華中科技大學(xué)有機(jī)化學(xué)對(duì)映異構(gòu)

華中科技大學(xué)有機(jī)化學(xué)對(duì)映異構(gòu)第1頁(yè)/共50頁(yè)7.1.1構(gòu)造異構(gòu)分子中原子相互連接的次序和方式叫做構(gòu)造，分子式相同，但構(gòu)造式不同的分子叫做構(gòu)造異構(gòu)。構(gòu)造異構(gòu)包括碳架異構(gòu)，取代位置異構(gòu)，官能團(tuán)的異構(gòu)如乙醇和甲醚，以及互變異構(gòu)等。7.1.2構(gòu)象異構(gòu)分子式相同，原子的結(jié)合順序即構(gòu)造式也相同，但由于σ單鍵的旋轉(zhuǎn)使分子中的原子或者原子團(tuán)在空間的位置或者取向不同。這種通過(guò)單鍵旋轉(zhuǎn)而導(dǎo)致分子中原子或者原子團(tuán)在空間的不同取向叫做構(gòu)象，由此得到的不同空間結(jié)構(gòu)叫做構(gòu)象異構(gòu)。7.1.3幾何異構(gòu)幾何異構(gòu)也是指原子或者原子團(tuán)在空間的取向不同，但這種不同的空間取向不是由于單鍵的旋轉(zhuǎn)造成的，而是由于分子的剛性造成的，因此如果沒(méi)有鍵的斷裂，幾何異構(gòu)體之間是不能相互轉(zhuǎn)換的。這種分子的原子或者原子團(tuán)在空間的排列方式叫做構(gòu)型，不同構(gòu)型的分子之間不能通過(guò)單鍵的旋轉(zhuǎn)而相互轉(zhuǎn)換。幾何異構(gòu)主要包括烯烴的順?lè)串悩?gòu)以及環(huán)狀化合物的順?lè)串悩?gòu)。（1）烯烴的順?lè)串悩?gòu)。（2）環(huán)狀化合物的順?lè)串悩?gòu)。第2頁(yè)/共50頁(yè)7.1.4對(duì)映異構(gòu)7.1.4.1手性和對(duì)映異構(gòu)當(dāng)一個(gè)物體沒(méi)有對(duì)稱中心或者沒(méi)有對(duì)稱平面的時(shí)候，物體與它的鏡像就不能重合，就象人的左手和右手一樣，非常相似，但不能重疊，物體的這種性質(zhì)稱為物體的手性。對(duì)于許多有機(jī)分子，由于原子或者原子團(tuán)在空間具有一定的取向，即具有一定的構(gòu)型，也會(huì)出現(xiàn)分子與它的鏡像不能重疊的情況，這種現(xiàn)象就稱為分子的手性，這種分子就稱為手性分子。很顯然，一個(gè)手性分子至少有兩種構(gòu)型異構(gòu)體，一個(gè)是實(shí)物，一個(gè)是映在鏡子里的鏡像，它們互為對(duì)映異構(gòu)體，簡(jiǎn)稱對(duì)映體。這種由于分子和它的鏡像不能重疊而產(chǎn)生的構(gòu)型異構(gòu)叫做對(duì)映異構(gòu)。如乳酸分子的兩種對(duì)映體如下：L-(+)-乳酸D-(-)-乳酸第3頁(yè)/共50頁(yè)對(duì)映異構(gòu)體在宏觀性能上表現(xiàn)出的最大差別是生理活性不一樣以及旋光性不同，其它一般性能如沸點(diǎn)、熔點(diǎn)、溶解度、極性甚至反應(yīng)活性都是相同的。由于旋光性是容易測(cè)定的，因此，測(cè)定旋光性是研究對(duì)映異構(gòu)體最重要和最早的方法，因此對(duì)映異構(gòu)也叫旋光異構(gòu)，對(duì)映異構(gòu)體也叫光學(xué)異構(gòu)體。第4頁(yè)/共50頁(yè)7.1.4.2旋光性普通白光是由不同波長(zhǎng)組成的電磁波，光波的振動(dòng)方向與其前進(jìn)方向互相垂直。單色光，如從鈉光燈發(fā)射出來(lái)的黃光，則具有單一的波長(zhǎng)(λ＝589nm)，但仍在與其前進(jìn)方向互相垂直振動(dòng)。若使普通光通過(guò)尼科爾(Nicol)棱鏡，則只有振動(dòng)方向和棱鏡的晶軸平行的光線才能通過(guò)。這種只在一個(gè)平面上振動(dòng)的光叫做平面偏振光，簡(jiǎn)稱偏振光。偏振光振動(dòng)所在的平面叫做偏振面。普通光尼科爾棱鏡偏振光

一束普通光（箭頭為光束前進(jìn)方向）一束偏振光第5頁(yè)/共50頁(yè)

當(dāng)兩個(gè)尼科爾棱鏡平行放置，從一個(gè)尼科爾棱鏡產(chǎn)生的偏振光可以全部通過(guò)，但當(dāng)兩個(gè)尼科爾棱鏡垂直放置時(shí)，從另一個(gè)尼科爾棱鏡不能看到從前一個(gè)尼科爾棱鏡產(chǎn)生的偏振光，必須將尼科爾棱鏡旋轉(zhuǎn)90o才能使偏振光完全看到。當(dāng)在兩個(gè)平行放置的尼科爾棱鏡之間放置某些液體或溶液，如葡萄糖溶液，發(fā)現(xiàn)從一個(gè)尼科爾棱鏡產(chǎn)生的偏振光不可以通過(guò)另一個(gè)尼科爾棱鏡，必須將尼科爾棱鏡旋轉(zhuǎn)一定的角度才能使偏振光完全看到。這就說(shuō)明這些溶液使偏振光的偏振面發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，溶液的這種使偏振光發(fā)生偏轉(zhuǎn)的性質(zhì)叫旋光性，也叫具有光學(xué)活性，旋轉(zhuǎn)的角度叫做旋光度。如果使偏振光向右偏轉(zhuǎn)，記為（＋）或者l-;如果向左偏轉(zhuǎn)，記為（－）或者d-，如圖7－4所示。

