醫(yī)用化學(xué)-電子教材:第十七章 取代羧酸和旋光異構(gòu)

  第十七章 取代羧酸和旋光異構(gòu)

   取代羧酸(substitutedcarboxylic acid)可以看成是羧酸分子中烴基上的氫被其它原子或原子團(tuán)取代后的生成物。最常見的是氫原子被鹵素、羥基、氧原子或氨基取代，生成相應(yīng)的取代羧酸分別是鹵代酸、羥基酸、氧代酸和氨基酸。例如：

鹵代酸：  

 溴乙酸  2-氯丙酸

羥基酸：   

2-羥基丙酸(乳酸)    鄰羥基苯甲酸(水楊酸)

氧代酸：

乙醛酸  2-氧代乙酸(丙酮酸)

氨基酸：  

  氨基乙酸(甘氨酸)  2-氨基苯丙酸(苯丙氨酸)

取代羧酸屬于多官能團(tuán)化合物，它們的分子中既有羧基，又有其它官能團(tuán)。在化學(xué)性質(zhì)上，不僅具有每一種官能團(tuán)的典型反應(yīng)，而且還具有分子中不同官能團(tuán)之間相互影響的一些特殊性質(zhì)，這些性質(zhì)說明多官能團(tuán)化合物分子中各原子(團(tuán))不是孤立存在的，而是在一定的化學(xué)結(jié)構(gòu)中相互聯(lián)系和相互影響的。本章僅討論羥基酸和氧代酸，氨基酸將在第十八章中介紹。

 第一節(jié) 羥基酸

一、羥基酸的構(gòu)造、分類及命名

羥基酸（hydroxy acid)是分子中同時(shí)具有羥基和羧基兩種官能團(tuán)的化合物。根據(jù)羥基所連接的烴基不同，羥基酸可分為醇酸和酚酸兩類。前者是指脂肪羧酸烴基上的氫原子被羥基取代的衍生物，而后者則是指芳香族羧酸芳環(huán)上的氫原子被羥基取代的衍生物。

醇酸：

  羥基丁二酸（蘋果酸) 檸檬酸酒石酸

酚酸：

    鄰羥基苯甲酸(水楊酸)   3，4，5－三羥基苯甲酸（沒食子酸)

醇酸還可以根據(jù)羥基與羧基的相對(duì)位置，分為a-,b-,γ-,d-.......羥基酸。

羥基酸含有羥基和羧基兩種官能團(tuán)，凡是含有兩種或幾種官能團(tuán)的化合物用系統(tǒng)命名法命名時(shí)，在這些官能團(tuán)中選擇一種作為主官能團(tuán)，并以相應(yīng)的化合物作為母體，其它的官能團(tuán)都看成是取代基。選擇主官能團(tuán)的優(yōu)先順序依次為：

因此，含有羧基的化合物一般以羧酸為母體，其它官能團(tuán)作為取代基來命名。例如：

  2-羥基丙酸 3-羥基丁酸  5-羥基戊酸

  a-羥基丙酸   b-羥基丁酸  d-羥基戊酸

  （乳酸)

3-羥基-3-羧基戊二酸 2,3-二羥基丁二酸  2-羥基苯甲酸

 （檸檬酸)（ 酒石酸)（水楊酸)

許多羥基酸還有俗名，其應(yīng)用往往比系統(tǒng)命名更為廣泛。例如乳酸、酒石酸、檸檬酸及水楊酸等。

二、羥基酸的物理性質(zhì)

醇酸一般是粘稠的液體或晶體，易溶于水，其溶解度通常都大于相應(yīng)的脂肪酸。這是由于分子中同時(shí)含有羥基和羧基兩個(gè)極性基團(tuán)，它們都能與水形成氫鍵的緣故。醇酸不易揮發(fā)，在常壓下蒸餾時(shí)會(huì)發(fā)生分解。

酚酸大多為晶體，其熔點(diǎn)比相應(yīng)的芳香酸高。有些酚酸易溶于水，如沒食子酸；有的微溶于水，如水楊酸。

三、羥基酸的化學(xué)性質(zhì)

羥基酸具有羥基和羧基的典型反應(yīng)，由于羥基和羧基的相互影響，羥基酸還具有一些特殊性質(zhì)，這些特殊性質(zhì)又因羥基和羧基的相對(duì)位置不同而有所差異。

（一)羧基的性質(zhì)

1．酸性

羥基酸的羧基能電離，能與堿反應(yīng)生成鹽。例如：

由于羥基的吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)，通常會(huì)增強(qiáng)羧基的酸性，因此一般醇酸的酸性比羧酸的酸性強(qiáng)，且誘導(dǎo)效應(yīng)隨羥基與羧基距離的增長(zhǎng)而迅速減弱。

2．酯化

在酸性催化劑存在下，羥基酸與醇發(fā)生酯化反應(yīng)。

乳酸乙酯

（二)羥基的性質(zhì)

