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第五章 光学异构对映异构体

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光学异构体和对映异构体的关系

光学异构体和对映异构体的关系

光学异构体和对映异构体的关系

光学异构体和对映异构体是有机化合物中常见的概念，它们之间存在着密切的关系。本文将从定义、性质、产生原因以及应用等方面，对光学异构体和对映异构体的关系进行探讨。

一、光学异构体和对映异构体的定义

光学异构体是指具有相同分子式、相同结构式但旋光性质不同的化合物。而对映异构体则是一对具有相同物理化学性质、分子式和结构式但镜像对称的化合物。可以说，光学异构体是对映异构体的一种特殊情况。

二、光学异构体和对映异构体的性质

1. 光学异构体的旋光性质不同：光学异构体存在着旋光性质的差异，即它们能够使偏振光发生旋光现象，旋光方向和旋光角度均不同。

2. 对映异构体的镜像对称性：对映异构体之间存在着镜像对称关系，它们的分子结构可以通过旋转或翻转来对应，但无法通过旋转或平移使得两者重合。

三、光学异构体和对映异构体的产生原因

光学异构体和对映异构体的产生原因主要归结为手性中心的存在。手性中心是指一个原子或一个原子团，它们的四个取代基围绕着该中心排列成空间上不可重合的两种构型。当一个分子中存在手性中心时，就会产生光学异构体和对映异构体。

四、光学异构体和对映异构体的应用

1. 药物研发：光学异构体和对映异构体在药物研发中起着重要的作用。由于对映异构体具有相同的物理化学性质，但在生物活性上却有很大差异，因此在药物研发过程中需要对对映异构体进行分离和研究，以确定其活性和毒性。

2. 化学合成：光学异构体和对映异构体的产生常常伴随着化学合成过程。通过控制反应条件或选择适当的催化剂，可以合成单一的光学异构体或对映异构体，这对于某些药物和化学品的制备具有重要意义。

立体化学基础

立体化学基础

(b) 乳酸等旋光物质
2021/4/9
图 物质的旋光性
17
2021/4/9
18
（二）、比旋光度 a = [a ]×L×C
[a]Dt =
a L× C
t：测定温度(℃) D：光源(钠D线，589nm) L：旋光管长度(dm) C：溶液浓度(g·ml-1or kg·L-1),
纯液体为密度
通常还要注明溶剂
COOH HO 2 H
H
3 Cl
COOH
(2R,3S)-2-羟基-3-氯丁二酸
H
H
2
C=C CH3
H3 C
CH3 H
C
H CH3
Question 7：D/L 法和 R/S 有什么联系吗？
COOH
H
NH2
CH3
D-，R-
COOH
H
NH2
CH2SH
D-，S-
D/L 法和 R/S 是两种不同的构型表示方法，二者 间无直接逻辑联系，D和R以及L和S有时一致，有时 不一致。
*产生对映异构的原因：因为分子具有手性，而产生手 性的原因则是分子的不对称性。
*手性分子立体结构的平面表示法：Fischer投影式
*手性分子的构型命名：D/L构型命名、 R/S构型命名
第一节、手性分子和对映体
一、手性
观察自己的双手，左手与右手 有什么联系和区别？

光学异构对映异构体

光学异构对映异构体

(+) (-)
D、L-
R、S-
之间没有任何必然的联系。
Fischer投影式在纸平面上转动90°或90°的奇 数倍，所得构型相反。例：
Fischer投影式在纸平面上转动90°的偶数倍， 所得构型不变。
将Fischer投影式的 C*任意两个原子或基团 对调， C*构型改变。
将Fischer投影式的 C*任意 3 个原子或基团按一 定方向依次调换位置， C*构型不变。
C-3称为假手性碳原子。 如果C-3所连的两个C*构造和构型完全相 同，分子有手性，实物和镜象不能重叠，在空 间有两种排列，得到一对对映体；若这两个C* 构造相同、构型相反，在空间也有两种排列， 但由于分子内部有对称面，所以得到两个不同 的内消旋体。
§5-3 碳环化合物的旋光异构现象
例1 2-甲基环丙基甲酸 4种构型
§5-2 含手性碳原子的链状化合物的 旋光异构现象
一、含一个手性碳原子的化合物
二、旋光异构体构型的表示方法和命名 1.表示方法
COOH
H
C CH3 OH
COOH
H3C C HO
H
透视式
COOH
COOH
H
OH HO
H
CH3
CH3
Fescher投影式
2.命名 (1)相对构型 D/L命名法
CHO
CHO

