第四章对映异构( enantiomerism) 分子的结构( molecule structure)是指分子中各原子间相互的结合,它包括分子的构 造、构型和构象。构造异构包括碳架异构、官能圊位置异构、官能团异构和互变异构 分子式和结构式相同,而分子中各原子在空间排布不同而产生的异构称为立体异构 ( stereo isomery),它包括构象异构和构型异构,构型异构又分为顺反异构和对映异构 前几章介绍了构造异构和顺反异构,本章介绍对映异构 51手性和对称性 、手性和对称性 饱和碳原子与四个不同的原子或基团相连时,这个化合物在空间可能有两种不同的 排列。例如:乳酸(2-羟基丙酸) A回@ 图5.1乳酸分子的模型图 52两个乳酸模型不能重合 它们代表的是否是同一化合物呢?初看时,它们像是同样的。但是把这两个模型叠 在一起仔细观察,就会发现,无论把它们怎样放置,都不能使它们完全叠合(见图5.2) 因此它们并不是相同的。这两个模型的关系正像左手和右手的关系一样:它们不能相互 叠合。人的右手与镜子里的左手完全一样,左右手具有互为实物与镜像的关系,相对映 但不能重叠。有些分子(如乳酸)象人的手一样,不能与其镜像重合,这样的分子称为 手性分子( chiral molecule) 不能与镜象叠合是手性分子的特征。但是要判断一个化合物是否具有手性,并非 定要用模型来考察它与镜象能否叠合得起来。一个分子是否能与其镜象叠合,与分子的 对称性有关。只要考察分子的对称性就能判断它是否具有手性。考察分子的对称性,需 要考虑的对称因素主要下列四种: (1)对称轴(旋转轴)设想分子中有一条直线,当分子以此直线为轴旋转360°/n 后(n=正整数),得到的分子与原来的相同,这条直线就是n重对称轴。例如
CH H C==C CH 对称救 图53有2重对称轴的分子 2)对称而(镜面)设想分子中有一平面,它可以把分子分成互为镜象的两半,这个 平面就是对称面。例如 CH3 对称区 绕C H 图54有对称面的分子 (3)对称中心设想分子中有一个点,从分子中任何一个原子出发,向这个点作一直 线,再从这个点将直线延长出去,则在与该点前一线段等距离处,可以遇到一个同样的 原子,这个点就是对称中心。例如 对称中心 CH CH COOH 图5.5有对称中心的分子 (4)交替对称轴(旋转反映轴)设想分子中有一条直线,当分子以此直线为轴旋转 360°/n后,再用一个与此直线垂直的平面进行反映(即以此平面为镜面,作出镜象), 如果得到的镜象与原来的分子完全相同,这条直线就是交替对称铀。例如: 4重交譽对称轴 旋转90° H (D)旋转0·后得(m),(I1)以垂直于旋转轴的平面反映后得(,(= 图56有4重交替对称轴的分子
凡具有对称面、对称中心或交替对称轴的分子,都能与其镜象叠合,都是非手性分 子。而既没有对称面,又没有对称个心,也没有4重交替对称轴的分子,都不能与其镜 象叠合,都是手性分子。对称轴的有无对分子是否具有手性没有决定作用。 在有机化合物中,绝大多数非手性分子都具有对称面或对称中心,或者同时还具有 4重对称轴。没有对称面或对称中心,只有4重交替对称轴的非手性分子是很个别的 因此,只要一个分子既没有对称而又没有对称中心,一般就可以初步断定它是个手性分 、偏振光和旋光性光是一种电磁波,光波振动方向与前进方向垂直。普通光是 含有各种不同波长的光,它们可在各个不同的方向上振动。当普通光通过一个特别的尼 科尔(Nico)棱镜时,由于这种棱镜具有一种特性,它只能使振动平面与棱镜晶轴平行 的光通过,而把在其它平面内振动的光阻挡住。这种只在一个平面内振动的光称为平面 偏振光( plane polarized light),简称偏振光。偏振光振动的平面称为偏振平面,如图5.7 所示。 尼科尔棱镜 普通光 偏振光 图57偏振光 某些物质能使偏振光振动平面发生旋转一个角度,这种性质称为物质的旋光性 ( optical activity)。具有旋光性的物质称为旋光性物质或光学活性物质。能使偏振光的振 动平面向右旋转的物质称为右旋光化合物;反之,称为左旋光化合物。通常用“+”“一” 号表示右旋和左旋。不能使偏振光振动平面转动的物质称为无旋光性物质或非光学活性 物质。 三、旋光度和比旋光度旋光性物质能使偏振光的振动平面旋转的角度a称为旋光 度( opticity)。它是通过旋光仪测定的,旋光仪的工作原理如图58所示。 光源起偏器偏振光盛液管旋转角度n原象观察者 图58旋光仪的工作原理 物质的旋光度大小与试样的浓度、试样溶剂的种类、盛液管长度、光源的波长以及 测定时的温度有关。通常把溶液浓度规定为1,盛液管长度为1dm,这时测得的旋光度 称为比旋光度( specific rotatory power),以q]表示。 /ali 测得的旋光度 溶液的质量浓度x管长(dm)pg×L