1．羥基的氧化

醇酸分子中的羥基比醇分子中的羥基易被氧化。例如：托倫試劑和稀硝酸不能氧化醇，但能氧化a-醇酸 而生成a-氧代酸 。

2．羥基的酯化

羥基酸的羥基不易與羧酸直接酯化成酯。如用無機(jī)酸作催化劑，則醇式羥基脫水發(fā)生其它反應(yīng)。通�？捎幂^強(qiáng)的酰鹵或酸酐使其羥基直接酯化。例如：

  乙酸乳酸酯

  乙酰水楊酸

    （阿司匹林)

（三)羥基酸的受熱反應(yīng)

1．α-羥基酸

α-羥基酸受熱后發(fā)生雙分子間的脫水反應(yīng)，生成交酯。

  交酯

  丙交酯

2．β-羥基酸

β-羥基酸受熱后，羥基與相鄰的α-碳原子上的活潑氫起脫水作用，生成α、β-不飽和酸。

 2-丁烯酸

  馬來酸

  順烏頭酸

3．γ-羥基酸與δ-羥基酸

γ-或δ-羥基酸受熱后，在同一分子內(nèi)的羥基與羧基發(fā)生酯化反應(yīng)，生成五元或六元的環(huán)狀內(nèi)酯。例如：

  γ-丁內(nèi)酯

δ-戊內(nèi)酯

（四)酚酸的反應(yīng)

酚酸含有酚式羥基，能與FeCl₃發(fā)生顏色反應(yīng)。例如，F(xiàn)eCl₃與水楊酸呈紫紅色，與沒食子酸顯藍(lán)黑色。

羥基在羧基的鄰位或?qū)ξ坏姆铀嵩诩訜嶂寥埸c(diǎn)以上時(shí)，易分解脫羧而生成相應(yīng)的酚。

  沒食子酸  焦性沒食子酸

  三、重要的羥基酸

（一)乳酸

乳酸最初是從酸牛奶中發(fā)現(xiàn)的。工業(yè)上，乳酸是由葡萄糖發(fā)酵制取。乳酸有很強(qiáng)的吸濕性，一般為無色粘稠液體，溶于水、乙醇和乙醚中，熔點(diǎn)18℃。醫(yī)藥上常用于空氣的消毒及外用腐蝕劑。乳酸鈣用作治療佝僂病、肺結(jié)核等需要鈣質(zhì)的疾病的輔助藥物，其鈉鹽可用于治療酸中毒。

乳酸是人體中糖元的代謝產(chǎn)物，人在劇烈活動(dòng)時(shí)，糖元分解生成乳酸，同時(shí)放出熱能供給肌肉所需的能量。

（二)β-羥基丁酸

β-羥基丁酸是無色晶體，熔點(diǎn)49~50℃，吸濕性很強(qiáng)，易溶于水、乙醇和乙醚中，不溶于苯。β-羥基丁酸是人體脂肪代謝的中間產(chǎn)物，在酶的催化下能脫氫（氧化)生成β-丁酮酸。

（三)蘋果酸 

蘋果酸在未成熟的蘋果中含量較多。它是無色針狀晶體，熔點(diǎn)100℃。蘋果酸是人體內(nèi)糖代謝過程的中間產(chǎn)物，在酶的催化下能脫氫（氧化)生成草酰乙酸。受熱時(shí)，脫水生成富馬酸。

（四)酒石酸

酒石酸存在于各種水果中，葡萄中含量較多，主要以酒石酸氫鉀（酒石，HOOCCHOHCHOHCOOK)存在。酒石難溶于水，與氫氧化鈉作用生成易溶于水的酒石酸鉀鈉，用于配制菲林溶液。從自然界得到的酒石酸是無色晶體，熔點(diǎn)170℃，易溶于水。酒石酸銻鉀又稱吐酒石，醫(yī)藥上用作催吐劑，也用以治療血吸蟲病。

（五)檸檬酸

檸檬酸別名枸櫞酸，存在于柑橘類果實(shí)中，尤以檸檬中含量最高，約占0.06～0.10(6~10%)。檸檬酸為無色透明晶體，熔點(diǎn)137℃，易溶于水、乙醇和乙醚，有酸味。在食品工業(yè)中常用以配制飲料。檸檬酸也是糖、脂肪、蛋白質(zhì)代謝的中間產(chǎn)物。

（六)水楊酸

水楊酸別名柳酸，存在于柳樹、水楊樹皮及其它許多植物中。它是白色針狀晶體，熔點(diǎn)159℃，難溶于水，能溶于乙醇和乙醚中。水楊酸有消毒、防腐、解熱、鎮(zhèn)痛和抗風(fēng)濕等作用，因它對(duì)胃腸道有刺激作用，所以不能內(nèi)服。多用于治療皮膚病。乙酰水楊酸（阿司匹林)是由水楊酸與乙酐或乙酰氯反應(yīng)生成的，有解熱、鎮(zhèn)痛、消炎和抗風(fēng)濕作用，也可抗血小板凝結(jié)。對(duì)氨基水楊酸的鈉鹽（PAS－Na)有抑制結(jié)核桿菌的作用。