第五章 对映异构

第五章 对映异构

H
H
H
H
CH3
顺-1，4-二甲基环己烷
反-1，4-二甲基环己烷
练习9：P92 3-3、 3-5
C6H5 C H C C C6H5
(4)
H
H C6H5
C6H5 C C C H C6H5
C3H7 I C2H5
(5)
C3H7 I C2H5 C6H5
NO2
Br
Br
O 2N
OH OH OH
(8)
H3CO COOH
一、含两个不相同手性碳原子的化合物
例：2-氯-3-羟基丁二酸
COOH H 2 Cl H 3 OH 4COOH
1
COOH Cl 2 H HO 3 H 4COOH
1
COOH Cl 2 H H 3 OH 4COOH
1
COOH H 2 Cl HO 3 H 4COOH
1
Ⅰ (2R,3R)
↖ ↗
Ⅱ (2S,3S)
手性药物
许多药物都是手性的，一般情况下只有一个对 映体有效，另一个药效不大，甚至起相反作用。
抗炎剂布络芬： (CH ) CHCH
3 2
2
OH CHCOOH
仅S-构型有效，R-构型无效，纯S-构型发生作用快。
抗高血压药：
HO HO
NH2 CH2 C COOH CH3
只有S-构型有效，而R-构型有高毒性。

第5章有机对映异构

第5章有机对映异构
第五章 对映异构 (Enantiomorphous isomerism)
第一节 立体异构现象 一、 立体异构
构造异构是指分子式相同，而分子中原子相互连接的次序 不同的一种异构现象，包括碳胳异构、位置异构和官能团异构。 构造相同，但分子中原子在空间的排列方式不同引起的异构现 象称为立体异构（stereoisomerism）。分子中原子在空间的不 同排列方式形成了不同的构型或构象，所以立体异构又分为构 型异构与构象异构。例如顺-2-丁烯与反-2-丁烯这种顺反异构即 属于构型异构，丁烷的不同构象和环已烷的不同构象都属于构 象异构。 构型异构不仅包括顺、反异构，对映异构也属于构型异构， 对映异构的分子式相同，构造也相同，只是构型不同。
以旋光性化合物乳酸（2-羟基丙酸）为例，其2位碳原子 与四个互不相同的一价基团相连，在空间有两种不同的排列， 形成了互为镜象的两种四面体构型（图5-5），即左旋乳酸与 右旋乳酸两种异构体，彼此互为镜象，呈现一种相互对映关 系的异构体，这种异构体属于对映异构体。
OH HOOC H CH 3
HO H H3C COOH
如果所测的旋光物质为液体，则比旋光度的计算公式 为（式中d代表液体密度）： [α]tλ = α/d×L 有些旋光物质使偏光的振动平面向右旋转（顺时针旋转）， 另一些旋光物质则可使偏光的振动平面向左旋转（反时针旋 转），为表示旋光度的方向，规定用（+）表示右旋，（-） 表示左旋。例如普通葡萄糖是右旋糖，而果糖则为左旋糖。 葡萄糖水溶液的比旋光度 [α]20D =+52.5° 果糖水溶液的比旋光度 [α]20D =-93° 一种旋光物质, 其比旋光度往往是已知的,可以从有关手册 中查到,因此可以利用比旋光度的计算公式,来测定物质的浓度 或鉴定物质的纯度. 例如：某浓度的果糖水溶液，在一分米长的旋光管内，测得 的 旋光度为 -4.65°，试求该果糖溶液的浓度。 根据比旋光度计算公式有：-93 = -4.65/1×c 可求得该果糖水溶液的浓度c为0.05g/mL(或5g/100mL)。

