(gè)這樣的怪胎出生。在英國(guó)也在短時(shí)間內(nèi)，登記到的這種怪胎就有8000多個(gè)。日本也發(fā)現(xiàn)300多個(gè)。引言鎮(zhèn)靜作用強(qiáng)烈致畸作用

反應(yīng)停（halidomide，α-苯肽茂二酰亞胺，塞利多米）后來(lái)經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)停是消旋體，其右旋體有鎮(zhèn)靜作用，而左旋體對(duì)胚胎有很強(qiáng)的致畸作用。手性藥物療效的極大差異促進(jìn)了手性藥物的研究開(kāi)發(fā)與及分離分析的發(fā)展。目前普遍使用的2000多種合成藥物中有600余種為手性藥物，而活性的單一對(duì)映體藥物不足100種，其余的500余種都是左右旋混在一起的消旋體藥物。1997年，全世界100個(gè)熱銷(xiāo)藥中，有50個(gè)是單一對(duì)映體（手性藥物），手性藥物已占世界醫(yī)藥市場(chǎng)的半壁江山。從市場(chǎng)前景來(lái)看，手性藥物研制大有可為。8.1手性和對(duì)映體鏡象與手性的概念一個(gè)物體若與自身鏡象不能疊合,叫具有手性.在立體化學(xué)中,不能與鏡象疊合的分子叫手性分子,而能疊合的叫非手性分子.生活中的一些手性物體例:乳酸(2-羥基丙酸CH3-CHOH-COOH)的立體結(jié)構(gòu)：乳酸的兩個(gè)模型的關(guān)系象左手和右手一樣,它們不能相互疊合,但卻互為鏡象.分子的對(duì)稱性與手性的關(guān)系考察分子的對(duì)稱性就能判斷它是否具有手性。(1)對(duì)稱軸(旋轉(zhuǎn)軸)設(shè)想分子中有一條直線,當(dāng)分子以此直線為軸旋轉(zhuǎn)360o/n后,(n=正整數(shù)),得到的分子與原來(lái)的分子相同,這條直線就是n重對(duì)稱軸.有2重對(duì)稱軸的分子(2-丁烯)(2)對(duì)稱面(鏡面)有對(duì)稱面的分子設(shè)想分子中有一平面,它可以把分子分成互為鏡象的兩半,這個(gè)平面就是對(duì)稱面.(3)對(duì)稱中心設(shè)想分子中有一個(gè)點(diǎn),從分子中任何一個(gè)原子出發(fā),向這個(gè)點(diǎn)作一直線,再?gòu)倪@個(gè)點(diǎn)將直線延長(zhǎng)出去,則在與該點(diǎn)前一線段等距離處,可以遇到一個(gè)同樣的原子,這個(gè)點(diǎn)就是對(duì)稱中心.(4)交替對(duì)稱軸(旋轉(zhuǎn)反映軸)設(shè)想分子中有一條直線,當(dāng)分子以此直線為軸旋轉(zhuǎn)360o/n后,再用一個(gè)與此直線垂直的平面進(jìn)行反映(即作出鏡象),如果得到的鏡象與原來(lái)的分子完全相同,這條直線就是交替對(duì)稱軸.4(Ⅰ)旋轉(zhuǎn)90o后得(Ⅱ),(Ⅱ)作鏡象得(Ⅲ),(Ⅲ)等于(Ⅰ)有4重交替對(duì)稱軸的分子對(duì)稱性與手性的關(guān)系:非手性分子—凡具有對(duì)稱面、對(duì)稱中心或交替對(duì)稱軸的分子.手性分子——既沒(méi)有對(duì)稱面,又沒(méi)有對(duì)稱中心,也沒(méi)有4重交替對(duì)稱軸的分子,都不能與其鏡象疊合,都是手性分子.對(duì)稱軸的有無(wú)對(duì)分子是否具有手性沒(méi)有決定作用.

在有機(jī)化學(xué)中,絕大多數(shù)非手性分子都具有對(duì)稱面或?qū)ΨQ中心,或者同時(shí)還具有4重對(duì)稱軸.

