有机化学第五章旋光异构doc.docx
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第五章旋光异构
本章教学要求：
1、了解物质的旋光性及其有关概念（平面偏振光、旋光仪和比旋光度等）
2、掌握有机化合物对映异构与分子结构的关系
3、掌握含一个手性碳原子和两个手性碳原子化合物的对映异构情况
4、掌握有机化合物的R/S命名
5、了解外消旋体的拆分
6、了解不含手性碳原子化合物的对映异构情况
7、掌握亲电加成反应的立体化学
教学重点：
1、有机化合物对映异构与分子结构的关系
2、含一个手性碳原子和两个手性碳原子化合物的对映异构情
3、有机化合物的R/S命名
计划学时数：
5学时
同分异构现象在有机化学中极为普遍。
同分异构现象可以归纳如下：
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，它的振动方向与前进方向垂直。
在光前进的方向上放一个（Nicol）棱晶或人造偏振片，只允许与棱晶晶轴互相平行的平面上振动的光线透过棱晶，而在其它平面上振动的光线则被挡住。
这种只在一个平面上振动的光称为平面偏振光，简称偏振光或偏光。
2．物质的旋光性
能使平面偏振光振动平面旋转的物质称为物质的旋光性，具有旋光性的物质称为旋光性物质（也称为光活性物质）。
能使偏振光振动平面向右旋转的物质称右旋体，能使偏振光振动平面向左旋转的物质称左旋体，使偏振光振动平面旋转的角度称为旋光度，用α表示。
二、旋光仪和比旋光度
1.旋光仪
测定化合物的旋光度是用旋光仪，旋光仪主要部分是有两个尼可尔棱晶（起偏棱晶和检偏棱晶），一个盛液管和一个刻度盘组织装而成。
若盛液管中为旋光性物质，当偏光透过该物质时会使偏光向左或右旋转一定的角度，如要使旋转一定的角度后的偏光能透过检偏镜光栅，则必须将检偏镜旋转一定的角度，目镜处视野才明亮，测其旋转的角度即为该物质的旋光度α。
如下图所示
2.比旋光度
旋光性物质的旋光度的大小决定于该物质的分子结构，并与测定时溶液的浓度、盛液的长度、测定温度、所用光源波长等因素有关。
为了比较各种不同旋光性物质的旋光度的大小，一般用比旋光度来表示。
比旋光度与从旋光仪中读到的旋光度关系如下。
当物质溶液的浓度为1g/ml，盛液管的长度为1分米时，所测物质的旋光度即为比旋光度。
若所测物质为纯液体，计算比旋光度时，只要把公式中的C换成液体的密度d即可。
最常用的光源是钠光（D），λ=589.3nm,所测得的旋光度记为
所用溶剂不同也会影响物质的旋光度。
因此在不用水为溶剂时，需注明溶剂的名称，例如，右旋的酒石酸在5%的乙醇中其比旋光度为：
=+3.79（乙醇，5%）。
上面公式即可用来计算物质的比旋光度，也可用以测定物质的浓度或鉴定物质的纯度。
3.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。
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。
二、手性和对称因素
物质分子互为实物和镜象关系（象左手和右手一样）彼此不能完全重叠的特征，称为分子的手性。
（chirality）
具有手性（不能与自身的镜象重叠）的分子叫做手性分子。
（chiralmolecule）
连有四个各不相同基团的碳原子称为手性碳原子（chiralcarbon）用C*表示。
凡是含有一个手性碳原子的有机化合物分子都具有手性，是手性分子。
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。
有对称中心的分子没有手性。
物质分子在结构上具有对称面或对称中心的，就无手性，因而没有旋光性。
物质分子在结构上即无对称面，也无对称中心的，就具有手性，因而有旋光性。
第三节含一个手性碳原子化合物的对映异构
一、对映体
1．对映体——互为物体与镜象关系的立体异构体。
含有一个手性碳原子的化合物一定是手性分子，含有两种不同的构型，是互为物体与镜象关系的立体异构体，称为对映异构体（简称为对映体）。
对映异构体都有旋光性，其中一个是左旋的，一个是右旋的。
所以对映异构体又称为旋光异构体。
2．对映体之间的异同点
（1）、物理性质和化学性质一般都相同，比旋光度的数值相等，仅旋光方向相反P128。
（2）、在手性环境条件下，对映体会表现出某些不同的性质，如反应速度有差异，生理作用的不同等。
