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立体化学

第六章 立体化学

   什么叫立体化学？

立体化学（stereochemistry）是一种以三度空间来研究分子结构和性质的科学。

我们知道有机分子是立体的，所以在研究它时必须要有立体化学的观念。

目前已发现许多有机化合物的结构和性质一定要从它们的空间排列来解释。

   正由于有机分子是立体的，所以会因它们中的各原子在空间排列位置的不同而造成异构现象--立体异构。

前面所讲的构象异构和顺、反异构都是立体异构。

可是构象异构和顺、反异构不同，构象异构可借分子中单键的旋转而互变。

因此很难分离出构象异构体，只能利用光谱分析、热力学计算、偶极矩测量以及X-光或电子衍射证明它们的存在。

而顺、反异构体的互变要通过键的断裂，比较困难，因此能得到纯的顺式异构体和反式异构体。

   立体异构除了上面两种以外，这里我们介绍第三种，那就是对映异构（Enantiomerism）。

   例如：

当我们进行2-丁烯的水合反应时，分离到两种丁醇，它们的物理性质和化学性质基本上相同，只是在对偏振光的作用上有差异，一个使偏振光向右转（右旋体Dextrorotatory）一个使偏振光向左转（左旋体Levorotatory），转的度数基本上也相同。

   它们的结构如按照平面来书写，很难看出有什么两样，都是CH3CH2CH（OH）CH3，可是在空间排列上，它们是不同的，它们互成镜象不重合，所以不是一个化合物，是构型异构体。

   由于这两个异构体互相对映，故称为对映体（Enantionmers）.又因为它们中的一个要使偏振光向左转，另一个使偏振光向右转，所以也常称为旋光异构体（Opticalisomers）。

   旋光异构现象是用偏振光来鉴别的，那么什么是偏振光？

化合物的旋光性又是怎样测得的？

   第一节 物质的旋光性

一、平面偏振光和旋光性

   光波是一种电磁波，它的振动方向与其前进方向垂直。

   在普通光线里，光波可在垂直于它前进方向的任何可能的平面上振动。

   中心圆点“O”，表示垂直于纸面的光的前进方向，双箭头表示光可能的振动方向。

   如果将普通光线通过一个Nicol棱晶，它好象一个栅栏，只允许与棱晶晶轴相互平行的平面上振动的光线透过棱晶。

这种通过Nicol棱晶的光线叫做平面偏振光（Plane-polarzedlight）简称偏振光。

1.平面偏振光

2.旋光性

   若把偏振光透过一些物质（液体或溶液），如乳酸、葡萄糖等，能使偏振光的振动平面旋转一定的角度（α）。

   这种能使偏振光振动平面旋转的性质称为物质的旋光性。

   具有旋光性的物质称为旋光物质或称为光学活性物质，使偏光振动平面向右旋转称为右旋体，能使偏光向左旋转的称为左旋体。

旋光物质使偏光振动平面旋转的角度称为旋光度，通常用α表示。

二、旋光仪和比旋光度

1.旋光仪（polarimeter）

   它的主要部分是两个Nicol棱晶，一个盛液管和一个回转刻度盘。

旋光仪里面装有两个Nicol棱晶，起偏棱晶（B）是固定不动的，其作用是把光源（A）投入的光变成偏光，D是检偏棱晶，它与回转刻度盘（E）相连，可以转动，用以测定振动平面的旋转角度。

