第六章立体化学

一、异构体的分类

1. 同分异构的定义

分子式相同但原子排列（连接顺序或空间排布）不同的化合物，称为同分异构体。

2. 异构类型分类

异构层级	类型	定义	示例
一级异构	构造异构	原子/基团连接顺序不同，构造式不同	正丁烷与异丁烷
二级异构	立体异构（构型+构象）	构造式相同，原子/基团空间排布不同	——
	- 构型异构	空间排布需断裂化学键才能改变，不可通过σ键旋转互变	烯烃顺反异构、对映异构
	- 构象异构	空间排布通过σ键旋转即可改变，为分子不同构象状态	乙烷交叉式与重叠式
三级异构	构型异构细分	- 对映异构体：互为镜像且不能重合的构型异构体	$(R)$ -丁-2-醇与 $(S)$ -丁-2-醇
		- 非对映异构体：非镜像关系的构型异构体	麻黄碱与 $\psi$ -麻黄碱

二、手性和对称性

1. 手性与对映异构

手性分子：与自身镜像不能重合的分子，具有手性。
手性碳原子（C）*：连有四个不同原子或基团的饱和碳原子，是手性分子的常见来源（例：2-溴丁烷的C2，结构为 $CH_3-\underset{Br}{\overset{*}{C}}H-CH_2CH_3$ ）。
对映体：手性分子的两种构型异构体，互为镜像且不能重合，如左旋2-溴丁烷[(-)-2-溴丁烷]与右旋2-溴丁烷[(+)-2-溴丁烷]。

2. 对称因素（判断分子手性的核心）

分子若存在对称面或对称中心，则为非手性分子（无对映异构）；反之则为手性分子。

对称面（σ）：能将分子分为互为镜像两半的平面。
例：(E)-1,2-二氯乙烯（分子所在平面为对称面）、二氯甲烷（2个对称面：Cl-C-Cl平面与H-C-H平面）。
对称中心（i）：分子中心一点，从任意原子向中心作线，延长等距离必遇相同原子。
例：(E)-1,2-二氯乙烯（C-C双键中心为对称中心）、1,3-二氯丙烷（分子中心为对称中心）。

三、手性分子的性质——光学活性

1. 旋光性

平面偏振光：单色光通过Nicol棱镜后，仅在单一平面振动的光。
旋光性物质：能使平面偏振光振动平面旋转的物质（手性分子纯品），分为：
- 右旋体：使偏振光顺时针旋转（迎着光线），标记为 $(+)$ 。
- 左旋体：使偏振光逆时针旋转，标记为 $(-)$ 。
外消旋体（±）：等物质的量左旋体与右旋体的混合物，旋光性相互抵消，无光学活性，可通过特定方法拆分为单一对映体。

2. 比旋光度（手性分子的特征物理常数）

（1）定义

在特定温度（ $t$ ）和光源波长（常用钠光D线，589nm，标记为 $D$ ）下，1mL含1g溶质的溶液在1dm长盛液管中产生的旋光度，是衡量旋光能力的指标。

（2）计算公式

$[\alpha]_D^t = \frac{\alpha}{\rho_B \cdot l}$

$[\alpha]_D^t$ ：比旋光度（单位： $^\circ \cdot dm^2 \cdot kg^{-1}$ ）；
$\alpha$ ：旋光仪测得的旋光度（单位： $^\circ$ ）；
$\rho_B$ ：溶液质量浓度（单位： $g/mL$ ，纯液体用密度 $\rho$ 替代）；
$l$ ：盛液管长度（单位： $dm$ ）。

（3）示例

葡萄糖水溶液： $[\alpha]_D^{20} = +52.5^\circ \cdot dm^2 \cdot kg^{-1}$ （水为溶剂）；
薯皂苷元氯仿溶液（ $\rho=2g/100mL$ ）： $[\alpha]_D^{25} = -126^\circ \cdot dm^2 \cdot kg^{-1}$ （ $CHCl_3$ 为溶剂）。

四、含一个手性中心化合物的对映异构

1. 构型表示法

（1）透视式（楔形键式）

手性碳置于纸面，连有四个键：
- 细实线：键在纸面内；
- 楔形实线：键伸向纸面前方；
- 楔形虚线：键伸向纸面后方。
  例：

（2）Fischer投影式（平面表示立体）

规则：
1. 手性碳为横竖线交点，竖线基团伸向纸面后方，横线基团伸向纸面前方；
2. 主碳链置于竖线，命名时编号最小的碳原子（如羧基、醛基）放在上端。
  例：

2. 构型标记法

（1）D,L-标记法（相对构型，多用于糖类、氨基酸）

标准：以 $(+)-$ 甘油醛为基准，Fischer投影式中羟基在右侧为D型，左侧为L型。
关联：通过不涉及手性碳的化学反应，可将目标化合物与D/L-甘油醛关联，确定其D/L构型（例：D-(+)-甘油醛可转化为D-乳酸）。
局限性：部分化合物难以与甘油醛关联，易产生歧义。

