《医学有机化学》课程学习指导（知识要点）第09章 立体异构

第九章立体异构知识要点同分异构可划分为构造异构和立体异构构造异构又可细分为碳架异构、位置异构、官能团异构和互变异构。立体异构分为构型异构和构象异构.构型异构进一步分为顺反异构、对映异构和非对映异构对映异构与非对映异构统称为旋光异构顺反异构构型异构立体异构旋光异构构象异构第一节顺反异构顺反异构现象：由于原子或原子团在双键或脂环两侧的排列方式不同而产生的异构现象。由此产生的异构体之间互称为顺反异构体。一、产生顺反异构的条件1、分子中存在着限制碳原子自由旋转的因素，如双键或脂环。2、每个不能自由旋转的原子一连接着不同的原子或基团。二、顺反异构体的命名（一）顺反命名法两个相同的原子或基团处于元键或脂环平面同侧的异构体称为顺式，处于异侧称为反式。例如：2-丁烯酸CH3CH=CHCOOHCH3-CH3HCOOHCHHCOOHH顺-2-丁烯酸反-2-丁烯酸

第九章 立体异构 知识要点 同分异构可划分为构造异构和立体异构． 构造异构又可细分为碳架异构、位置异构、官能团异构和互变异构。 立体异构分为构型异构和构象异构．构型异构进一步分为顺反异构、对映异 构和非对映异构．对映异构与非对映异构统称为旋光异构． 立体异构 构型异构 构象异构 顺反异构 旋光异构 第一节 顺反异构 顺反异构现象：由于原子或原子团在双键或脂环两侧的排列方式不同而产 生的异构现象。由此产生的异构体之间互称为顺反异构体。 一、产生顺反异构的条件 1、分子中存在着限制碳原子自由旋转的因素，如双键或脂环。 2、每个不能自由旋转的原子上连接着不同的原子或基团。 二、顺反异构体的命名 （一）顺反命名法 两个相同的原子或基团处于π键或脂环平面同侧的异构体称为顺式，处于异 侧称为反式。例如： CH3 C C H COOH H 2-丁烯酸 CH3CH CHCOOH CH3 C C H H COOH 顺-2-丁烯酸 反-2-丁烯酸

CH31,3-二甲基环已烷CH1CH3CH/CH3CH3H反-1,3-二甲基环已烷顺-1,3-二甲基环己烷（二）Z-E命名法当我们用顺反命名法命名时，如果双键所在碳原子所连接的四个原子（或原子团）均不同，就难以命名。为此提出了以“次序规则”为基础的Z-E构型命名法：先确定双键上每一个碳原子所连接的两个原子或原子团的优先顺序。当两个优先基团位于同侧时，用Z表示其构型：位于异侧时，就用E表示其构型。次序规则：1．与双键碳直接相连的原子不同时按照原子序数大小排列，原子序数大者为大基团：同位素按质量大小排列。I>Br>C1>S>P>F>0>N>C>D>H2.若与双键碳直接相连的原子相同时，则用外推法，直到比出大小为止如：—C,H,>—CH；CH,C1 >CH(CH),3.对于含有双键或叁键的取代基，可以将其看成以2个或3个单键和相同的原子相连接。NCEN相当如：≥C=0与≥C—C=CH>—CH=CH2:—COOH>—COR>—CHO例如：1-氯-1,2-二溴乙烯BrC1C=CHBr，比较C所连的两个原子：Br>Cl；C所连的两个原子：Br>H2_Hl>i=<BrCI-C=C-C3BrBrBrHZ-1-氯-1,2-二溴乙烯E-1-氯-12-二溴乙烯注意：Z型丰顺式：E型丰反式

