1、第二章 立體化學(Stereochemistry)同分異構現象同分異構現象 碳鏈異構碳鏈異構 構造異構構造異構 位置異構位置異構 官能團異構官能團異構 同分異構同分異構互變異構互變異構 順反異構順反異構 構型異構構型異構 立體異構立體異構旋光異構旋光異構 構象異構構象異構 第一節順反異構 (Cis-trans isomerism)一、順反異構的概念 烯烴分子中，由于雙鍵中的 p-鍵不能自由旋轉，因此，與雙鍵碳原子相連的原子或基團在空間就有不同的排布方式，產生兩種異構體，相同的原子或基團在雙鍵的同側為順式（cis），異側為反式（trans），它們互為順反異構體。如順-2-丁烯和 反-2-丁烯；順

2、-丁烯二酸和反-丁烯二酸。 順-2-丁烯 Z- 反-2-丁烯 E-CCCH3CH3HHHHCH3CH3CC 順-丁烯二酸 Z- 反-丁烯二酸 E- HHCOOHCOOHCCHCCHCOOHCCHOOCH 并非所有具有雙鍵的化合物都有順反異構體，如丙烯就沒有順反異構體。這就是說，分子中具有雙鍵只是產生順反異構的一個條件，還存在其它條件。HHCH3CCHHCH3CCHH二、產生順反異構的條件1、分子中具有不能自由旋轉的因素；、分子中具有不能自由旋轉的因素；2、不能旋轉的原子上連有不同的原子或基團。、不能旋轉的原子上連有不同的原子或基團。 分子是否具有順反異構的兩個充分必要條件。分子是否具有順反異構

3、的兩個充分必要條件。具有順反異構的分子都符合這兩個條件，符合這兩個條件的分子都具有順反異構。 CH2=CHCH2CH3, CH3CH=CHCH2CH3HOOCCOOHHOOCCOOHCH3CH3CH2CNOH.NN.三、順反異構表示方法1、順/反 構型表示法2、Z/E 構型表示法 兩個較優先的基團位于雙鍵的同側為 Z，異側為 E。 HHCH2CH3CH3CCHHCH3ClCC CCClIFBrCCCH2CH3CH3CH2CH2CH(CH3)2H3CHCCCH3HCH2CCHHCH3HCH3HCCCH2HCH3CCHCH3CCHHCH2CCHCH3H順，反順，反2，5庚二烯庚二烯順，順順，順2，

4、5庚二烯庚二烯反，反反，反2，5庚二烯庚二烯當雙鍵數目增加時，順反異構體數目也增加。命名時注意當雙鍵數目增加時，順反異構體數目也增加。命名時注意使使Z型雙鍵有較低位次。型雙鍵有較低位次。四、順反異構體性質 順反異構體之間在結構上雖然相差很小，但性質卻有很大差異，既表現在理化性質上，也表現在生理活性上。1、物理性質、物理性質1，2二氯乙烯二氯乙烯 偶極距偶極距 b.p. nD20 d420(g/mL)順順 1.89D 60.3 1.4486 1.2835 1.4486 1.2835反反 0 48.4 1.4454 1.25650 48.4 1.4454 1.2565丁烯二酸丁烯二酸溶解度（水中）

5、溶解度（水中） m.p.順順 77.8g/100mL 130反反 0.7g/100mL 3000.7g/100mL 300 2. 化學性質化學性質HCCOOHCHCOOH140HCCHCCOOO+ H2O 反丁烯二酸在同樣溫度下不反應，只有溫度反丁烯二酸在同樣溫度下不反應，只有溫度增至增至275 ，才有部分生成丁烯二酸酐。，才有部分生成丁烯二酸酐。CH3CH2CCH3CH2COHOHHOOHCCH2CH3CCH3CH23. 生理活性生理活性反己烯雌酚反己烯雌酚 生理活性大生理活性大第二節 旋光異構(Optical isomerism) 旋光異構又稱光學異構、對映異構。異構體構造相同，原子或基團