普通光尼科爾棱鏡樣品管尼科爾棱鏡

旋光儀的工作原理第6頁(yè)/共50頁(yè)偏振光是1809年法國(guó)物理學(xué)家馬露首次發(fā)現(xiàn)的，普通光通過(guò)石英晶體會(huì)產(chǎn)生偏振光。在1812年另一個(gè)法國(guó)物理學(xué)家拜奧特發(fā)現(xiàn)有些石英的結(jié)晶將偏振光朝右旋，有些石英的結(jié)晶將偏振光朝左旋。他進(jìn)一步又發(fā)現(xiàn)某些有機(jī)化合物的液體或者溶液也具有旋轉(zhuǎn)偏振光的作用。由于有機(jī)化合物的溶液也有旋光性，因此他認(rèn)為石英晶體對(duì)偏振光的旋轉(zhuǎn)與有機(jī)溶液對(duì)偏振光的旋轉(zhuǎn)是不同的。由石英產(chǎn)生的旋光性是由石英整體產(chǎn)生的，由有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生的旋光性是由單個(gè)分子產(chǎn)生的，因此他推想旋光性應(yīng)該和物質(zhì)組成的不對(duì)稱有關(guān)。1848年巴斯德借助顯微鏡用鑷子將外消旋的酒石酸鈉銨晶體分離成兩個(gè)對(duì)映體，一個(gè)將偏振光朝左旋,一個(gè)將偏振光朝右旋，因此他提出分子有旋光性即有光學(xué)活性的性質(zhì)是由分子的不對(duì)稱性引起的，左旋和右旋的酒石酸鹽為實(shí)物和鏡影的關(guān)系，相互不能重疊。但直到1874年，年輕的物理化學(xué)家范霍夫和勒貝爾才分別獨(dú)立地發(fā)表論文提出碳的四面體理論，分子的旋光性是由不對(duì)稱碳原子造成的，并進(jìn)一步預(yù)言，某些分子如丙二烯衍生物即使沒(méi)有不對(duì)稱碳原子，也應(yīng)該有旋光異構(gòu)體存在，這個(gè)預(yù)言在六十年以后為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。因此，正是因?yàn)檠芯啃庑?，才產(chǎn)生了立體化學(xué)。第7頁(yè)/共50頁(yè)7.1.4.3比旋光度旋光度的大小和管內(nèi)所放物質(zhì)的濃度，溫度，旋光管的長(zhǎng)短及溶劑的性質(zhì)有關(guān)。為了便于比較，一般用比旋光度[α]表示物質(zhì)的旋光能力大小和旋光方向[α]λt為測(cè)定的旋光度；L為管長(zhǎng)，以分米為單位；C為濃度，以克／毫升為單位，如果為純的液體則濃度改換成比重（克／厘米3）。或者此時(shí)濃度c為克／100毫升。通常在文獻(xiàn)上報(bào)道的即是以克／100毫升為單位的濃度，因?yàn)榻?jīng)全合成得到的最后產(chǎn)物往往很少。由于兩個(gè)對(duì)映體的旋光度大小相等但方向相反，將兩個(gè)對(duì)映體等量混合所得到的溶液，其旋光能力相互抵消，沒(méi)有旋光性，這種混合物叫做外消旋體。一些純的對(duì)映異構(gòu)體在酸堿、高溫等條件下甚至在放置一段時(shí)間后，會(huì)轉(zhuǎn)化為另外一個(gè)對(duì)映體，當(dāng)兩個(gè)對(duì)映體的量相等時(shí)，其旋光性也會(huì)消失，我們把這種現(xiàn)象叫做外消旋化。對(duì)映體容易發(fā)生外消旋化會(huì)影響對(duì)映體的旋光性和純度，但要將一個(gè)沒(méi)用的對(duì)映體轉(zhuǎn)化為另一個(gè)有用的對(duì)映體時(shí)，在一定條件下進(jìn)行外消旋化是經(jīng)常要用到的。第8頁(yè)/共50頁(yè)7.1.4.4分子的對(duì)稱性與手性只有手性分子才能分離出純的對(duì)映體而顯示光學(xué)活性，如何判斷一個(gè)化合物是否具有手性，最好的辦法是判斷化合物分子是否具有對(duì)稱性，如果一個(gè)分子沒(méi)有對(duì)稱面或者對(duì)稱中心，這個(gè)分子與它的鏡像不能重疊，分子具有手性。這里分幾種情況進(jìn)行討論。（1）具有一個(gè)不對(duì)碳稱原子的手性分子當(dāng)分子中的一個(gè)碳原子連接四個(gè)不同的原子或者原子團(tuán)時(shí)，這個(gè)分子是不對(duì)稱的，具有手性，這個(gè)碳原子叫做不對(duì)稱碳原子，也叫做手性中心或者手性碳原子。如下圖所示的α-丙氨酸即為手性分子，α碳上有四個(gè)不同的取代基，分子與其鏡像不能重疊，有兩個(gè)對(duì)映體。左邊的對(duì)映體即為天然的L-丙氨酸，右邊為人工合成的D-丙氨酸。2－氨基丙酸第9頁(yè)/共50頁(yè)如果碳原子上有兩個(gè)相同的原子或者原子團(tuán)，則分子有一個(gè)對(duì)稱面，不具有手性，沒(méi)有對(duì)映體，如丙酸。被考測(cè)的碳原子，甲基以及羧酸在一個(gè)平面上，兩個(gè)氫原子處在與平面相對(duì)稱的兩邊，兩個(gè)氫原子交換后得到的是同一個(gè)分子，這個(gè)平面即為對(duì)稱面。也可把這個(gè)平面看作一面鏡子，氫原子投影后，實(shí)物與鏡像相同，可以相互重疊，因此具有對(duì)稱面的分子沒(méi)有手性。第10頁(yè)/共50頁(yè)（2）具有兩個(gè)以上不對(duì)稱碳原子的手性分子當(dāng)分子含有兩個(gè)以及兩個(gè)以上的不對(duì)稱碳原子時(shí)，對(duì)映體的數(shù)目會(huì)急劇增加，情況變得復(fù)雜。如果一個(gè)分子內(nèi)兩個(gè)不對(duì)稱碳原子是不相同的，即兩個(gè)不對(duì)稱碳原子上所連接的四個(gè)取代基不完全一樣，這個(gè)分子會(huì)有四種不同的立體構(gòu)型，可獲得四種旋光異構(gòu)體。因?yàn)槊恳粋€(gè)不對(duì)稱碳原子會(huì)有一正一負(fù)兩個(gè)旋光異構(gòu)體，其中正的旋光異構(gòu)體可與另一個(gè)不對(duì)稱碳原子一正一負(fù)旋光異構(gòu)體組合成兩個(gè)旋光異構(gòu)體，負(fù)的旋光異構(gòu)體也可與另一個(gè)不對(duì)稱碳原子組成兩個(gè)旋光異構(gòu)體，這樣便得到四個(gè)旋光異構(gòu)體a,b,c和d。圖解如下：第11頁(yè)/共50頁(yè)例如3－氯－2－丁醇，有兩個(gè)不同的不對(duì)稱碳原子，可以形成四個(gè)旋光異構(gòu)體。