CH3 CH3 H CH3 CH3 H H CH3 H CH3 顺-1,3-二甲基环己烷 反-1,3-二甲基环己烷 1,3-二甲基环己烷 （二）Z-E 命名法 当我们用顺反命名法命名时，如果双键所在碳原子所连接的四个原子（或原 子团）均不同，就难以命名。为此提出了以“次序规则”为基础的 Z-E 构型命名 法： 先确定双键上每一个碳原子所连接的两个原子或原子团的优先顺序。当两个 优先基团位于同侧时，用 Z 表示其构型；位于异侧时，就用 E 表示其构型。 次序规则： 1. 与双键碳直接相连的原子不同时按照原子序数大小排列，原子序数大者 为大基团；同位素按质量大小排列。 I＞Br＞Cl＞S＞P＞F＞O＞N＞C＞D＞H 2. 若与双键碳直接相连的原子相同时，则用外推法，直到比出大小为止 如：—C2 H5 ＞ —CH3 ；—CH2 Cl ＞ —CH(CH3 )2 3. 对于含有双键或叁键的取代基，可以将其看成以 2 个或 3 个单键和相同 的原子相连接。 C O C O 如： O 相当； CN CN N N 与 与 相当 常见的不饱和基团的先后次序可排列如下： —C≡N＞—C≡CH＞—CH＝CH2；—COOH＞—COR＞—CHO 例如：1-氯-1,2-二溴乙烯 BrClC＝CHBr ，比较 C1所连的两个原子：Br ＞ Cl；C2所连的两个原子：Br＞H 1 2 Cl 1 2 C C Br Br H Cl C C Br H Br E-1-氯-1,2-二溴乙烯 Z-1-氯-1,2-二溴乙烯 注意：Z 型≠顺式；E 型≠反式

如：2-溴-2-丁烯CH:CBr=CHCH3HCH3CH3CH3>cC-BrBrCH3HE-2-漠-2-丁烯Z-2-溴-2-丁烯顺-2-溴-2-丁烯反-2-溴-2-丁烯第二节旋光异构能使偏振光的偏振面旋转的物质，通常称为具有旋光性的物质，这些物质的旋光性是与其分子的构型有关的。一、偏振光与旋光性只在一个平面上振动的光称为平面偏振光（plane-polarizedlight）简称偏振光。能使偏振光的偏振面旋转的性能称为旋光性（opticalactivity），具有旋光性的物质称为旋光性物质。手性化合物都具有旋光性。偏振面被旋光性物质所旋转的角度叫旋光度。用表示。偏振面被旋转的方向有左旋（逆时针）和右旋（顺时针）的区别，用（+）表示右旋，（-）表示左旋。二、旋光度的测定与比旋光度目前在科研工作中广泛使用的还有自动旋光仪，它可直接显示被测化合物的旋光度和旋光方向。a[al, =c.1式中t——测定时的温度；入——光源波长；α——用旋光仪测得的旋光度；C一溶液浓度（1gml-）（纯液体可用密度）；1一旋光管长度（分米）。比旋光度对于鉴定一个旋光性化合物或者判断它的纯度是很重要的三、旋光活性与分子结构的关系

如：2-溴-2-丁烯 CH3CBr＝CHCH3 CH3 C C Br CH3 H CH3 C C Br H CH3 E-2-溴-2-丁烯 顺-2-溴-2-丁烯 Z-2-溴-2-丁烯 反-2-溴-2-丁烯 第二节 旋光异构 能使偏振光的偏振面旋转的物质，通常称为具有旋光性的物质，这些物质的 旋光性是与其分子的构型有关的。 一、偏振光与旋光性 只在一个平面上振动的光称为平面偏振光（plane-polarized light）简称 偏振光。 能使偏振光的偏振面旋转的性能称为旋光性（optical activity）， 具有旋光性的物质称为旋光性物质。 手性化合物都具有旋光性。 偏振面被旋光性物质所旋转的角度叫旋光度。用α表示。偏振面被旋转的方 向有左旋（逆时针）和右旋（顺时针）的区别，用（+）表示右旋，（-）表示左 旋。 二、旋光度的测定与比旋光度 目前在科研工作中广泛使用的还有自动旋光仪，它可直接显示被测化合物的 旋光度和旋光方向。 λ t = α C l [ ] α . 式中 t——测定时的温度；λ——光源波长；α——用旋光仪测得的旋光 度；C——溶液浓度（1g•ml-1）（纯液体可用密度）；l——旋光管长度（分米）。 比旋光度对于鉴定一个旋光性化合物或者判断它的纯度是很重要的， 三、旋光活性与分子结构的关系

