6.3　含一个手性碳原子化合物的对映异构

6.3.1　对映体和外消旋体

含有一个手性碳原子的分子一定是手性分子。乳酸分子［CH₃CH（OH）COOH］是含有一个手性碳原子的化合物，其α-碳原子分别与H、OH、CH₃ 和COOH四个不同的原子或原子团相连，是手性碳原子。手性碳原子上的四个基团在空间有两种排列方式，即有两种构型。如前所述，乳酸分子有手性，具有旋光性，有一对对映体。这一对对映体都是手性分子，所以都有旋光性。它们使偏振光的振动平面旋转的角度相同，但是方向相反，分别为左旋的和右旋的乳酸，用（-）-乳酸和（+）-乳酸分别表示。

由葡萄糖发酵得到的乳酸分子是左旋的，其比旋光度是［α=-3.8（H₂O）；由肌肉运动所产生的乳酸分子是右旋的，其比旋光度是［α=+3.8（H₂O）。用普通的化学方法合成也可以得到乳酸，但它是由旋光方向相反、旋光能力相同的等量的右旋乳酸和左旋乳酸组成的混合物，其旋光性因这些相反的作用而抵消，因而无旋光性，称为外消旋体（racemic mixture），以“±”或“dl”表示。

外消旋体由相等数目的对映体分子所组成。在气态、液态或溶液中，外消旋体通常为理想的或接近理想的混合物。因此在该状态下，除了对平面偏振光表现出不同的作用外，外消旋体和相应的对映体具有相同的性质。比如，三者具有相同的折射率、沸点、密度等物理性质。但是，在固体状态下，对映体分子之间的相互作用力明显不同于外消旋体分子之间的作用力。在右旋（+）-分子中，分子间的作用力是（+）-分子和（+）-分子的关系；在左旋（-）分子中，分子间的作用力是（-）-分子和（-）-分子的关系，二者相同，从而一对对映体化合物表现出相同的熔点。但是，在外消旋体分子中，是（+）-分子和（-）-分子之间的关系，明显不同于对映体。乳酸的对映体和外消旋体的一些物理性质见表6-1。

由上可知，含一个手性碳原子化合物的分子具有手性，因而具有旋光性。它有两个旋光异构体，一个为左旋体，另一个为右旋体。它们的等量混合物组成外消旋体。

6.3.2　手性分子的Fischer投影式表示法

描述手性分子中原子或原子团在空间的排列方式时可以用球棍立体形式和透视式表示，常采用透视式。比如，乳酸分子的一个立体异构体可以用以下形式在纸平面上表示出来：

尽管这两种表示方式可以较为清晰地表达出分子中各原子的立体关系，但是书写不方便，尤其是书写结构复杂的化合物就更加困难。

1891年，德国化学家E.Fischer提出了连接手性碳原子的四个基团的空间排列方法。后来人们将此方法称为Fischer投影式（Fischer projections）。

书写Fischer投影式应注意以下几点：

①连接手性碳原子的两个横键朝向纸平面的前方，两个竖键朝向纸平面的后方。

②横线和竖线的垂直交点表示碳原子，位于纸平面上。

③一个化合物可以有多种Fischer投影式，一般将主碳链放在竖直方向，把氧化态最高的基团放在Fischer投影式的上端，氧化态低的基团放在下端。常见氧化态顺序为—COOH>—CHO>—CH₂OH>—CH₃。

按照此投影规则，乳酸的一对对映体的Fischer投影式如下图所示：

值得注意的是，透视式可以任意旋转而不会改变分子的构型，但是Fischer投影式只能在纸平面上平移，或在纸平面上旋转180°或其整数倍，而不可以离开纸平面翻转，否则将会改变分子的构型。

若将Fischer投影式在纸平面上旋转180°或其倍数，则得到的投影式和另一投影式相同，分子的构型保持不变。如下述两个投影式表示同一构型：

若将Fischer投影式在纸平面上旋转90°或其奇数倍（顺时针或逆时针旋转均可），则分子的构型发生改变，得到它的对映体。这两个投影式表示两种不同的构型，二者是一对对映体的关系。

将Fischer投影式中手性碳原子上的任意两个原子或原子团交换奇数次后，得到的投影式与原投影式表示两种不同构型，二者的关系是一对对映体。如下图中化合物Ⅰ和Ⅱ表示一对对映体；同样Ⅱ和Ⅲ也是一对对映体。将Fischer投影式的手性碳原子上的任意两个原子或基团交换偶数次后，得到的投影式与原投影式表示同一构型。如下述化合物Ⅰ和Ⅲ具有同一构型。而Ⅲ在纸平面上顺时针旋转180°后得到Ⅳ，二者具有相同的构型。

Fischer投影式在表示一个手性碳原子的立体异构体时非常方便，但在用于表示含有两个或两个以上手性碳原子的化合物时，Fischer投影式就不能很好地表示出分子的真实形象。我们可以结合以前章节中所学到的锯架式或Newman投影式来表示分子结构。如2，3，4-三羟基丁醛的一个立体异构体可以表示如下：

