4.2 對映異構(gòu)與手性 
連有4個不同取代基的sp3雜化的碳原子稱不對稱碳原子(asymmetric carbon atom)，取代基有兩種不同的空間排列方式，存在不能疊合(superimpose，或稱重合)的呈物體與鏡像關(guān)系的兩個分子。這兩個稱對映體(enantiomer)的分子互相對映(enatiotopic)，稱對映異構(gòu)(enantiomerism)，如圖4-1所示。兩個對映體恰如左、右手的關(guān)系，故稱手性(handedness，chirality)，其特殊之處在于其有光學(xué)活性(optically activity)。兩個對映異構(gòu)體分別使偏振光右旋(dextrorotatory)或左旋(levorotatory)，旋光度相等。手性是描述分子結(jié)構(gòu)的幾何特征和現(xiàn)代立體化學(xué)的一個核心概念，也是分子可存在對映異構(gòu)的必要和充分條件。雙鍵Z/E異構(gòu)和某些順/反取代的環(huán)異構(gòu)則是非手性的構(gòu)型異構(gòu)。 
圖4-1 對映異構(gòu)體Cabcd及鍵的立體位向表示(a、b、c和d代表不同的取代基) 
4.3 手性與分子的對稱面 
分子中的原子都處于一個平面(如，烯烴雙鍵的兩個碳原子及它們所連的4個原子)，或有一個穿過分子并能把它分成互為物體和鏡像兩部分的平面都稱該分子的對稱面(plane of symmetry，σ)或鏡面。二氯甲烷(1)分子中的對稱面通過碳原子和兩個氫原子或通過碳原子和兩個氯原子；2-氯丙烷(2)分子中有一個對稱面穿過中心碳原子和氯原子及中心碳原子上的氫原子；苯(3)是一個有7個對稱面的平面型分子，包括環(huán)平面和6個垂直于苯環(huán)平面的對稱面。如果在所有穿過分子中心的直線上離中心等距離處都有相同的原子(團)，此中心稱對稱中心(center of symmetry，i)。反-1,3-二甲基-2,4-二氯環(huán)丁烷(4)就有一個對稱中心。有對稱中心的分子不多。 
分子是否有手性取決于其具備的對稱因素。對絕大多數(shù)分子而言，有對稱面或?qū)ΨQ中心的分子與其鏡像可重合，是沒有手性的。Caaaa型、Caaab型和Caabc型分子中都有一個對稱面而無手性。沒有對稱面的Cabcd型分子有手性和對映異構(gòu)現(xiàn)象，稱手性分子(chiral moleculer)。 
4.4 手性分子的類型 
分子具有手性的充要條件是與其鏡像不能重疊。存在一個構(gòu)型確定的手性中心是分子具有手性的充分條件而非必要條件，無手性中心的分子也可有手性(參見6.11.1)。 
4.4.1 帶手性碳中心 
常見的手性分子是有一個手性碳原子(Cabcd)的分子。因同位素原子也可產(chǎn)生手性分子，如1。四個橋頭不同取代的金剛烷2也是手性分子，其手性中心是相當(dāng)于手性碳原子的一個高度對稱的金剛烷骨架。 
4.4.2 手性的環(huán)狀分子 
如圖4-2所示，以取代基相同的二取代環(huán)己烷為例，環(huán)上的順/反異構(gòu)形成構(gòu)型異構(gòu)。1,2-或1,3-二取代環(huán)己烷都有3種：一種是有穿過C(1)-C(2)鍵和C(4)-C(5)鍵中心或穿過C(2)-C(5)原子的對稱面而無手性的順式異構(gòu)體(3或5)；它們的反式異構(gòu)體(4、4'或6、6')是有手性的，有兩個互為鏡像但不能疊合的對映異構(gòu)體；1,4-二取代環(huán)己烷有順式或反式兩種異構(gòu)體(7或8)，它們都有一個穿過C(1)-C(4)原子的對稱面而無手性。 