（一）分子的手性与旋光性旋光异构现象是与分子的结构有关的，产生旋光异构现象的结构依据是手性。不能与其镜像重叠的分子称为手性分子（chiralmolecule）。具有手性的分子才存在旋光性和旋光异构现象。（二）分子中常见对称因素判断化合物分子是否具有手性是看分子是否有对称因素，若存在对称因素，这样的分子都能与自己的镜像相叠合，因此也就不具有手性，不显旋光性。对称因素包括对称面、对称中心及对称轴等。有对称面或对称中心的分子不具有手性，也就没有旋光性。（三）手性碳原子当一个碳原子和四个不相同的原子或原子团相连时，就可能存在两种构型。直接与四个不相同的原子或原子团相连的碳原子，称为手性碳原子（chiralcarbonatom)，也可称为手性中心。2.对映异构把构造式相同、构型不同且互呈镜像对映关系的立体异构现象称为对映异构。单一对映异构体能使平面偏振光发生旋转，所以具有旋光性.根据旋光方向，对映异构体分为右旋体和左旋体，分别用“十”和“一”，表示。旋光能力大小用旋光度和比旋光度［α]来描述α=[α].l.c式中，1为样品管长（dm），c为浓度（g/mL）。（1）手性和对称因素含一个手性碳原子的分子是手性分子。手性分子的两种对映异构体的等量混合物不具有旋光性，称为外消旋体，含二个或二个以上手性碳原子但无旋光性的分子，称为内消旋体具有相同构造式但其镜像与实物分子能重叠的分子，互称为非对映异构体。（2）立体异构体的表示方法①费歇尔投影式；

（一） 分子的手性与旋光性 旋光异构现象是与分子的结构有关的，产生旋光异构现象的结构依据是手性。 不能与其镜像重叠的分子称为手性分子（chiral molecule）。具有手性的 分子才存在旋光性和旋光异构现象。 （二） 分子中常见对称因素 判断化合物分子是否具有手性是看分子是否有对称因素，若存在对称因素， 这样的分子都能与自己的镜像相叠合，因此也就不具有手性，不显旋光性。 对称因素包括对称面、对称中心及对称轴等。 有对称面或对称中心的分子不具有手性，也就没有旋光性。 （三） 手性碳原子 当一个碳原子和四个不相同的原子或原子团相连时，就可能存在两种构型。 直接与四个不相同的原子或原子团相连的碳原子，称为手性碳原子（chiral carbon atom），也可称为手性中心。 2．对映异构 把构造式相同、构型不同且互呈镜像对映关系的立体异构现象称为对映异 构。单一对映异构体能使平面偏振光发生旋转，所以具有旋光性．根据旋光方向， 对映异构体分为右旋体和左旋体，分别用“十”和“—’’表示．旋光能力大小 用旋光度 α 和比旋光度[α]来描述。 式中，l 为样品管长(dm)，c 为浓度(g／mL)。 (1) 手性和对称因素 含一个手性碳原子的分子是手性分子。手性分子的两种对映异构体的等量混 合物不具有旋光性，称为外消旋体． 含二个或二个以上手性碳原子但无旋光性的分子，称为内消旋体． 具有相同构造式但其镜像与实物分子能重叠的分子，互称为非对映异构体。 (2) 立体异构体的表示方法 ① 费歇尔投影式；

②锯架式；③楔形式。(3）构型标记方法主要有D/L法和R/S法.D/L标记法是以D-和L-甘油醛为标准物的相对构型标记法.而R/S标记法则是以顺序规则为基础的绝对构型标记法。将手性碳上四个基团按顺序规则排序，序号大小次序若为a>b>c>d，则从对着d一侧观察，若a→b→c为顺时针旋转，那么该手性碳的构型为R；若a→b→c→为逆时针旋转，那么该手性碳的构型为L.（4）典型的对映异构体系①含一个手性碳原子的化合物②含二个手性碳原子的化合物③环烷烃衍生物丙二烯型化合物；③单键旋转受阻碍的联苯型或联萘型化合物；?含有其他手性原子（如N、S、P）的化合物第三节构象异构构造式相同或同一构型的化合物，由于单键的旋转而使分子中的原子或原子团在空间产生不同排列形式，称为构象（conformation）。由单键的旋转而产生的异构体称为构象异构体（conformationalisomer）。构象异构体的分子构造或构型相同，但其空间排列取向不同，因此构象异构是立体异构的一种。一、乙烷的构象乙烷有两种典型构象：交叉式和重叠式，可用透视式和投影式表示

