对映异构（2）

>图17-7　物体与其镜象不能重合（α）右旋弹簧与左旋弹簧；（b）蜗牛壳；(c)左螺纹与右螺纹螺丝钉

　　上述情况在有机化合物中也存在。许多分子能与其镜象重合，例如甲烷、乙醇、乙醚、丙酮等。但也有许多分子与其镜象不能重合，例如（+）-乳酸及（-）-乳酸的分子结构之间的关系好比人的左手与右手的关系，因此把这种分子叫做手性分子，它们具有手性。凡是手性分子都有旋光性。如果一个分子与其镜象等同，即能重合，则叫做非手性分子，非手性分子没有旋光性。

　　一个物质的分子是否具有手性是由它的分子结构决定的。最常见的手性分子是含手性碳原子的分子。所谓手性碳原子是指连有四个不同的原子或原子团的碳原子，这种碳原子常以星号“*”标示。例如乳酸分子中有三个碳，但只有C-2才是手性碳原子，它连接的是-H，-OH，-CH3及-COOH这四个原子或原子团。手性碳原子也叫做不对称碳原子。

凡是含有手性碳原子的分子都有对映异构体，但是含手性碳原子的分子不一定是手性分子（见本节四）。

　　三、含一个手性碳原子的分子

　　含一个手性碳原子的化合物有一对对映异构体。

　　（一）外消旋体

　　两个对映体的等物质的量混合物的比旋光度为零。这种混合物叫做外消旋体。与各对映体相比较，外消旋体无旋光性外，其理化性质也不同，它的生理或药理作用与各对映体往往有明显的差异。

　　除了用特殊方法外，用通常化学合成的具手性碳原子的化合物，基本上是外消旋体。要想从外消旋体得到旋光纯的异构体，要采用特定的方法把左旋体与右旋体分开，这个过程叫做拆分。

　　（二）对映异构体的构型

　　1．费歇尔投影式

　　为了方便起见，对映异构体的构型通常采用费歇尔投影式来表示，即把手性碳原子所连的四个原子或原子团按规定的方法投影到纸上。这种方法包括：（1）手性碳原子写在纸平面上，或用一个“+”字形的交叉点代表这个手性碳，四端分别连四个不同的原子或原子团；（2）以垂直与手性碳相连的是伸向纸平面手后方的两个原子或原子团，以水平线与手性碳原相连的是伸向纸平面前方的两上原子或原子团；（3）通常把碳链放在垂直线上，并把命名时编号最小的碳原子放在上端。费歇尔投影式是以两维式来表示含手性碳原子的分子的三维结构。

　　2．相对构型与绝对构型

　　物质分子中各原子或原子团在空间的实际排布叫做这种分子的绝对构型。现在已能用X射线衍射等方法测定了许多化合物分子的绝对构型，但在1951年以前还没有解决这个问题。1906年，罗沙诺夫建议把（+）-及（-）-甘油醛作为其他旋光性异构体物质的构型的比较标准，并人为地规定，在费歇尔投影式中，手性碳上的OH排在横线右边的为右旋甘油醛（Ⅰ），作为D型，手性碳上的OH排在横线左边的为左旋甘油醛（Ⅱ），作为L型。D-及L-分别表示它们的构型。应注意，D及L仅表示其构型，与其旋光性（+）、（-）无关。当一个旋光性物质发生化学反应时，只要手性碳上的任何一个键都未断裂，则这个手性碳的构型就没有改变。这样，许多其他物质分子的构型都可以通过直接或间接的化学转变，与D型或L型甘油醛相联系，其条件是相当于甘油分子的手性碳上的每一个键，在转变过程中都不发生断裂。如果该物质与D型甘油醛相联系时，其分子的构型即为D型，如与L型甘油醛相关联时，它的分子构型则属于L型。用这种方法确定的构型是相对于标准物质——甘油醛而来的，所以叫做相对构型。

　　罗沙诺夫所作的上述规定为确定其他一些物质分子的构型带来方便，但这毕竟是人为规定的。直到1951年才有人证明D-（+）-甘油醛的真正构型与罗沙诺夫的规定是一致的。这样一来，无论是甘油醛还是与它们相关联的各旋光性物质的相对构型也都是绝对构型了。现在已有许多旋光性物质用不同的方法确定了绝对构型。关于D型和L型的概念目前在一些化合物如糖类及α氨基酸中仍然应用。

　　现在认为，构型与旋光性之间没有必然的联系。物质的旋光性仍须通过实验测定。

　　（三）、对映异构体的系统命名法

　　对映异构体的系统命名法即IUPAC命名法。这是根据物质分子的绝对构型或其费歇尔投影式来命名的，故无须与其他化合物联系比较。

　　含一个手性碳的分子C*abcd命名时，首先把手性碳所连的四个原子或原子团按照次序规定排列其优先顺序，如a＞b＞c＞d其次，将此排列次序中排在最后的原子或原子团（即d）放在距观察者最远的地方。这时，其他三个原子或原子团就向着观察者（图17-8）。然后，再观察从最优先基a开始到b再到c的次序，如果是顺时针方向排列的（图17-8左），这个分子的构型即用“R”标示（R取自拉丁方Rectus，右）；如果a→b→c是逆时针方向排列的（图17-8右），则此分子的构型用“S”标示（S取自拉丁方Sinister，左）。

图17-8　R及S构型

　　例１.

优先顺序

-CL>-OCH₃>-CH₃>-H

　　例2.

-NH₂>C₆H₅>-C₂H₅>-CH₈

　　用构型的费歇尔投影式，同样可以确定一个分子是R还是S构型。先要确定C*abcd中，a、b、c及d的优先顺序，如a＞b＞c＞d。在费歇尔投影式中，如最小基d连在垂直方向，即C*-d键伸向纸平面的后方，则当a→b→c为顺时针方向时，此分子为R型；如a→b→c为逆时针方向时，则是S型。如最小基d连在水平方向，即C*-d键伸向纸平面的前方，则当a→b→c为顺时针方向时，此分子为S型；如a→b→c为逆时针方向时，为R型（图17-9）。

图17-9　用费歇尔投影式确定R/S构型

　　例1.

例2.

　　要把R/S构型与D/L构型分开，不能认为D型的分子即R型的，或L型的分子即S型的。例如：

　　四、含两个手性碳原子的分子

　　在有机化合物中，随着手性碳原子数目的增加，对映异构现象也愈杂。

　　（一）含两个不同的手性碳原子的分子

　　这类分子中，两个手性碳不同，即一个手性碳上所连的四个原子或原子团与另一个手性 碳上所连的不同或不完全相同。这种分子有四种具有旋光性的异构体，例如，2-羟基-3-氯丁二酸 。它的C-2上连的

　　是-H，-OH，--COOH及-CHCLCOOH，C-3上连的是-H，CL，-COOH及-CHOHCOOH，这是两个不同的手性碳。它们的费歇尔投影式如下：

Ⅰ与Ⅱ是一对对映体，Ⅲ与Ⅳ是另一对对映体。Ⅰ（或Ⅱ）与Ⅲ（或Ⅳ）虽是具有旋光性的异构体，但并不是对映体，而是非对映异构体（非对映体）。非对映体之间不仅旋光性不同，理化性质也有一定的差异（表17-2）。

表17－2　2-羟基-3-氯丁二酸的一些物理性质

化合物构型 熔点/℃ [α]20D Ⅰ（2S，3S） 173（±）