C为待测样品的盛液管，F是观察用的目镜。

如果盛液管中不放液体试样，那么经过起偏棱晶后出来的偏光就可直接射在第二个棱晶--检偏棱晶上。

显然只有当检偏棱晶的晶轴和起偏棱晶的晶轴相互平行时，偏光才能通过，这时目镜处视野明亮，如若两个棱晶的晶轴相互垂直，则偏光完全不能通过。

   实际测定时应先旋转检偏镜，使视野中光亮度相等，得到零点。

   然后放入旋光物质，视野中光亮度就不相等，旋转检偏镜，使视野的亮度再变成一样，这时所得到的读数与零点之间的差，α，就是该物质的旋光度。

2.比旋光度

   这里应该指出：

物质的旋光度，一般是用比旋光度（specificrotation）

表示。

t为测定时的温度，一般是室温，λ为测定时光的波长一般采用钠光（波长为589.3nm,用符号D表示）。

如：

肌肉乳酸的比旋光度为

=+0.38°，发酵乳酸的比旋光度为：

=-0.38°

   一般用（+）表示右旋，（-）表示左旋。

 α：

旋光度，l：

盛液管的长度，单位：

分米，c溶液的浓度，单位：

克/毫升。

纯液体：

d:

液体的密度

   旋光度受温度、波长、溶剂、浓度、盛液管长度的影响，因此在不用水为溶剂时，需注明溶剂的名称，有时还注明测定时溶液的浓度。

   右旋酒石酸：

 （乙醇，5%）

   物质的旋光性质有时也用摩尔比旋光度

，M为该化合物的相对分子质量

第二节 对映异构现象与分子结构的关系

一、对映异构现象的发现

   早在十九世纪就发现许多天然的有机化合物如樟脑、酒石酸等晶体有旋光性，而且即使溶解成溶液仍具有旋光性，这说明它们的旋光性不仅与晶体有关，而且与分子结构有关。

   1848年巴斯德[L.Pasteur（1822-1895）]在研究酒石酸钠铵的晶体时，发现无旋光性的酒石酸钠铵是两种互为镜象不同的晶体的混合物。

他用一只放大镜和一把镊子，细心地、辛苦地、把混合物分成两小堆：

一小堆是右旋的晶体，另一小堆是左旋的晶体，很象是在柜台上分开乱堆在一起的右手套和左手套一样。

虽然原先的混合物是没有旋光性的，现在各堆晶体溶于水以后都是有旋光性的！

还有，两个溶液的比旋光度完全相等，但旋光方向相反。

就是说，一个溶液使平面偏振光向右旋转，而另一个溶液以相同的度数使平面偏振光向左旋转。

这两个物质的其他性质都是相同的。

   由于旋光度的差异是在溶液中观察到的，Pasteur推断这不是晶体的特性而是分子的特性。

（他提出，构成晶体的分子是互为镜象的，正像这两种晶体本身一样。

他提议，存在着这样的异构体，即其结构的不同仅仅是在于互为镜象，性质的不同也仅仅是在于旋转偏振光的方向不同）。

指出，对映异构现象是由于分子中的原子在空间的不同排列所引起的。

Pasteur的这些观点，为对映异构现象的研究奠定了理论基础。

   1874年随着碳原子四面体学说的提出，Van'tHoff指出，如果一个碳原子上连有四个不同基团，这四个基团在碳原子周围可以有良种不同的排列形式，即两种不同的四面体空间构型。

它们互为镜像，和左右手之间的关系一样，外形相似但不能重合。

   不对称碳原子：

这种与四个不同的原子或原子团相连的碳原子称为不对称碳原子。

通常用“*”号标出。

如：

二、手性和对称因素

   物质的分子和它的镜象不能重合。

这和我们的左、右手一样，虽然很相象，但不能重叠，把物质的这种特征称为手性（或称手征性）（chirality）.

