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第 1 页 共 22 页第十三章 立体异构 学习目标掌握立体异构、顺反异构、旋光异构、构象异构的定义，产生顺反异构的条件和命名方法，手性分子的判断，旋光异构的表示方法和命名；熟悉构象异构的产生、表示方法及重叠构象、交叉构象、稳定构象、优势构象等基本概念了解顺反异构和旋光异构在性质上的差异及在医药上的应用有机化合物普遍存在同分异构现象，这是构成有机化合物种类繁多、结构复杂的原因之一分子的结构包括构造、构型和构象分子的构造是指有机化合物分子中的原子或原子团相互连接的顺序和方式分子的构型是指具有一定构造的分子中，由于原子在不同方向的连接所引起的原子或原子团在空间的排列方式分子的构象是指具有一定构型的化合物分子，由于单键的旋转或扭曲所产生的原子或原子团在空间排列方式分子组成相同，由于原子和原子间的连接方式不同而引起的异构现象称为构造异构前面各章介绍的碳链异构、位置异构、官能团异构、互变异构，都属于构造异构各种构造异构所形成的同分异构体之间，分子组成相同，但原子的连接方式不同分子组成相同，由于原子或原子团在空间的排列方式不同而引起的异构现象称为立体异构立体异构体的分子中，原子与原子间的连接方式相同，只是空间排列方式不同，这是与构造异构不同之处。

立体异构可分为构型异构和构象异构，构型异构又包括顺反异构和旋光异构同分异构的分类总结如下：分子的立体结构与其性质关系密切，同种化合物的不同异构体在性质上存在一定的差异，生理作用就可能不同学习立体异构方面的有关知识，对今后学习药学方面的专业课程十分必要第 1 节 顺反异构第 2 页 共 22 页一、 顺反异构在含有双键的有机物分子中，由于双键是由一个 σ 键和一个 π 键组成的，双键的旋转必然破坏 π 键，因此双键的旋转就受到了限制连在双键碳原子上的原子或原子团就会有不同的空间排列方式，即可以产生不同的构型例如：2-丁烯有两种不同的构型，可分别表示为：顺-2-丁烯 反-2-丁烯熔点-139.4℃ 熔点-105.4℃ 同理，在脂环化合物中的环内碳原子，由于受环本身的限制，不能绕碳碳单键旋转，当有两个或两个以上的成环碳原子所连的基团不同时，就会有不同的空间排列方式例如：1，3-二甲基环戊烷的构型可表示为：这种分子结构相同，只是由于双键或脂环旋转受阻而产生的原子或原子团在空间的排列方式不同引起的异构，称为顺反异构。

顺反异构属于构型异构二、 产生顺分异构的条件分子中有限制旋转的因素如 C＝C 双键或脂环，是产生顺反异构的必要条件一） 化合物中含有 C＝C 双键在含有一个 C＝C 双键的化合物分子中，由于 C＝C 双键不能自由旋转，使得 2 个双键C 原子所连接的 4 个原子或原子团在空间存在两种不同的排列方式，产生两种构型的物质，这两种物质就是顺反异构体例如丁烯二酸有两个顺反异构体反-2-丁烯二酸 顺-2-丁烯二酸（熔点：287℃） （熔点：130℃） 尽管顺-2-丁烯二酸和反-2-丁烯二酸的分子组成、构造完全相同，但是熔点却不同，所以它们是两种不同构型的物质并不是所有含有双键和脂环的有机化合物都能产生顺反异构体如果在同一个双键 C原子上连有两个相同的原子或基团，就不存在顺分异构现象例如 2-甲基-2-丁烯的结构简式：CCH3H3 HH CCH3H3 HH第 3 页 共 22 页可以看出，能产生顺反异构体的化合物，除分子中有 C＝C 双键外，每一个双键碳原子上所连的两个基团不能相同由以上分析得出，a≠c 和 b≠d 是含有 C＝C 双键的化合物 产生顺反异构现象的充分必要条件。

