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纽曼投影式
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2023年3月16日发(作者：T246)1
_第16章立体异构
一、学习基本要
1、了解立体异构的种类。
2、了解偏振光的产生、构象的形成、以及乙烷、丁烷构象的能量变化。
3、掌握手性、手性分子、旋光活性、对映异构体等基本概念。
4、了解手性分子构型的表示方法，掌握费歇尔投影式的书写方法。
5、掌握手性分子的R、S标记方法，掌握乙烷、丁烷和环己烷的典型构象和优势构象。
6、了解不含手性碳原子的手性分子的旋光性，了解一取代环己烷的优势构象。
二、重点和难点
1、重点：旋光异构体的费歇尔投影式，手性碳原子的R、S标记法，乙烷、丁烷和环己烷的典型构象。
2、难点：费歇尔投影式的写法，手性碳原子的R、S标记法，环己烷的椅式和船式结构。
三、知识要点
（一）基本概念
1、偏振光：透过尼尔棱镜只在一个平面上振动的光称为偏振光。
2、手征性：两个物体看起来完全一样，像左右手那样互呈实物与镜像关系而不能完全重合的特性称
为手征性，简称手性。
3、手性分子：有些微观分子也具有手性，两个分子看起来完全一样，像左右手那样互呈实物与镜像
关系而不能完全重合，这种分子称为手性分子。
4、旋光活性：偏振光透过手性分子及其水溶液时，光的振动平面发生偏转，手性分子具有的这种性
质成为旋光活性，或光学活性。
5、手性碳原子：与四个不相同的原子或基团相连的碳原子称为手性碳原子，简称手性碳。含有手性
碳原子是分子具有手性的普遍因素，但不是分子具有手性的充分必要条件。
6、旋光度：旋光物质使偏振光旋转的角度称为旋光度，一般用表示，与溶液的浓度、盛液管的
长度，测定时的温度以及光源和溶剂的性质有关。
7、比旋光度：旋光物质在光源波长和测定温度一定的条件下，溶液浓度为1ｇ.ml-1,盛液管长度为1dm
时的旋光度，比旋光度一般用[]表示。
8、对映异构体：互呈实物与镜像关系的两个手性分子，使偏振光旋转的角度相同，但方向相反，
这两个分子称为对应异构体。
9、外消旋体：等量的左旋体和右旋体混合在一起，导致旋光性消失，这种混合物称为外消旋体。
10、内消旋：含有两个相同手性碳原子的化合物，如果两个手性碳原子的构型相反，其旋光性在分子
内就相互抵消了，这种化合物成为内消旋体。
11、构象：由于绕σ单键旋转而产生的分子中原子或基团在空间的不同排列方式叫做构象。C-C单键
的旋转角度可以无穷小，排列方式也就无穷多，也就是说乙烷分子的构象有无穷多个。
12、典型构象：在分子的一系列的构象中，具有代表性的构象称为典型构象，也称为极限构象。乙烷
的典型构象是交叉式和重叠式；丁烷的典型构象是对位交叉式、邻位交叉式、部分重叠式和全重叠式；环
己烷的典型构象是椅式和船式。
13、优势构象：在构象的平衡体系中，能量最低、最稳定、所占比例最大的构象称为优势构象。乙烷
的优势构象是交叉式；丁烷的优势构象是对位交叉式；环己烷的优势构象是椅式。
2
（二）基本知识
1、手性分子的构型表示方法
手性分子的构型有两种表示方法，即透视式和投影式。
透视式是将手性碳和另外两个基团放在纸面上，并用实线连接，用楔型实线表示伸出纸面前的基团，
用虚线表示伸向纸面后的基团。
投影式又称费歇尔投影式，是一种人为规定的投影方式。其方法为：用十线的交叉点代表手性碳原子，
水平线所连的两个原子或基团伸出纸面外，竖直线所有的两个原子或基团伸向纸面里。投影时将含手性碳
的碳键竖直摆放，把命名时编号最小的碳原子放在上端，这样乳酸的两种对映异构体可用透视式和费歇尔
投影式表示为：
2、费歇尔投影式的使用原则
使用费歇尔投影式时，要注意投影式不能离开纸面翻转，也不能旋转90º或270º，因为这样会改变手
性碳原子的构型；但可以在纸面上旋转180º，不改变分子的构型关系，仍代表原来分子的构型。如果固定