沒(méi)有對(duì)稱面或?qū)ΨQ中心,只有4重交替對(duì)稱軸的非手性分子是個(gè)別的.手性分子的一般判斷:只要一個(gè)分子既沒(méi)有對(duì)稱面,又沒(méi)有對(duì)稱中心,就可以初步判斷它是手性分子.對(duì)映異構(gòu)體互為鏡象的兩種構(gòu)型的異構(gòu)體叫做對(duì)映體.

一對(duì)對(duì)映體的構(gòu)造相同,只是立體結(jié)構(gòu)不同,這種立體異構(gòu)就叫對(duì)映異構(gòu).如乳酸是手性分子,故有對(duì)映體存在:凡是手性分子,必有互為鏡象的構(gòu)型.分子的手性是存在對(duì)映體的必要和充分條件。8.2旋光性和比旋光度8.2.1旋光性旋光性——某些物質(zhì)能使偏振光的振動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)一定角度的性質(zhì)。右旋——(+)；左旋——(－)對(duì)映體的一般物理性質(zhì)(熔點(diǎn),沸點(diǎn),相對(duì)密度...,以及光譜)都相同,只有對(duì)偏振光的作用不同.旋光性物質(zhì)(或叫光活性物質(zhì))--具有旋光性的物質(zhì).右旋物質(zhì)（dextrorotatory）--能使偏正光的振動(dòng)方向向右旋的物質(zhì).通常用“d”或“+”表示右旋.

左旋物質(zhì)（levorotatory）

--能使偏正光的振動(dòng)方向向左旋的物質(zhì).通常用“”或“-”表示左旋.

旋光度（observedrotation)--偏正光振動(dòng)方向的旋轉(zhuǎn)角度.用“

”表示.凡是手性分子都具有旋光性而非手性分子則沒(méi)有旋光性8.2.2比旋光度（specificrotation）由旋光儀測(cè)得的旋光度,甚至旋光方向,不僅與物質(zhì)的結(jié)構(gòu)有關(guān),而且與測(cè)定的條件(樣品濃度,盛放樣品管的長(zhǎng)度,偏正光的波長(zhǎng)及測(cè)定溫度等)有關(guān).比旋光度--通常把溶液的濃度規(guī)定為1g/mL,盛液管的長(zhǎng)度規(guī)定為1dm,并把這種條件下測(cè)得的旋光度叫比旋光度.一般用[

]表示.比旋光度只決定于物質(zhì)的結(jié)構(gòu).各種化合物的比旋光度是它們各自特有的物理常數(shù).比旋光度的測(cè)定與換算用任一濃度的溶液,在任一長(zhǎng)度的盛液管中進(jìn)行測(cè)定,然后將實(shí)際測(cè)得的旋光度,按下式換算成比旋光度[

]:式中:C--溶液濃度(g/mL);--管長(zhǎng)(dm)

表示比旋光度時(shí)，需要標(biāo)明測(cè)量時(shí)的溫度、光源的波長(zhǎng)以及所使用的溶劑。例如，在溫度為20°C時(shí)，用鈉光燈為光源測(cè)得的葡萄糖水溶液的比旋光度為右旋52.2°,應(yīng)記為：[α]D20=+52.2°（水）“D”代表鈉光波長(zhǎng)。鈉光波長(zhǎng)589nm相當(dāng)于太陽(yáng)光譜中的D線。比旋光度是旋光性物質(zhì)的一個(gè)物理常數(shù)。8.3含有一個(gè)手性碳原子的化合物的對(duì)映異構(gòu)手性碳原子的概念—在有機(jī)化合物中，手性分子大都含有與四個(gè)互不相同的基團(tuán)相連的碳原子。