6、在空間伸展方向不同，物理性質上主要表現為旋光性不同。一、物質的旋光性（一）平面偏振光和物質的旋光性（一）平面偏振光和物質的旋光性1平面偏振光平面偏振光(Plane-polarized light)光波是一種電磁波，它的振動方向與前進方向垂直。AABBCD光源（1 ）光的前進方向與振動方向DC（2）普通光的振動平面圖 6-1 光的傳播光束前進方向在光前進的方向上放一個（Nicol）棱晶或人造偏振片，只允許與棱晶晶軸互相平行的平面上振動的光線透過棱晶，而在其它平面上振動的光線則被擋住。這種只在一個平面上振動的光稱為平面偏振光，簡稱偏振光或偏光。AABCDBDCAA普通光平面偏振光晶軸Nicol棱晶

7、2物質的旋光性物質的旋光性(Optical activity) 能使平面偏振光振動平面旋轉的物質稱為物質的旋光性，具有旋光性的物質稱為旋光性物質（也稱為光活性物質）。AABCDBDCAAAABCDBDCAA乙醇不旋光物質乳酸旋光性物質能使偏振光振動平面向右旋轉的物質稱右旋體，能使偏振光振動平面向左旋轉的物質稱左旋體，使偏振光振動平面旋轉的角度稱為旋光度，用表示。（二）旋光儀與比旋光度（二）旋光儀與比旋光度1.旋光儀(Polarimeter) 測定化合物的旋光度是用旋光儀，旋光儀主要部分是有兩個尼可爾棱晶（起偏棱晶和檢偏棱晶），一個盛液管和一個刻度盤組織裝而成。 若盛液管中為旋光性物質，當偏光透

8、過該物質時會使偏光向左或右旋轉一定的角度，如要使旋轉一定的角度后的偏光能透過檢偏鏡光柵，則必須將檢偏鏡旋轉一定的角度，目鏡處視野才明亮，測其旋轉的角度即為該物質的旋光度(Optical rotation)。如下圖所示：ABCDAABDA乳酸旋光性物質目鏡（亮）起偏鏡檢偏鏡盛液管2.比旋光度比旋光度(Specific rotation)旋光性物質的旋光度的大小決定于該物質的分子結構，并與測定時溶液的濃度、盛液的長度、測定溫度、所用光源波長等因素有關。為了比較各種不同旋光性物質的旋光度的大小，一般用比旋光度來表示。比旋光度與從旋光儀中讀到的旋光度關系如下。 t=L x C比選光度 波長（鈉光D)盛

9、液長度（分米dm）溶液的濃度（g/ml）測定溫度旋光度（旋光儀上的讀數）當物質溶液的濃度為1g/ml，盛液管的長度為1分米時，所測物質的旋光度即為比旋光度。若所測物質為純液體，計算比旋光度時，只要把公式中的C換成液體的密度d即可。 最常用的光源是鈉光（D），=589.3nm,所測得的旋光度記為 所用溶劑不同也會影響物質的旋光度。因此在不用水為溶劑時，需注明溶劑的名稱，例如，右旋的酒石酸在5%的乙醇中其比旋光度為： = +3.79 (乙醇，5%)。 20 DDt二、二、 對映異構現象與分子結構的關系對映異構現象與分子結構的關系 （一）對映異構現象的發現（一）對映異構現象的發現（二）手性和對稱因素

10、（二）手性和對稱因素1 手性(Chirality) （以乳酸CH3C*HOHCOOH為例來討論）乳酸有兩種不同構型（空間排列）COOHCHOHCH3COOHCH3CHOHCOOHCH3-OH順時針排列反時針排列透視式鏡子特征：特征：（1）不能完全重疊，（2）呈物體與鏡象關系（左右手關系）。物質分子互為實物和鏡象關系（象左手和右手一樣）彼此不能完全重疊的特征，稱為分子的手性。 具有手性（不能與自身的鏡象重疊）的分子叫做手性分子(Chiral molecule)。 連有四個各不相同基團的碳原子稱為手性碳原子(Chiral carbon atom)（或手性中心）用C*表示。 凡是含有一個手性碳原子的