手性碳原子的一个基团位置，而把另外三个基团顺时针或逆时针调换位置，不改变原化合物的构型；如果
将手性碳原子所连的任何两个基团交换位置，会使构型变为它的对映异构体，连续交还两次又变回原分子
的构型。
3、R、S表记法
为了表示旋光异构体的不同构型，需要对手性分子进行标记，一般采用R、S标记。具体方法是：先将
与手性碳所连的四个基团按次序规则排定顺序，对于乳酸来说，四个基团的顺序为：-OH,>-COOH>
-CH
3
>-H，然后将四个基团中最小的（-H），放在离眼睛最远的位置，观察剩余三个基团从大到小的排
列顺序，即由-OH经-COOH到-CH
3
,的走向，如为顺时针方向，用R表示；如为逆时针方向，以S表示。
顺时针位R-型逆时针位S-型
使用透视是比较容易确定对映异构体的构型，但在熟悉了这种方法之后，即使使用费歇尔投影式，也
不难确定分子构型，如乳酸的一对对映异构体可表记为：
（R）-乳酸（S）-乳酸
4、手性碳原子与旋光异构体的关系
3
（1）含有一个手性碳原子的化合物，有两个旋光异构体，即一个左旋体和一个右旋体，构成一对对
映异构体，等量的异构体混合形成一个外消旋体。例如乳酸、甘油醛等。
（2）含有两个不相同的手性碳原子的化合物，有四个旋光异构体，构成两对对映异构体、四个非对
映异构体、可组成两个外消旋体。例如2，3二羟基丁酸。
（3）含有两个相同手性碳原子的化合物，有三个旋光异构体，一个左旋体、一个右旋体和一个内消
旋体。构成一对对映异构体、两个非对映异构体和一个外消旋体。
（4）不含手性碳原子的化合物，有些不含手性碳原子的化合物，由于分子内具有不对称因素而具有
旋光现象，如四取代联苯分子、二取代环丙烷分子，都是手性分子。
6、构象的表示方法
构象常用透视式（锯架式）和纽曼投影式表示。
透视式是从侧面观察分子、夸大键的长度，把所有原子和键都能画出来，但比较难画。投影式又称纽
曼式，是在C-C键的延长线上观察分子，用三线交点表示距眼睛近的碳原子，用园圈表示距眼睛远的碳原
子，每个碳原子上的三个C-H键互成120°角，乙烷的构象可用两种方法表示，
7、构象的稳定性
构象的稳定性与其能量有关。
（1）乙烷的构象稳定性：交叉式>重叠式
（2）丁烷的构象稳定性：对位交叉式>邻位交叉式>部分重叠式>全重叠式
（3）环己烷的构象稳定性：椅式>船式
（4）一取代环己烷构象的稳定性：e型>a型
环己烷构象中存在着两种C-H键，一类是直立键，又称a键；另一类是平伏键，又称e键。取代基
与e键相连的化合物比与a键相连的化合物稳定。
四、例题
例1、下列化合物中有无手性碳原子（用星号标出），写出可能有的旋光异构体的费歇尔投影式，用
R、S标记，指出对映异构体、内消旋体和外消旋体。
①2-氯丁烷②2，3-丁二醇③α，β-二溴代丁酸④2，2-二氯代丁酸
分析（1）根据名称写出结构式。
（2）找出分子中的手性碳原子，用星号表记。
（3）按费歇尔投影式的书写原则，写出投影式。
4
（4）指出各种旋光异构体。
解：①、②、③是手性分子，其结构式和费歇尔投影式为
CCH
HC
Cl
CH
H
*
3
2
3
①
Cl
C
H
H
C
C
H
H
H
CH
C
C
H
H
Cl
3
2
3
3
2
3
(a)(b)
a、b是一对对映异构体，等量的a、b混合，组成一个外消旋体。
②
O
H
C
*
CH
HCCH
H
*
O
H
3
3
H
H
H
O
C
H
C
H
C
H
C
H
C
H
C
H
O
H
O
H
O
H
O
H
HO
H
H
H
H
3
3
3
3
3
3
(a)(b)(c)
a、b是一对对映异构体，等量的a、b混合，组成一个外消旋体，c是内消旋体。
③
O
Br
C
*
C
HCCH
H
*
Br
H
O
3
Br
H
C
C
H
C
C
H
C
C
H
O
H
O
H
H
H
H
H
Br
Br
Br
Br
Br
C
C
H
H
H
Br
Br
OOH