 第二節(jié)   氧代酸

氧代酸可以看成是羧酸分子中烴基上的兩個(gè)氫原子被氧原子取代后的生成物，包括醛酸（aldehydo acid)和酮酸(keto acid)兩類。

一、氧代酸的構(gòu)造及命名

分子中含有醛基或酮基的羧酸分別叫做醛酸或酮酸。最簡(jiǎn)單的醛酸是乙醛酸，最簡(jiǎn)單的酮酸是丙酮酸。

醛酸和酮酸的系統(tǒng)命名法是以羧酸為母體，以包括羧基、醛基在內(nèi)的最長(zhǎng)碳鏈為主鏈稱為某酸。氧原子作為取代基并標(biāo)出位置。例如：

  2-氧代乙酸  2-氧代丙酸  2-氧代丁酸

  （乙醛酸)  （丙酮酸)（α-丁酮酸)

  3-氧代丁酸 2-氧代丁二酸  2-氧代戊二酸

  (β-丁酮酸，乙酰乙酸)   （草酰乙酸) （α-酮戊二酸)

有些酮酸還有醫(yī)學(xué)上的習(xí)慣名稱，例如丙酮酸、乙酰乙酸、草酰乙酸及α-酮戊二酸等，它們都是與人體代謝有關(guān)的重要化合物。

二、氧代酸的化學(xué)性質(zhì)

（一)羧基和羰基的性質(zhì)

醛酸中含有醛基，具有醛的基本性質(zhì)，酮酸也具有酮的基本性質(zhì)。它們都能與H₂、NaHSO₃起加成反應(yīng)，與羥胺或苯肼生成肟或苯腙。醛酸和酮酸都含有羧基，具有羧基的基本性質(zhì)，如酸性、成鹽、成酯及生成酰鹵等。

（二)α-酮酸及β-酮酸的特殊反應(yīng)  

α-酮酸與稀硫酸加熱至150℃，發(fā)生脫羧反應(yīng)，生成醛。

β-酮酸只在低溫下穩(wěn)定，在室溫以上易脫羧生成酮，這是β-酮酸的共性。

三、互變異構(gòu)現(xiàn)象

乙酰乙酸屬于β-酮酸，不穩(wěn)定，受熱后易脫羧，但它的酯即乙酰乙酸乙酯(CH₃COCH₂COOC₂H₅)是穩(wěn)定的化合物。

一方面乙酰乙酸乙酯具有酮和羧酸酯的典型反應(yīng)，如：與羥胺、2，4-二硝基苯肼等羰基試劑反應(yīng)、與氫氰酸、亞硫酸氫鈉發(fā)生加成反應(yīng)、后兩個(gè)反應(yīng)是甲基酮的典型反應(yīng)。以稀NaOH溶液水解為乙酰乙酸和乙醇，表現(xiàn)出羧酸酯的特點(diǎn)。另一方面它又能與溴的四氯化碳溶液反應(yīng)而使其褪色、與金屬鈉反應(yīng)放出氫氣、與三氯化鐵反應(yīng)顯紫色。這些性質(zhì)用乙酰乙酸乙酯分子的酮式（I)結(jié)構(gòu)不能解釋。經(jīng)物理和化學(xué)方法證明，乙酰乙酸乙酯實(shí)際上不是單一結(jié)構(gòu)物質(zhì)，而是酮式（I)和烯醇式（II)兩種異構(gòu)體組成的一個(gè)平衡的混合物。

  酮式（I)93%   烯醇式（II)7%

乙酰乙酸乙酯的酮式與烯醇式是構(gòu)造異構(gòu)體，二者的差別僅在于一個(gè)雙鍵及一個(gè)質(zhì)子bhskgw.cn/zhicheng/的位置不同。酮式和烯醇式之間很容易相互轉(zhuǎn)化，建立平衡。這種由于同分異構(gòu)體之間的可逆異構(gòu)化作用，通常伴有氫原子及雙鍵位置的轉(zhuǎn)移，叫作互變異構(gòu)現(xiàn)象（tautomerism)。乙酰乙酸乙酯的酮式與烯醇式的異構(gòu)叫酮式－烯醇式互變異構(gòu)。

乙酰乙酸乙酯的互變異構(gòu)主要是由于亞甲基上的α-氫原子受羰基氧原子吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)的影響，容易質(zhì)子化，質(zhì)子化的氫在羰基氧和亞甲基碳之間轉(zhuǎn)移，形成酮式－烯醇式動(dòng)態(tài)平衡：

凡含α-氫的羰基化合物都有酮-烯醇互變異構(gòu)，其酮式與烯醇式的比例與分子結(jié)構(gòu)及介質(zhì)等有關(guān)，分子中凡是含有結(jié)構(gòu)并且其中至少有一個(gè)是酮基的化合物，烯醇式異構(gòu)體的比例就比較大，能與三氯化鐵顯色。

互變異構(gòu)現(xiàn)象是有機(jī)化學(xué)中比較普遍的異構(gòu)現(xiàn)象，它不僅存在于含氧化合物中，而且也存在于含氮化合物和糖類化合物中。