11、有機化合物分子都具有手性，是手性分子。2.分子對稱因素分子對稱因素(Symmetry factor)物質分子能否與其鏡象完全重疊（是否有手性），可從分子中有無對稱因素來判斷，最常見的分子對稱因素有對稱面和對稱中心。（1）對稱面）對稱面(Planes of symmetry) 假設分子中有一平面能把分子切成互為鏡象的兩半，該平面就是分子的對稱面，例如：CCH3ClClHCCHClHCl對稱面對稱面具有對稱面的分子無手性。（2）對稱中心）對稱中心(Symmetric center)若分子中有一點P，通過P點畫任何直線，如果在離P等距離直線兩端有相同的原子或基團，則點P稱為分子的對稱中心。例如：CO

12、OHCOOHBrBrHHHHPCH3CH3BrBrHHHHHHHHP有對稱中心的分子沒有手性。 物質分子在結構上具有對稱面或對稱中心的，就無手性，因而沒有旋光性。 物質分子在結構上既無對稱面，也無對稱中心的，就具有手性，因而有旋光性。三、三、 含一個手性碳原子化合物的對映異構含一個手性碳原子化合物的對映異構（一）對映體對映體(Enantiomers)1對映體對映體互為物體與鏡象關系的立體異構體。互為物體與鏡象關系的立體異構體。 含有一個手性碳原子的化合物一定是手性分子，含有兩種不同的構型，是互為物體與鏡象關系的立體異構體，稱為對映異構體（簡稱為對映體）。 對映異構體都有旋光性，其中一個是左旋的

13、，一個是右旋的。所以對映異構體又稱為旋光異構體。2對映體之間的異同點對映體之間的異同點（1）物理性質和化學性質一般都相同，比旋光度的數值相等，僅旋光方向相反。（2）在手性環境條件下，對映體會表現出某些不同的性質，如反應速度有差異，生理作用的不同等。（二）外消旋體（二）外消旋體(Racemic mixture) 等量的左旋體和右旋體的混合物稱為外消旋體，一般用（）來表示。 外消旋體與對映體的比較（以乳酸為例）： 旋光性旋光性 物理性質物理性質 化學性質化學性質 生理作用生理作用 外消旋體外消旋體 不旋光 mp 18 基本相同 各自發揮其左右 對映體對映體 旋光 mp 53 基本相同 旋體的生理功

14、能（三）對映體構型的表示方法（三）對映體構型的表示方法1.構型的表示方法構型的表示方法 對映體的構型可用立體結構（楔形式和透視式）和費歇爾（EFischer）投影式表示， (1)立體結構式COOHHOHCH3CCOOHCH3HOHCCOOHCH3OHH乳酸優點： 形象生動，一目了然缺點： 書寫不方便楔形式透視式（2）Fischer投影式 為了便于書寫和進行比較，對映體的構型常用費歇爾投影式表示： COOHHCH3OHHCOOHOHCH3HOHCH3COOH乳酸對映體的費歇爾投影式投影原則：投影原則：1 橫、豎兩條直線的交叉點代表手性碳原子，位于紙平面。2 橫線表示與C*相連的兩個鍵指向紙平面的

15、前面，豎線表示指向紙平面的后面。3 將含有碳原子的基團寫在豎線上，編號最小的碳原子寫在豎線上端。使用費歇爾投影式應注意的問題問題： a 交叉點代表手性碳，位于紙平面上。 b 基團的位置關系是“橫前豎后” C 將投影式在紙平面上旋轉180，仍為原構型。2.判斷不同投影式是否同一構型的方法：判斷不同投影式是否同一構型的方法： （1）將投影式在紙平面上旋轉180，仍為原構型。HOHCOOHCH3HHOCOOHCH3在紙平面180（2）任意固定一個基團不動，依次順時針或反時針調換另三個基團的位置，不會改變原構型。HCH3OHC2H5HOHCH3HOHCHH3COHHC2H5C2H5C2H5=（3）對調