OOHOOH
3
3
3
3
(a)(b)(c)(d)
a与b，c与d是两对对映异构体，等量的a与b，c与d组成两个外消旋体。
④不含手性碳原子，无旋光异构体。
O
Cl
O
Cl
O
H
O
CC
H
CH
C
2
例22-甲基丁烷进行氯化，列出所有可能的一氯代产物，写出其中手性分子的投影式，并用R、S
标记。
分析（1）烷烃氯化，由于碳原子的级数和所在的位置不同，氯化可能有不同产物。
（2）由于氯原子取代氢原子，可产生手性碳原子，也可产生手性分子。
5
（3）写出一氯代产物的结构式，写出手性分子的投影式，用R、S标记。
解：2-甲基丁烷进行氯化，有四种产物：①③是手性分子。
*
CCH
HC
Cl
CH
H
CH
2
2
3
3C
C
H
HC
Cl
C
H
CH
3
2
3
3
*
CCH
HC
Cl
CH
H
CH
3
3
3
C
H
HCCH
HCl
C
CH
3
2
2
3
①②③④
C
H
H
C
C
C
H
H
H
H
CH
C
C
H
H
Cl
Cl
C
H
3
2
22
3
3
2
3Cl
C
H
H
C
C
H
H
H
CH
C
C
H
H
Cl
C
H
C
H
3
33
3
3
3
①（R）(S)③(S)(R)
例3下列化合物哪些是构造异构体？哪些是同一化合物？那些对映异构体？那些是非对映异构体？
Br
O
Br
H
H
O
H
O
H
C
H
H
C
C
H
H
H
H
C
H
C
H
CO
OHCO
H
H
C
C
H
H
H
C
H
Cl
C
H
Br
Br
C
H
H
HC
H
C
H
3
2
3
3
3
3
3
3
3
2
3
3
①②③
Cl
O
H
H
C
C
C
H
H
H
Cl
Cl
Cl
H
H
O
H
C
H
C
H
H
OHCO
O
OHCO
OHCO
CH
CH
H
H
O
H
H
O
H
H
O
H
H
H
C
H
C
H
H
3
3
3
3
3
3
3
3
④⑤⑥
分析（1）构造异构体是分子式相同，分子中原子的连接顺序和方式不同。
（2）根据费歇尔投影式的使用原则，通过旋转180度，或一个手性碳原子的两个基团交换位置，或
三个基团依次调换位置，判断异构问题。
（3）二取代环丙烷，可将环在平面上适当转动，观察取代基的相对位置，确定关系。
（4）锯架式和纽曼式，可通过单键的旋转观察对应集团的相对位置。
解：①是构造异构体；②、③、④是对映异构体；⑤、⑥是非对映异构体。
例42-氯丁烷与甲醇钠作用生成两种醚，画出这两种醚的投影式，并表明构型。
分析（1）2-氯丁烷含有一个手性碳原子，是手性分子。
（2）2-氯丁烷与甲醇钠作用生成两种醚，是一对对映异构体，可用费歇尔投影式表示。
解：
6
C
H
HCCH
*
H
Cl
C
OC
H
Na
C
H
HCCH
*
H
C
OC
H
3
2
3
3+3
2
3
3
C
H
CH
H
C
C
H
H
H
C
H
C
H
O
OC
H
C
H
2
2
3
3
3
3
(S)(R)
例52，3-二甲基丁二酸的衍生物有旋光性，把它水解，或用甲醇使其酯化，产物将没有旋光性。推
测原来的2，3-二甲基丁二酸衍生物是什么，写出结构式。
分析（1）2，3-二甲基二酸的衍生物有旋光性，说明分子内有两个不相同的手性碳原子。
（2）把该分子水解或酯化产物没有旋光性，说明两个不相同的手性碳原子变成了相同的手性碳原子。
（3）由此可知，原衍生物中两个甲基在费歇尔投影式的同侧，原衍生物中的一个羧基与甲醇酯化。
解：2，3-二甲基丁二酸的衍生物是：
O
H
C
*
H
HCCH
*
O
H
C
C
C
OCHO
3
3
3
C
H
H
H
OCO
CH
CH
OHCO
3
3
3
例6画出乙二醇的指定构象，并按稳定性由大到小排列顺序。
①邻位交叉式，②对位交叉式，③两种重叠式。
分析（1）乙二醇的两个碳原子上个连一个羟基，其构象与丁烷相似。
（2）乙二醇应有四种典型构象。
解：
O
H
H
H
H
H
O
H
O