式中:t是测定时的温度;λ是所用光源的波长。在一定条件下,物质的比旋光度像熔 点、沸点、密度、折光率一样,是旋光性物质的一个物理常数。例如,天然葡萄糖水溶 液使偏振光右旋,在20℃时用钠光作光源,其比旋光度为52.5°,可表示为: a130=+52.5°(水)。旋光仪不能辨别出a±n×180°的度数,至少要用两个不同的 浓度或不同盛液管的长度测定后,才能确定旋光度 四、分子的手性与旋光性手性分子都有旋光性,具有旋光性的分子都是手性分子。 构造相同,构型不同,互为实物与镜像关系而不能重合的立体异构体,称为对映异构体 ( enantiomorph),简称对应体。例如,(+)-乳酸与(-)一乳酸是一对对映异构体。 对映体是互为镜象的立体异构体,它们的熔点、沸点、相对密度、折光率、在一般 溶剂(非手性)中的溶解度,以及光谱图等物理性质都相同。并且,在与非手性试剂作 用时,它们的化学性质也一样。但是分子结构上的差异,在性质上必然会有所反映。对 映体在物理性质上的不同,只表现在对平面偏振光的作用不同,即旋光性不同。 52含一个手性中心的对异构 有机分子中连四个不同的原子或基团的碳原子,称为不对称碳原子或手性碳原子 ( asymmetric or chiral carbon atom),用C表示。例如,乳酸分子中的第二个碳原子是 手性碳原子。 有一个手性碳原子的化合物有构型不同的两种分子。例如,含有一个手性碳原子的 乳酸就有两种。它们都有旋光性(一个右旋,一个左旋),是互为对映体的立体异构体。 右旋乳酸mB5-+26°,熔点=53℃。左旋乳酸lb5--26°,熔点=53℃。它们可以 分别由葡苟糖在不同的菌种作用下经发酵制得。用化学合成的方法也能制得乳酸,但合 成得到的乳酸和用发酵法得到的乳酸,性质上有差异。前者没有旋光性,熔点只有18 ℃。这是因为由合成得到的乳酸不是单纯的化合物而是等量的右旋乳酸和左旋乳酸的混 合物。右旋乳酸和左旋乳酸旋光方向相反,但旋光能力相等,所以等量混合时,旋光性 就消失了。这种由等量的对映体相混合而形成的混合物叫做外消旋体( racemate)。外消 旋体不仅没有旋光性,并且其他物理性质也往往与单纯的旋光体不同。例如,外消旋乳 酸的熔点(18℃)就比右旋或左旋乳酸的熔点(53℃)低
外消旋体是两种分子的混合物。但这两种分子是对映体,而对映体除旋光方向相反 外,各种物理性质都相同。所以,用一般的物理方法,例如分馏、重结晶等方法,不能 把它们分开。要达到拆开分离的目的,必须采用其他特殊的方法。 对映体的熔点、沸点、折光率、在非手性溶剂中的溶解度及与非手性试剂反应的速 率都相同,而旋光性及与手性试剂或在手性溶剂中的反应速率则不同。生物体内的酶和 各种底物是有手性的,因此,对映体在动、植物中的生理活性往往不同。例如,(一) 一氯霉素有疗效,而(+)一氯霉素没有疗效;(-)一尼古丁的毒性比(+)一尼古丁 大得多;兔子能吸收左旋苹果酸盐,排泄出它的对映体。 53构型的表示法.构型的确定和构型的标记 构型的表示法用分子模型的图形可以清楚地表示出手性碳原子的构型,不方 便。现在广为使用的是菲舍尔( Fischer)投影式。例如,两种乳酸模型的图形和它们的 菲合尔投影式如下 coo COOH I COOH oH HO CH 图59乳酸的分子模型图和菲舍尔投影式 应该注意对于菲舍尔投影式,可以把它在纸面上旋转180°,但决不能旋转90°或 270°,也不能把亡脱离纸面翻一个身。因为旋转180°后的投影式仍旧代表原来的构型 而旋转90°或270°后,原来的竖键变成了横键,原来的横键变成了竖键。