ⅰⅱⅲⅳ

其中ⅰ和ⅱ，ⅲ和ⅳ兩對(duì)旋光異構(gòu)體互為實(shí)物和鏡像關(guān)系，互為對(duì)映異構(gòu)體，兩個(gè)對(duì)映體的一般物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)相同，很難通過(guò)一般的分離方法進(jìn)行分離。ⅰ和ⅲ、ⅳ，以及ⅱ和ⅲ、ⅳ之間不是實(shí)物和鏡像關(guān)系，為非對(duì)映異構(gòu)體。非對(duì)映體的理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)往往不同，可以通過(guò)一般的分離方法如重結(jié)晶、柱層析等進(jìn)行分離。3－氯－2－丁醇四個(gè)旋光異構(gòu)體的對(duì)映和非對(duì)映關(guān)系可圖示如下：第12頁(yè)/共50頁(yè)

從上面推斷旋光異構(gòu)體的方法中可以知道，如果分子中有n個(gè)不相同的不對(duì)稱碳原子，則會(huì)有2n個(gè)旋光異構(gòu)體。其中對(duì)映體總是成對(duì)出現(xiàn)，非對(duì)映體會(huì)有很多。第13頁(yè)/共50頁(yè)

如果一個(gè)分子具有兩個(gè)相同的不對(duì)稱碳原子，旋光異構(gòu)體的數(shù)目和性質(zhì)會(huì)與上述的不一樣。在上面推斷旋光異構(gòu)體數(shù)目的時(shí)候，有兩個(gè)異構(gòu)體是通過(guò)一個(gè)不對(duì)稱碳原子的負(fù)旋光異構(gòu)體與另一個(gè)不對(duì)稱碳原子的正旋光異構(gòu)體組合的，如果兩個(gè)不對(duì)稱碳原子不同，在組合時(shí)正負(fù)不會(huì)抵消。如果兩個(gè)不對(duì)稱碳原子相同，則在組合時(shí)正負(fù)旋光能力大小相等，會(huì)相互抵消。這樣原來(lái)通過(guò)＋－和－＋組合得到的兩個(gè)異構(gòu)體將沒(méi)有旋光性，成為一個(gè)異構(gòu)體。這樣就只有三個(gè)異構(gòu)體，兩個(gè)旋光，一個(gè)不旋光，不旋光的異構(gòu)體叫做內(nèi)消旋體，記為meso-.如酒石酸的結(jié)構(gòu)所示，內(nèi)消旋體雖然有不對(duì)稱碳原子，但有一個(gè)對(duì)稱平面，所以沒(méi)有手性，沒(méi)有旋光性。