第五章 光学异构-对映异构体

第五章 光学异构-对映异构体

5.比旋光度 比旋光度
α t [α] = —— λ c×l
或 —— d×l
α
例， 肌肉运动产生的乳酸 ]=﹢ ° [α]=﹢3.8° ]=﹣ ° [α]=﹣3.8° ]= ° [α]=0° (﹢)或d-，右旋 (﹣)或l-，左旋 ( ± ) 或 dl 糖发酵产生的乳酸 牛奶发酵产生的乳酸
二、分子的手征性和旋光活性 1.手征性（手性或不对称性） 手征性（手性或不对称性） 手征性 手的特性： 手征性 —— 手的特性：实物和镜像不能 重叠的特性。 重叠的特性。 例：人的左、右手分别与自己的镜像不能 人的左、 重叠， 重叠，且二者具有互为实物和镜像不能重叠的 关系。 关系。
H3C CH 3
H COOH
H HOOC
CH 3 CH 3
例3 1,2-二甲基环丙烷 3种构型 二甲基环丙烷 种构型 顺-
H3C H
CH3 H
H H3C CH3 H
反-
H3C H
H CH3
分子式为C 分子式为C5H10的环丙烷异构体的数目？ 的环丙烷异构体的数目？
例4 3-甲基环丁基甲酸 2种构型 甲基环丁基甲酸 种构型 顺H3C H COOH H
CH3 H Cl H I CH3
(2S,3R) S R
CH3 Cl H I H CH3
(2R,3S) R S
CH3 H Cl H I CH3

有机化学——05对映异构

有机化学——05对映异构
NO2 CO2H CO2H NO2
CO2H
NO2
NO2
CO2H
对映体
课堂互动
怎样判断化合物有无手性？
制作：赵桂欣
第三节 对映异构体
一、含一个手性碳原子的化合物
比旋光度 动物肌肉运动 产生 葡萄糖经乳酸 杆菌发酵 熔点 pKa 3.79 [α]15D＝ + 3.82° 53℃
两种乳酸
[α]15D＝－3.82° 53℃
（二）对称中心
Cl CH3
设想分子中有一点i，从分子的 任一原子向该点作一直线，再将直 线延长出去，在距该点等距离处， 总会遇到相同的原子，这个点就叫 做分子的对称中心
H H
i H
H
CH3
Cl
一般说来，一个分子不存在对称因素（对称面 或对称中心），这个分子就是手性分子，一定具有 旋光性和对映异构。反之，若存在对称因素，则为 非手性分子，无旋光性和对映异构
（2）非旋光性物质——不具有旋光性的物质，叫做非旋
光性物质
旋光仪：测定物质旋光度的仪器，由一个光源、 两个Nicol棱镜和一个盛放待测样品的旋光管组成
光源 α 平面偏振光 旋光管 检偏镜 起偏镜
旋光度“”受温度、光源、浓度、管长等许多因素的影 响，为了便于比较，常用比旋光度来表示
αD
t
α l B
3
CH3

第五章旋光异构

第五章旋光异构
[α]D20=+52.2°（水）
“D”代表钠光波长。钠光波长589nm,相当于太 阳光谱中的D线
第二节 旋光性与分子结构的关系
一、手性 1848年 Pasteur（巴斯德 法国化学家）在显微镜下用
镊子将外消旋酒石酸拆分成右旋和左旋酒石酸。
二者的关系：互为镜象（实物与镜象关系，或者说左、右 手关系）。二者无论如何也不能完全重叠。
用下式计算比旋光度：
[a]t =
l
a lC
式中：
[a]t
l
a —= —比l 旋C光度；
λ——测量时所采用的光波波长；
t ——测量时的温度；
α——由仪器测得的溶液的旋光度；
l ——盛液管的长度,单位为dm；
C ——溶液的浓度,单位为g.mL-1
例如，在温度为20°C时，用钠光灯为光 源测得的葡萄糖水溶液的比旋光度为右旋 52.2°,应记为：
来源 从肌肉中得到的肌肉乳酸 葡萄糖发酵得到的乳酸 酸牛奶中得到的乳酸
旋光性 。
+ 3.82 。
3.82
。 0
COOH
HC
HO
CH3
COOH
H
OH
CH3
-
COOH
COOH
CH
H
H3C
OH
CH3
OH
-
2-溴丁烷也是手性分子，也有一对对映体存在