6.3.3　对映体的构型命名（Cahn-Ingold-Prelog次序规则及R/S命名体系）

对映异构和顺反异构都属于构型异构。对映异构体的构型一般是指手性中心（或手性碳原子）所连接的四个不同原子或原子团在空间排列的顺序。顺反异构体的构型是指分子中双键的旋转或环的旋转受阻而导致分子中的原子或原子团在空间排列的顺序。之前我们已经学习了顺/反异构体构型的命名。在此，我们介绍对映异构体的两种构型命名方法。

（1）D/L标记法　构型是指立体异构体中原子或原子团在空间的排列顺序。比如，试验结果表明，甘油醛（又叫2，3-二羟基丙醛）有两种立体异构体。其中的一个立体异构体使偏振光向右旋转，另外一个使偏振光向左旋转。但是这一对对映体的结构式中，究竟哪一个代表右旋体，哪一个代表左旋体，从模型或Fischer投影式中是判断不出的。

在早期还没有方法测定时，为避免混淆和研究需要，人们选择用甘油醛作为参比物，规定在Fischer投影式中，手性碳原子上的羟基在碳链右侧的为右旋甘油醛，定为D-构型（D是拉丁文dexcro的第一个字母，右）；羟基在左侧的为左旋的甘油醛，定为L-构型（L是拉丁文leavo的第一个字母，左）。

基于甘油醛的构型，其他旋光性物质的构型就可以通过一定的化学转变与甘油醛联系起来。即以甘油醛为基础，通过化学方法将其转化成未知构型的化合物。如果与手性碳原子相连的化学键没有发生断裂，则新化合物保持甘油醛原有的构型。具体来讲，凡可由L-甘油醛转变而成的或是可转变成L-甘油醛的化合物，其构型必定是L-构型的；凡可由D-甘油醛转变而成的或是可转变成D-甘油醛的化合物，其构型必定是D-构型的。需要注意的是，在此转变过程中不能涉及手性碳原子上化学键的断裂，否则就必须知道转变反应的历程。下面我们看一个具体例子：

D-（+）-甘油醛在氧化剂的作用下，醛基（—CHO）被氧化成羧基（—CO₂H），生成甘油酸。由于在此过程中，与手性中心（C2）直接相连的化学键并未断裂，因此甘油酸的构型与D-（+）-甘油醛相同，也是D构型。但是此甘油酸的旋光方向却是左旋。该实验结果说明化合物的构型与旋光方向不存在直接的关系。又例如，把乳酸转变成钠盐后，其旋光的方向和大小就发生了改变，尽管这一酸碱反应并没有改变立体中心的绝对构型。化合物的旋光方向是通过旋光仪测定而得到的。

同样的道理，从D-（+）-甘油醛到D-（-）-乳酸的转变，在整个过程中，均未涉及与手性碳原子直接相连化学键的断裂。因此可以确定左旋的乳酸具有与右旋的D-（+）-甘油醛相同的构型。即在左旋乳酸的Fischer投影式中，也是羟基在手性碳原子的右边，氢原子在左边。

由于D、L标记法是相对于人为规定的标准物——甘油醛而言的，所以这样标记的构型又叫作相对构型。那么，对甘油醛的一对对映体而言，它们“真实的构型”是如何的呢？这个问题在1951年之前都是悬而未决的。直到1951年，Bijvoet用X射线测定了（+）-酒石酸的铷钠盐晶体的真实构型（也称绝对构型），确定了甘油醛的绝对构型。幸运的是，这恰与Fischer所规定的相对构型是一致的。这意味着人为假定的甘油醛的相对构型就是其绝对构型，同时也表明以甘油醛为参比物而确定的其他旋光性物质的相对构型也就是其绝对构型。因此，凡是经过与甘油醛相联系，而测得构型的化合物，其实就是测定了它们的绝对构型，无须改变这些化合物的构型符号（D或L）和旋光符号［（+）或（-）］。

值得注意的是，D、L是指化合物以甘油醛为标准所得到的构型表示方法。d和（+）同义，为右旋光性的符号；而l和（-）同义，为左旋光性的符号。

D/L标记法的使用有一定的局限性，它只适用与甘油醛结构类似的化合物。目前除了在糖类化合物、氨基酸等化合物中仍沿用外，现基本采用R、S标记法。

（2）R/S标记法　R/S标记法根据手性碳原子所连接的四个原子或基团在空间的排列顺序来进行标记，它是直接以不对称碳原子自身的结构为依据的一种命名规则，因而摆脱了Fischer投影结构式中一些规定的干扰，从而广泛应用于各种类型手性化合物的构型命名。R/S标记法中的R和S分别是拉丁文rectus和sinister的简写，分别表示“右” 和“左”。R/S标记法遵循英国R.S.Cahn和C.K.Ingold以及瑞士的V.Prelog 三位化学家制订的规则，简称CIP规则。用这种方法标记的构型是真实的构型，叫作绝对构型。