   具有手性的分子称为手性分子（chiralmolecules）

   物质具有手性就有旋光性和对映异构现象，那么，物质具有怎样的分子结构才与镜象不能重合，具有手性呢？

   要判断某一物质分子是否具有手性，必须研究分子的对称性质，下面介绍分子中常见的几种对称因素：

对称面（σ）、对称中心（i）、对称轴（Cn）、更替对称轴（Sn）。

   凡物质分子在结构上不具有对称面、对称中心或四重更替对称轴，这个物质就具有手性，它和镜象互为对映异构，具有旋光性。

1.对称面（σ）：

   假如有一个平面可以把分子分割成两部分，而一部分正好是另一部分的镜象，这个平面就是分子的对称面（σ）。

如：

   分子中有对称面，它和它的镜象就能够重合，分子就没有手性，是非手性分子（Achiralmolecule），因而它没有对映异构体和旋光性。

2.对称中心（i）

   若分子中有一点P，通过P点画任何直线，两端有相同的原子，则点P称为分子的对称中心（用i表示）。

如：

   具有对称中心的化合物和它的镜象是能重合的，因此它不具有手性。

3.对称轴（Cn）

   如果穿过分子画一直线，分子以它为轴，旋转一定角度后，可以获得与原来分子相同的形象，此直线即为对称轴（Cn表示）。

   当分子沿轴旋转360°/n，得到的构型与原来的分子相重合，这个轴即为该分子的n重对称轴。

如：

   因此，有无对称轴不能作为判断分子有无手性的标准。

4.更替对称轴（Sn）

   如果一个分子沿一根轴旋转了360°/n的角度以后，再用一面垂直于该轴的镜象将分子反射，所得的镜象如能与原物重合，此轴即为该分子的n重更替对称轴（用Sn表示）。

   如果旋转的角度为90°（360°/4），就称为四重更替对称轴（S4）。

如：

   具有四重更替对称轴。

具有四重更替对称轴的化合物和镜象能够重叠，因此不具旋光性。

   在一般情况下，四重更替对称轴往往和对称面或对称中心是同时存在的。

上述化合物就同时存在两个对称面，而且在化合物分子中只具有四重更替对称轴的是极少量的。

因此要判断一个化合物的分子有没有手性，一般只要考虑它有没有对称面和对称中心就可以了。

三、产生旋光性的原因

   我们知道光是一种电磁波，平面偏振光也是电磁波，它可以看作是由两种圆偏振光合并组成的。

它们都围绕着光前进方向的轴呈螺旋形向前传播，其中一种圆偏振光呈右螺旋行，称为右旋圆偏光，而另一种呈左螺旋形称为左旋圆偏光。

   这两种光互为不能重叠的镜象关系。

   当偏光经过一个对称的区域时，这两种圆偏光受到分子的阻碍相等，所以它们以相同的速度经过这个区域，因此，合成光仍保持原来偏光的振动平面，不表现出旋光性。

   一般规定若先沿OE方向传播，从E点向O点看过去，螺旋前进是顺时针时，称为右圆偏振光；反之，为左圆偏振光。

   倘若偏光遇到的是手性分子[手性分子在左、右圆偏振光中的折射率不同]则左、右圆偏振光通过手性分子的速度不同，因而由它们叠加产生的平面偏振光的振动方向也会改变。

   平面偏振光通过光学活性介质产生的旋光。

   由上述讨论可知，旋光产生的根本原因是因为入射光的左、右圆偏振光在手性介质中的传播速度不同。

（化学通报，1984年第6期p29-30）。

   如：

右旋圆偏光对右旋乳酸的折射率为1.10011，而左旋圆偏光对右旋乳酸的折射率为1.10017

第三节 含一个手性碳原子化合物的对映异构

一、对映体（Enantiomers）

   含有一个手性碳原子的化合物即Cabcd型的化合物都有两个对映异构体，其中一个是右旋体，一个是左旋体。