這種碳原子沒(méi)有任何對(duì)稱因素,故叫不對(duì)稱碳原子,或叫手性碳原子,在結(jié)構(gòu)式中通常用*標(biāo)出手性碳原子。含有一個(gè)手性碳原子的分子一定是手性分子例：乳酸CH3CHOHCOOH*右旋乳酸左旋乳酸熔點(diǎn)=53℃熔點(diǎn)=53℃外消旋體—由等量的對(duì)映體相混合而成的混合物.外消旋體不僅沒(méi)有旋光性，且其他物理性質(zhì)也往往與單純的旋光體不同。例如：外消旋體乳酸熔點(diǎn)為18℃.乳酸的分子模型和投影式8.4構(gòu)型的表示法，構(gòu)型的確定和構(gòu)型的標(biāo)記8.4.1構(gòu)型的表示法菲舍爾投影式菲舍爾投影式:兩個(gè)豎立的鍵—向紙面背后伸去的鍵;

兩個(gè)橫在兩邊的鍵—向紙面前方伸出的鍵.在紙面上旋轉(zhuǎn)180o—不變；旋轉(zhuǎn)90o或270o或翻身—鏡象不能離開(kāi)紙面翻轉(zhuǎn)。翻轉(zhuǎn)180。，變成其對(duì)映體。在紙面上轉(zhuǎn)動(dòng)90。,270。，變成其對(duì)映體。在紙面上轉(zhuǎn)動(dòng)180。構(gòu)型不變。保持1個(gè)基團(tuán)固定，而把其它三個(gè)基團(tuán)順時(shí)針或逆時(shí)針地調(diào)換位置，構(gòu)型不變。任意兩個(gè)基團(tuán)調(diào)換偶數(shù)次，構(gòu)型不變。任意兩個(gè)基團(tuán)調(diào)換奇數(shù)次，構(gòu)型改變。Fischer投影式的轉(zhuǎn)換規(guī)則可以結(jié)合后面的R,S命名法驗(yàn)證上面規(guī)則8.4.2構(gòu)型的確定—菲舍爾投影式、鍥形式看不出左、右旋；旋光儀可測(cè)，但不能判斷構(gòu)型。甘油醛指定(Ⅰ)為右旋甘油醛的構(gòu)型，(Ⅱ)則為左旋甘油醛的構(gòu)型。以甘油醛這種人為的構(gòu)型為標(biāo)準(zhǔn)，再確定其他化合物的相對(duì)構(gòu)型——關(guān)聯(lián)比較法。利用反應(yīng)過(guò)程中與手性碳原子直接相連的鍵不發(fā)生斷裂，以保證手性碳原子在構(gòu)型不發(fā)生變化。構(gòu)型與旋光方向是兩個(gè)不同的概念，無(wú)必然聯(lián)系。例如：指定右旋的甘油醛為此構(gòu)型。得出此相對(duì)構(gòu)型的乳酸為左旋（測(cè)）右旋酒石酸銣鈉的絕對(duì)構(gòu)型：關(guān)聯(lián)比較法得出此構(gòu)型，測(cè)得結(jié)果為右旋。X光衍射直接確定右旋酒石酸銣鈉與此推出的構(gòu)型一致。所以人為指定的甘油醛的構(gòu)型也是其絕對(duì)構(gòu)型。以此為標(biāo)準(zhǔn)確定的其它相對(duì)構(gòu)型也是絕對(duì)構(gòu)型。構(gòu)造相同，構(gòu)型不同的異構(gòu)體在命名時(shí)，有必要對(duì)它們的構(gòu)型給以一定的標(biāo)記。如乳酸：CH3CHOHCOOH有兩種構(gòu)型。構(gòu)型的標(biāo)記方法有兩種：