H
H
H
H
H
O
H
O
H
H
H
H
H
O
H
O
H
H
H
H
H
O
H
①邻位交叉式②对位交叉式③部分重叠式全重叠式
稳定性：对位交叉式>邻位交叉式>部分重叠式>全重叠式
五、习题指导
习题
1.区分下列名词
（1）普通光和偏振光
（2）旋光度和比旋光度
（3）手性和手性碳
（4）对映异构体和非对映异构体
（5）内消旋体和外消旋体
解题指导：参阅基本概念
7
2.下列化合物分子中有无手性碳原子（用星号标出），写出可能有的旋光异构体的投影式，用R、S
标记，指出内消旋体和外消旋体。
（1）2-溴代丁烷（2）2.2一二甲基丁烷
（3）、－二氯代丁酸（4）、－二氯代丁二酸
解题指导：参考例题1
3.对3-甲基戊烷进行氯化，写出所有可能的一氯代产物，写出其中手性分子的投影式，指出对映异构
体和非对映异构体。
解题指导：参考例题2
4.下列化合物哪些是对映异构体，非对映异构体，构造异构体或同一化合物。
(1)
(3)
(5)
(7)
解题指导：参考例题3
5、2－溴丁烷的同乙醇钠作用生成两种醚，画出这两个醚的投影式，标明其构型。
解题指导：参考例题4
6.某酒石酸（2.3一二羟基丁二酸）的衍生物有旋光性，把它水解或用乙醇使其酯化，产物将没有旋
光性，推断原来的酒石酸衍生物是什么，写出结构式。
解题指导：参考例题5
7．画出下列化合物的优势构象，
（1）乙烷（2）丁烷（3）环己烷（4）甲基环已烷
解题指导：参阅基本概念
⑵
⑷
⑹
⑻
8
8.画出1.2一二溴乙烷指定构象的纽曼投影式，并排列稳定性顺序。
（1）全重叠式构象
（2）部分重叠式构象
（3）两种不同的交叉式构象
解题指导：参考例题6
9.判断下列叙述哪些是正确的，哪些是错误的？
（1）一对对映异构体总有实物与镜象关系。（）
（2）具有手性碳原子的化合物都是手性分子。（）
（3）内消旋体和外消旋体都无旋光性，都是非手性分子。（）
（4）对映异构体通过单键旋转可以变为非对映异构体。（）
（5）一种异构体转变为其对映异构体时，必须断裂与手性碳相连的键。（）
（6）具有R构型的手性化合物都是右旋体。（）
（7）在丁烷构象的平衡体系中，因为全重叠式能量最高，所以平衡体系中不含有全重叠式。（）
（8）1．1一二溴环已烷中的两个溴原子都连在e键上。（）
解题指导：参阅基本概念和基本知识。
六、自测试题
（一）填空题
1、普通光通过尼科尔棱镜时，只允许与镜轴的平面上振动的光线通过，这种光称为
光。
2、比旋光度是在光源和测定温度的条件下，溶液的浓度为，盛液管的长度为
，时的旋光度，比旋光度是常数。
3、含有一个手性碳原子的化合物有个旋光异构体，含有两个不相同手性碳原子的化合物有个
旋光异构体，含有n个不相同手性碳原子的化合物理论上有个旋光异构体。
4、在丁烷的构象中，由对位交叉式开始，保持一个甲基不动，另一个甲基旋转度是邻位交叉
式，旋转度是部分重叠式，旋转度是全重叠式。
5、在环己烷的构象中，是最稳定的构象，这种构象中含有个a键，个e键，取
代基与键相连在平衡体系中所占的比例大。
（二）选择题
1、下列化合物中是手性分子的是（）
A.甘氨酸B.丙氨酸C.乙二醇D.丙三醇
2、下列化合物中含有两对对映异构体的是（）
A.2，3-二甲基丁酸B.2，3-二甲基丁二酸
C.2，3-二甲基丁烷D.2，3二甲基-2-丁烯
3、下列化合物中含有内消旋体的是（）
A.2，3-二羟基丙酸B.2，3-二羟基二丁酸
C.2，3-二羟基丁酸D.1，4-丁二酸
4、1，2，3-三氯丁烷中含有（）对非对映异构体。
A.1B.2C.3D.4
5、某旋光物质的比旋光度为+150，它的对映异构体的比旋光度为（）
A.+7.50B.–7.50C.–150D.+150
6、在某旋光物质的右旋体的溶液中加入过量的对映异构体，溶液的旋光方向将（）
A.右旋B.左旋C.消失D.不定
9
7、在乙烷的构象中由一种交叉式变为另一种交叉式，一个甲基不动另一个甲基需要转动