圖4-2 兩個碳上有相同取代基的二取代環(huán)己烷的立體異構(gòu)現(xiàn)象 
兩個不同的環(huán)并聯(lián)時，如由五元和六元環(huán)并聯(lián)而成的全氫化茚的順式異構(gòu)體(9) 有對稱面，只有一種；反式異構(gòu)體則有對映異構(gòu)的兩種分子10和10'。 
4.4.3 雙鍵產(chǎn)生的手性分子 
雙鍵的順/反異構(gòu)也是構(gòu)型異構(gòu)，只是雙鍵平面就是對稱面，故沒有對映異構(gòu)。但反式環(huán)辛烯(11a或11a')中雙鍵兩端所連的六碳鏈太短而不能處于雙鍵平面，不存在如11b所示的平面構(gòu)象，反式環(huán)辛烯是一個有手性的分子。丙二烯分子中兩個雙鍵是正交的，若兩端碳原子分別都有不同的取代基團，即Cab═C═Cab(12)或Cab═C═Ccd時，整個分子就因缺少對稱平面而成為無手性原子的手性分子。 
4.4.4 非碳手性中心 
季銨鹽中的氮原子鍵連有4個不同的基團時也是有手性的原子。若把胺中氮原子上的孤對電子當(dāng)“虛”原子處理，則連有三個不同基團的叔胺(RR'R"N)就是一個手性分子。但一般叔胺中的氮原子構(gòu)型會迅速翻轉(zhuǎn)變化，翻轉(zhuǎn)能量僅需很少的25 kJ/mol，兩個對映異構(gòu)體(13a和13b)是無法分離的，就像乙烷的構(gòu)象異構(gòu)那樣，簡單的分子碰撞和熱運動就能迅速地實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變。若能把這3個不同的基團固定起來使其不能來回翻轉(zhuǎn)，如圖4-3所示的Troger堿(14)就有兩個可分離的對映異構(gòu)體。 
圖4-3 三價胺分子(13)的翻轉(zhuǎn)和Troger堿(14) 
與碳原子同族的Si、Ge和S、P等許多原子也都可形成手性分子。硫、磷原子上的對映構(gòu)型互變需較高能量，約為100～160 kJ/mol。三配位的手性硫化物和膦化物，如RS(O)R'、RS(O)OR'、RR'R''S＋ X－、(RO)S(O)OR'、RR'R''P和RR'R''P(O)等都是常見的手性分子。 
4.4.5 構(gòu)象的手性與分子的手性 
手性是分子的一個永久存在且可檢測的特性。手性分子的每個構(gòu)象都是手性的，有非手性構(gòu)象存在的分子必定是非手性的。非手性的分子也可能存在某個手性構(gòu)象及與其快速互變的另一個對映體，就象無手性的乙烷也有許多手性的構(gòu)象那樣。取代基相同的順-1,2-二取代環(huán)己烷從平面構(gòu)象(15a)看是非手性的，從椅式構(gòu)象(15b)看是有手性的，但15b經(jīng)瞬間完成的環(huán)翻轉(zhuǎn)即可成為其構(gòu)象對映體(15c)，15b和15c不可能各自以單一異構(gòu)體存在。故考察一個分子有無手性只要分析一個立體分布較簡單的構(gòu)象即可，討論環(huán)己烷衍生物的立體化學(xué)也只要用一個平面構(gòu)象來分析，如此也很容易找出各個取代基相互之間的順反關(guān)系。取代基相同的反-1,2-二取代環(huán)己烷(16)是一個手性分子，其任何一個構(gòu)象都是手性的。 


4.5 手性中心和立體源中心 
不對稱碳原子這一術(shù)語于1960年代中期開始為手性碳原子(chiral carbon atom)所取代，常用*C 表示，又常稱手性中心(chiral center)。只含有一個手性碳原子的分子必定是手性分子，但含有多個手性碳原子的分子不一定是手性分子。如，非手性的內(nèi)消旋酒石酸分子中有兩個手性碳原子(參見4.10.2)。也有些手性分子，如，取代丙二烯中并無手性原子(參見4.4.3)。故手性分子和手性原子是兩個概念，一個分子是否有手性只能根據(jù)其是否存在對稱面而不是有無手性碳原子來作判斷。如圖4-4所示，涵義更廣的立體源中心(stereocenter)一詞也用于描述手性中心，交換兩個立體源中心上的原子(團)即生成另一個對映的或非對映的立體異構(gòu)體。 
