第二十章 对映异构

第二十章 对映异构 (Enantiomerism)

立体化学 (Stereochemistry)：从立体观点研究分子的结构以及分子的立体结构对其物理性质和化学反应的影响。

奠基人：Pasteur (1822–1895)、van’t Hoff (1852–1911)、Kekulé (1829–1896)

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20.1 手性与对映异构

20.1.1 基本概念

术语	定义
手性 (Chirality)	物体/分子与其镜像不能重合的现象
手性分子	具有手性的分子
对映异构体 (Enantiomer)	互为镜像关系、相似而不能重合的一对同分异构体
手性碳 (Chiral Carbon)	与四个不同的原子或基团相连的碳原子 (标为 $\mathrm{C}{}^{\ast }$)
非手性分子	能够与自身镜像重合的分子

1848 年，Pasteur 分离酒石酸钠铵——两个异构体的性质区别仅为旋光方向相反。

20.1.2 对称因素与手性判断

对称因素	判定
对称面 ($\sigma$)	通过分子将分子分成实物与镜像两部分的平面 → 有则非手性
对称中心 ($i$)	通过该点的任意直线，等距两端有相同原子/基团 → 有则非手性

判断手性：有对称面或对称中心 → 非手性；两者均无 → 手性。

# 手性碳：连有四个不同基团的碳
C(F)(Cl)(Br)I
# 乳酸：CH₃-CH(OH)-COOH，C₂为手性碳
CC(O)C(=O)O

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20.2 光学活性 (Optical Activity)

20.2.1 平面偏振光与旋光性

术语	定义
平面偏振光	只在一个平面振动的光
旋光性物质	能使偏振光发生偏转的物质（手性分子）
非旋光性物质	不能使偏振光偏转的物质（非手性分子，如乙醇、水）

20.2.2 旋光度与比旋光度

$\text{比旋光度 }[\alpha {]}_{\lambda }^t=\frac{\alpha }{l\cdot c}$

• $\alpha$：旋光度（偏振光偏转的角度）
• $l$：盛液管长度 (dm)
• $c$：浓度 (g/mL)
• $t$：温度；$\lambda$：光源波长（常用 Na D 线）

符号	含义
$d$ 或 $(+)$	右旋 (dextrorotatory)，偏振光顺时针旋转
$l$ 或 $(-)$	左旋 (levorotatory)，偏振光逆时针旋转

20.2.3 对映体的性质

性质	对映体之间
熔点/沸点/溶解度/pKa	相同
旋光度大小	相同，方向相反
在非手性环境中的化学性质	相同
在手性环境中的化学性质	可能不同（手性试剂/溶剂/催化剂）

酒石酸实例：$(+)$ 和 $(-)$ 酒石酸 mp 均为 170°C，$[\alpha ]$ 分别为 $+12^{\circ }$ 和 $-12^{\circ }$，$pKa$ 相同。

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20.3 手性的生物学意义 ⭐

Pasteur：“生命是由不对称作用所主宰”

实例	说明
(+)-香芹酮	留兰香味
(−)-香芹酮	薄荷味
天冬酰胺 (Asn)	L-苦味，D-甜味
Thalidomide（反应停）	R-镇静剂；S-强畸胎剂（20世纪最大药害事件）
Vc	右旋体可医治坏血病
谷氨酸	右旋体有调味作用
麻黄碱	右旋才能舒张血管治高血压

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20.4 构型表示法

20.4.1 三种表示方式

方法	特点
透视式	楔形线（前）/虚线（后）/实线（面内）
Fischer 投影式	横键向前，竖键向后；碳链竖立，小号碳在上
Newman / 锯架式	沿 C–C 键投影

20.4.2 Fischer 投影式书写规则

1. 主链竖立成直链，编号小的碳原子在上方
2. 横键向前，竖键向后
3. 碳链不写 C 符号，以交叉点表示

20.4.3 Fischer 式构型转变规律

操作	结果
交换两个基团	→ 对映体
一个不动，三个依次轮换	→ 同一化合物
平面旋转 $90^{\circ }$	→ 对映体
平面旋转 $180^{\circ }$	→ 同一化合物

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20.5 构型标记法

20.5.1 D/L 标记法（相对构型）

以 D-(+)-甘油醛 为标准，通过化学关联比较法确定。

$\mathrm{D}-(+)-甘油醛\to \mathrm{D}-(-)-乳酸$

1951 年 X 射线衍射证实：人为规定的 D-(+)-甘油醛构型正好是绝对构型。

20.5.2 R/S 标记法（绝对构型）⭐

Cahn-Ingold-Prelog 规则：

(1) 按次序规则确定手性碳上四个基团的优先顺序：$a>b>c>d$

(2) 将次序最小基团 ($d$) 放在远离观察者的方向

(3) 观察 $a\to b\to c$ 的排列方向：

方向	标记
顺时针 (clockwise)	R (Rectus, 右)
逆时针 (counterclockwise)	S (Sinister, 左)

Fischer 投影式的 R/S 快捷判断

$d$ 的位置	$a\to b\to c$ 顺时针 →	$a\to b\to c$ 逆时针 →
竖键上	R	S
横键上	S	R

$d$ 在竖键：顺=R/逆=S；$d$ 在横键：顺=S/逆=R（翻转）。

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20.6 含一个手性中心的对映异构

20.6.1 对映体

对映体中，一个是左旋体，另一个是右旋体（旋光方向相反，大小相等）。

$\text{R-}\alpha \text{-氨基丙酸}⟷\text{S-}\alpha \text{-氨基丙酸}$

20.6.2 外消旋体 (Racemate, dl- 或 ±)

