第十一章--立体化学.ppt

,医药化学,基础,高职高专“十一五”规划教材,化学工业出版社,单击处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,医药化学,基础,高职高专“十一五”规划教材,化学工业出版社,单击处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,医药化学,基础,高职高专“十一五”规划教材,化学工业出版社,单击处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,医药化学,基础,高职高专“十一五”规划教材,化学工业出版社,单击处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第十一章 立体化学,主要内容,11.1 顺反异构,11.2 对映异构,11.3 构象异构,同分异构,构型异构,构象异构,构造异构,立体异构,碳架异构,官能团异构,位置异构,互变异构,顺反异构,对映异构,11.1,顺反异构,顺反异构,是由于分子中原子或原子团在双键或脂环平面两侧的排列方式不同而产生的异构现象。,相同的构造化合物的不同空间排列方式,构型,例如,2-,丁烯的两种构型为：,顺式,反式,11.1,顺反异构,一、顺反异构产生的条件,1,.分子中有限制旋转的因素（如：双键、环等）；,2,.不能自由旋转的碳原子上连有两个不同的基团。,即,ad，be 时有顺反异构,但如果a=d或b=e 时就不会产生顺反异构。,11.1,顺反异构,二、顺反异构体的命名,1,含双键化合物的命名,（一）顺,/,反命名法,简单的顺反异构体：,当两个相同原子可原子团处于双键平面同侧时，称为顺式（,cis-,）；,处于双键平面异侧时，称为反式（,trans-,）。,顺,-3-,甲基,-2-,戊烯 反,-3-,甲基,-2-,戊烯,11.1,顺反异构,2,脂环化合物的顺反异构,（一）顺,/,反命名法,顺,-1,，,4-,环已烷二羧酸 反,-1,，,4-,环已烷二羧酸,二、顺反异构体的命名,11.1,顺反异构,（二）,Z/E,构型和次序规则,当双键碳原子上连有,4,个不同原子或原子团时，就很难用顺、反命名法来命名其构型。,为解决此问题，提出了以“次序规则”为基础的,Z,、,E,构型的命名法,二、顺反异构体的命名,11.1,顺反异构,1,Z,、,E,构型的命名法,将双键碳原子上的原子或基团分别按基团优先次序规则排列，找出优先基团，,如果,两个优先基团,处于双键的,同侧,，称为,“,Z”,式。,处于,异侧,的称为,“,E”,式结构。,二、顺反异构体的命名,（二）,Z/E,构型和次序规则,11.1,顺反异构,1,Z,、,E,构型的命名法,例如：,a,当优先于,b,，,d,当优先于,e,时：,Z-,构型,E-,构型,二、顺反异构体的命名,（二）,Z/E,构型和次序规则,11.1,顺反异构,2次序规则,（,1）将与双键碳直接相连的2个原子按原子序数由大到小排出次序，原子序数较大者为优先基团。则一些常见的原子或原子团的优先次序为：,二、顺反异构体的命名,（二）,Z/E构型和次序规则,11.1,顺反异构,（,2）若原子团中与双键原子直接相连的原子相同而无法确定次序时，则比较与该原子相连的其他原子的原子序数，直到比出大小为止。,二、顺反异构体的命名,（二）,Z/E构型和次序规则,2次序规则,11.1,顺反异构,（,3）若原子团中含有不饱和键时，将双键或三键原子看做是以单键和2个或3个相同原子相连接。如：,看做,二、顺反异构体的命名,（二）,Z/E构型和次序规则,2次序规则,11.1,顺反异构,根据,Z、E构型命名原则可命名所有的顺反异构体,顺,-1-溴-1-丁烯,（,Z）-1-溴-1-丁烯,顺,-2-氯-2-丁烯,（,E）-2-氯-2-丁烯,二、顺反异构体的命名,（二）,Z/E构型和次序规则,2次序规则,11.1,顺反异构,结论：,（,1）顺、反命名法仅适用于双键的两碳原子上含有相同原子或原子团的结构。,（,2）Z、E命名法适用于所有顺反异构体的命名,（,3）顺/反命名法和Z/E命名法无必然的联系。,二、顺反异构体的命名,（二）,Z/E构型和次序规则,2次序规则,11.1,顺反异构,三、顺反异构体在性质上的差异,顺反异构体的构型不同，分子中原子或原子团之间空间位置不同，因而导致它们的物理性质如熔点、溶解度等都有较大的差异；它们的化学性质如反应速度、产物构型等方面都不相同；它们的生理活性也不相同。,11.1,顺反异构,。,丁烯二酸,熔点,（）,溶解度,（g/100g H,2,O）,脱水反应条件,pK,a1,pK,a2,体内代谢情况,顺式,130.5,78.8,200,1.83,6.07,不能代谢,反式,286.5,0.63,275,3.03,4.44,能代谢,丁烯二酸顺反异构体的性质比较,三、顺反异构体在性质上的差异,11.1,顺反异构,化学稳定性：通常是反式异构体较顺式异构体稳定但这也不是绝对的。,造成差异的原因：是由于两者相应的基团在空间的距离不同相互作用力不一样。