第五章 对映异构

第五章 对映异构

COOH
CH3
H
OH
R-乳酸
OH
H
CH3
COOH
R-乳酸
标记下列化合物中手性碳的构型：
COOH
H
OH
CH2Cl
（1）
COOH
C
CH3
HO
H
（2）
S
S
H 1 OH H 2 Cl
CH3
（3）
1S,2R
问题：判断下列手性碳的R、S构型。
R COOH
HO C H CH3
R CO2H
H
OH
H
OH
R CH3
含两个不同的*C的对映异构体的数 目有4个；
含n个不同的*C的对映异构体的 数目有2n个。
2、内消旋体(mesomer)
HOOCC*H-C*HCOOH
OH OH
酒石酸
分子中有两个相同的手性碳。如果 按照2n规则，最多可有四个立体异构体。 但实际上酒石酸分子只有三个立体异构 体：
CO2H
CO2H
Fischer规定D-(+)甘油醛的Fischer投影式如下：
CHO
CHO
H
OH
HO
H
CH 2OH
CH 2OH
D-(+)甘油醛 L-(-)甘油醛
羟基在右边即为D-型，在左边为L-型。

有机化学 第5章 对映异构

有机化学 第5章 对映异构

[a]l
t
或
t = [a]D
例：
H HO COOH OH H COOH
a
l ×c
[a] D = + 12o (水,20%)
( 钠光，D线，l=589nm)
25
(R, R)-(+)-酒石酸
溶剂
浓度
海洛因： [α]D15 －166o (甲醇） =
20 蔗糖： [α] D = + 66.7o
第二节 分子的手性和对称因素
构造 constitution 构型 configuration 构象 conformation
同分异构的多层次性
碳架异构 构造异构 constitutional 官能团异构 位置异构 互变异构 构型异构 configurational 立体异构 Stereo几何异构 光学异构
同分异构 isomerism
若以逆时针方向排列，则为S-构型(S来自拉丁文Sinister的词 头，意为 “左”)。
F 逆时针 Cl
顺时针
Cl Br Br
F
S
R
OH C H C 2H 5 CH 3
F 3
1 Br 2 Cl
Байду номын сангаас
H4
优先次序为: Br>Cl>F>H
(2) 将次序最小的基团(d)置于观察者视轴的远方， 其余三个基团置于离观察者较近的平面上(见图)，观察三个 基团的排列顺序—— 观察方法

第5章 对映异构

第5章 对映异构
手性碳原子是构成手性分子的最普遍的原因
四川大学化学学院 11
一个手性碳原子所连的四个不同原子或基团位于四面 体的四个顶角，在空间具有两种不同的排列方式（也称两 种构型），它们彼此构成一对对映异构体。
* CH3CHCOOH
OH
乳酸
COOH
H C CH3 OH
COOH
H3C C H HO
只有一个手性碳的分子必定是手性分子，有且仅有一对 对映异构体。
构造异构 立体异构
碳架异构 位置异构 官能团异构
构Βιβλιοθήκη Baidu异构 构象异构
顺反异构 对映异构
异构体间的 互变须经过 化学键的断 裂和重新生 成才能实现！
四川大学化学学院 3
本章掌握
对映异构现象 对映异构体的旋光性 对映异构体的标记 手性碳原子与对映异构体 外消旋体及外消旋体的拆分 对映异构体的生物学意义
[α
]t D
=
α l×C
t—测定时的温度(°C) D—钠光D-线波长589nm α—实验观察的旋光值(°) l—旋光管的长度(dm) C—溶液浓度(g/ml), (纯液体用密度g/cm3)
一对对映体的比旋光度大小相等，方向相反。
四川大学化学学院 29
例：将胆固醇样品260mg溶于5ml氯仿, 然后将其装满5cm长 的旋光管, 在室温（20℃）通过偏振的钠光测得旋光度为 2.5°, 计算胆固醇的比旋光度。