   在顺、反异构体中，与双键或环结合的两个原子或基团之间距离是不同的，一般在顺式中距离近，在反式中距离远，因而它们的物理性质及化学性质是不相同的。

   对映体的性质：

   在对映体中，围绕着不对称碳原子的四个基团间的距离是相同的，即在几何尺寸上是完全相等的，因而它们的物理性质和化学性质一般都相同。

仅旋光方向相反。

   对映体除了对偏振光表现出不同的旋光性能，旋转角度相等，方向相反外，在手性环境的条件下（如手性试剂、手性溶液、手性催化剂）也会表现出某些不同的性质。

   例如：

生物体中非常重要的催化剂酶具有很高的手性，因此许多可以受酶影响的化合物，其对映体的生理作用表现出很大的差别。

（+）葡萄糖在动物代谢中能起独特的作用，具营养价值，但其对映体（-）葡萄糖则不能被动物代谢；氯霉素是左旋的有抗菌作用，其对映体则无疗效。

二、外消旋体

   外消旋体是由等量的左旋体和右旋体混合而成的。

   如乳酸除了可以从肌肉中和细菌发酵分别得到（+）、（-）体外，还可以从酸败的牛奶中或用合成方法制得。

后一方法得到的乳酸其构造式都一样，可是它们都没有旋光性。

这是由于用人工合成方法制得的乳酸是等量的右旋和左旋乳酸的混合物，它们对偏振光的作用相互抵消，所以没有旋光性。

我们称这种乳酸为外消旋乳酸，外消旋体一般用（±）表示。

   外消旋体和相应的左旋或右旋体除旋光性能不同外，其他物理性质也有差异。

   如：

（+）乳酸  m.p.53°C,   （±）乳酸m.p.18°C

三、构型表示方法

   用“Fischer投影式”表示

   就是把四面体构型按规定的投影方向投影在纸面上。

1.投影的原则：

   把与手性碳原子结合的横向的两个键摆向自己，把竖立的两个键摆向纸后，一般将含碳原子的原子团放在竖立键方向，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中各个原子或原子团投影到纸面上，这样，在投影式中，两条直线的垂直交点相当于手性碳原子，它位于纸面上。

以横键相连的两个原子或原子团相当于原来面对自己的基团，与横键垂直的两个键所连的原子团相当于伸向纸后的基团。

2.使用投影式时，注意事项

①投影式不能离开纸面翻转，因这会改变手性碳原子周围各原子或原子团的前后关系。

②投影式不能在纸面上转动90°，因（Ⅰ）和（Ⅱ）构型不同。

                                        （I）                    （II）

③可以在纸面上转动180°，因这不会改变原子团前后关系。

   此外，对映体的构型还可用下列方式表示：

（楔形式）

第四节 含两个手性碳原子化合物的对映异构

一、含两个不相同手性碳原子的化合物

   在这类化合物中两个手性碳原子所连的四个基团是不完全相同的。

   我们知道含有一个手性碳原子的化合物有一对对映异构体，那么含有两个手性碳原子的化合物有几个对映异构体呢？

假使以A和B代表两个不同的手性碳原子，由于每一个手性碳可以有两种相反的构型，A+，A-，B+，B-。

这样根据排列组合，整个分子的构型可以有下面四种。

   这就是说，含有两个手性碳原子的化合物，在理论上，可以有四个对映异构体。

其中Ⅰ是Ⅳ的镜象，Ⅱ是Ⅲ的镜象，所以它们是两对对映异构体Ⅰ和Ⅱ，或者Ⅲ和Ⅳ，虽然有一部分是呈镜象关系，但是另一部分是相同的，因此它们不是对映体，而是非对映异构体（Diasteroisomer）。