圖4-4 手性中心和立體源中心 
4.6 旋光性、比旋光度和對映體過量 
光波是一種電磁波，振動方向與其前進傳播方向垂直。如圖4-5所示，普通光在前進傳播方向上有無數(shù)個與其垂直的振動平面，其中能通過Nicol棱晶(起偏鏡)的光是僅在某個平面上振動的，稱平面偏振光(plane-polarized light)或簡稱偏振光、偏光。手性分子極化率的各向異性可使偏振光平面向左或向右旋轉(zhuǎn)而表現(xiàn)出旋光性(optical activity)，在旋光儀上要旋轉(zhuǎn)第二個Nicol棱晶(檢偏鏡)才能觀察到通過的偏振光，即顯示光學(xué)活性。非手性分子也可使偏振光平面旋轉(zhuǎn)，但往左或往右旋轉(zhuǎn)的能力相等而抵消，故無光學(xué)活性。 
圖4-5 旋光儀和旋光度的測量 
利用旋光儀可以測出手性樣品的旋光方向和旋光度數(shù)。右旋或左旋的旋光方向用“+”或 “–”表示(以前也曾用拉丁字母d或l表示右旋或左旋)，故兩個對映異構(gòu)體又分別稱右旋體或左旋體。很遺憾的是，從分子的右旋或左旋活性并不能直接得出分子中4個基團在手性碳原子上的空間排列關(guān)系。如，某未知(+)-仲醇若無其他手段，單憑其有右旋或左旋的特性是無法得知它究竟是1還是1'的。 
手性分子的旋光能力用比旋光度(specific rotation，[?])表示，它與旋光儀上得出的表觀旋光度(observed rotation degrees，?)有如式(4-1)所示的關(guān)系： 
(4-1) 
式(4-1)中的l是用分米dm表示的盛液管長度， c是溶液用g/ mL表示的濃度(有的文獻給出的濃度是g/100 mL，樣品為純液體時用相對密度替代濃度)。表觀旋光度是樣品、濃(密)度、光通過路徑的長度(l)、溫度(t)、溶劑及波長(λ)等各種因素的綜合結(jié)果。故比旋光度而不是表觀旋光度被用來表示物質(zhì)的旋光特性，相當(dāng)于盛液管長度為1 dm、濃度為1 g/100mL時測得的表觀旋光度。如[?]20D = +52.5°(H2O，1)，表示100 mL水中有1g該物質(zhì)的溶液在20℃用穿過1 dm長度的 D線(指常用的光源鈉光燈的D線，λ = 589.6 nm)測得的比旋光度為右旋52.5°。[?]的量綱本為deg·cm2/g，單位為10–1deg·cm2/g(l=1)，為方便記載和表達，通常僅用度(°)表示。旋光儀中讀到的表觀旋光度實際上代表一系列?±n180的數(shù)值，故未知樣品需做兩次不同濃度的測試以確定真正的數(shù)值。與化合物的沸點、熔點、相對密度、折光率等物理常數(shù)一樣，比旋光度是一個手性分子固有的物理性質(zhì)，符號和大小在測試條件相同的情況下是一個定值。 
對映體過量(enantiomeric excess，e.e)是常見的一個反映樣品中對映異構(gòu)體純度的單位，表示樣品中含量高的對映體過另一個含量低的對映體的百分數(shù)，如式(4-2)所示。 
e.e ＝ 主要對映體%－次要對映體% (4-2) 
只有單一對映體成分的樣品稱對映純(enantiomerically pure，enatiopure)。文獻中也有以旋光純度(optical purity，o.p)反映樣品對映異構(gòu)體純度的，它以實測得的比旋光度和已知的大比旋光度的比值表示，如式(4-3)所示。 