第五章对映异构

第五章对映异构
一、 含一个手性碳原子的化合物 3.手性分子的表示法
⑵.费歇尔投影式表示法 :（普遍使用） 竖键基团
COOH
COOH 伸向纸后
H
H HO C C H3
C
OH
横键基团 伸向纸前 十字C是 手性C
C H3
乳酸模型的投影
投影式
规定：碳链竖起，命名时编号小的在上，竖 键向里，横键向外。即：垂直线相连的基团伸向 纸后，横线相连的基团伸向纸前。
①透视式R、S的标记：规则： a.将C*的四个基团由大到小按 “次序规则”排列。设：a＞b＞c d ＞d b.将最小基团放在离眼最远处。 c.观察：a→b→c的旋转方向： a 若：顺时针方向排列 是R型 逆时针方向排列 是S型 * C
d b
a C c
眼睛
b
.
b
a
可用左、右手判断构型
c abc顺时针方 向排列是 R型
§ 5.3 分子的手性对称性与旋光性
1.手性和手性分子： ⑵手性分子：任何一个不能和它的镜 像完全重叠的分子称手性分子。如：乳酸
COOH H
COOH
HO C H
C
OH
CH3 乳酸分子
镜子
CH3
镜像
不能重叠，乳酸是手性分子。
§ 5.3 分子的手性对称性与旋光性
⑶怎样判断分子的手性？ ①作一分子模型，看实物与镜像是否完全重叠。

第五章对映异构

第五章对映异构

第五章对映异构(enantiomerism)

教学要求：

掌握：手性和手性分子以及手性碳原子的概念。对映体、非对映体、外消旋体和内消旋体的概念和主要性质；对映异构体命名方法（R..S）。

熟悉：费歇投影式和透视式表示立体异构体的方法。

了解：无手性碳原子的对映异构体和环状化合物的对映异构；对映体的拆分方法和手性子在生物中的作用,以及前手性原子和前手性化合物的概念。

对映异构主要是从三维空间揭示对映存在的立体异构体，在结构上差别甚微，而在生物活性上却有着天壤之别。本章将着重学习怎样区分手性分子和非手性分子；怎样判断对映体、非对映体、外消旋体和内消旋体的存在，以及怎样表示和命名它们的立体结构；比较它们之间性质上的异同点；了解对映体的拆分方法和手性分子在生物中的作用,以及前手性原子和前手性化合物的概念。学习对映异构为学习糖类、脂类、氨基酸、蛋白质、核酸、酶、和激素等各种活性分子的结构和功能奠定必要的立体化学基础。

第一节手性和对映体

同分异构在有机化学中是极为普遍的现象。在第二章已经学习了构造异构和顺反异构以及构象异构。后两者均属于立体异构。即分子中的原子或原子基团在空间的排列方式不同产生的异构现象。通常构象异构体是不能分离的。本章要介绍另外一种立体异构现象：即对映异构。图示如下：

一、手性

产生对映异构现象的结构依据是手性(Chirality)。什么叫手性呢？人们都有这样的感受，:当你将一只左手套戴在右手上就会觉得很不舒服。这就说明左右手看上去似乎是相同，实际是不同的。那么左右手到底是什么关系呢？让我们看看手性关系图。