如果把投影 式翻个身,则翻身前后所有键的伸出方向刚好相反,因此翻身前后的两个投影式并不代 表同一个构型 、构型的确定对映体可以用两个菲舍尔投影式来表示,其中一个投影式代表右 旋体,另一个代表左旋体,但是哪一个代表右旋体,哪一个代表左旋体,从模型或投影 式中都看不出来。通过旋光仪可以测定出对映体中哪一个是右旋体,哪一个是左旋体, 但是根据旋光方向不能判断构型。因此,对于对映体的构型,在还没有直接测定的方法 之前,只能是任意指定的。即如果指定右旋体构型是两种构型中的其一种,那么左族体 就是另一种。因而这种构型只具有相对的意义。同时对各种化合物的构型如果都这样任 意地指定,必然会造成混乱。为此,有必要选定一种化合物的构型作为确定其他化合物 构型的标准。甘油醛(2,3-二羟基丙醛CHOH-C'HOH-CHO)就是一个被选定的作
为构型标准的化合物,它有有两种构型。它们的投影式如下: CHO CHO OF HOH CHOH CH,OH (11) 现指定(①代表右旋甘油醛的构型,那么(I就是左旋甘油醛的构型。在甘油醛的投 影式中,总是把碳链竖立起来,醛基(第一个碳原子)在上面,而羟甲基(第三个碳原子) 在下面,第二个碳原予(即手性碳原子)的羟基和氢原子在碳链的左右两边。右旋甘油醛 的羟基在右边,氢在左边。而左旋甘油醛则反之。以甘油醛这种人为指定的构型为标准, 再确定其他化合物的相对构型。一般是用通过化学反应把其他化合物与甘油醛相关联或 相对照的方法来确定的。即将未知构型的化合物经过某些化学反应转化成甘油醛。或者 由甘油醛转化成未知构型的化合物。在这些化学转化中,一般是利用反应过程中与手性 碳原子直接相连的键不发生断裂的反应,以保证手性碳原子的构型不发生变化。通过这 样的化学方法确定的各种旋光化合物的构型,是以甘油醛人为指定的构型为标准的,因 此都是相对构型。那么两种甘油醛的真正的构型,即绝对构型是怎样的?1951年 Bijovoet JM通过特种的X光衍射法直接确定了右旋酒石酸铷钠的绝对构型,证实了它的由化学 关联比较法所确定的相对构型与其绝对构型正巧是一致的。从而也证明了过去人为任意 指定的甘油醛的构型也正是其绝对构型。因此,以甘油醛为标准所确定的各种旋光化合 物的相对构型,就是它们的绝对构型。但不能总用ⅹ光衍射法确定化合物的构型,这个 方法并不方便。 三、构型的标记构型的标记法有多种,过去常用的是DL标记法,现在广为采 用的是R-S标记法 D_L标记法是以甘油醛的构型为对照标准来进行标记的。右旋甘油醛的构型被定 为D型,左旋甘油醛的构型被定为L型。凡通过实验证明其构型与D甘油醛相同的 化合物,都叫做D型的,命名时标以“D”;而构型与L一甘油醛相同的,都叫做L型 的,命名时标以“L”。“D”和“L”只表示构型,不表示旋光方向。命名时,若既要表 示构型又要表示旋光方向,则旋光方向用“(+)”或“(-)”表示。例如,已证明左旋 乳酸的构型与右旋甘油醛即D甘油醛)相同,所以左旋乳酸的名称为D(-)一乳 酸。相应的,右旋乳酸就是L—(+)—乳酸。 D_L标记法应用已久,也较为方便。但是这种标记只表示出分子中一个手性碳原 子的构型。对于含有多个手性碳原子的化合物,用这种标记法并不合适,有时甚至会产
生名称上的混乱。有些化合物同甘油醛关联困难时,也不宜用DL标记法。 R—S标记法是根据手性碳原子所连四个基团在空间的排列来标记的。其方法是, 先把手性碳原子所连的四个基团设为a、b、c、d,将它们按次序规则排队。若a、b、c、 d四个基团的顺序是a最先,b其次,c再次,d最后。将该手性碳原子在空间作如下安 排:把排在最后的基团d置于离观察者最远的位置,然后按先后次序观察其他三个基团。 即从排在最先的a开始,经过b,再到c轮转着看。如果轮转的方向是顺时针的,则将 该手性碳原子的构型标记为“R”(拉丁文 Rectus的缩写,“右”的意思);反时针时, 则标记为“S”(拉丁文 Sinister的缩写,“左”的意思) CH3 顺时针顺序,(R)-2-丁醇 反时针顺序,(S)-2-丁醇 R—S标记法也可直接用于菲舍尔投影式。先将次序排在最后的基因d放在一个竖 立的键上,然后依次轮看a、b、c。如果是顺时针方向轮转的,该投影式所代表的构型 即为R型,如果是反时针方向轮转的,即为S型 腺其闭找序为:a>b>c>d 53具有两个手性中心的对肤异构 分子中含有的手性碳原子愈多,异构体的数目愈多。含有两个手性碳原子的,有四 种异构体,含有三个手性碳原子的,就右八种异构体。一般,含有n个手性碳原于的化 合物,最多可以有2种立体异构体。但有些分子异构体的数目小于这个最大可能数。 具有两个不同手性碳原子的对映异构氯代苹果酸(2羟基一3—氯丁二酸) 合有两个手性碳原子的化合物,有四个立体异构体 COOH COOH COOH Q Ho→H H--OH HO H c H H--Ci H H COOH COOH COOH COOH n Ir CITy 2H.3P) (28.3S 23 28,8