二、外消旋体
等量的左旋体和右旋体的混合物称为外消旋体，一般用（±）来表示。
外消旋体与对映体的比较（以乳酸为例）：
旋光性物理性质化学性质生理作用
外消旋体不旋光mp18℃基本相同各自发挥其左右
对映体旋光mp53℃基本相同旋体的生理功能
三、构型表示方法――费歇尔投影式
1．构型的表示方法
对映体的构型可用立体结构（楔形式和透视式）和费歇尔（E·Fischer）投影式表示，
（1）、立体结构式
（2）、Fischer投影式
为了便于书写和进行比较，对映体的构型常用费歇尔投影式表示：
投影原则：
1°横、竖两条直线的交叉点代表手性碳原子，位于纸平面。
2°横线表示与C*相连的两个键指向纸平面的前面，竖线表示指向纸平面的后面。
3°将含有碳原子的基团写在竖线上，编号最小的碳原子写在竖线上端。
使用费歇尔投影式应注意的问题：
a基团的位置关系是“横前竖后”
b不能离开纸平面翻转180°；也不能在纸平面上旋转90°或270°与原构型相比。
C将投影式在纸平面上旋转180°，仍为原构型。
2．判断不同投影式是否同一构型的方法：
（1）、将投影式在纸平面上旋转180°，仍为原构型。
（2）、任意固定一个基团不动，依次顺时针或反时针调换另三个基团的位置，不会改变原构型。
（3）、对调任意两个基团的位置，对调偶数次构型不变，对调奇数次则为原构型的对映体。
例如：
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
例如：
以氯代苹果酸为例来讨论
1．对映异构体的数目
其Fischer投影式如下：
含n个不同手性碳原子的化合物，对映体的数目有2n个，外消旋体的数目2n-1个。
2．非对映体
不呈物体与镜象关系的立体异构体叫做非对映体。
分子中有两个以上手性中心时，就有非对映异构现象。
非对映异构体的特征：
1°物理性质不同（熔点、沸点、溶解度等）。
2°比旋光度不同。
3°旋光方向可能相同也可能不同。
4°化学性质相似，但反应速度有差异。
二.含两个相同手性碳原子的化合物
酒石酸、2，3-二氯丁烷等分子中含有两个相同的手性碳原子。
同上讨论，酒石酸也可以写出四种对映异构体
（3）、（4）为同一物质，因将（3）在纸平面旋转180°即为（4）。
因此，含两个相同手性碳原子的化合物只有三个立体异构体，少于2n个，外消旋体数目也少于2n-1个。
内消旋体与外消旋体的异同
相同点：
都不旋光
不同点：
内消旋体是一种纯物质，外消旋体是两个对映体的等量混合物，可拆分开来。
酒石酸的三种异构体和外消旋体的物理常数见P133表6-3。
从内消旋酒石酸可以看出，含个手性碳原子的化合物，分子不一定是手性的。
故不能说含手性碳原子的分子一定有手性。
第五节构型的R、S命名规则
1970年国际上根据IUPAC的建议，构型的命名采用R、S法，这种命名法根据化合物的实际构型或投影式就可命名。
R、S命名规则：
1.按次序规则将手性碳原子上的四个基团排序。
2.把排序最小的基团放在离观察者眼睛最远的位置，观察其余三个基团由大→中→小的顺序，若是顺时针方向，则其构型为R（R是拉丁文Rectus的字头，是右的意思），若是反时针方向，则构型为S（Sinister,左的意思）。
实例：
快速判断Fischer投影式构型的方法：
1°当最小基团位于横线时，若其余三个基团由大→中→小为顺时针方向，则此投影式的构型为S，反之为R。
2°当最小基团位于竖线时，若其余三个基团由大→中→小为反时针方向，则此投影式的构型为R，反之为S。
实例：
含两个以上C*化合物的构型或投影式，也用同样方法对每一个C*进行R、S标记，然后注明各标记的是哪一个手性碳原子。
例
次序规则
1.如果连在手征性中心的四个原子都是不相同的，先后次序取决于原子序数，原子序数较大的原子优先，如果两个原子是同一元素的同位素，则质量数较高的原子优先。
次序规则2.如果两个基团的相对次序不能由规则1.决定，可用类似的方法比较基团中第二个原子（如有必要，可以从手征性中心再逐步向外推）就是说，如果两个连在手征性中心的原子相同时，我们就比较在这两个原子上的下一个原子。
在-CH3中第二个原子是H，H，H，C2H5中，第二个原子是C，H，H由于碳原子序数比氢大，因此C2H5较-CH3优先。
Cl>-CH2Cl>-CH（CH3）2>H 为S构型