四、重要的氧代酸

（一)丙酮酸

丙酮酸是無色有刺激性臭味的液體，沸點(diǎn)165℃，易溶于水，酸性（pK_a=3.3)比丙酮及乳酸都強(qiáng)。丙酮酸是動(dòng)植物體內(nèi)糖、脂肪和蛋白質(zhì)代謝的一個(gè)重要的中間產(chǎn)物。在體內(nèi)酶的催化下，丙酮酸可以轉(zhuǎn)化為乳酸、氨基酸等，因此在機(jī)體代謝過程中起著重要的作用。

（二)草酰乙酸

草酰乙酸是能溶于水的晶體，水溶液中有酮-烯醇互變異構(gòu)現(xiàn)象，能與三氯化鐵顯色。草酰乙酸是體內(nèi)糖代謝的中間產(chǎn)物，在酶作用下能進(jìn)行脫羧反應(yīng)，生成丙酮酸和二氧化碳。

 （三)乙酰乙酸

乙酰乙酸是無色粘稠液體，不穩(wěn)定，易脫羧為丙酮，也能還原為β-羥基丁酸。β-羥基丁酸、乙酰乙酸和丙酮在醫(yī)學(xué)上總稱為“酮體”。酮體是脂肪在體內(nèi)不能完全被氧化成二氧化碳和水時(shí)的中間產(chǎn)物。健康人的100毫升血液中含酮體1毫克左右，而糖尿病人由于代謝發(fā)生障礙，其100ml血液中酮體含量可達(dá)300~400mg，晚期糖尿病患者呼吸中可帶有丙酮?dú)馕�。血液中酮體增加，就會(huì)使血液的酸性增強(qiáng)，可發(fā)生酸中毒和昏迷等癥狀。

第三節(jié)  旋光異構(gòu)現(xiàn)象

同分異構(gòu)現(xiàn)象在有機(jī)化合物中十分普遍，根據(jù)異構(gòu)體的構(gòu)造是否相同，可將同分異構(gòu)分為構(gòu)造異構(gòu)和立體異構(gòu)兩大類。

  碳鏈異構(gòu)（如丁烷和異丁烷)

 構(gòu)造異構(gòu)  官能團(tuán)異構(gòu)（如乙醇和甲醚)

 （構(gòu)造式不同)  位置異構(gòu)（如1－丁烯和2－丁烯)

 同分異構(gòu)（現(xiàn)象)  互變異構(gòu)（如乙酰乙酸乙酯的酮式和烯醇式)

  構(gòu)型異構(gòu)  順反異構(gòu)（如順、反-2-丁烯)

 立體異構(gòu) （構(gòu)型不同)  旋光異構(gòu)（如d－、l－乳酸)

 （構(gòu)造式相同)  構(gòu)象異構(gòu)（如乙烷的各種構(gòu)象)

 （構(gòu)型相同)

立體異構(gòu)是指分子的構(gòu)造相同，但由于分子中各原子在空間的排布不同而引起的同分異構(gòu)現(xiàn)象。立體異構(gòu)包括構(gòu)型異構(gòu)和構(gòu)象異構(gòu)。由于旋光性不同而產(chǎn)生的異構(gòu)現(xiàn)象稱為旋光異構(gòu)，它是構(gòu)型異構(gòu)中的一種。這種異構(gòu)是以其異構(gòu)體對(duì)平面偏振光(plane-polarizedlight)的旋光作用表現(xiàn)出來的。

一、平面偏振光和物質(zhì)的旋光性

（一)平面偏振光

光波是電磁波，是橫波，其振動(dòng)的方向與其前進(jìn)的方向垂直。普通光的光波可以在與傳播方向垂直的所有平面內(nèi)振動(dòng)（圖17-1a)。如果把一定波長(zhǎng)的光線通過尼科耳棱鏡（Nicol prism，由方解石晶體加工制成)或偏振片（由聚乙烯醇制成)時(shí)，由于尼科耳棱鏡或偏振片只能使與其晶軸相平行的平面內(nèi)振動(dòng)的光線通過，因而通過尼科耳棱鏡或偏振片的光線，就只在一個(gè)平面上振動(dòng)，這種僅在一個(gè)平面上振動(dòng)的光叫做平面偏振光，簡(jiǎn)稱偏振光（圖17－1b)。

   (a)普通光 (b)偏振光

圖17-1 普通光和偏振光

（二)旋光性物質(zhì)和物質(zhì)的旋光性

物質(zhì)能使偏振光的振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)叫做旋光性(opticalactivity)。乳酸、葡萄糖等能使偏振光的振動(dòng)面發(fā)生偏轉(zhuǎn)（圖17-2)的物質(zhì)叫做旋光性物質(zhì)。乙醇、丙酮等不能使偏振光的振動(dòng)面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)叫做非旋光性物質(zhì)。使平面偏振光振動(dòng)面向右旋轉(zhuǎn)（順時(shí)針)的叫做右旋體，以d或+表示；使平面偏振光振動(dòng)面向左旋轉(zhuǎn)（逆時(shí)針)的叫做左旋體，以l或–表示。

 旋光性物質(zhì)

     偏振光   振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)后的偏振光

圖17-2 偏振光的振動(dòng)面向左旋轉(zhuǎn)