二）化合物中含有脂环由于脂环的存在，使得构成环的 C－C 单键不能自由旋转所以，当环上有两个碳原子各自连接两个不同的原子或原子团时，这两个原子或原子团在空间就有两种不同的取向，产生顺反异构现象例如 1，4-环己二酸存在两种顺反异构体顺-1,4-环己二酸 反-1,4-环己二酸（熔点 300℃，难溶于水） （熔点 161℃，易溶于水） 总之产生顺反异构的条件有两个：1.分子中含有限制旋转的因素，如双键或脂环；2.每一个双键原子上必须连有不同的原子或原子团；脂环分子中要有两个或两个以上的成环原子上连有不同的原子或原子团 根据产生顺反异构的条件，可以有效地判断有机化合物是否可以形成顺反异构体三、顺反异构的命名（一）顺反命名法 顺反命名法是常用的表示顺反异构体构型的一种方法，其具体规定为：比较 C＝C 双键原子或成环原子上所连基团，若相同的基团在双键或环平面同侧的异构体称为顺式；若相同的基团在双键或环平面异侧的异构体称为反式例如：顺-2-丁烯酸 反二丁烯酸第 4 页 共 22 页顺-1,2 环丙二甲酸 反-1,2-环丙二甲酸（二）Z、E 命名法 顺、反命名法只适用于 C＝C 双键或脂环上至少有一对原子或原子团是相同的情况，当双键或脂环上所连接的四个原子或原子团都不相同时，用顺、反命名法命名就有困难。

在国际上通常用 Z、E 命名法来命名这里 Z 是德文 Zusammen，相同的意思；E 是Entgegen，相反的意思命名时，首先要按照“次序规则”确定双键（或脂环）碳上所连接的原子或基团的大小顺序 ，根据大、小原子或基团在双键（或脂环平面）两侧排列的不同来确定构型若两个较大的原子或基团在双键（或脂环平面）同侧时，称为 Z 型，在异侧时称为 E 型在下列构型表示式中，若 a＞b、d＞e ，则它们的构型就是： Z-构型 E-构型次序规则的主要内容是：1.如果与双键碳直接相连的原子不相同时，要按照原子序数的大小排列顺序，原子序数大的为大基团2.如果与双键碳原子直接相连的两个原子相同，那就比较与这两个原子直接相连的其它原子的原子序数的大小，以此类推，直到能比出大小为止例如：－OCH 3＞－OH＞－N(CH 3)＞－NH－CH 3＞－NH 23.基团中有双键或参键时，看作连有两个或三个相同原子例如：根据以上次序规则，下列化合物的构型是：第 5 页 共 22 页Z-1-氯-1-氟-2-溴乙稀Z-2-氯丁烯Z-3-溴-2-甲基-2-戊烯酸Z、E 命名法只是顺反异构体的又一种构型表示形式，它和顺反命名法没有任何固定联系，只不过是在命名时使用的规则不同而已，因此，有些顺反异构体的命名两种方法都可以用。

四、顺反异构体的性质顺反异构体在性质上表现出一定的差异如表 13-1 所示表 13-1 顺反异构体的性质表 6-1 顺反异构的性质就物理性质而言，顺反异构体的熔点、沸点、溶解度、燃烧热等各不相同一般来说，反式异构体的熔点、沸点高于顺式异构体，顺式异构体的溶解度、燃烧热高于反式异构体顺反异构体的化学性质相似，但在与空间位置相关的性质上也表现出一定的差异例如，顺-丁烯二酸加热到 140 ℃时即可脱水形成酸酐，而反-丁烯二酸则须加热到 275 ℃才脱水成酐第 6 页 共 22 页这是由于顺-丁烯二酸分子中两个羧基的空间位置较近，而反-丁烯二酸分子中两个羧基空间位置较远的缘故顺反异构体在生理活性上也不一样，显示出分子构型对药理作用的影响例如雌激素合成代用品己烯雌酚，反式异构体的作用明显强于顺式异构体反式己烯雌酚 顺式己烯雌酚第二节 旋光异构旋光异构是立体异构中重要的一种，自然界中特别是生物体内的很多物质，可以产生旋光异构体例如，葡萄糖、氨基酸等重要的营养物质，都可以产生旋光异构体，许多天然药物及合成药物也存在着旋光异构体各种旋光异构体的性质有一定的差异，在生物体内的作用也不相同。