左旋酒石酸右旋酒石酸內(nèi)消旋酒石酸

D-(-)-酒石酸L-(+)-酒石酸meso-酒石酸第14頁(yè)/共50頁(yè)L-(+)-酒石酸為天然產(chǎn)物，D-(-)-酒石酸是人工合成的，它們兩個(gè)互為對(duì)映體，有相同的熔點(diǎn)（170oC）,在120毫升水中都只能溶解139克，酸性強(qiáng)度也相同，比旋光度大小相同，方向相反。meso-酒石酸與D或者L－酒石酸性能完全不同，與D和L的外消旋體也不相同，雖然內(nèi)消旋體和外消旋體都沒(méi)有旋光性。內(nèi)消旋體是一個(gè)單一分子，由于分子內(nèi)有一個(gè)對(duì)稱平面而沒(méi)有旋光性；而外消旋體是兩個(gè)對(duì)映體的等量混合物，可以再分離為兩個(gè)對(duì)映體相反的化合物。從理論上講，凡含有兩個(gè)相同的不對(duì)稱碳原子的化合物都有三種立體異構(gòu)體，一對(duì)對(duì)映體和一個(gè)內(nèi)消旋體。第15頁(yè)/共50頁(yè)

當(dāng)環(huán)狀化合物的環(huán)上有不對(duì)稱碳原子時(shí)，旋光異構(gòu)體數(shù)目與開(kāi)鏈化合物相同，如2,5-二羧基四氫吡咯有兩個(gè)相同的不對(duì)稱碳原子，有三個(gè)立體異構(gòu)體，包括二個(gè)對(duì)映體和一個(gè)內(nèi)消旋體。左旋二羧基四氫吡咯可從海藻中分離得到。很顯然，兩個(gè)旋光異構(gòu)體有一個(gè)C2對(duì)稱軸，即繞軸旋轉(zhuǎn)180oC后，還是原來(lái)的立體構(gòu)型。因此分子的軸對(duì)稱性不會(huì)使分子失去手性。事實(shí)上，在開(kāi)鏈的酒石酸旋光異構(gòu)體中也有一個(gè)C2對(duì)稱軸，但分子仍然具有手性。左旋二羧基四氫吡咯右旋二羧基四氫吡咯meso-二羧基四氫吡咯第16頁(yè)/共50頁(yè)（3）沒(méi)有不對(duì)稱碳原子的手性分子分子含有不對(duì)稱碳原子是判斷分子是否具有手性的一個(gè)重要條件，但不是充分和必要條件。分子含有不對(duì)稱碳原子可能沒(méi)有手性，如內(nèi)消旋體；分子沒(méi)有不對(duì)稱碳原子也可以具有手性，只要整個(gè)分子是不對(duì)稱的。第17頁(yè)/共50頁(yè)（a）聯(lián)苯型的化合物很多具有構(gòu)象異構(gòu)體的分子應(yīng)該具有手性，因?yàn)楫?dāng)單鍵旋轉(zhuǎn)到一定角度的時(shí)候，分子就會(huì)呈現(xiàn)不對(duì)稱性。但由于很多分子單鍵旋轉(zhuǎn)的能壘很低，構(gòu)象異構(gòu)體之間相互轉(zhuǎn)化很快，各個(gè)手性構(gòu)象呈現(xiàn)出的手性性能相互抵消，最終不能表現(xiàn)出手性。但當(dāng)單鍵旋轉(zhuǎn)的能壘很大，不對(duì)稱的構(gòu)象異構(gòu)體能夠分離出來(lái)時(shí)，分子就是手性分子。聯(lián)苯型的化合物就是典型的例子。6,6’-二硝基-2,2’-聯(lián)苯二甲酸在連接兩個(gè)苯的單鍵鄰位全部有取代基，當(dāng)這個(gè)單鍵旋轉(zhuǎn)時(shí)，一個(gè)苯上的取代基和另一個(gè)苯上的取代基靠得很近，相互排斥力很大，單鍵旋轉(zhuǎn)受阻，兩個(gè)苯環(huán)不在一個(gè)平面上，分子具有手性。上上述兩個(gè)對(duì)映體已經(jīng)拆分得到。6,6’-二硝基-2,2’-聯(lián)苯二甲酸第18頁(yè)/共50頁(yè)再如1,1’-聯(lián)二(2-萘酚)也是由于單鍵旋轉(zhuǎn)受阻而成為手性分子。

右旋1,1’-聯(lián)二(2-萘酚)左旋1,1’-聯(lián)二(2-萘酚)1,1’-聯(lián)二(2-萘酚)的兩個(gè)對(duì)映體在對(duì)映異構(gòu)體的不對(duì)稱合成中是非常有名的，常被用作催化劑的手性配體，得到的選擇性很高。第19頁(yè)/共50頁(yè)（b）丙二烯型的手性分子在丙二烯分子中，兩個(gè)累積雙鍵是相互垂直的。如果在兩邊的碳原子上有取代基，兩個(gè)碳原子上的取代基也是相互垂直的。如果兩個(gè)碳原子上分別連接不同的取代基，則分子將沒(méi)有對(duì)稱性而具有手性，可拆分出兩個(gè)對(duì)映體。

下列人工合成的丙二烯衍生物1,3-二苯基-1,3-二（1’－萘基）丙二烯的兩個(gè)對(duì)映體已經(jīng)拆分得到。丙二烯型分子丙二烯π鍵軌道第20頁(yè)/共50頁(yè)（c）其它不同取代產(chǎn)生的手性分子氮，磷以及硫等原子連接四個(gè)不同的取代基時(shí)，分子沒(méi)有對(duì)稱面或者對(duì)稱中心，也具有手性，如碘化甲基烯丙基苯基芐基銨的對(duì)映體是穩(wěn)定的旋光體。