一对对映体的等量混合物。旋光度为零。

• 外消旋体是混合物，可用特殊方法拆分
• 不能用蒸馏、分馏、重结晶、非手性柱层析分离（对映体在这些条件下性质相同）

20.6.3 乳酸三种来源

来源	产物	旋光性
肌肉提取	d-(+)-乳酸	右旋
葡萄糖发酵	l-(−)-乳酸	左旋
酸牛奶	(±)-乳酸	外消旋体，无旋光

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20.7 含两个手性中心的对映异构

20.7.1 总框架

$立体异构体数目=2^n(n=手性碳个数)$

20.7.2 两个不同手性碳

4 个立体异构体 → 2 对对映体。

构型	关系
(2R,3R) ↔ (2S,3S)	对映体
(2R,3S) ↔ (2S,3R)	对映体
(2R,3R) vs (2R,3S)	非对映体

20.7.3 两个相同手性碳

3 个立体异构体（$<2^2=4$）。因为 $(2R,3S)\equiv (2S,3R)$ → 内消旋体 (meso)。

种类	旋光性	本质
(R,R) ↔ (S,S)	有（对映体）	纯物质
(R,S) ≡ (S,R)	无（内消旋体）	分子内有对称面，旋光性在分子内相互抵消

20.7.4 非对映体 (Diastereomer) 性质

性质	对映体之间	非对映体之间
物理性质 (mp/bp/溶解度)	相同	不同
比旋光度	方向相反，大小相等	不同
旋光方向	相反	可同可不同
同一试剂的反应性	相同	不同

麻黄碱实例：四个立体异构体中，(Ⅰ,Ⅱ) 为一对对映体，(Ⅲ,Ⅳ) 为一对，两组间为非对映体（mp 不同：34°C vs 118°C）。

20.7.5 外消旋体 vs 内消旋体

对比	外消旋体 ($\pm$)	内消旋体 (meso)
本质	混合物（对映体等量）	纯物质
旋光性	无	无
原因	对映体旋光相互抵消	分子内对称面抵消
可否拆分	可（手性拆分）	不可

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20.8 脂环化合物的对映异构

化合物	有无对称面	旋光性
烯烃	有（分子平面即对称面）	无
顺-环丙烷衍生物	有	无（内消旋）
反-环丙烷衍生物	无	有

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20.9 不含手性中心的异构

20.9.1 丙二烯型 — 手性轴

$\mathrm{CH}{}_3-\mathrm{CH}=\mathrm{C}=\mathrm{CH}-\mathrm{CH}{}_3$

两端碳各连两个不同基团 → 两个 $\pi$ 键互相垂直 → 分子具有手性轴 → 对映异构。

20.9.2 联苯型 — 阻转异构

邻位大取代基使单键旋转受阻 → 阻转异构现象 (Atropisomerism)。

例：6,6′-二硝基联苯-2,2′-二甲酸（$-\mathrm{COOH}$ 和 $-\mathrm{NO}{}_2$ 阻挡旋转）。

20.9.3 螺环化合物

螺环也可表现手性（无对称面/对称中心时）。

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本章核心框架

立体化学 (Stereochemistry)
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├── 手性 (Chirality)
│   ├── 手性碳：C* 连四不同基团
│   ├── 手性判断：无对称面 + 无对称中心 → 手性
│   └── 对映体：互为镜像，不能重合
│
├── 光学活性
│   ├── 旋光仪 → 旋光度 α → 比旋光度 [α]
│   ├── d/(+) 右旋 vs l/(−) 左旋
│   └── 对映体物性相同，旋光方向相反
│
├── 构型表示
│   ├── Fischer 投影：横前竖后
│   ├── 交换两基→对映体；旋转90°→对映体；旋转180°→同一
│   └── Newman → Fischer 转换
│
├── 构型标记
│   ├── D/L：相对构型，以甘油醛为标准
│   └── R/S ⭐：CIP次序规则，d远离→a→b→c
│       ├── 顺时针 → R
│       └── 逆时针 → S
│       (Fischer: d在竖键顺=R; d在横键顺=S)
│
├── 异构体类型
│   ├── 1个C*：一对对映体
│   ├── 2个不同C*：4个 → 2对对映体，非对映体间物性不同
│   ├── 2个相同C*：3个 → (R,R)/(S,S)对映体 + meso(无旋光)
│   ├── 外消旋体(±)：对映体等量混合，物性与纯对映体不同
│   └── 内消旋体(meso)：纯物质，分子内对称面抵消旋光
│
└── 无手性中心的手性
    ├── 丙二烯型（手性轴）
    ├── 联苯型（阻转异构）
    └── 螺环化合物

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本章关键词

立体化学 · 手性 · 对映异构 · 对映体 · 非对映体 · 手性碳 · 对称面 · 对称中心 · 旋光性 · 比旋光度 $[\alpha ]$ · 右旋 $d/(+)$ · 左旋 $l/(-)$ · Fischer 投影 · Newman 投影 · D/L 标记 · R/S 标记 · CIP 次序规则 · 外消旋体 $dl/(\pm )$ · 内消旋体 meso · 2^n 规则 · Thalidomide · 阻转异构 · 手性轴 · 丙二烯

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相关链接

• 第十九章_芳香烃
• 第十七章_不饱和烃（顺反异构 → 立体异构体系）