（三)旋光度和比旋光度

旋光性物質(zhì)使偏振光振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)的角度叫做該物質(zhì)的旋光度，以α表示。同一種旋光性物質(zhì)在不同實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)得的旋光度α值是不一樣的。如果把這些影響因素加以固定，則測(cè)得的旋光度值即為常數(shù)，它能反映該旋光性物質(zhì)的本性，叫做比旋光度，以[α]表示。旋光度與比旋光度之間有如下關(guān)系：

式中：

α－溶液的旋光度；

L－盛液管的長(zhǎng)度（dm)；

λ－旋光儀所用單色光的波長(zhǎng)，通常是鈉光（又稱D線，589nm)；

c－溶液的濃度；

T－測(cè)定時(shí)的溫度，通常為20℃；

當(dāng)c和L都等于1時(shí)，則[α]=α。因此，物質(zhì)的比旋光度就是組成量度為1g • mL^-1的溶液，放在1dm長(zhǎng)的管中測(cè)得的旋光度。在一定溫度、一定波長(zhǎng)下測(cè)得的比旋光度，是旋光性物質(zhì)的一個(gè)物理常數(shù)。因此，測(cè)定比旋光度的大小，亦可用來鑒別旋光性物質(zhì)。

二、化合物的旋光性與其結(jié)構(gòu)的關(guān)系

（一)分子的手性和手性分子

如果將物體放在平面鏡前，使之成像，并設(shè)想把物體的“像”從鏡中取出，有的物體比如均勻的木棒、皮球或鐵釘可與其鏡像完全重合；而有的物體如蝸牛殼、剪刀或螺絲釘與其鏡像不能重合，這正如人的左右手一樣：左手和右手互為實(shí)物與鏡像關(guān)系又不能完全重合。由此，我們將實(shí)物與鏡像不能重合的物體稱為具有手性的物體，能與其鏡像重合的物體則是非手性的。

圖17-3人的左手與其鏡像(右手)不能完全重合

將手性的概念運(yùn)用于描述分子的結(jié)構(gòu)，則是一個(gè)化合物的分子與其鏡像不能相互重合時(shí)，這種分子就是手性分子，它具有手性(chirality)，凡是手性分子都有旋光性。如果一個(gè)分子與其鏡像等同，即能重合，則是非手性分子，非手性分子沒有旋光性。

一種物質(zhì)的分子是否具有手性是由它的分子結(jié)構(gòu)決定的。最常見的手性分子是含手性碳原子的分子。所謂手性碳原子是指連有四個(gè)不同的原子或原子團(tuán)的碳原子，這種碳原子常以星號(hào)“*”表示，例如乳酸分子中有三個(gè)碳，但只有C－2才是手性碳原子，它連接的是－H，－OH，－CH₃及－COOH這四個(gè)原子或原子團(tuán)。手性碳原子也叫做不對(duì)稱碳原子。

一個(gè)手性分子必然存在著另一個(gè)與鏡像相應(yīng)的異構(gòu)體，它們的關(guān)系就象左手和右手，相互對(duì)映，這種立體異構(gòu)體稱為對(duì)映異構(gòu)體簡(jiǎn)稱對(duì)映體(enantiomer)。一對(duì)對(duì)映體包括一個(gè)左旋體和一個(gè)右旋體，它們的比旋光度的絕對(duì)值以及其它理化性質(zhì)相同，但旋光方向相反。左右旋乳酸即是一對(duì)對(duì)映體,其分子結(jié)構(gòu)的球棒模型如圖17-4。

圖17-4 (+)-乳酸與(-)-乳酸的球棒模型

從模型可以看出，左旋乳酸和右旋乳酸的關(guān)系是實(shí)物與鏡像的關(guān)系，二者不能完全重合。它們除旋光性不同(旋光方向相反，比旋光度的絕對(duì)值相同)外，其它大部分理化性質(zhì)都一樣(表17-1)。

表17-1 兩種乳酸理化性質(zhì)的比較

從旋光性上看，左旋體和右旋體的旋光性不同；從結(jié)構(gòu)上看，是它們分子中各原子或原子團(tuán)在空間的排布方式不同，即立體結(jié)構(gòu)不同。所以，把這種旋光性不同的立體異構(gòu)體稱為旋光異構(gòu)體，這種現(xiàn)象稱為旋光異構(gòu)現(xiàn)象。

凡是含有手性碳原子的分子都有對(duì)映異構(gòu)體，但是含手性碳原子的分子不一定是手性分子（見本節(jié)四)。

（二)外消旋體

除了上述肌肉乳酸和發(fā)酵乳酸外，還可從酸敗的牛奶中或用合成方法制備乳酸，這樣得到的乳酸其構(gòu)造式也都一樣，但它們都沒有旋光性，即[α]_D²⁰＝0。這是因?yàn)檫@樣制得的乳酸是等量的右旋乳酸和左旋乳酸的混合物，它們對(duì)偏振光的作用相互抵銷，所以沒有旋光性。這種乳酸被稱為外消旋(racemic)乳酸，用（±)-或（d/l)-乳酸表示。