16、任意兩個基團的位置，對調偶數次構型不變，對調奇數次則為原構型的對映體。例如：HOCHOCH2OHHHOHCH2OHCHOHOCHOCH2OHHHCHOCH2OHOHOH與H對調一次CHO與 對調一次OH與H對調一次同一構型對映體CH2OH3、投影式特點的應用 判斷兩投影式是否代表同一分子；HOHCH2OHCHOCHOCH2OHOHH 將非標準投影式變換成標準投影式，以便于表示構型。 CHOCH2OHOHHHOHCH2OHCHO四、相對構型和絕對構型 1951 年前，知道手性分子具有旋光性，存在一對對映體，對映體在空間有不同的排布；旋光大小相等，方向相反。不知道左旋體或右旋體的確切排布形式，也即

17、是不知道原子或原子團的真實排不情況。 為了便于研究，人為地規定了甘油醛的構型，并以此為標準，通過聯系的方法，確定其它手性分子的構型，這種以人為規定的甘油醛為基礎所得到的構型稱為相對構型。 分子中原子或基團在空間的真實排布稱為絕對構型。L-(-)甘油醛 D-(+)甘油醛 CHOCH2OHOHHHHOCH2OHCHOCOOHCH3HOHHOHCH3COOHL-乳酸 D-乳酸COOHCH3NH2HHH2NCH3COOHL-(+)丙氨酸 D-(-)丙氨酸五、旋光異構體構型的表示方法D/L 構型表示法：構型表示法： 以標準的費歇爾投影式為基礎，在標準的費歇爾投以標準的費歇爾投影式為基礎，在標準的費歇爾投

18、影式中，羥基或氨基在投影式的右邊為影式中，羥基或氨基在投影式的右邊為D型，左邊為型，左邊為 L 型。型。 若投影式不是標準的費歇爾投影式，這首先將其調若投影式不是標準的費歇爾投影式，這首先將其調整為標準的費歇爾投影式，再判斷構型。整為標準的費歇爾投影式，再判斷構型。D/L 構型表構型表示法適用于糖類、氨基酸和肽類。示法適用于糖類、氨基酸和肽類。 局限性：對于既不含羥基又不含氨基的手性分子及局限性：對于既不含羥基又不含氨基的手性分子及含有多個手性碳原子的分子，例如含有多個手性碳原子的分子，例如 3-甲基己烷，甲基己烷，2-氯氯丁烷，丁烷，2,3-二氯丁烷，酒石酸等。二氯丁烷，酒石酸等。CH3CH

19、2CH3ClHHClCH2CH3CH3HCH3CH3CH2CH2CH2CH3R/S 構型表示法： 1970年國際上根據IUPAC的建議，構型的命名采用R、S法，這種命名法根據化合物的實際構型或投影式就可命名。R、S命名規則：命名規則： 按次序規則將手性碳原子上的四個基團排序。 把排序最小的基團放在離觀察者眼睛最遠的位置，觀察其余三個基團由大中小的順序，若是順時針方向，則其構型為R（R是拉丁文Rectus的字頭，是右的意思），若是反時針方向，則構型為S（Sinister,左的意思）。COOHHOHCH3按 次 序 規 則反 時 針 排 列 S型O H CO O H CH3 HCHCH3OHCOO

20、H反 時 針 排 列 S型ooCH3BrHC2H5Br C2H5 CH3 H順時針排列 R型基團順序o快速判斷快速判斷Fischer投影式構型的方法投影式構型的方法： 1當最小基團位于橫線時，若其余三個基團由大中小為順時針方向，則此投影式的構型為S，反之為R。 2當最小基團位于豎線時，若其余三個基團由大中小為順時針方向，則此投影式的構型為R，反之為S。CH2OHCHOHCH3HHOCOOHHOCOOHHOHCH3HOHCHOCH2OH六、六、 含兩個手性碳原子化合物的對映異構含兩個手性碳原子化合物的對映異構 一、含兩個不同手性碳原子的化合物一、含兩個不同手性碳原子的化合物這類化合物中兩個手性碳