o.p ＝ (? obs / [?])% (4-3) 
如，(S)-丁-2-醇的比旋光度為+13.52°，若一個丁-2-醇樣品的比旋光度為–6.76°，其旋光純度為6.76/13.52 = 50%，樣品中(+)-和(–)-對映體分別占75%和25%，e.e值為50%。對絕大多數(shù)化合物而言，比旋光度和濃度之間呈線性關(guān)系，故o.p和e.e值是一樣的。當(dāng)樣品能形成較強的分子間氫鍵時，溶質(zhì)與溶劑的相互締合和溶劑化等作用均可造成旋光度與濃度的關(guān)系有可能偏離線性。如，純的(+)-?-甲基-?-乙基丁二酸的比旋光度為+4.4°，實驗測得由75%的右旋體和25%的左旋體組成的混合物的比旋光度只有+1.6°而非理論值+2.2°，此時算得的o.p值只有36.7%而非理論值50%，e.e值仍為50%。此外，當(dāng)樣品的旋光度極小或難以得知純對映體的旋光度時，o.p值的誤差會很大或難以算出；新化合物的比旋光度又無法查閱，這都使o.p值的運用受到限制。而通過帶手性固定相的色譜分析洗脫峰的相對面積大小是可以很方便地算出e.e值的。故e.e值是目前通用的確定對映體純度的數(shù)值。 
無手性的分子對偏振光沒有響應(yīng)，但也有個別手性分子不顯示或某些環(huán)境下不顯示光學(xué)活性。外消旋體(參見4.9)中的每個分子都有手性，但樣品無旋光活性。隨著其它測試技術(shù)的進步，一個分子有無光學(xué)活性已不成為判別其是否有手性的必要方法了。早期文獻中采用的旋光異構(gòu)或光學(xué)異構(gòu)等名詞也已逐漸改用對映異構(gòu)來稱呼了。 
4.7 手性分子的表示方法 
分子結(jié)構(gòu)是三維立體的，手性原子上鍵的立體位向用實線、楔形實線和楔形虛線表示(參見4.2)；位向均用實線或波紋線表示的意味著其構(gòu)型不定或是外消旋體混合物。以(R)-?-羥基丙酸(1)為例，在一個二維紙平面上表示一個三維分子可采用鋸架式(1a，眼睛沿C―C軸成45°角看到的形象。兩個鍵連碳原子之間用一斜線連接，左手較低端碳原子接近觀察者，右手較高端碳原子遠離觀察者。)、楔形式(又稱傘形式，眼睛垂直于C―C軸方向看得到的形象，1b)、透視式(1c)、鋸齒式(1d)、Fischer投影式(projection，1e)和Newman投影式(參見2.2)等幾種方式。它們都能較形象地表達出分子中的各個原子在空間的相互關(guān)系。畫立體結(jié)構(gòu)時要注意勿在紙平面兩根鍵的中間給出楔形線，如1f那樣的給出的結(jié)構(gòu)式是不妥的。 
三維的分子從不同的方向會得到不同的投影式。Fischer投影式又稱十字交叉式，正交的橫豎線交叉點有一個碳原子；主碳鏈上下放，氧化態(tài)或優(yōu)先度高的基團置于上面。Fischer投影式是平面的，但已約定了上下兩個基團等程度向紙平面后方傾斜而遠離觀察者；橫放的另兩個基團也等程度向前方傾斜而朝向觀察者。故Fischer投影式(2)中偶數(shù)次交換取代基，如，紙面上旋轉(zhuǎn)180°(相當(dāng)于兩次交換了取代基)仍得到原物；奇數(shù)次交換取代基，如，紙面上旋轉(zhuǎn)90°(相當(dāng)于三次交換了取代基)將得到其對映體(2')的Fischer投影式。2'的Fischer投影式再交換任意兩個取代基又得到原物(2)，如圖4-6所示。 
圖4-6 Fischer投影式的立體關(guān)系 