8.4.3構(gòu)型的標(biāo)記例：左旋乳酸：D-(-)-乳酸;右旋乳酸:L-(+)-乳酸D—L法（以甘油醛為對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)）：右旋甘油醛的構(gòu)型定為D型，左旋甘油醛的構(gòu)型定為L(zhǎng)型。凡通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明其構(gòu)型與D-相同的化合物，都叫D型，在命名時(shí)標(biāo)以“D”。而構(gòu)型與L-甘油醛相同的，都叫L型，在命名時(shí)標(biāo)以“L”。D、L只表示構(gòu)型，而不表示旋光方向。旋光方向以“+”(右旋)、“-”(左旋)表示。D／L標(biāo)記法經(jīng)典、方便，但它只能標(biāo)出一個(gè)手性碳的構(gòu)型。目前，D／L標(biāo)記法主要用于糖和蛋白質(zhì)的構(gòu)型標(biāo)記。R-S標(biāo)記法—是根據(jù)手性碳原子所連接的四個(gè)基團(tuán)在空間的排列來(lái)標(biāo)記的：(1)先把手性碳原子所連接的四個(gè)基團(tuán)設(shè)為：a,b,c,d。并將它們按次序（3.3節(jié)次序規(guī)則）排隊(duì)。(2)若a,b,c,d四個(gè)基團(tuán)的順序是a在先，b其次，c再次，d最后。將該手性碳原子在空間作如下安排：R-S標(biāo)記法把排在最后的基團(tuán)d放在離觀察者最遠(yuǎn)的位置，然后按先后次序觀察其他三個(gè)基團(tuán)。幾即從最先的a開(kāi)始，經(jīng)過(guò)b，再到c輪轉(zhuǎn)看。若輪轉(zhuǎn)方向是順時(shí)針的，則該手性碳原子的構(gòu)型標(biāo)記為“R”-（“右”的意思）；反之，標(biāo)記為“S”順時(shí)針R反時(shí)針S基團(tuán)次序?yàn)椋篴>b>c>d(1)先將次序排在最后的基團(tuán)d放在一個(gè)豎立的（即指向后方的）鍵上。然后依次輪看a、b、c。(2)如果是順時(shí)針?lè)较蜉嗈D(zhuǎn)的，則該投影式代表的構(gòu)型為R型；如果是逆時(shí)針?lè)较蜉嗈D(zhuǎn)的，則為S型。c順時(shí)針逆時(shí)針

菲舍爾投影式中R-S標(biāo)記法：若標(biāo)記分子的菲舍爾投影式中的d是在豎鍵上基團(tuán)次序?yàn)椋篴>b>c>d順時(shí)針?lè)较蜉嗈D(zhuǎn)的，則該投影式代表的構(gòu)型為S型；如果是逆時(shí)針?lè)较蜉嗈D(zhuǎn)的，則為R型。順時(shí)針逆時(shí)針若標(biāo)記分子的菲舍爾投影式中的d是在橫鍵上基團(tuán)次序?yàn)椋篴>b>c>d例如：乳酸CH3CHOHCOOH手性碳原子的四個(gè)基團(tuán)排隊(duì)：OH>COOH>CH3>H.因此乳酸的兩種構(gòu)型可分別如下識(shí)別和標(biāo)記：

(右旋):S-(+)-乳酸(左旋):R-(-)-乳酸分子中有多個(gè)手性碳原子的化合物,命名時(shí)可用R-S標(biāo)記法將每個(gè)手性碳原子的構(gòu)型一一標(biāo)出。左邊C-2所連接的四個(gè)基團(tuán)的次序:OH>CHOHCH2CH3>CH3>H左邊C-3所連接的四個(gè)基團(tuán)的次序:

OH>CHOHCH3>CH2CH3>H例如：(2S,3R)-2,3-戊二醇(2R,3S)-2,3-戊二醇注意:R和S是手性碳原子的構(gòu)型根據(jù)所連基團(tuán)的排列順序所作的標(biāo)記.在一個(gè)化學(xué)反應(yīng)中,如果手性碳原子構(gòu)型保持不變,產(chǎn)物的構(gòu)型與反應(yīng)物的相同,但它的R或S標(biāo)記卻不一定與反應(yīng)物的相同.反之,如果反應(yīng)后手性碳原子的構(gòu)型發(fā)生了轉(zhuǎn)化,產(chǎn)物構(gòu)型的R或S標(biāo)記也不一定與反應(yīng)物的不同.例如：含有一個(gè)手性碳原子的化合物有一對(duì)對(duì)映體。分子中若有多個(gè)手性碳原子，立體異構(gòu)的數(shù)目就要多些：若含有n個(gè)手性碳原子的化合物，最多可以有2n種立體異構(gòu)。有些分子的立體異構(gòu)數(shù)目少于2n這個(gè)最大數(shù)。8.5含有多個(gè)手性碳原子化合物的立體異構(gòu)例:2-羥基-3-氯丁二酸的立體異構(gòu)