-CH2Cl的Cl,H,H优先于异丙基的C，C，H。
氯原子序数大于碳，一方虽有两个碳原子而另一方只有一个氯原子，但这是不重要的，（一个大的原子序数比二个或三个小的原子序数更重要），取决于原子序数大的，只要第二原子原子序数大，则次序优先，依次类推。
次序规则3.如果原子团含有双键或叁键时，则当作两个或叁个单键看待，可以认为连有两个或三个相同原子。
3.根据Fischer投影式，确定R或S构型
如：
（若让判断n个构型式，其手性原子所连四个基团相同时，则先判断其R、S构型，若构型相同为同一化合物。
）
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。
一、环丙烷衍生物
如：
1,2-环丙烷二甲酸
二、环己烷衍生物
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、含有其它手性中心的化合物
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。
整个分子中不具有对称面，为手性分子。
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。
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。
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。
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
研究反应历程就是要彻底弄清楚反应进行的途径，要达到这个目的，就需要弄清楚反应过程中所用原料、过渡态、中间体以及产物的立体形象。
一个正确的反应历程应能说明包括立体化学在内的所有实验事实。
所以立体化学对反应历程的测定和研究具有重要的意义。
下面以C=C双键上的亲电加成反应来说明立体化学在反应历程研究中的应用。
以顺-2-丁烯与溴的加成为例，实验结果得到的是外消旋体2，3-二溴丁烷，这说明顺-2-丁烯与溴的加成是反式加成。
若是顺式加成，得到的应为内消旋体，与实验事实不符。
那么，中间体若是碳正离子：
由于碳碳单键（C1-C2）可以自由旋转：
得到的加成产物就不可能完全是外消旋体，也可得到内消旋体，这与实验事实不符，说明中间体不是碳正离子。
现在认为，顺-2-丁烯与溴加成中间体为环状溴正离子（溴瓮离子）
由于形成环状结构中间体，既阻止了环绕碳碳单键自由旋转，同时也限制了Br-只能从三元环的反面进攻。
因为Br-进攻两个碳原子的机会均等。
因此得到的是外消旋体，这就完满地解释了上述反式加成的实验事实。
环己烯与次卤酸加成，生成反式产物的反应也同样说明它是按生成环状中间体历程进行反式加成的。
烯烃与卤素加成一般是按生成环状中间体历程进行反式加成，但也有例外。
如果烯烃双键碳上的取代基可以使生成的碳正离子稳定的话，（如取代基为苯环
等），也可按离子对历程进行，顺式加成。
如：
苊烯在苯溶液中与氯的加成反应是经过碳正离子阶段，与Cl-形成离子对，进行顺式加成。
这是因为生成的碳正离子上的正电荷可以通过共轭分散到整个萘环上，从而比较稳定，且生成的碳正离子可与Cl-形成离子对，结果使两个氯原子按同一方向（顺式）与不饱和键加成。
另外，加成反应的立体选择性随着烯烃的结构，试剂和溶剂的不同而有所不同。
所谓立体选择性是指一个反应能产生几种立体异构体的可能，而一种立体异构体为主要产物说，则称这个反应为立体选择性反应。
由表6-4“PhCH=CHCH3加成反应的立体化学结果”可看出：
溴与PhCH=CHCH3苯基丙烯反应主要是反式加成产物。
氯与PhCH=CHCH3反应主要是顺式加成产物。
溶剂（CH3COOH）极性增强，顺式加成产物增加。
表6-4PhCH=CHCH3加成反应立体化学结果
烯烃
溶剂
Br2
Cl2
顺-PhCH=CHCH3
CCl4
反式加成
顺式加成
反式加成
顺式加成
83
17
32
68
CH3COOH
73
27
22
78
反-PhCH=CHCH3
CCl4
88
12
45
55
CH3COOH
83
17
41
59
作业布置：
Ｐ１４０：
２，３，４，７，１０，１１，１４，１５，１７
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