R/S标记法分为两步。第一步是将与手性碳原子相连的四个原子或原子团根据定序规则进行排序，较优基团在前，如a>b>c>d。在此，基团优先顺序的规则与Z/E标示几何异构的规定一致。第二步是将手性碳原子的四个原子或原子团中最小的基团d（多数情况下为氢原子）置于远离观察者的视线方向，即其余三个基团朝向观察者，然后观察这三个基团的优先顺序。如果a→b→c是按顺时针方向排列，则手性碳原子的绝对构型为R；如果a→b→c是按逆时针方向排列，则其构型为S。

R/S标记法也可以直接应用于Fischer投影式。关键是要注意“横前竖后”，即与手性碳原子相连的两个横键是伸向纸前方的，两个竖键是伸向纸后方的。同样也是首先将连接到手性碳原子上的四个基团排序，较优基团在前，如a>b>c>d。观察时，将排在最后的原子或基团（d）放在离观察者眼睛最远的位置。最不优先基团d是在竖直键上（即d指向纸平面后方），依次观察a、b、c的顺序。如果是顺时针方向轮转，则投影式中该手性碳原子所代表的绝对构型为R型；如果是逆时针方向轮转，则该手性碳原子所代表的绝对构型为S型。

特别值得提出的是，如果在Fischer投影式中最小基团d是在横键上，即该原子或原子团是朝向纸平面前方的，并不是在远离观察者的位置上。这时依次观察a→b→c的顺序：如果是顺时针方向轮转，则投影式中的该手性碳原子所代表的绝对构型为S型；如果是逆时针方向轮转，该手性碳原子所代表的绝对构型为R型。这与最不优基团在竖直键上所得到的结论是相反的。

下面我们来看几个例子。

【例6-1】　标记氯溴碘甲烷的两个构型。

氯溴碘甲烷分子中与手性碳原子直接相连四个原子的优先顺序应为I>Br>Cl>H。

由于氯溴碘甲烷中最小的原子H在横键上，朝向纸平面的前方。将氯溴碘甲烷的透视式在空间作适当的转动，使连接在手性碳上的最小原子（H）置于远离观察者视线的位置，而其他三个原子则处在朝向观察者的方向。依次观察I、Br、Cl的顺序是逆时针方向轮转，则氯溴碘甲烷中的手性碳原子所代表的绝对构型为S型。

【例6-2】　标记2-丁醇Fischer投影式的构型。

首先比较2-丁醇中手性碳所连的四个原子或基团的优先顺序。与手性碳相连的四个基团由大到小的顺序是：HO>C₂H₅>CH₃>H。

将2-丁醇的Fischer投影式在空间作适当转动，使连接在手性碳上的最小原子（H）置于远离观察者的视线位置，而其他三个基团（—OH、—C₂H₅、—CH₃）则处于朝向观察者的方向 （此时只是将Fischer投影式转换成透视式了，原来的分子构型并没有发生改变）。

OH→—C₂H₅→CH₃为顺时针方向，故为该分子中手性碳原子的绝对构型为R型。

此外，我们也可以直接由Fischer投影式判断上述2-丁醇手性碳原子的绝对构型。由于最不优基团H原子位于Fischer投影式中的横键上，朝向纸平面的前方。这时观察—OH、—C₂H₅、—CH₃的轮转顺序是逆时针方向，因此该手性碳原子所代表的绝对构型为R型。

值得注意的是，化合物的构型R，S或D，L和它的旋光方向（-或+）无对应关系。原因在于旋光方向是化合物所固有的性质，是实验测得的结果；而化合物的构型是人为规定的，二者不能混为一谈。至今仍不清楚化合物的旋光方向和构型之间的关系。但是有一点是确定的，即一对对映体中的一个异构体是左旋的，另外一个必定是右旋的；手性碳原子的绝对构型为R型，则其对映体中的对应手性碳原子必定是S构型。

另外一点需要指出的是，D/L和R/S是两种不同的构型标记方法，二者之间并没有必然的联系。R/S标记法是根据分子的几何形状按照次序规则确定的，它只与分子中手性碳原子上所连接的原子和基团的优先顺序有关；而D/L标记法则是由分子与参照物甘油醛相联系而确定的。具有D构型或L构型的化合物若用R/S标记法来进行标记，D构型既可能是R构型，也可能是S构型；同样，L构型的化合物既可能是R构型，也可能是S构型。

此外，在研究糖类化合物和氨基酸的构型时，尽管R/S标记法有不易出错的优点，但它不能反映出立体异构体之间的构型联系。因此，在标记氨基酸和糖类化合物的构型时，仍普遍沿用D/L标记法。

思考题

6-4　按照顺序规则将下列各组基团排序。

（1） a.—CHCH₂　　b.—CH（CH₃）₂　　c.—C（CH₃）₃　　d.—CH₂CH₃

（2） a.　　b.—C（CH₃）₂CH₂OH　　c.—C（CH₃）₃　　d.—C₆H₅

（3） a.—CO₂CH₃　　b.—COCH₃　　c.—CH₂OCH₃　　d.—CH₂CH₃

（4） a.　　b.—CH₂Br　　c.—CH₂CH₂Cl　　d.—Cl

6-5　写出分子式为C₃H₆DCl的化合物的所有构造异构体的结构式。这些化合物中哪些具有手性？用投影式表示它们的对映异构体并用R或S标记出构型。