這四種異構(gòu)體中(I)和(II)是對(duì)映體;(III)和(IV)是對(duì)映體.(I)和(II)等量混合物是外消旋體；(III)和(IV)等量混合物也是外消旋體。非對(duì)映體—(I)和(III)或(IV)以及(II)和(III)或(IV)也是立體異構(gòu)，但它們不是互為鏡象，不是對(duì)映體，這種不對(duì)映的立體異構(gòu)體叫做非對(duì)映體.非對(duì)映體旋光度不相同,而旋光方向則可能相同,也可能不同,其它物理性質(zhì)都不相同:2-羥基-3-氯丁二酸的物理性質(zhì)非對(duì)映體混合在一起,可以用一般的物理方法將它們分離出來(lái).例:酒石酸的立體異構(gòu)有些分子的立體異構(gòu)數(shù)目少于2n這個(gè)最大數(shù)這四種異構(gòu)體中(I)和(II)是對(duì)映體;(III)和(IV)是同一種物質(zhì)(它們可以相互疊合).(III)通過(guò)C(2)-C(3)鍵中心點(diǎn)的垂直線為軸旋轉(zhuǎn)180°,就可以看出它可以與(IV)是疊合的:以黑點(diǎn)為中心在紙面上旋轉(zhuǎn)180°在它的全重疊式構(gòu)象中可以找到一個(gè)對(duì)稱面。在它的對(duì)位交叉式構(gòu)象中可以找到一個(gè)對(duì)稱中心。所以,(III)和(IV)是同一種分子。(III)既然能與其鏡象疊合，它就不是手性分子。因此也沒(méi)有旋光性?！@種物質(zhì)叫內(nèi)消旋體（mesocompound）。內(nèi)消旋體與外消旋體均無(wú)旋光性，但它們的本質(zhì)不同.例如：戊醛糖（2,3,4,5-四羥基戊醛）:含有三個(gè)手性碳原子的化合物最多可能有23=8種立體異構(gòu)。如果把戊醛糖的兩端氧化成羧基,就只有四種立體異構(gòu)體了：像(III)、(IV)雖然有手性碳原子，卻非手性分子:所以C-3這樣的不能對(duì)分子的手性起作用的手性碳原子，叫做假手性碳原子.(III)、(IV)中C-3是手性原子（C-2和C-4所連基團(tuán)雖構(gòu)造相同，但構(gòu)型不同）。

—在立體化學(xué)中，含有多個(gè)手性碳原子的立體異構(gòu)體中，只有一個(gè)手性碳原子的構(gòu)型不相同，其余的構(gòu)型都相同的非對(duì)映體，又叫差向異構(gòu)體。例1：內(nèi)消旋酒石酸與有旋光性的酒石酸只有一個(gè)碳原子的構(gòu)型相同，所以它們是差向異構(gòu)體：IIIIIIIV

(2R,3R)(2S,3S)(2R,3S)(2S,3R)差向異構(gòu)體內(nèi)消旋

例2：(I)和(II)、(I)和(III)、(I)和(IV)也都是差向異構(gòu)體在ToMarket數(shù)據(jù)庫(kù)中收載了1983-2002年大多數(shù)獲準(zhǔn)的手性轉(zhuǎn)換。1983～2002年間按照手性特征分類的世界批準(zhǔn)藥物中，非手性體占38%、消旋體占23%和單一對(duì)映體占39%(其中多個(gè)手性中心占33%,單個(gè)手性中心占6%)。1991～2002年美國(guó)FDA批準(zhǔn)的藥物其相應(yīng)的比例為42%、14%和44%(36%,8%)。總體來(lái)看，全世界批準(zhǔn)的藥物中單一對(duì)映體超過(guò)非手性體，而消旋體僅占小部分。8.6外消旋體的拆分引言

外消旋體是由一對(duì)對(duì)映體等量混合而成，對(duì)映體除旋光方向外，其它物理性質(zhì)均相同。用一般的物理方法（分餾、分步結(jié)晶等）不能把一對(duì)對(duì)映體分離開(kāi)來(lái)。必須用特殊方法。拆分—