叔胺有三個(gè)不同取代基時(shí)，氮的孤對(duì)電子占據(jù)錐形的頂點(diǎn)，分子是不對(duì)稱的，但構(gòu)型之間很易翻轉(zhuǎn)相互轉(zhuǎn)化，不能得到對(duì)映體。叔膦的化合物能得到對(duì)映體，如甲基正丙基苯基膦的對(duì)映體可用作銠的手性配體。當(dāng)硫的兩個(gè)取代基不同時(shí)，很多亞砜化合物是一個(gè)穩(wěn)定的手性分子。如甲基苯基亞砜。甲基苯基亞砜的對(duì)映體甲基正丙基苯基膦的對(duì)映體第21頁(yè)/共50頁(yè)當(dāng)一個(gè)分子的骨架上有不同的取代基時(shí)，也會(huì)造成分子的不對(duì)稱而具有手性。如在杯芳烴的下端連接的取代基后，可以分離出杯芳烴旋光體。

右旋杯芳烴左旋杯芳烴第22頁(yè)/共50頁(yè)7.2對(duì)映異構(gòu)體的命名法7.2.1D/L相對(duì)構(gòu)型標(biāo)記法在上世紀(jì)初光學(xué)異構(gòu)體的絕對(duì)構(gòu)型是不知道的。為了確定其它手性分子的相對(duì)構(gòu)型,費(fèi)歇爾(E.Fisher)選擇D-甘油醛作為構(gòu)型聯(lián)系的標(biāo)準(zhǔn)。并且把D-甘油醛所具有的立體結(jié)構(gòu),即與不對(duì)稱碳原子相結(jié)合的氫原子處在費(fèi)歇爾投影式左邊，編號(hào)最小的原子處在頂端，這樣一種結(jié)構(gòu)稱為D-構(gòu)型，其對(duì)映體為L(zhǎng)-構(gòu)型。D-(+)-甘油醛L-(-)-甘油醛第23頁(yè)/共50頁(yè)D-(+)-甘油醛D-(-)-甘油酸D-(+)-異絲氨酸D-(-)-β-溴乳酸D-(-)-乳酸

其它的旋光化合物的構(gòu)型以甘油醛為標(biāo)準(zhǔn)比較得到。凡是由D-甘油醛通過(guò)化學(xué)反應(yīng)得到的化合物或可轉(zhuǎn)變?yōu)镈-甘油醛的化合物，只要在轉(zhuǎn)變過(guò)程中原來(lái)的手性碳原子構(gòu)型不變，其構(gòu)型即為D型。同樣，與L-甘油醛相關(guān)的即為L(zhǎng)型。例如：第24頁(yè)/共50頁(yè)7.2.2R/S絕對(duì)構(gòu)型標(biāo)記法用D/L構(gòu)型標(biāo)記法只適合與甘油醛結(jié)構(gòu)類似的化合物，像糖類以及氨基酸類，對(duì)其它結(jié)構(gòu)沒(méi)有類似或者比較復(fù)雜的化合物，是很難與甘油醛的結(jié)構(gòu)相比較的。此外用這種構(gòu)型標(biāo)記也不便于記憶和書(shū)寫化合物的立體結(jié)構(gòu)。因此，出現(xiàn)了另外一種更加方便的命名方法，叫做R/S命名法，已被廣泛采用。

R/S命名法是將手性碳原子上四個(gè)不同的取代基中最小的取代基放在離觀察者最遠(yuǎn)的地方，其它三個(gè)取代基按照從大到小的順序數(shù)下去，如果為順時(shí)針?lè)较騽t為R構(gòu)型，如果為反時(shí)針?lè)较騽t為S構(gòu)型。

順時(shí)針?lè)较?，R型反時(shí)針?lè)较?，S型取代基a>b>c>d.第25頁(yè)/共50頁(yè)

原子或者原子團(tuán)的大小次序規(guī)則如下：（1）在原子團(tuán)或者取代基中，與分子骨架直接相連的原子按原子序數(shù)或者原子量大小排列，原子序數(shù)或者原子量大的為較優(yōu)的大基團(tuán)。常見(jiàn)元素的原子的較優(yōu)次序的排列如下：Br>Cl>S>P>Si>F>O>N>C>B>Li>T>D>H（2）如果取代基中與分子骨架直接相連的原子大小順序相同時(shí)，應(yīng)用外推法順次比較第二個(gè)第三個(gè)等原子的大小順序，直到能夠決定較優(yōu)的更大基團(tuán)為止。例如:(CH3)3C－，(CH3)2CH－，CH3CH2－，CH3－這些基團(tuán)與分子骨架直接相連的原子都是碳原子，因而需用外推法即沿著碳鏈向外進(jìn)行比較。在上面四個(gè)烷基中，與直接相連的碳原子連接的3個(gè)原子分別為3個(gè)碳，2碳1氫，1碳2氫，以及3個(gè)氫。然后比較每組3個(gè)原子中最大的原子，這里為碳原子，如果最大的原子數(shù)多則為最大的基團(tuán)，最大的原子數(shù)少則為小基團(tuán)。因此上述四個(gè)烷基的大小順序即為上述順序，較優(yōu)基團(tuán)在前。如果上面比較的每組3個(gè)原子都相同，可以繼續(xù)比較與這三個(gè)原子相連的其它原子中最大的原子數(shù)，直到確定出基團(tuán)的大小。（3）確定不飽和基團(tuán)的大小次序時(shí)，應(yīng)把不飽和鍵的成鍵原子看作是以單鍵分別和相同的原于相連接。例如碳碳雙鍵可以看成一個(gè)碳分別以單鍵與兩個(gè)碳相連接，一個(gè)羰基可以看成一個(gè)碳分別以單鍵與兩個(gè)氧相連接，如下所示。第26頁(yè)/共50頁(yè)在書(shū)寫立體構(gòu)型時(shí)，既可用透視式表示，這樣的書(shū)寫比較直觀，也可用費(fèi)歇爾投影式表示。