② 锯架式； ③ 楔形式。 (3) 构型标记方法 主要有 D／L 法和 R／S 法． D／L 标记法是以 D-和 L-甘油醛为标准物的相对构型标记法．而 R／S 标记 法则是以顺序规则为基础的绝对构型标记法。将手性碳上四个基团按顺序规则排 序，序号大小次序若为 a>b>c>d，则从对着 d 一侧观察，若 a→ b→ c 为顺时针 旋转，那么该手性碳的构型为 R；若 a→b→c→为逆时针旋转，那么该手性碳的 构型为 L． (4) 典型的对映异构体系 ① 含一个手性碳原子的化合物 ② 含二个手性碳原子的化合物 ③ 环烷烃衍生物； ④ 丙二烯型化合物； ⑤ 单键旋转受阻碍的联苯型或联萘型化合物； ⑥ 含有其他手性原子(如 N、S、P)的化合物． 第三节 构象异构 构造式相同或同一构型的化合物，由于单键的旋转而使分子中的原子或原 子团在空间产生不同排列形式，称为构象（conformation）。由单键的旋转而产 生的异构体称为构象异构体（conformational isomer）。构象异构体的分子构造 或构型相同，但其空间排列取向不同，因此构象异构是立体异构的一种。 一、乙烷的构象 乙烷有两种典型构象：交叉式和重叠式，可用透视式和投影式表示

1HHHHHH叉式“重登式交叉式重叠式Newman投影式透视式故稳定性为：交叉式>重叠式，一般将最稳定的构象称为优势构象，乙烷的优势构象为交式。两种构象的内能相差较小不能分离。二、丁烷的构象丁烷分子在围绕C一C键旋转时，有四种典型的构象异构体，即对位交叉式、邻位交又式、部分重叠式和全重叠式H3CCH3CHH3CHH.CHFCH3NHHCH3H全重叠式部分重叠式邻位交叉式对位交叉式四种构象的稳定性为：对位交叉式>邻位交叉式>部分重叠式>全重叠式。随着正烷烃碳原子数的增加，它们的构象也随之而复杂，但其优势构象都类似正丁烷的能量低的对位交叉式。分子的构象，不仅影响化合物的物理和化学性质，而且涉及蛋白质、酶、核酸等生物大分子的结构与功能，以及药物的构效关系。许多药物分子的构象异构与药物生物活性的发挥都是密切相关的，三、环己烷的构象1.椅式和船式构象环己烷典型的构象有两种：椅式和船式

H H H H H H H H H H H H 透视式 Newman投影式 H H H H H H H H H H H H 交叉式 重叠式 交叉式 重叠式 故稳定性为：交叉式﹥重叠式，一般将最稳定的构象称为优势构象，乙烷的 优势构象为交叉式。两种构象的内能相差较小不能分离。 二、丁烷的构象 丁烷分子在围绕 C2—C3键旋转时，有四种典型的构象异构体，即对位交叉式、 邻位交叉式、部分重叠式和全重叠式。 H H CH3 CH3 H H CH3 H H H3C H H 邻位交叉式 全重叠式 CH3 H H CH3 H H H H CH3 H3C H H 对位交叉式 部分重叠式 四种构象的稳定性为：对位交叉式﹥邻位交叉式﹥部分重叠式﹥全重叠式。 随着正烷烃碳原子数的增加，它们的构象也随之而复杂，但其优势构象都类 似正丁烷的能量低的对位交叉式。 分子的构象，不仅影响化合物的物理和化学性质，而且涉及蛋白质、酶、 核酸等生物大分子的结构与功能，以及药物的构效关系。许多药物分子的构象异 构与药物生物活性的发挥都是密切相关的。 三、环己烷的构象 1.椅式和船式构象 环己烷典型的构象有两种：椅式和船式