Newman投影式能方便地表達出兩個直接相連碳原子上的取代基在空間所處的位向和構(gòu)象關(guān)系。Fischer投影式所描述的立體結(jié)構(gòu)是重疊式構(gòu)象，故旋轉(zhuǎn)Newman投影式上的原子(團)使其成重疊式再加以平板化處理即可得到Fischer投影式，如圖4-7所示： 
圖4-7 Fischer投影式和Newman投影式的轉(zhuǎn)換 
4.8 構(gòu)型命名 
通過X-射線單晶衍射實驗才能測得的對映異構(gòu)體的右手型或左手型構(gòu)型可不必依靠圖像而用兩個立體詞頭(stereodescriptor)命名來予以區(qū)別。由命名也可得知手性中心上原子的空間指向。 
4.8.1 構(gòu)型和R/S命名 
命名雙鍵E/Z的次序規(guī)則(參見3.2.2)也用于命名手性中心的構(gòu)型。若sp3構(gòu)型的手性原子上的鍵不到四個，可補加原子序數(shù)為零的假想原子使之達到四個。如氮原子上的孤電子對可視為次序小的假想原子。定義手性碳原子的構(gòu)型時，依次使眼睛、手性碳原子和優(yōu)先次序小的原子(排在后面)在同一直線上；位于同一平面的另外三個取代基離眼睛近，按次序規(guī)則由大到小是順時針的定義為R，逆時針的定義為S，如圖4-8所示。書寫時手性原子所在位次標示在R/S之前。 
圖4-8 手性碳原子構(gòu)型和判斷（a、b、c、d依次代表優(yōu)先次序從大到小的取代基團） 
R/S命名法是根據(jù)手性中心上四個取代基在空間的排列依次序規(guī)則而給出的，故稱構(gòu)型(absolute configuration)。判別R/S時，關(guān)鍵要樹立sp3碳的正四面體構(gòu)型來分析。如化合物1、2、3和4都是(R)-構(gòu)型，各命名為(2R)-羥基丙醛、(1,2R)-二羥基丙醛、4-甲基-(3R)-羥基戊烯和(3R)-羥基壬-2Z,7E-二烯。 
Fisher投影式中若取代基團小的d在指向后方遠離觀察者的豎鍵上，其他三個基團依次序規(guī)則看，順時針的為(R)-構(gòu)型，反時針的為(S)-構(gòu)型；若d在指向前方離觀察者近的橫鍵上，其它三個基團依次序規(guī)則屬順時針排列的是(S)-構(gòu)型，逆時針排列的是(R)-構(gòu)型，如圖4-9所示。 
圖4-9 Fischer投影式上手性碳原子構(gòu)型的判斷(a、b、c、d依次代表優(yōu)先性從高到低的取代基團) 
構(gòu)型的命名僅取決于手性中心上所連四個原子(團)的優(yōu)先次序，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后即使手性中心上的鍵沒有變化，產(chǎn)物的構(gòu)型命名與底物的構(gòu)型命名可能相同或不同，這也是構(gòu)型命名法的一個不足或應(yīng)用不方便所在。如，(R)-5分別經(jīng)過未涉及鍵連手性碳原子的反應(yīng)可生成6 或7，6的構(gòu)型命名是(R)-，7的構(gòu)型命名是(S)-。 
4.8.2 相對構(gòu)型和D/L命名 
兩個不同的手性中心Cabcd和Cabce中，若d和e在abc平面的同側(cè)或兩側(cè)，它們的相對構(gòu)型(relative configuration)被認為是相同的或相反的，該概念也被用于構(gòu)型的命名。一個手性化合物反應(yīng)時，只要手性中心的鍵不斷裂或其反應(yīng)前后的構(gòu)型變化能夠確知，即只要知道了底物的構(gòu)型、產(chǎn)物的構(gòu)型和反應(yīng)過程的立體化學(xué)這三者中的兩個條件就可以判斷產(chǎn)物或底物的相對構(gòu)型。 