21、原子所連的四個基團不完全相同。例如：CH3CH-BrCH-BrCH2CH3COOHCH-OHCH-ClCOOHCH3CH-OHCH-C6H5CH32-羥基-3-氯丁二酸 （氯代蘋果酸）3-苯基-2-丁醇2，3-二溴戊烷我們以氯代蘋果酸氯代蘋果酸為例來討論1.對映異構體的數目對映異構體的數目其Fischer投影式如下：HOHHClHOHClHHOHClHHOHHClCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOH(1)(2)(3)(4)對映體對映體m.p173173167167D20 -7.1+7.1-9.3+9.3( )m.p145m.p157外消旋體外消旋體非對映體含n個不同

22、手性碳原子的化合物，對映體的數目有2 n個，外消旋體的數目2 n-1個。2.非對映體非對映體（Diastereomers)不呈物體與鏡象關系的立體異構體叫做非對映體。分子中有兩個以上手性中心時，就有非對映異構現象。非對映異構體的特征特征：1 物理性質不同（熔點、沸點、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 化學性質相似，但反應速度有差異。二、含兩個相同手性碳原子的化合物二、含兩個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兩個相同的手性碳原子。HOOC-CH-CH-COOHOHOHCH3-CH-CH-CH3ClCl*COOHHOHHOHHOHHOHHOH

23、HOHHOHHOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOH(1)(2)(3)(4)對映體同一物質 20+12-1200 D（ ）酒石酸（m）酒石酸外消旋體內消旋體（分子中有對稱面）（3）、（4）為同一物質，因將（3）在紙平面旋轉180即為（4）。因此，含兩個相同手性碳原子的化合物只有三個立體異構體，少于2 n個，外消旋體數目也少于2 n-1個。 內消旋體(Mesomer)與外消旋體的異同異同 相同點相同點：都不旋光 不同點不同點：內消旋體是一種純物質，外消旋體是兩個對映體的等量混合物，可拆分開來。 酒石酸的三種異構體和外消旋體的物理常數。 從內消旋酒石酸可以看出，含多個手性碳原

24、子的化合物，分子不一定是手性的。故不能說含手性碳原子的分子一定有手性。綜上所述：分子的手性是其具有旋光性和存在對映體的根本原因，分子中存在手性碳原子只是分子具有手性的一個較為常見的原因。有些沒有手性碳原子的分子，同樣具有旋光性和存在對映體，七、七、 不含手性碳原子化合物的對映異構不含手性碳原子化合物的對映異構 一、丙二烯型化合物一、丙二烯型化合物 如果丙二烯兩端碳原子上各連兩個不同基團時，由于所連四個基團兩兩各在相互垂直的平面上，分子就沒有對稱面和對稱中心，因而有手性。CCCbaabCCCbbab有手性無手性sp2sp如2，3-戊二烯就已分離出對映異構體。CCCCCCCH3HCH3HHCH3H

25、CH3二、單鍵旋轉受阻礙的聯苯型化合物二、單鍵旋轉受阻礙的聯苯型化合物 COOHBrCOOHBr八、對映體的合成及生物化學（自學）八、對映體的合成及生物化學（自學） 思考題： 1、外消旋體拆分的原理是什么？請舉例說明 2、試用氯代反應機理來說明下列事實： （S）ClCH2CHCH2CH3CH3Cl2hClCH2CCH2CH3CH3Cl*( 外消旋體)3、舉例說明手性分子的生物作用 第三節構象異構（Conformational isomerism) 在有機化學的發展過程中，一段時間一直認為單鍵是可以自由旋轉的，后來發現某些聯苯的衍生物具有手性以后，才知道單鍵的旋轉在一定條件下會受到阻礙。1936