（2）R,S-标记法（绝对构型，通用）

步骤：

按次序规则排序：将手性碳连的四个基团（a,b,c,d）按原子序数从大到小排序（a>b>c>d，d为最不优先基团）；
定向：将最不优先基团d置于距观察者最远的位置；
判断构型：观察a→b→c的排列方向，顺时针为R型（拉丁文rectus，“右”），逆时针为S型（拉丁文sinister，“左”）。

示例：丁-2-醇（ $CH_3-CH(OH)-CH_2CH_3$ ）：

基团排序： $OH$ （a）> $C_2H_5$ （b）> $CH_3$ （c）> $H$ （d）；
d（H）远离观察者，a→b→c顺时针为R型，逆时针为S型；
注意：R,S构型与旋光方向（+/-）无必然联系（例： $(R)$ -丁-2-醇可能为左旋或右旋）。

五、含两个手性中心化合物的构型异构

1. 含两个不同手性中心的化合物

异构体数目：最多4种（ $2^2$ ），分为2对对映体，不同对映体间为非对映体。
对映体：互为镜像且不能重合（例：氯代苹果酸的(I)与(II)）；
非对映体：非镜像关系的构型异构体，物理性质（熔点、溶解度、旋光度）不同（例：氯代苹果酸的(I)与(III)）。

示例：麻黄碱（2-甲氨基-1-苯基丙-1-醇）：

2个不同手性碳，4种异构体：
- (1)与(II)：对映体（麻黄碱），熔点34°C，盐酸盐 $[\alpha]_D^{20} = \pm35^\circ \cdot dm^2 \cdot kg^{-1}$ ；
- (III)与(IV)：对映体（ψ-麻黄碱），熔点118°C，盐酸盐 $[\alpha]_D^{20} = \pm26.5^\circ \cdot dm^2 \cdot kg^{-1}$ ；
- (I)/(II)与(III)/(IV)：非对映体。

2. 含两个相同手性中心的化合物

异构体数目减少：因分子内可能存在对称面，产生内消旋体，实际异构体数目少于4种。

示例：酒石酸（2,3-二羟基丁二酸， $HOOC-CH(OH)-CH(OH)-COOH$ ）：

2个相同手性碳，仅3种异构体：
1. 右旋体：(R,R)构型，熔点170°C，溶解度139g/(100g水)， $[\alpha]_D^{25} = +12^\circ \cdot dm^2 \cdot kg^{-1}$ ；
2. 左旋体：(S,S)构型，与右旋体物理性质相同，旋光方向相反；
3. 内消旋体（meso）：(R,S)构型，分子内存在对称面，旋光性相互抵消，无光学活性，熔点140°C，溶解度125g/(100g水)。

内消旋体与外消旋体的区别：

特征	内消旋体（meso）	外消旋体（±）
本质	单一分子（分子内抵消旋光）	左旋体与右旋体的混合物
光学活性	无	无
可拆分性	不可拆分	可通过手性方法拆分
熔点	低于对映体（例：140°C）	高于对映体（例：204°C）

六、脂环化合物的立体异构

1. 脂环化合物的顺反异构

成因：环的刚性限制环内C-C σ键旋转，环上取代基位置不同产生顺反异构。
定义：取代基在环同侧为顺式（cis-），异侧为反式（trans-）。

示例：1,4-二甲基环己烷：

顺式：一个甲基在e键，一个在a键（构象： $\begin{array}{c} CH_3(e) \\ \hline CH_3(a) \end{array}$ ），稳定性较低；
反式：两个甲基均在e键（优势构象： $\begin{array}{c} CH_3(e) \\ \hline CH_3(e) \end{array}$ ），e键排斥小，稳定性更高。

2. 脂环化合物的对映异构

判断依据：分子无对称面/对称中心则为手性分子，存在对映体。

示例：1,2-二甲基环己烷：

顺式：分子存在对称面，为内消旋体（非手性），无光学活性；
反式：分子无对称因素，存在一对对映体（(1R,2R)与(1S,2S)），均有光学活性，等物质的量混合为外消旋体。

示例：环丙烷-1,2-二甲酸：

顺式：内消旋体，熔点139°C，无光学活性；
反式：对映体，熔点175°C，可拆分，比旋光度 $\pm81.4^\circ \cdot dm^2 \cdot kg^{-1}$ 。

七、不含手性中心化合物的对映异构（轴手性）

部分分子无手性碳，但存在手性轴（分子绕轴旋转180°后与原分子不重合），产生对映异构。

1. 丙二烯型化合物

结构特征：累积双键（ $C=C=C$ ），两端碳原子（C1、C3）各连两个不同基团，C1、C2、C3的p轨道垂直，C1/C3所在平面相互垂直。
构型标记（Rₐ/Sₐ）：
1. 沿手性轴一端观察，将基团按次序规则分为“近处优先”（1>2）和“远处优先”（3>4）；
2. 将最不优先基团（4）远离观察者，观察1→2→3的方向，顺时针为 $R_a$ ，逆时针为 $S_a$ 。
  例：戊-2,3-二烯（ $CH_3-CH=C=CH-CH_3$ ），存在 $R_a$ 和 $S_a$ 对映体。