三、旋光異構(gòu)體的構(gòu)型

（一)費(fèi)歇爾投影式

旋光異構(gòu)體的構(gòu)造式相同，2耀或原子團(tuán)在空間的排布即構(gòu)型不同，故需用構(gòu)型式表示。例如，一對(duì)乳酸對(duì)映體具有如圖17-5的四面體構(gòu)型。為了便于書寫，對(duì)映體的構(gòu)型可以用費(fèi)歇爾(Fischer)投影式表示，也就是把上述四面體構(gòu)型按規(guī)定的投影方向投影在紙面上。

圖17-5乳酸對(duì)映體的投影式

規(guī)定投影的原則如下：

①把與手性碳原子結(jié)合的兩個(gè)橫鍵擺向自己，兩個(gè)豎鍵向后，將這樣分子模型中各原子或基團(tuán)投影到紙面上，其中兩條直線的垂直相交點(diǎn)相當(dāng)于手性碳原子。

②通常把碳鏈放在豎鍵上，并把命名時(shí)編號(hào)最小的碳原子放在上端。

③投影式不能離開紙面翻轉(zhuǎn)過來，因?yàn)檫@會(huì)改變手性碳原子周圍各原子或基團(tuán)的前后關(guān)系。

④投影式只有在紙平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)180°，構(gòu)型才能保持不變。

如果將圖17-6(I)在紙面上轉(zhuǎn)動(dòng)90°就得到圖17-6中的III式。而III式的構(gòu)型已不同于I式的構(gòu)型了。

  圖17-6費(fèi)歇爾投影式的轉(zhuǎn)動(dòng)

   （二)構(gòu)型的表示方法

1．D/L構(gòu)型表示法

物質(zhì)分子中各原子或基團(tuán)在空間的實(shí)際排布叫作這種分子的絕對(duì)構(gòu)型。在1951年以前，人們只知道旋光性不同的對(duì)映體分別代表著兩種不同的空間排列，但無法確定旋光性物質(zhì)的絕對(duì)構(gòu)型，為了研究方便，曾以甘油醛為標(biāo)準(zhǔn)作了人為的規(guī)定。甘油醛具有如下的兩種構(gòu)型:

人為規(guī)定費(fèi)歇爾投影式中，手性碳原子上－OH在右邊的為右旋甘油醛的構(gòu)型(Ⅰ式)，稱為D構(gòu)型；手性碳原子上－OH在左邊的為左旋甘油醛的構(gòu)型(II)式，稱為L(zhǎng)構(gòu)型。

標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的構(gòu)型規(guī)定以后，其它旋光性物質(zhì)的構(gòu)型就可以通過化學(xué)轉(zhuǎn)變的方法與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)鏡像關(guān)聯(lián)來確定。例如，將右旋甘油醛經(jīng)一系列氧化還原過程就可得到乳酸，由于上述過程中不對(duì)稱碳原子相連的四個(gè)鍵都沒有發(fā)生斷裂，與不對(duì)稱碳原子相連的原子或原子團(tuán)排布方式不會(huì)改變，這種乳酸的構(gòu)型應(yīng)該和右旋甘油醛相同，都屬于D構(gòu)型。這種構(gòu)型是人為規(guī)定的，而并非實(shí)際測(cè)出的，所以稱為相對(duì)構(gòu)型。

1951年魏歐德(Bijvoet，J.M.)通過X射線分析法,測(cè)得了右旋酒石酸的絕對(duì)構(gòu)型，發(fā)現(xiàn)人為規(guī)定的甘油醛的構(gòu)型恰巧與實(shí)際的完全符合。這樣，與標(biāo)準(zhǔn)甘油醛關(guān)聯(lián)而得到的旋光性物質(zhì)的相對(duì)構(gòu)型也就是絕對(duì)構(gòu)型了。

在具有結(jié)構(gòu)的化合物中，X通常代表羥基、鹵素及氨基等基團(tuán)，根據(jù)規(guī)定，其費(fèi)歇爾投影式中，X在右邊的稱為D型，X在左邊的則稱為L(zhǎng)型。例如：

應(yīng)該注意，D、L只是表示化合物的構(gòu)型，與其旋光方向(+)或(-)無關(guān)。目前還不能確定旋光方向與構(gòu)型之間是否有固定的關(guān)系，旋光方向只能通過旋光儀來測(cè)定。

目前在糖類和氨基酸類化合物中，仍較多的使D、L來表達(dá)構(gòu)型，然而，對(duì)一些較復(fù)雜的有機(jī)化合物使用該方法，有時(shí)顯得不明確，甚至引起混亂，因此，逐漸采用了另一種R、S構(gòu)型表示法。

2．R/S構(gòu)型系統(tǒng)命名法

1970年國際上根據(jù)IUPAC的建議采用了R、S構(gòu)型系統(tǒng)命名法。這種命名法是根據(jù)化合物的實(shí)際構(gòu)型即絕對(duì)構(gòu)型或費(fèi)歇爾投影式命名的，所以它不需要與其它化合物聯(lián)系比較。這種命名法的順序規(guī)則在前面第十一章(Z、E命名法)中作了介紹。