非对映异构体和对映异构体不同，它们之间的性质，不论是物理性质还是化学性质，都不相同。

但是由于它们属于同类化合物，所以化学性质有些相似。

   如：

氯代苹果酸，有两个手性碳原子，它有四个对映异构体，或者两对对映体。

一对对映体的外消旋体的熔点为145°C，从它可以拆分出熔点同为165-166°C比旋光度

是+7.1°和-7.5°的两个氯代苹果酸。

   另一对对映体的外消旋体熔点为157°C，从它可以拆分出熔点同为165-166°C（碰巧），比旋光度是+9.3°和-8.0°的两个氯代苹果酸。

   一般对映体的比旋光度应该是数值相同，方向相反，可是有的会有些差别，但不太大，这里就是这个情况。

（徐积功p98）

   那么含两个以上手性碳原子的分子，有多少立体异构体呢？

理论推导证明：

   当分子中含有几个不相同的手性碳原子时，就可以有2n个对映异构体，它们可以组成2n-1个外消旋体。

如果分子中含有相同的手性碳原子，其对映异构体的数目可小于2n。

二、含有两个相同手性碳原子的化合物

   在这类化合物中，两个手性碳原子所连的四个基团是完全相同的，如：

酒石酸

   酒石酸分子中两个手性碳原子都和H，OH，-COOH，

四个基团相连接，它也可写出四个构型的Fischer投影式：

   Ⅰ和Ⅱ是对映体，它们等量混合可以组成外消旋体。

   Ⅲ和Ⅳ也呈镜象关系，似乎也是对映体，但如果把Ⅲ在纸面上旋转180°后即得到Ⅳ，因此它们实际上是同一个物质。

   从化合物Ⅲ的构型看，如果在下列投影式虚线处放一镜面，那么分子上半部分正好是下半部分的镜象，说明这个分子内有一对称面。

   象这种由于分子内含有相同的手性碳原子，分子的两个半部分互为物体与镜象关系，从而使分子内部旋光性相互抵消的非光学活性化合物称为内消旋体，用meso表示。

   因此酒石酸仅有三种异构体，即右旋体、左旋体和内消旋体。

   内消旋体酒石酸和左旋或右旋体之间不呈镜象关系，属非对映体。

   内消旋体和外消旋体虽然都不具有旋光性，但它们有着本质的不同，内消旋体是一种纯物质，它不能象外消旋体那样可以分离成具有旋光性的两种物质。

第六节 环状化合物的立体异构

       环状化合物的立体异构现象比链状化合物复杂，往往顺、反异构和对映异构同时存在。

   如：

1,2-环丙烷二甲酸   

反-1，2-环己二甲酸

   两个COOH，可以都在直立键上，也可以都在平伏键上，不论是ee型还是aa型，由于构象转变时未涉及键的断裂，因此它们都是反式，属同一构型。

两者比较起来ee型因有较小的空间位阻，所以在平衡中，ee构象占优势，ee型的反式化合物，在分子中无对称面，它和镜象不能重合，因此为手性分子，存在一对对映体。

   实际上反-1，2-环己二甲酸已拆开成对映体，它们的比旋光度分别为+18.2°和-18.2°。

   上面讨论的是环己烷衍生物的构象问题，它是分子在不断热运动中出现的情况。

由于构象转变如此迅速，且它不是以造成化学键的断裂，并不影响分子的R、S构型。

   因此在研究环己烷衍生物的立体异构时，对构象引起的手性现象可以不予考虑，而只要考虑顺、反异构和对映异构，并可以直接用平面六角形来观察，这样仍可得到同样正确的结果。

   如：

顺式和反式1，2-环己二甲酸可用下式表示：

   存在一对称面，相当于内消旋体，因此不具旋光性。

   不存在对称面，与其镜象不能重叠，有一对映体，为手性分子，有旋光性。

   再如：

   都有对称面，所以都没有对映异构体。

第七节 不含手性碳原子化合物的对映异构

   在有机化合物中，大部分旋光物质都含有一个或多个手性碳原子，但在有些旋光物质的分子中，并不含手性碳原子，如丙二烯型化合物，单键旋转受阻碍的联苯型旋光化合物等。

一、丙二烯型化合物

   如果丙二烯两端原子上各连接两个不同的基团时：

   由于所连四个取代基两两各在相互垂直的平面上，整个分子没有对称面和对称中心，具有手性，如：

                          2，3-戊二烯的对映异构体

   如果在任何一端或两端的碳原子上连有相同的取代基，这些化合物都具有对称面，因此不具旋光性。

二、单键旋转受阻碍的联苯型化合物

   在联苯分子中，两个苯环可以围绕中间单键旋转，如果在苯环中的邻位上即2，2’，6，6’位置上引入体积相当大的取代基（-NO2，-COOH等），则两个苯环饶单键旋转就要受到阻碍，以至它们不能处在同一平面上，而必须互成一定的角度。