26、 年以后，人們開始認識到即使是很簡單的化合物，其單鍵的旋轉也不是完全自由的，這樣即產生了構象的概念。所謂構象，是指由于單鍵的旋轉所產生造成的原子或基團在空間的不同排布，即不同形象。一、烷烴的構象 （一）乙烷的構象 乙烷有無數種構象，其中最典型的是交叉式和重疊式，前者能量最低，是穩定的構象，后者能量最高，是最不穩定的構象。其它構象的能量和穩定性都介于此二者之間。常溫下，乙烷是所有構象的平衡混合物，交叉式含量最高。構象的表示方法Sawhorse 透視式（鋸木架透視式）重疊式 交叉式 Newmann 投影式（紐曼投影式） 重疊式 交叉式 HHHHHHHHHHHH （二）丁烷的構象 丁烷也有無數種構象

27、，典型的有四種，分別是對位交叉式（反疊，ap)、鄰位交叉式(順錯， sc)、部分重疊式(反錯，ac)和全重疊式(順疊，sp)。四種典型的構象的能量從對位交叉式到全重疊式依次升高。對位交叉式 能量最低，是最穩定構象，鄰位交叉式是次穩定構象，全重疊式是最不穩定構象。 二、環烷烴的構象（一）環丁烷的構象 與環丙烷相似，環丁烷分子中存在著張力，但比環丙烷的小，因在環丁烷分子中四個碳原子不在同一平面上，見右圖：根據結晶學和光譜學的證明，環丁烷是以折疊式構象存在的，這種非平面型結構可以減少C-H的重疊，使扭轉張力減小。環丁烷分子中 C-C-C鍵角為 111.5，角張力也比環丙烷的小，所以環丁烷比環丙烷要穩

28、定些，總張力能為108KJ/mol。 （二）環戊烷的構象環戊烷分子中，C-C-C夾角為108，接近sp3雜化軌道間夾角109.5，環張力甚微，是比較穩定的環。但若環為平面結構，則其C-H鍵都相互重疊，會有較大的扭轉張力，所以，環戊烷是以折疊式構象存在的，為非平面結構，見右圖，其中有四個碳原子在同一平面，另外一個碳原子在這個平面之外，成信封式構象。 這種構象的張力很小，總張力能25KJ/mol，扭轉張力在2.5KJ/mol以下，因此，環戊烷的化學性質穩定。 在環己烷分子中，六個碳原子不在同一平面內，碳碳鍵之間的夾角可以保持109.5因此環很穩定。環己烷也具有無數種構象，有兩種最典型的構象，分別是

29、椅式和船式構象，椅式構象C-H 鍵都處于交叉位置，能量最低，是穩定構象。船式構象中許多C-H 鍵都處于重疊位置，尤其是兩個旗桿氫距離很近，有較強的排斥作用，因此能量比椅式高得多，是不穩定構象。 （三）環己烷的構象椅式構象穩定的原因：船式構象不穩定的原因： 平伏鍵（e鍵）與直立鍵（a鍵）在椅式構象中C-H鍵分為兩類。第一類六個C-H鍵與分子的對稱軸平行，叫做直立鍵或a鍵（其中三個向環平面上方伸展，另外三個相換環平面下方伸展）；第二類六個C-H鍵與直立鍵形成接近109.5的夾角，平伏著相環外伸展，叫做平伏鍵或e鍵。如下圖： 在室溫時，環己烷的椅式構象可通過C-C鍵的轉動（而不經過碳碳鍵的斷裂），由一種椅式構象變為另一種椅式構象，在互相轉變中，原來的a鍵變成了e鍵，而原來的e鍵變成了a鍵。當六個碳原子上連的都是氫時，兩種構象是同一構象。連有不同基團時，則構象不同。 （四）取代環己烷的構象 取