右旋的(+)-甘油醛(2)早被選為相對構(gòu)型的標準：Fischer假設(shè)其碳鏈中氧化態(tài)較高的官能團CHO在上，CH2OH在下；H在左，OH在右，并以D-命名；上下碳鏈不變，OH在左，H在右的以L-命名(2')。許多手性分子的相對構(gòu)型通過與D-或L-甘油醛相關(guān)的反應(yīng)得以建立。如，(–)-甘油酸(8)從2氧化所得，反應(yīng)在醛官能團上發(fā)生，未涉及手性碳原子上的四根鍵，其構(gòu)型在反應(yīng)前后并無變化，都是D-型。(–)-乳酸(9)可由8而來，也為D-型。相對構(gòu)型D/L的命名與化學(xué)轉(zhuǎn)變相關(guān)聯(lián)，但許多手性化合物是難以通過化學(xué)反應(yīng)相關(guān)聯(lián)的，故D/L的命名規(guī)則有相當(dāng)大的局限性，目前主要應(yīng)用于糖和?-氨基酸的體系中(參見13.1和14.1)。 
X-射線單晶衍射方法可用來直接地確定原子在分子中的位置，是測定分子立體結(jié)構(gòu)強有力的工具之一。該方法用量少，結(jié)論可靠，還可同時測定分子中所有不對稱原子的實際構(gòu)型，但液體或得不到單晶的化合物就很難應(yīng)用此技術(shù)了。常用的結(jié)構(gòu)解析方法無法給出分子的實際三維構(gòu)型，1950年代前雖然成千上萬個有機化合物的相對構(gòu)型都已明了，但真正構(gòu)型沒有一個能得到確認。Fischer對(+)-甘油醛(2)構(gòu)型的主觀臆斷或是恰如指定的那樣，或正好相反。幸運的是， Fischer的任意仲裁是正確的。Bijvoet 于1951年應(yīng)用一種特殊的X-衍射方法成功地測得了(+)-酒石酸銣鈉分子中各原子在空間分布的實際排列。該成果也間接證明了如2所示的(+)-甘油醛中四個取代基的空間關(guān)系確是如此，故許多通過與甘油醛相關(guān)聯(lián)而給出的手性分子的相對構(gòu)型也反映了它的真正構(gòu)型。 
4.8.3 構(gòu)型命名與旋光方向 
R/S命名和D/L命名是建立在不同參考點上的兩個體系。D-或L-構(gòu)型的化合物都有可能是(R)-或(S)-構(gòu)型，反之亦然。如，都是右旋的L-半胱氨酸(11)是(R)-構(gòu)型，但L-絲氨酸(12)是(S)-構(gòu)型。從R還是S或D還是L構(gòu)型都無法從理論上預(yù)測其旋光方向是左還是右，從旋光方向也判斷不出其構(gòu)型是R還是S或D還是L。如，左旋的8與2的旋光方向相反，9的旋光方向與8相同，9中和后得到的鈉鹽10又成為右旋的，盡管這三者都是D-型。 
旋光方向肯定取決于分子的立體結(jié)構(gòu)，但兩者之間究竟存在著怎樣一個內(nèi)在聯(lián)系和控制因素是一個至今尚未能解決的問題。這雖有點遺憾，卻也是非常令人感興趣的一個難題。 
4.9 外消旋體、外消旋化和拆分 
兩個等量對映異構(gòu)體的混合物形成無光學(xué)活性的外消旋體(racemate)。外消旋體用(±)-表示，其晶體結(jié)構(gòu)、溶解度、熔點、密度等物理性質(zhì)與純的對映體均不相同。純對映體在物理或化學(xué)作用下失去旋光性成為對映異構(gòu)體的平衡混合物的過程稱外消旋化(racemization)。熱、光和酸、堿等條件都可能引發(fā)必定伴隨著鍵的斷裂和再形成的外消旋化。外消旋化后手性碳原子上的兩個取代基互換位置，由(R)-構(gòu)型變?yōu)?S)-構(gòu)型或與之相反，終形成各一半的(R)-和(S)-構(gòu)型的化合物，即外消旋體混合物。外消旋體被分離成兩個純對映體的過程稱拆分(resolution，參見4.12)。