   当苯环邻位上连接的两个体积较大的取代基不相同时，整个分子就没有对称面或对称中心，就可能有手性。

   若在一个或两个苯环上所连的两个取代基是相同的，这个分子就有对称面，没有旋光性。

三、螺环等其它不含手性碳化合物的对映异构

 分子不具有对称面和对称中心，（螺环类）有手性，有对映体。

分子扭曲类型化合物，分子不具有对称面和对称中有手性，有对映体。

   多个苯环组成的螺芳烃由于环的拥挤导致A环和B环不能共平面，其中之一必然向外跷起来，这种情况也会产生互不重合的镜象异构体。

（蔡孟深p43）

整个分子中不具有对称面，为手性分子。

（邢其毅 p260）

第八节 外消旋体的拆分

   许多旋光物质是从自然界生物体中获得的。

如在实验室中用非旋光物质合成旋光物质（除了用特殊方法--不对称合成Asymmetricsynthesis以外）常得到的多是外消旋体，即左旋体和右旋体各50%的混合物，因此，要获得旋光纯的异构体需要经过拆分（Resolution）。

由于对映体的一般物理性质和化学性质都相同（除对旋光性试剂作用外）。

因此它们的混合物很难用一般的方法来拆分。

   最早拆分外消旋体的方法是根据晶体的不同在显微镜下慢慢地用镊子挑选，这个方法非但麻烦，而且亦不能用于液态的化合物，所以被淘汰。

   后来人们还用过以微生物或酶来破坏外消旋体中的一种对映异构体而达到提纯的目的。

但这种方法也不理想。

第一，至少要损失一半原料；第二，要加入培养微生物或酶的原料使尔后的纯化困难，所以也不大使用了。

   目前最常用的方法是通过光与一个有旋光性的拆分剂作用，生成非对映异构体，然后利用非对映异构体物理性质上的不同（特别是沸点和溶解度的不同），而将两个非对映异构体分开（通过分馏或分步结晶），最后除去拆分剂恢复到纯粹的左旋体和右旋体。

   如果外消旋体是碱，则可用旋光性酸[如（+）酒石酸，樟脑磺酸等]使它变成盐，然后用分步结晶法将它们分开。

   随着分离技术的进展，近来发现外消旋体可以用播种结晶法和层析法来拆分，前者是利用溶液中对映异构体之间的晶间力不同而达到拆分。

后者是利用对映异构体吸附能力的不同而进行分离。

（徐积功p101-102）

   工业上有些产品用晶种的方法拆分，这是最经济的方法。

这个方法是当一个溶液含有稍微过量的一对对映体之一，它就先沉淀出来，而且沉淀出来的量为过量的一倍多。

过滤后，滤液就含有过量的另一个对映体，升温加入DL外消旋体，冷却时，另一对映体就会沉淀出来。

通过这种方法，只是第一次加入一个光活对映体，就能交替地把外消旋体分为左、右旋体。

   例如，100克的DL氯霉素碱和1克的D碱在80°C时溶于100毫升水中，冷却到20°C，沉淀出1.9克的D碱，过滤后，再加入2克的DL碱到滤液中，加热到80°C，冷却后，2.1克的L碱就沉淀出来了。

   利用具有光活性的吸附剂，有时用柱层析的方法，也可以把一对光活对映体拆分。

一对光活对映体和一个光活吸附剂形成两个非对映的吸附物，它们的稳定性不同，也就是说，它们被吸附剂吸附的强弱不同，从而就可以分别地把它们冲洗出。

如，光活性的D-乳糖作为吸附剂拆分特勒格碱。

（邢其毅 上册 p263-264）

   用生化的方法有时也可以拆分外消旋体。

有机体的酶对它的底物具有非常严格的空间专一反应性能。

如：

   合成的DL丙氨酸经乙酰化后，通过一个由猪肾内取得的一个酶，水解L型丙氨酸的乙酰化物的速度要比D型的快得多。

因此就可以把DL乙酰化物变为L-（+）-丙氨酸和D-（-）-乙酰丙氨酸，由于二者在乙醇中的溶解度区别很大，可以很容易地分开。

（邢其毅 p264）

    经过拆分后得到某一旋光体的纯度，一般可用对映体过量酚率（%e.e即percentenantiomericexcess）来计算。

第九节 亲电加成反应的立体化学

   研究