首先介绍一些相关的基础知识一、偏振光和旋光性光是一种电磁波，光波振动的方向与其前进的方向垂直，普通光或单色光的光波可在无数相互交错的平面内振动若使单色光通过尼科尔棱镜，一部分光线就被阻挡不能通过，只有与棱镜的晶轴平行振动的光线才能通过这种通过棱镜只在一个平面上振动的光称为平面偏振光，简称偏振光由此可知，使单色光通过尼科尔棱镜，可以得到偏振光，如图13-1 所示图 13-1 普通光与偏振光可以把自然界中存在的物质分为两类：一类对偏振光的振动平面不产生影响；另一类具有使偏振光的振动平面发生旋转的性质当偏振光通过这些物质的晶体、液体、溶液时，偏振光的振动平面会发生旋转这种使偏振光振动平面发生旋转的性质称为旋光性，又称第 7 页 共 22 页光学活性能使偏振光振动平面发生旋转的物质称为旋光性物质二、旋光度与比旋光度（一）旋光度旋光性物质使偏振光振动平面旋转的角度称为旋光度旋光度既有大小，又有方向从面对光线的入射方向观察，偏振光振动平面顺时针方向旋转的称为右旋，用“＋”表示；偏振光振动平面逆时针方向旋转的称为左旋，用“-”表示二）旋光仪及其工作原理旋光性物质的旋光度可用旋光仪测定，人们较早使用的旋光仪主要由光源、起偏镜（固定的尼科尔棱镜） 、测定管、检偏镜（可旋转的尼科尔棱镜） 、刻度盘、观察孔等组成，如图 13-2 所示。

现在使用的旋光仪无刻度盘和观察孔，测定结果可直接在液晶显示窗中显示图 13-2 旋光仪结构示意图测定时，从光源发出的单色光通过起偏镜可得到偏振光，使偏振光通过测定管，测定管中盛有待测物质的液体或溶液如果测定管中的待测物质有旋光性，穿过测定管的偏振光可发生旋转，旋转检偏镜使光线通过，人们可通过与检偏镜固定在一起的刻度盘读出偏振光旋转的角度，从而测得待测物质的旋光度如果测定管中的待测物质无旋光性，穿过测定管的偏振光则不发生旋转三）旋光度和比旋光度旋光度用 α 表示同一种旋光性物质在不同实验条件下测得的旋光度 α 值是不一样的如果把这些影响因素加以固定，则测得的旋光度值即为常数，它能反映该旋光性物质的本性，叫做比旋光度，以 来表示旋光度与比旋光度之间有如下关系：t][（13-1）Btl式中： 第 8 页 共 22 页:比旋光度；t][α:旋光度；:溶液浓度(g/mL)；B：测定管长度(dm)；l：测定时的温度，通常为 20℃；tλ:旋光仪所用单色光的波长，通常是钠光（又称 D 线，589nm） 当 和 都等于 1 时，则 =α因此，物质的比旋光度就是浓度为 1g/mL 的旋光溶液，Bl t][放在 1dm 长的管中测得的旋光度。

在一定温度、一定波长下测得的比旋光度，是旋光性物质的一个物理常数例如，蔗糖的比旋光度 ，表示在 20℃条件下，光源为钠6.5][20D光源时所测得的蔗糖的比旋光度为右旋 66.5°比旋光度是旋光性物质的一种物理常数，每种旋光性物质的比旋光度是固定不变的利用比旋光度值和公式（13-1）可以测定物质的浓度和鉴定物质的纯度例 13-1 今测得蔗糖溶液在 20 ℃及 2 dm 测定管中的旋光度为＋10.75°,求该蔗糖溶液的浓度 （20 ℃时蔗糖的比旋光度为+66.5°）解 已知 =2dm， ＝+10.75， ＝+66.5°l][)mL/g(08.25.671l故该蔗糖溶液的浓度为 0.08 g/mL三、旋光性与分子结构的关系（一）手性与物质的旋光性有些物质有旋光性，有些物质没有旋光性，这主要与物质的分子结构有关实验证明，乳酸、酒石酸分子有旋光性，经研究发现这些分子中都含有不对称碳原子凡是连有四个不同的原子或原子团的碳原子称为不对称碳原子，也称为手性碳原子，用“*”标出乳酸结构式为：在乳酸分子中，不对称碳原子上连有四个不同的基团，。