（）度。
A.120B.180C.60D.90
8、丁烷的全重叠式能量为a，邻位交叉式能量为b，部分重叠式的能量位E，则E（）
A.E﹥aB.E﹤bC.b﹤E﹤aD.b﹥E﹥a
9、在椅式环己烷构象中，C
1
、C
3
、C
5
所在的平面与C
2
、C
4
、C
6
所在的平面（）
A.相互垂直B.相互平行C.相交D.相重合
10、环己烷分子在热运动中，由一种椅式转变为另一种椅式时，直立键和平复键将（）
A.相互转变B.保持不变C.都变为直立键D.都变为平复键
（三）推断题
1、丙烯无旋光活性，它与氯气加成时生成一对对映异构体，写出它们的费歇尔投影式，并用R、S标
记。
2、乙醛与HCN加成时，生成α-羟基腈，该产物有无手性，若有写出其费歇尔投影式。
（四）判断题
1、偏振光是在偏于水平面上振动的光.()
2、某物质的比旋光度是测定的旋光度与其浓度之比。（）
3、含有手性碳原子的化合物不一定是手性分子。（）
4、内消旋体和外消旋体都是单一的化合物。（）
5、含有两个相同手性碳原子的化合物有一个内消旋体，并可以形成一个外消旋体。（）
6、R、S标记与旋光方向有关。（）
7、1，2-二甲基环丙烷只有顺反异构没有旋光异构。（）
8、由于碳原子可以不在同一平面上，所以环己烷的椅式和船式构象一样稳定。()
七、参考答案
习题参考答案
1、略2、（1）（2）
无手性碳原子
①（S）②（R）
①和②是一对对映异构体，等量的①和②形成一个外消旋体。
（3）
C
C
HC
Cl
C
H
*
*
H
Cl
OHO
3
Cl
C
H
C
H
C
H
H
H
H
H
H
O
H
CO
H
OHCO
OHCO
C
H
H
O
H
CO
H
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
3
3
3
3
①(2R,3R)②(2S,3S)③(2R,3S)④(2S,3R)
①和②、③和④是对映异构体，等量的①和②、③和④构成两个外消旋体。
CHHC
Br
CH
*
H
C
3
2
3
C
H
HCCH
H
C
HC
HC
3
3
3
3
Br
CH
H
C
C
H
H
H
C
H
C
HC
H
Br
2
2
3
3
10
（4）
CC
HC
Cl
C
*
*
OHH
Cl
OOHO
H
O
H
CO
H
H
O
H
CO
H
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
H
H
OHCO
Cl
OHCO
O
H
COO
H
CO
①(2R,3R)②(2S,3S)③(2R,3S)
①和②是对映异构体，等量的①和②构成一个外消旋体，③是内消旋体。
3、
CCH
HCCH
H
Cl
CH
CH
Cl
*
CCH
H
C
C
HCH
CH
Cl
*
CCH
HCCH
H
CH
CH
Cl
*
CCH
HCCH
H
CH
CH
2
3
2
3
3
2
2
3
2
3
2
3
2
3
2
2
3
2
3
（1）（2）（3）（4）
（1）（2）
C
CH
H
C
C
H
H
H
CH
CH
H
Cl
C
H
C
H
Cl
C
H
C
H
3
2
3
2
3
3
2
2
2
2
C
Cl
H
H
Cl
C
H
H
H
C
H
C
H
C
H
H
C
H
C
H
C
H
H
H
C
H
C
H
C
H
H
H
C
H
C
H
C
HC
H
Cl
CH
Cl
3
3
3
3
2
2
3
3
2
2
2
3
3
3
3
3
①②③④⑤⑥
①和②、③和④、⑤和⑥是对映异构体，③和⑤、③和⑥、④和⑤、④和⑥是非对映异构体。
4、（1）是构造异构体，（2）、（6）是对映异构体，（4）、（7）、（8）是非对映异构体，（3）、（5）是同
一化合物，（5）是同一化合物、内消旋体。
5、
（S）(R)
6、原来的酒石酸衍生物是：酒石酸单乙酯，其结构为
CC
HCC
H
*
*
COHH
OOO
O
H
O
H
5
2
7、