透視式費(fèi)歇爾投影式(R)-(-)-乳酸

(S)-(-)--苯基乙胺從書(shū)寫這些結(jié)構(gòu)可知，如果任意調(diào)換兩個(gè)原子或者原子團(tuán)的位置，則分子的構(gòu)型改變。(R)-(＋)--苯基乙胺(S)-(+)-乳酸

第27頁(yè)/共50頁(yè)命名含有多個(gè)手性碳原子的化合物時(shí)，應(yīng)將每個(gè)手性碳原子的構(gòu)型依次標(biāo)出，并把手性碳原子的編號(hào)和構(gòu)型符號(hào)一起放在化合物名稱前的括號(hào)內(nèi)。例如用R/S命名D和L酒石酸：

D-(-)-酒石酸L-(+)-酒石酸

(2S,3S)-酒石酸(2R,3R)-酒石酸第28頁(yè)/共50頁(yè)7.3立體異構(gòu)體的性質(zhì)7．3．1物理性質(zhì)兩個(gè)對(duì)映體的一般物理性質(zhì)相同，如溶解度、熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、折光率、極性等是相同的，所以不能用這些性質(zhì)區(qū)分一對(duì)對(duì)映體，也不能用相應(yīng)的分離方法將一對(duì)對(duì)映體分離。但在手性條件下，如偏振光照射下旋光方向相反，在旋光性的溶劑中物理性質(zhì)會(huì)不同。非對(duì)映異構(gòu)體雖然分子量相同，但不是實(shí)物和鏡像的關(guān)系，因此非對(duì)映體的物理性質(zhì)完全不同，可以用重結(jié)晶、蒸餾、柱層析等物理方法將兩個(gè)非對(duì)映體分離開(kāi)，也可以用這些物理方法對(duì)它們進(jìn)行分析。外消旋體是兩個(gè)對(duì)映體等量的混合物，沒(méi)有旋光性，其它物理性質(zhì)也與對(duì)映體的不同。內(nèi)消旋體是單一化合物，不是手性分子，沒(méi)有旋光性，其物理性質(zhì)與對(duì)映體、非對(duì)映異構(gòu)體及外消旋體都不同。7．3．2化學(xué)性質(zhì)在手性條件下，例如使用手性試劑，或者在偏振光的照射下，兩個(gè)對(duì)映體的化學(xué)性質(zhì)可以表現(xiàn)出差異。在一般的非手性條件下，兩個(gè)對(duì)映體的化學(xué)性質(zhì)完全相同。第29頁(yè)/共50頁(yè)7．3．3生理性質(zhì)在生命體內(nèi)，兩個(gè)對(duì)映體往往表現(xiàn)出不同的生理性能，最著名的例子是在上世紀(jì)六十年代德國(guó)一家制藥公司開(kāi)發(fā)的一種治療孕婦早期不適的藥物——酞胺哌啶酮（thalidomide），商品名叫反應(yīng)停，其中R-構(gòu)型對(duì)映異構(gòu)體是強(qiáng)力鎮(zhèn)定劑，S-構(gòu)型對(duì)映異構(gòu)體是強(qiáng)烈的致畸劑，但由于當(dāng)時(shí)對(duì)此缺少認(rèn)識(shí)，將反應(yīng)停以外消旋混合物出售，雖然藥效很好，但很多服用了反應(yīng)停的孕婦生出的嬰兒是四肢殘缺，引起了軒然大波。此外，許多其它對(duì)映異構(gòu)體的生物或者生理性能也是相差很大的，如表1所示。

S-thalidomider反應(yīng)停,致畸R-thalidomider反應(yīng)停,鎮(zhèn)定第30頁(yè)/共50頁(yè)

手性分子不同異構(gòu)體不同的生理或者生物性能名稱結(jié)構(gòu)一種對(duì)映異構(gòu)體性能另一種對(duì)映異構(gòu)體性能Dopa(S)-異構(gòu)體,治療珀金森病(R)-異構(gòu)體,嚴(yán)重付作用Ketamine(S)-異構(gòu)體,麻醉劑(R)-異構(gòu)體,致幻劑Penicillamine(S)-異構(gòu)體,治療關(guān)節(jié)炎(R)-異構(gòu)體,突變劑Ethambutol(S)-異構(gòu)體,治結(jié)核病(R)-異構(gòu)體,致盲Asparagine(S)-異構(gòu)體,苦的(R)-異構(gòu)體,甜的第31頁(yè)/共50頁(yè)P(yáng)ropoxyphene(S)-異構(gòu)體,止痛(R)-異構(gòu)體,止咳Timolol(S)-異構(gòu)體,腎上腺素阻斷劑(R)-異構(gòu)體,無(wú)效Propranolol(S)-異構(gòu)體,β-受體阻斷劑，治療心臟病(R)-異構(gòu)體,作為β-受體阻斷劑，只有(S)-異構(gòu)體的約1%療效。Naproxen(S)-異構(gòu)體,抗炎藥(R)-異構(gòu)體,只有(S)-異構(gòu)體的1/28療效。Fluazifop-butyl(S)-異構(gòu)體,除草劑(R)-異構(gòu)體,無(wú)效Asana一個(gè)異構(gòu)體是強(qiáng)力殺蟲(chóng)劑另三個(gè)異構(gòu)體對(duì)植物有毒第32頁(yè)/共50頁(yè)7.5單一對(duì)映體的制備方法在非手性條件下，不能得到單一的對(duì)映體，只有在手性條件下，才能區(qū)分和分離一對(duì)對(duì)映體。能夠區(qū)分和分離一對(duì)對(duì)映體也叫手性識(shí)別。7.5.1對(duì)映體組成和純度的測(cè)定合成單一對(duì)映體時(shí)，必須要測(cè)定產(chǎn)物中對(duì)映體的組成和純度。對(duì)映體純度一般用對(duì)映體過(guò)量的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示，記為％e.e（enantiomerexcess）。非對(duì)映體過(guò)量(diastereomerexcess,d.e.)的計(jì)算同上，只是將對(duì)映體換成非對(duì)映體。第33頁(yè)/共50頁(yè)7.5.1.1測(cè)定旋光度一個(gè)純的對(duì)映體具有最大的旋光度絕對(duì)值，如果混有另外一個(gè)對(duì)映體，其旋光度絕對(duì)值會(huì)減小。工業(yè)上一般通過(guò)測(cè)定旋光度來(lái)判斷對(duì)映體的純度，也是最早用于分析對(duì)映體純度的方法，用測(cè)旋光度得到的純度也叫光學(xué)純度。如果一個(gè)手性分子在所使用的波長(zhǎng)范圍內(nèi)沒(méi)有吸收，則它的對(duì)映異構(gòu)體純度不能通過(guò)測(cè)定旋光性來(lái)判斷。7.5.1.2核磁共振（NMR）測(cè)定