2. 联苯型化合物

结构特征：两个苯环通过C-C σ键连接，邻位有大体积取代基（如Br、Cl），阻碍σ键旋转，两苯环不共平面，且每个苯环不对称取代。
构型标记（Rₐ/Sₐ）：与丙二烯型一致，若邻位取代基体积小（如F），则σ键可自由旋转，无对映异构。
例：2,2’-二溴-6,6’-二氯联苯，存在 $R_a$ 和 $S_a$ 对映体；2-溴-2’,6,6’-三氯联苯（一苯环对称取代），有对称面，无对映异构。

八、手性中心的产生

1. 第一个手性中心的产生（从非手性底物）

过程：非手性分子中，前手性碳（连两个相同基团的饱和碳，如 $CX_2YZ$ ）的一个相同基团被取代，生成手性碳。
结果：生成等量对映体，即外消旋体（非手性环境中，取代概率均等）。
例：正丁烷（ $CH_3CH_2CH_2CH_3$ ）光氯化，C2上一个H被Cl取代，得外消旋2-氯丁烷（ $CH_3-CH(Cl)-CH_2CH_3$ ）。

2. 第二个手性中心的产生（从手性底物）

过程：已有手性中心的分子中，另一碳原子被取代，生成第二个手性碳。
结果：生成非对映体，且物质的量不等（手性环境影响试剂进攻方向）。
例： $(R)$ $(R)$ -2-氯丁烷（ $CH_3-CH(Cl)-CH_2CH_3$ $C H_{3} - C H (Cl) - C H_{2} C H_{3}$ ）氯化，C3上H被Cl取代：
- 产物：(2R,3R)-2,3-二氯丁烷（旋光体）与(2R,3S)-2,3-二氯丁烷（内消旋体）；
- 比例：29:71（非对映体过量）。

九、不对称合成

1. 基本概念

不对称合成：在手性环境（手性底物、手性试剂、手性催化剂）中合成手性分子，使对映体/非对映体产量不等，直接获得具有光学活性的产物。
外消旋体拆分：将外消旋体通过手性试剂转化为非对映体，经物理方法（结晶、色谱）分离后，解离手性试剂得单一对映体。

2. 对映体过量（ee）与非对映体过量（de）

（1）对映体过量（ee，衡量对映选择性）

$ee = \frac{[R] - [S]}{[R] + [S]} \times 100\%$

$[R]$ 、 $[S]$ ：R型、S型对映体的浓度；
示例：某丁-2-醇试样 $[\alpha] = +6.76^\circ \cdot dm^2 \cdot kg^{-1}$ ，纯(S)-丁-2-醇 $[\alpha] = +13.52^\circ \cdot dm^2 \cdot kg^{-1}$ ，则 $ee = \frac{6.76}{13.52} \times 100\% = 50\%$ （含75% S型、25% R型）。

（2）非对映体过量（de，衡量非对映选择性）

$de = \frac{[主要非对映体] - [次要非对映体]}{[主要非对映体] + [次要非对映体]} \times 100\%$

示例： $(R)$ -2-氯丁烷氯化得(2R,3R)与(2R,3S)， $de = \frac{71 - 29}{71 + 29} \times 100\% = 42\%$ 。

3. 常用不对称合成方法

手性催化剂：如Sharpless不对称环氧化（Ti(OPr-i)₄为催化剂，手性配体调控）、Rh手性配合物催化氢化；
生物催化：酶（如脂肪酶）催化，立体选择性高；
手性试剂：如(-)-3-异松藏基硼烷（硼氢化试剂），生成光学活性醇。

重要背景：2001年诺贝尔化学奖授予Knowles（不对称催化氢化）、Sharpless（不对称环氧化）、野依良治（不对称氢化），表彰其在不对称合成领域的贡献。

十、对映异构在研究反应机理中的应用

1. 验证反应立体化学（以烯烃加溴为例）

(Z)-丁-2-烯加溴：生成(2S,3S)-2,3-二溴丁烷与(2R,3R)-2,3-二溴丁烷（一对对映体，可拆分）；
(E)-丁-2-烯加溴：生成(2R,3S)-2,3-二溴丁烷（内消旋体，不可拆分）；
结论：烯烃与溴加成为反式加成（仅反式加成可解释上述产物构型）。

2. 立体专一性与立体选择性

类型	定义	示例
立体专一性反应	构型异构体反应物，在相同条件下生成不同构型异构体产物	(Z)/(E)-丁-2-烯加溴
立体选择性反应	反应物无特定构型要求，反应主要生成一种/少数几种构型异构体产物	癸-5-炔液氨中Na还原得80%反式烯烃
关系	立体专一性反应一定是立体选择性反应，反之则不一定	——