乙烷（交叉式）丁烷（对位交叉式）椅式环己烷e型-甲基环己烷
C
H
H
H
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H
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C
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H
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3
3
CH
3
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CH
H
CH
H
CH
CC
O
CH
C
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C
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5
2
5
2
3
3
33
2
2
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HC
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H
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OCO
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H
OCO
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O
H
CO
O
H
CO
HO
H
O
5
2
5
2
11
8、
全重叠式部分重叠式邻位交叉式对位交叉式
稳定性：对位交叉式>邻位交叉式>部分重叠式>全重叠式
9、（1）∨，（2）×，（3）×，（4）×，（5）∨，（6）×，（7）×，（8）×
自测题参考答案
（一）填空题
1、平行偏振光
2、一定1g·ml-11dm物理
3、242n
4、12060180
5、椅式66e
（二）选择题
1.B2.A3.B4.D5.C6.B7.A8.C9.B10.A
（三）推断题
1、2、
(R)(S)
（四）判断题
1.×，2.×，3.∨，4.×，5.∨，6.×，7.×，8.×
Br
Br
Br
Br
H
H
H
H
H
H
H
H
Br
Br
Br
Br
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H
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H
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H
H
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Cl
C
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C
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C
H
Cl
2
3
2
3
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H
H
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C
H
C
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C
H
N
N
3
3
*
C
HCC
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N
3