NMR一般不能區(qū)別兩個(gè)對(duì)映體，但當(dāng)這兩個(gè)對(duì)映體與其它手性物質(zhì)或者環(huán)境有作用時(shí)，這兩個(gè)對(duì)映體實(shí)際上成為非對(duì)映體，此時(shí)則可以區(qū)別這兩個(gè)對(duì)映體。

(a)在手性溶劑中測(cè)定。如用(-)-α-苯基乙胺作溶劑，2,2,2-三氟-1-苯基乙醇的兩個(gè)對(duì)映體可以用19FNMR譜區(qū)別開(kāi)來(lái)。

(b)使用位移試劑。常使用手性鑭系配合物，對(duì)映體中含有孤對(duì)電子的原子能與手性金屬配合物的金屬離子配位，使對(duì)映體成為非對(duì)映體而能被NMR區(qū)別。很多手性化合物如酰胺、胺、酯、酮和硫砜等都能與手性鑭系配合物作用，使對(duì)映體的NMR譜產(chǎn)生差異。第34頁(yè)/共50頁(yè)

除了手性鑭系配合物外，一些手性主體化合物也能用作位移試劑。如使用5.4％的手性杯芳烴化合物即能夠有效地區(qū)別扁桃體酸的兩個(gè)對(duì)映異構(gòu)體。

杯芳烴化合物扁桃體酸a.手性杯芳烴的1HNMR譜圖;b.扁桃體酸的1HNMR譜圖;c.手性杯芳烴和扁桃體酸混合后的1HNMR譜圖.第35頁(yè)/共50頁(yè)（c）使用手性衍生化試劑手性衍生化試劑是一種純的光學(xué)活性試劑，它與被測(cè)的對(duì)映體反應(yīng)后，使之成為非對(duì)映體而達(dá)到區(qū)別兩個(gè)對(duì)映體的目的。最常用的是Mosher試劑（MTPA）,它有一個(gè)羧基，能和醇或者胺生成酯和酰胺。例如，外消旋二酮醇的甲羰基的甲基為單峰，與R-Mosher試劑生成酯后裂分為兩個(gè)相等的峰。R-Mosher試劑S-Mosher試劑第36頁(yè)/共50頁(yè)7.5.1.3用手性色譜柱

用手性色譜柱確定對(duì)映體的組成是廣泛使用的方法，因?yàn)楹芏鄬?duì)映體都可用手性色譜柱分開(kāi)。對(duì)于低沸點(diǎn)的手性分子，一般小于260oC，或者在高溫下穩(wěn)定的手性分子，可用氣相色譜來(lái)分析；對(duì)于高沸點(diǎn)的手性分子，或者在高溫下不穩(wěn)定的手性分子，可用液相色譜來(lái)分析。第37頁(yè)/共50頁(yè)7.5.2化學(xué)拆分法將外消旋化合物分離成兩個(gè)純的對(duì)映體叫做對(duì)映體的拆分。可以將外消旋化合物與一旋光性試劑反應(yīng)，得到兩個(gè)非對(duì)映體，利用非對(duì)映體物理性能的差別將兩個(gè)非對(duì)映體分開(kāi)，然后將試劑除掉，即可得到純的對(duì)映體。如果外消旋體是酸或者堿，可以用一個(gè)旋光性的堿或者酸與之反應(yīng)生成鹽，鹽為非對(duì)映體，溶解度不一樣，通過(guò)重結(jié)晶可以分離，然后用無(wú)機(jī)堿或者酸使對(duì)映體游離出來(lái)。例如可以用天然的L-(+)-酒石酸將-苯乙胺拆分為純的(S)-(-)--苯乙胺和(R)-(+)--苯乙胺。第38頁(yè)/共50頁(yè)