含一個(gè)手性碳原子的分子Cabcd命名時(shí)，首先把手性碳所連的四個(gè)原子或基團(tuán)(a,b,c,d)按照順序法則排列其優(yōu)先順序，如a>b>c>d。其次，將此排列次序中排在最后的原子或基團(tuán)(即d)放在距觀察者最遠(yuǎn)的地方(圖17-7)。這個(gè)形象與汽車駕駛員面向bhskgw.cn方向盤的情況相似，d在方向盤的連桿上。然后再觀察從最優(yōu)先的a開始到b再到c的次序，如果是順時(shí)針方向排列的(圖17-7a)，這個(gè)分子的構(gòu)型即用R表示(R取自拉丁文Rectu，“右”的意思)如果是逆時(shí)針方向排列(圖17-7b)，則此分子的構(gòu)型用S表示(S取自拉丁文Sinister,“左”的意思)。

圖17-7  R及S構(gòu)型

甘油醛分子中基團(tuán)的順序是OH→CHO→CH₂OH→H，其構(gòu)型命名如圖17-8

   圖17-8  甘油醛的R及S構(gòu)型

若用投影式表示分子構(gòu)型，也同樣可以確定其R或S構(gòu)型。如：

（R)－甘油醛

說明：從H－C鍵的延長(zhǎng)即從紙平面的右后方向左觀察OH→CHO→CH₂OH→H的順序?yàn)轫槙r(shí)針方向，為R構(gòu)型；

  （S)－甘油醛

說明：從紙平面的左后方向右觀察OH→CHO→CH₂OH→H的順序?yàn)槟鏁r(shí)針方向，為S構(gòu)型。

例如2-甲基-1-氨基-1-苯基丙烷的構(gòu)型確定如下：

手性碳上四個(gè)基團(tuán)的順序?yàn)椋?/p>

  （R)－2－甲基－1－氨基－1－苯基丙烷

（S)－2－甲基－1－氨基－1－苯基丙烷

四、含兩個(gè)手性碳原子的分子

（一)含兩個(gè)不同的手性碳原子的分子

前面討論到含一個(gè)手性碳原子的化合物（如乳酸)有兩個(gè)立體異構(gòu)體(一對(duì)對(duì)映體)；當(dāng)分子中含兩個(gè)不相同的手性碳原子時(shí)，就有四個(gè)立體異構(gòu)體。例如：2,3,4-三羥基丁醛  中，C－2和C－3是兩個(gè)不相同的手性碳原子，所以該化合物有如下四個(gè)立體異構(gòu)體：

可以看到含兩個(gè)不相同的手性碳原子的分子存在兩對(duì)對(duì)映體，其中I與II是一對(duì)對(duì)映體，III與IV是另一對(duì)對(duì)映體。但I(xiàn)與III、I與IV或II與III、II與IV雖是立體異構(gòu)體，但不是對(duì)映體，這種不呈鏡像對(duì)映關(guān)系的立體異構(gòu)體稱為非對(duì)映異構(gòu)體，簡(jiǎn)稱非對(duì)映體(diastereomer)。

當(dāng)分子中含兩個(gè)或兩個(gè)以上手性中心時(shí)，就有非對(duì)映異構(gòu)現(xiàn)象存在。非對(duì)映體之間不僅旋光性不同，物理、化學(xué)性質(zhì)也有一定的差異。

（二)含有兩個(gè)相同手性碳原子的分子

這類分子中，兩個(gè)手性碳原子所連的四個(gè)基團(tuán)完全相同，例如酒石酸分子中兩個(gè)手

性碳原子上所連接的四個(gè)基團(tuán)，都是－H、－OH、－COOH、  ，這種分子只有三種立體異構(gòu)體，其費(fèi)歇爾投影式如下：

    酒石酸

I和II是一對(duì)對(duì)映體，它們的等量混合物可以組成外消旋體。III和IV看似對(duì)映體，但如將IV在紙面上旋轉(zhuǎn)180 °，即可與III重合，所以III和IV代表同一種立體異構(gòu)體。

在投影式III的構(gòu)型的立體結(jié)構(gòu)中，它有一個(gè)對(duì)稱面，實(shí)驗(yàn)測(cè)得此化合物沒有旋光性。像這種由于分子內(nèi)含相同的手性碳原子，分子的兩個(gè)半部互為實(shí)物與鏡像關(guān)系，從而使分子內(nèi)部的旋光性相互抵銷的化合物稱為內(nèi)消旋體(mesocompound)，這種酒石酸就稱為內(nèi)消旋酒石酸。酒石酸以及其它含兩個(gè)相同手性碳原子的分子都只有三個(gè)立體異構(gòu)體，即左旋體、右旋體和內(nèi)消旋體。

   由此可見，判斷一個(gè)化合物有無旋光性是根據(jù)這個(gè)化合物分子是否具有手性，是否與其鏡像不能重合，而不在于其有無手性碳原子。

內(nèi)消旋體和外消旋體雖然都不具有旋光性，但它們有著本質(zhì)的不同：內(nèi)消旋體是一種純物質(zhì)，它不像外消旋體那樣可以分離成具有旋光性的兩種物質(zhì)。幾種酒石酸的理化性質(zhì)列于表17-2中。