椅式船式常温下，由于分子的热运动可使船式和椅式两种构象互相转变，因此不能拆分环己烷的船式和椅式中的某一种构象异构体。2.a键和e键椅式环已烷分子中所含的12条C一H键可分为两组：竖键和横键，分别用a键和e键表示。对称轴环已烷分子可以由一种椅式构象翻转而成另一种椅式构象。这种椅式构象的翻环作用，使原来环上的a键全部变为e键，而原来的e键则全部变为a键，但键在环上方或下方的空间取向不变。椅式环已烷构象式之间的转化，需要46kJ·mol的能量，虽稍高于船式与椅式构象转换的能量，但仍可在常温下迅速进行，形成动态平衡体系。3、环烷衍生物的构象环己烷的氢原子被其它原子或原子团取代时，取代基可以直立键或平伏键与环上碳原子相连，而出现两种不同构象，分别称为e型和a型

1 2 3 4 5 6 1 3 2 4 5 6 椅式 船式 常温下，由于分子的热运动可使船式和椅式两种构象互相转变，因此不能拆 分环己烷的船式和椅式中的某一种构象异构体。 2.a 键和 e 键 椅式环己烷分子中所含的 12 条 C—H 键可分为两组：竖键和横键，分别用 a 键和 e 键表示。 a e a 6 e 1 2 3 4 5 对称轴 环己烷分子可以由一种椅式构象翻转而成另一种椅式构象。这种椅式构象的 翻环作用，使原来环上的 a 键全部变为 e 键，而原来的 e 键则全部变为 a 键，但 键在环上方或下方的空间取向不变。 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 椅式环己烷构象式之间的转化，需要 46kJ·mol 的能量，虽稍高于船式与椅 式构象转换的能量，但仍可在常温下迅速进行，形成动态平衡体系。 3、环己烷衍生物的构象 环己烷的氢原子被其它原子或原子团取代时，取代基可以直立键或平伏键与 环上碳原子相连，而出现两种不同构象，分别称为 e 型和 a 型

azye型它们的投影式如下：取代环环己烷的多元取代物最稳定的构象是e键取代基较多的构象。如反-1,2-二甲基环已烷的稳定性大于顺-1，2-二甲基环已烷。H3H3CCH3H顺-1,2-二甲基环已烷反-1,2-二甲基环已烷(ea型)(ee型)综上所述，可以得出这样的规律：椅式构象比船式构象稳定环已烷多元取代物最稳定的构象是e键取代基最多的构象。环已烷上有不同取代基时，大的取代基在e键的构象稳定。此规律也可以用来推测二环及多环的环状化合物的稳定性，如十氢萘。四、十氢萘的构象十氢萘存在顺式和反式两种异构体。反式较顺式稳定

R R e型 a型 它们的投影式如下： H H H H H H R H H H H H H R H H H H H H 一元取代环己烷倾向于以平伏键与环相连，这样的构象比较稳定。 R R 环己烷的多元取代物最稳定的构象是 e 键取代基较多的构象。如反-1,2-二 甲基环己烷的稳定性大于顺-1,2-二甲基环己烷。 H H3C H CH3 H CH3 H3C H ＞ 反-1,2-二甲基环己烷 顺-1,2-二甲基环己烷 (ee型) (ea型) 综上所述，可以得出这样的规律： 椅式构象比船式构象稳定， 环己烷多元取代物最稳定的构象是 e 键取代基最多的构象。 环己烷上有不同取代基时，大的取代基在 e 键的构象稳定。 此规律也可以用来推测二环及多环的环状化合物的稳定性，如十氢萘。 四、十氢萘的构象 十氢萘存在顺式和反式两种异构体。反式较顺式稳定

H(a)H(a)(e)H/H (a)反式顺式

H H H (e) H (a) (a) (a) 反式 顺式