常用于外消旋堿拆分的還有樟腦磺酸、扁桃體酸、檸檬酸等；用于酸拆分的有生物堿奎寧、馬錢子堿、辛可寧等。用于拆分對(duì)映體的這些具有光學(xué)活性的試劑也叫拆分試劑。如果外消旋體既不是酸又不是堿，可以引入一個(gè)羧基或者氨基，然后用上述方法進(jìn)行拆分。對(duì)于外消旋的醇，也可讓它與一個(gè)旋光性的酸反應(yīng)生成非對(duì)映異構(gòu)的酯，利用極性不同用色譜進(jìn)行分離。也可用旋光性的色譜柱直接分離外消旋體，這時(shí)外消旋的兩個(gè)對(duì)映體與色譜柱內(nèi)填充的旋光性物體生成非對(duì)映體復(fù)合物，復(fù)合物的穩(wěn)定性不同，穩(wěn)定性小的異構(gòu)體優(yōu)先洗脫出來(lái)。第39頁(yè)/共50頁(yè)7.5.3物理拆分法這種方法是在外消旋體的過(guò)飽和溶液中，加入少量某一對(duì)映體的晶體，也叫晶種，與晶種相同的對(duì)映體的過(guò)飽和度會(huì)加大，從而優(yōu)先結(jié)晶出來(lái)。由于原外消旋體就是過(guò)飽和的溶液，晶種結(jié)晶出來(lái)時(shí)會(huì)將相同的對(duì)映體一同結(jié)晶出來(lái)，并可超出晶種的一倍。過(guò)濾后，溶液中就是另一對(duì)映體過(guò)量，再加外消旋體，加熱溶解，冷卻后另一對(duì)映體就優(yōu)先結(jié)晶析出。這樣加少量一種對(duì)映體，就可以把兩種對(duì)映體分離出來(lái)，非常節(jié)省拆分試劑。在氯霉素的工業(yè)生產(chǎn)中使用這種方法可以將氯霉素同另外一種無(wú)效的對(duì)映體分開(kāi)。第40頁(yè)/共50頁(yè)7.5.4動(dòng)力學(xué)拆分前面兩種對(duì)映體的拆分方法是利用溶解度及極性的大小來(lái)實(shí)行的。如果在手性催化劑的存在下，外消旋體中的兩個(gè)對(duì)映體反應(yīng)速度相差很大，一個(gè)對(duì)映體能完全轉(zhuǎn)化為一種旋光產(chǎn)物，另外一個(gè)對(duì)映體不能轉(zhuǎn)化或者轉(zhuǎn)化很少，從而將兩種對(duì)映體分離，這種方法叫做動(dòng)力學(xué)拆分。生物酶常用于動(dòng)力學(xué)拆分，因?yàn)槊傅幕钚院瓦x擇性都非常高。例如可以利用內(nèi)酯水解酶對(duì)外消旋體DL-泛酸內(nèi)酯選擇性水解，D-泛酸內(nèi)酯水解為D-泛酸，L-泛酸內(nèi)酯保留下來(lái)，酸和內(nèi)酯容易分開(kāi)，可得到選擇性大于90％的D-泛酸。D-泛酸為B族維生素，廣泛用于食品和飼料添加劑，也用作藥物，但L-泛酸不能被生命體吸收，必須使用純的D-泛酸，日本富士藥業(yè)公司用酶拆分法每年生產(chǎn)D-泛酸3千噸左右。第41頁(yè)/共50頁(yè)

現(xiàn)在很多人工合成的手性催化劑也象生物酶一樣具有很高的催化活性和選擇性，甚至也可以用于外消旋體的動(dòng)力學(xué)拆分。例如Sharpless環(huán)氧化手性催化劑可以用于烯丙醇的環(huán)氧化動(dòng)力學(xué)拆分。Sharpless環(huán)氧化手性催化劑為鈦酸異丙酯和D-(+)-酒石酸異丙酯的混合物，用叔丁基過(guò)氧化氫作環(huán)氧化試劑，在二氯甲烷和－20oC下進(jìn)行。外消旋體中的(R)-3-丁烯-2-醇被環(huán)氧化，而(S)-3-丁烯-2-醇由于反應(yīng)很慢保留了下來(lái)。(S)-3-丁烯-2-醇的沸點(diǎn)比環(huán)氧化物的低，先蒸餾出去，從而將兩種異構(gòu)體分開(kāi)。得到的(2R,3R)-3,4-環(huán)氧基-2-丁醇是合成藥物以及天然產(chǎn)物非常有用的手性原料。如它可用于合成新型抗癌藥物埃博霉素（Epothilone）的手性砌塊。第42頁(yè)/共50頁(yè)7.5.5不對(duì)稱催化反應(yīng)手性拆分的方法雖然很容易將外消旋體轉(zhuǎn)化為旋光性的對(duì)映體，但最多只有50％能夠轉(zhuǎn)化為有用的對(duì)映體，另一個(gè)對(duì)映體如果不能通過(guò)外消旋化轉(zhuǎn)化為有用的對(duì)映體，就要扔掉。如果使用手性催化劑將非手性的原料直接轉(zhuǎn)化為純的對(duì)映體，原料的利用率就能大幅度提高，這種通過(guò)手性催化劑將非手性原料轉(zhuǎn)化為單一的對(duì)映體或者某一對(duì)映體過(guò)量的合成方法叫做不對(duì)稱合成。現(xiàn)在不對(duì)稱催化合成已經(jīng)廣泛的用于藥物和天然產(chǎn)物的合成中。例如治療帕金森病的L－多巴，就是通過(guò)不對(duì)稱合成在工業(yè)上進(jìn)行生產(chǎn)的。

關(guān)鍵的步驟是對(duì)-乙酰氨基苯