表17-2幾種酒石酸的理化性質(zhì)

在有機(jī)化合物中，隨著手性碳原子數(shù)目的增多，其立體異構(gòu)體的數(shù)目也增多。當(dāng)分子中含有n個(gè)不相同的手性碳原子時(shí)，就可以有2ⁿ個(gè)立體異構(gòu)體，它們可以組成2^n-1個(gè)外消旋體。如果分子中含有相同的手性碳原子，就會(huì)有內(nèi)消旋體存在，其對(duì)映體的數(shù)目也要少于2ⁿ。

五、旋光異構(gòu)在醫(yī)學(xué)上的意義

在生物體中具有重要生理意義的有機(jī)化合物絕大多數(shù)都是手性的。例如，在生物體中普遍存在的α-氨基酸主要是L-型，從天然產(chǎn)物中得到的單糖多為D-型；機(jī)體代謝和調(diào)控過程所涉及到的物質(zhì)如酶和受體等都具有手性。因此，含手性的藥物，其對(duì)映體間的生物活性存在很大差異，往往只有其中的一個(gè)具有較強(qiáng)的生理效應(yīng)，其對(duì)映體或無活性，或活性很低，有些甚至產(chǎn)生相反的生理作用。例如，作為血漿代用品的葡萄糖酐一定要用右旋糖酐，因?yàn)槠渥笮�體對(duì)人體有較大的危害；右旋維生素C具有抗壞血病作用，而其對(duì)映體無效；左旋腎上腺素升高血壓作用是右旋體的20多倍；左旋氯霉素是抗生素，但右旋氯霉素幾乎無抗菌作用。左旋多巴是可用于治療巴金森氏癥，而它的右旋體不僅無治療作用，而且有毒。

由于有的旋光性物質(zhì)的左、右旋體具有不同類型的生理作用，所以在臨床上有不同的應(yīng)用。例如，右旋四咪唑是抗抑郁藥，而其左旋體則為治療腫瘤的輔助藥物；右旋苯丙胺是中樞興奮藥，其左旋體則具有抑制食欲的作用。在本書后面的糖類一章內(nèi)，我們還將討論到其它立體異構(gòu)現(xiàn)象的存在對(duì)化合物性質(zhì)產(chǎn)生的顯著影響。例如：麥芽糖有甜味，而它的立體異構(gòu)體纖維二糖卻是無味的。

習(xí)題

1．下列各物質(zhì)受熱后的主要產(chǎn)物各是什么？

（1)α-羥基丁酸 （2)β-羥基戊酸 （3)γ-羥基己酸   （4)β-氧代戊酸

（5)丙酮酸（稀H₂SO₄)  (6) 水楊酸（200℃)

2．用反應(yīng)式分別表示下列各物質(zhì)的氧化反應(yīng)：

（1)乳酸    （2)β-羥基丁酸 （3)蘋果酸

3．下列各化合物中，哪些能與FeCl₃發(fā)生顏色反應(yīng)？

(1)    (2)

(3)  (4)

4．D、L；R、S；d（+)、l（－)各表示什么意義？

5．指出下列化合物中，哪些是手性碳原子，并寫出旋光異構(gòu)體的數(shù)目。

(1)  (2)

(3)  (4)

(5)  (6)

(7)

6．用R、S標(biāo)記法判斷下列化合物的構(gòu)型：

（1)    （2) （3)

（4)  （5) （6)

7．指出化合物（1)與其它各式的關(guān)系（相同化合物、對(duì)映體、非對(duì)映體)：

（1)（2)  （3)

（4)  

8．寫出下列化合物的費(fèi)歇爾投影式：

（1)（R)-2-丁醇  （2)（S)-4-溴-1-戊烯 

（3)（R)-3-羥基丁酸（4)（2R，3R，4S)-2，3-二溴-4-氯己烷

9．化合物A C₅H₈O₂能與NaHCO₃反應(yīng)放出CO₂。A有順反異構(gòu)現(xiàn)象，但無對(duì)映異構(gòu)現(xiàn)象。A催化氫化的產(chǎn)物B C₅H₁₀O₂能拆分為一對(duì)對(duì)映體。推導(dǎo)A的可能的構(gòu)造式。

10．化合物甲C₇H₆O₃溶于NaHCO₃溶液，與FeCl₃有顏色反應(yīng)。將甲用(CH₃CO)₂O處理后生成C₉H₈O₄，甲與甲醇反應(yīng)可得C₈H₈O₃，后者硝化后主要生成兩種一硝基化合物。推導(dǎo)甲的可能構(gòu)造式。

11．化合物甲C₇H₁₆O有對(duì)映異構(gòu)體。甲氧化后得乙C₇H₁₄O 。乙也有對(duì)映異構(gòu)體，它無銀鏡反應(yīng)，但能與NaHSO₃生成加成產(chǎn)物。甲脫水得到丙C₇H₁₄ 。丙有對(duì)映異構(gòu)體，也有順反異構(gòu)體。推導(dǎo)甲~丙的可能的構(gòu)造式。