这四种异构体中,(D)与(ID是对映体,(I与(V)是对映体,()与(I的等量混合物是 外消旋体,(I)与(ⅠV)的等量混合物也是外消旋体。即两对对映体可以组成两种外消旋 体。(①与(Ⅲ或(ⅣV,以及(与(I或(IV)也是立体异构体。但它们不是互为镜象,不是 对映体。这种不对映的立体异构体叫做非对映体。对映体除旋光方向相反外,其他物理 性质都相同。非对映体旋光度不相同,而旋光方向则可能相同,也可能不同,其他物理 性质都不相同。因此非对映体混合在一起,可以用一般的物理方法将它们分离开来。 麻黄碱分子中也有两个不同的手性碳原子,有四个立体异构 具有两个相同手性碳原子的对映异构当分子中有两个相同手性碳原子时,只 有三个立体异构。例如,酒石酸(2,3-二羟基丁二酸)合有两个手性碳原子,可能有下 列四种构型: COOH COOH COOH COOH H--OH HO-F-H H-OH HO--H HO--H H--OH H-OH HO--H COOH COOH COOH COOH (il (IY (2R,3E) (2S,3S) (2P,36) (2S,3 ①)与(I)是对映体,(ID与(Ⅳ)也好像是对映体,但实际上(I和(V)是同一种分子, 把(I在纸面上旋转180°,即可与(ⅣV)重合。(I1分子中有对称面,分子中两个手性碳 原子的构型是相反的,因而旋光能力彼此抵消,分子不具有旋光性,这种分子称为内消 旋体( mesomer),用m表示 内消旋体和外消旋体都没有旋光性,但它们本质不同。前者是一个单纯的手性分子 而后者是两种互为对映体的手性分子的等量混合物,所以外消旋体可以用特殊方法拆分 戊两个组分,而内消旋体是不可分的(它是一个化合物)。 54手性中心的产生 第一个手性中心的产生一个碳原子连接两个相同的和两个不同的原子和基团 时,例如CⅩ2YZ,这个碳原子称为前手性碳原子和前手性中心。Ⅹ被W取代,生成 CXYZW是含一个手性碳原子的化合物。例如 C2和C3上的氢取代的几率是相等的,因此生成外消旋体 、第二个手性中心的产生如果在一个旋光体分子中生成的二个手性碳原子,生
成非对映体的量是不等的。例如 C3上的氢原子从不同方向被取代时,可生成两种不同构型的2,3-二氯丁烷,即S,S (旋光体)和SR(内消旋体)两种产物,它们的比例为29:71。 55不含手性碳原子化合物的对肤异构 前面讨论的各种手性分子都含有手性碳原子。但在有机化分物中,也有一些手性分 子并不含有手性碳原子,但可以存在不能重叠的对映体 丙二烯型化合物如果丙二烯型化合物两端碳原子连接两个不同的原子或基 团,就可以存在一对对映体。例如,2,3-戊二烯分子中有一个手性轴,有如下的对映体。 CH CH: CH CH /CC C C\rC-c H 对你 联苯型化合物这一类手性分子是由于某种强制的原因造成的。联苯分子中两 个苯环通过一个单链相连。当苯环邻位上连有体积较大的取代基时,两个苯环之间单键 的自由旋转受到阻碍,致使两个苯环不能处在同一个平面上,因而就有手性。例如,6,6′ 硝基-2,2′-联苯二甲酸的对映体如下: No NO HOOC COOF HOOC COOH 对映体 外消旋体的拆分方法有:(1)机械拆分法(2)微生物拆分法(3)选择吸附拆分法(4)诱导 结晶拆分法(5)化学拆分法,这种方法应用最广 手性中心的产生与手性合成有密切关系。能生成有光学活性物质的合成,称为不对 称合成或手性合成 asymmetric or chiral synthesis)。手性合成广泛应用于有机反应机理
酶催化活性、有生物活性的天然产物的合成、药物合成等硏究领域。手性合成是当前有 机化学最活跃的研究领域之一,2001年诺贝尔化学奖授于在手性合成方面有突出贡献的 三位有机化学家