有机化学-第五章旋光异构

有机化学-第五章旋光异构

（二）、外消旋体 两种对映异构体的等量混合物没有旋光性，成为外消旋体。 如等量的左、右旋乳酸混合既得到外消旋的乳酸。
CH3 CH3
HO COOH 左旋乳酸
H
H COOH
OH
右旋乳酸
等量的左旋体和右旋体的混合物，没有旋光性。可拆分。
外消旋体通常用dl表示。也用（±）表示
三、对映体的构型式
对映体的构造式相同，但空间的排列方式(构型)不同，所 以需要用构型式来表示。手性碳原子放在纸平面上，与它同 在纸平面上基团用实线相连，在纸平面前方的基团用楔形线 表示，在后面的用虚线相连
SO3H
—CH3
OH
—H
—NH2
NH2
CH3
>
>
—CH3
—D
>
—H
原子序数相同时，则依次比较第二个原子的原子序数，
第二个相同时，再比较第三个，依此类推。 —CH(CH3)2
>
—CH2CH2CH3
双键或三键，当作两个或三个单键看待。
O
CH
C CH2 看作 看作 C C C C H H
O
H
O
CH
CH
D-(+)-甘油醛
CHO HO H CH2 OH
L-(-)-甘油醛
CHO H OH CH2OH
D-(+)-甘油醛

大学有机化学立体化学基础：手性分子资料

大学有机化学立体化学基础：手性分子资料

它们是彼此成镜 像 关 系 ， 又 不 能 重合 的一对立体异构体， 互称为对映异构体 (enantiomer) 。
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物质产生旋光性的根本原因是分子的手性，即 任何一个具有旋光性的分子必定是手性分子。 手性分子通常必定产生旋光性，但也有极少数 手性分子没有或旋光活性很小，或者在某些波长的 光段不表现出旋光性。 三、如何判断一个分子有无手性？ 对称因素：
d
d a
(R)
b
(基团的顺序 为a＞b＞c＞d)
(2) 小竖同。
a
b c d
(R)
d b c
(S)
a
CN H2N H ， C6H5
C H2S H HO O C NH2 ， H
C HO OH H C H2O H
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第五章 立体化学基础 第四节 构型标记法 (R/S构型标记法)
R-S标记法应用较广泛，当分子中含有多个 手性碳原子时，它能标记出每一个手性碳原 子的构型。 目前D-L构型标记法仍在使用，特别是糖类 化合物和氨基酸。 D/ L 与R/S无对应关系
若实物与其镜像能够完全重合，则实物 与镜像所代表的两个分子为同一个分子。
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第五章 立体化学基础 第一节 手性分子和对映体(二、手性分子和对映体)
但有些分子如乳酸, 两个互为实物与镜像关系的分子不能重合。

有机化学理论课 第五章 旋光异构

有机化学理论课 第五章 旋光异构

第五章旋光异构

(Optical Isomerism)

一、教学目的和要求

同分异构是有机化合物的普遍现象，因此同分异构化学即立体化学的一个重要部分，它是研究组成分子的各个原子在空间的不同排布方式所引起的异构现象,以及因这些异构现象而引起的分子的物理和化学性质的差异的影响.所以讨论立体化学时,总是先从立体异构现象谈起.前面我们已在第二章、第三章、第四章讨论了某些立体异构现象，例如，烷烃构像、脂环烃构像、含双键和脂环化合物顺反异构。本章在对上述内容作简要小结后，重点讨论立体异构现象中最重要，也是不易掌握的对映异构现象，为进一步学习碳水化合物、蛋白质，以及各类反应中的立体化学现象打好基础

本章学习的具体要求

1、掌握有机化合物异构的分类

2、掌握对映异构、手性、手性分子、非手性分子、旋光活性、旋光活性物质、旋光度和比旋光度等有关概念

3、掌握对映异构体数目的计算方法和对映、非对映、外消旋体和内消旋体的概念。

4、掌握费歇尔投影式和投影规则

5、了解外消旋化。

二、教学重点与难点

重点是旋光异构，旋光与分子结构的关系；含不对称碳原子化合物的旋光异构；

难点是旋光异构的表示方法；R、S命名法。

三、教学内容

1、偏振光和旋光性

2、分子的对称性，手性，旋光活性

3、构型表示方法D/L，R/S

4、含有多于一个手性碳原子的立体异构

5、取代丙二烯类和取代联苯类的旋光异构

6、立体专一反应和立体有择反应

7、外消旋体的拆分

四、教学方法和教学学时

（1）教学方法：以讲授为主；教具、多媒体为辅助手段，配合适量的课外作业

（2）教学学时：4学时

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