5.4 含两个手性碳原子的化合物
分子中含有两个手性碳原子时,它们可以是两个相同的手性碳原子,也可以是不相同的两个手性碳原子。
5.4.1 含有两个不相同手性碳原子的化合物
丁醛糖(2,3,4-三羟基丁醛)含有两个不相同的手性碳原子,它的每个手性碳原子所连的四个原子或原子团是不完全相同的,有四个构型异构体,这四个构型异构体的费歇尔投影式如下:
这四个构型异构体中,(Ⅰ)和(Ⅱ)、(Ⅲ)和(Ⅳ)是对映体,一对中的任一个与另一对中的任一个,例如,(Ⅰ)和(Ⅲ)、(Ⅳ),(Ⅱ)和(Ⅲ)、(Ⅳ),不是物体与镜像关系,称非对映异构体。
所谓差向异构体,是指含有两个以上手性碳原子的异构体中,只有一个手性碳原子的构型不同,而其他的手性碳原子的构型都相同时,这样的异构体称为差向异构体。等量的(Ⅰ)和(Ⅱ)或等量的(Ⅲ)和(Ⅳ)可分别组成外消旋体。
如前所述,当一个化合物含有一个手性碳原子时,有两个构型异构体;含有两个不相同的手性碳原子时,有四个构型异构体;含有三个不相同的手性碳原子时,应有八个构型异构体;含有n个不相同的手性碳原子时,应有2n个构型异构体,并有2n-1个外消旋体。
由于赤藓糖和苏阿糖是含有两个手性碳原子的简单的典型化合物,类似的化合物,都可以用赤藓糖与苏阿糖做比较。
在费歇尔投影式中,两个相同基团(—a,—a)在同一边的,与赤藓糖的构型相似,称为赤型;两个相同基团(—a,—a)不在同一边的与苏阿糖的构型相似,称为苏型。
5.4.2 含有两个相同手性碳原子的化合物
如酒石酸(2,3-二羟基丁二酸),分子中每个手性碳原子所连的四个不同原子或原子团是一样的。有如下三种构型:
(Ⅰ)和(Ⅱ)互为对映体,(Ⅲ)和(Ⅳ)似乎也是对映体,但若将(Ⅳ)沿纸面旋转180°,即可与(Ⅲ)重合。所以(Ⅲ)和(Ⅳ)实际上是同一化合物。不难看出,在(Ⅳ)中有一个对称面,它将分子分成两半,是互为实物与镜像的关系,故(Ⅲ)是非手性分子,因而没有旋光性。这种分子虽然含有手性碳原子,但由于分子内部存在对称因素,使互为镜像的两半分别所产生的旋光性相互抵消,故称为内消旋体,常用m(meso)表示。这样,酒石酸分子只有三个旋光异构体,即一个右旋体、一个左旋体和一个内消旋体。它们的某些物理常数见表5-1。
表5-1 酒石酸的物理常数
大量事实说明,凡具有相同手性碳原子的化合物都有内消旋体。内消旋体和外消旋体一样,都无旋光性,但本质不同,前者是一种化合物,后者是一种可被化学方法拆分的混合物。