,药理作用不同：相应基团间的距离不同造成药物与受体表面作用的强弱不同,三、顺反异构体在性质上的差异,11.2,对映异构,一、偏振光和旋光性,光波是一种,电磁波,光的振动方向与前进方向,垂直,。,11.2,对映异构,一、偏振光和旋光性,11.2,对映异构,（Nicol）棱晶（镜）或人造偏振片特点：,只允许与棱晶晶轴互相平行的平面上振动的光线透过棱晶，而在其它平面上振动的光线则被挡住。,平面偏振光（,简称,偏振光或偏光）,只在,一个平面上振动的光。,偏振面,偏振光振动的平面,一、偏振光和旋光性,11.2,对映异构,一、偏振光和旋光性,11.2,对映异构,物质的旋光性,：能使平面偏振光振动平面旋转的物质性质。,旋光性物质,：具有旋光性的物质（或为光活性物质）。,右旋体,：能使偏振光振动平面向右（顺时针）旋转的物质,左旋体,：能使偏振光振动平面向左（逆时针）旋转的物质,旋光度,：使偏振光振动平面旋转的角度（,）,一、偏振光和旋光性,11.2,对映异构,旋光仪,测量物质旋光性的仪器,两个尼可尔棱晶（起偏棱晶和检偏棱晶）、一个盛液管（旋光管）和一个刻度盘组织装而成。,一、偏振光和旋光性,11.2,对映异构,二、旋光度与比旋光度,旋光性物质的旋光度的大小决定于该物质的,分子结构,，并与测定时溶液的,浓度,、盛液的,长度,、测定,温度,、所用,光源波长,等因素有关。为了比较各种不同旋光性物质的旋光度的大小，一般用比旋光度来表示。,11.2,对映异构,比旋光度,：1ml含1g旋光性物质浓度的溶液，放在1dm长的盛液管中测得的旋光度称为该物质的比旋光度。一般用 表示。,例：肌肉乳酸的比旋光度：,比旋光度是旋光物质特有的物理常数。,一般用（,+,）表示右旋；用（,-,）表示左旋。,t,=+3.80,t,D,二、旋光度与比旋光度,11.2,对映异构,实际测量时，可用溶液测量其旋光度，再用下式计算其比旋光度：,式中：,t,比旋光度,t,测量时的温度；,测量时所采用的光波波长；,由仪器测得的溶液的旋光度；,l,盛液管的长度,单位为,dm(1dm=10cm),；,C,溶液的浓度,单位为,g.mL,-1,。,若待测液是液体而非溶液时，则,C,换成该液体的密度。,二、旋光度与比旋光度,11.2,对映异构,三、分子的手性、对称性和旋光性,（一）手性分子和旋光性,实物与其镜像不能重叠的特性叫做,手性,；,如果能够重合，则称作,对称性,。,化合物的手性是产生旋光性的充分必要条件,11.2,对映异构,（一）手性分子和旋光性,例：乳酸分子的构型,三、分子的手性、对称性和旋光性,11.2,对映异构,（二）分子的手性和对称因素,手性,:,例如乳酸有两种不同构型（空间排列）,三、分子的手性、对称性和旋光性,11.2,对映异构,（二）分子的手性和对称因素,物质分子能否与其镜象完全重叠（是否有手性），可从分子中有无对称因素来判断，最常见的分子对称因素有：,对称面、对称中心和对称轴,。,三、分子的手性、对称性和旋光性,11.2,对映异构,（二）分子的手性和对称因素,（,1,）对称面,假设分子中有一平面能把分子切成互为镜象的两半，该平面就是分子的对称面，例如：,具有对称面的分子无手性,。,三、分子的手性、对称性和旋光性,11.2,对映异构,（二）分子的手性和对称因素,（2）对称中心,若分子中有一点,P,，通过,P,点画任何直线，如果在离,P,等距离直线两端有相同的原子或基团，则点,P,称为分子的对称中心。例如：,有对称中心的分子不具有手性是非手性分子,三、分子的手性、对称性和旋光性,11.2,对映异构,（二）分子的手性和对称因素,（,3）对称轴：如果穿过分子画一条直线，分子以它为轴旋转一定角度后，可以获得与原来分子相同的形象，这一直线即为该分子的对称轴。,（,E)-1，2,-二氯乙烯 环丁烷 苯,象这些含对称轴的化合物都是非手性分子,三、分子的手性、对称性和旋光性,11.2,对映异构,（二）分子的手性和对称因素,能引起分子具有手性的一个特定原子或分子骨架的中心称为手性中心，最常见的手性中心为手性碳原子。,手性碳原子,是指同时连有,4,个不同原子或原子团的碳原子。在手性分子中至少含有,1,个手性碳原子。常用（*）号标记,三、分子的手性、对称性和旋光性,11.2,对映异构,（一）对映异构,四、含有一个手性碳原子的化合物,定义：两种立体异构体互呈物体和镜像的对映关系，因此互称为,对映异构体,，简称,对映体,11.2,对映异构,1,.定义：等量的右旋体和左旋体混合，它们对偏振光的作用互相抵消，故没有旋光性，所以称为,外消旋体,2,.表示方法：外消旋体用,（,）,表示。,3,.理化性质：外消旋体与右旋体或左旋体的,物理性质不相同。化学性质基本相同,。,4,.生理作用：外消旋体包含右旋体和左旋体的相应效应。,四、含有一个手性碳原子的化合物,（一）对映异构,11.2,对映异构,（二）费歇尔投影式,四、含有一个手性碳原子的化合物,11.2,对映异构,（,1,）横向的两个键摆向自己,（,2,）竖立的两个键摆向纸后,（,3,）一般将含碳原子的基团放在竖立键方向,（,4,）编号小的在上端。,四、含有一个手性碳原子的化合物,（二）费歇尔投影式,11.2,对映异构,注意事项：,两条直线的交叉点为手性碳原子；,投影式不能离开纸面而翻转过来，否则构型发生变化；,投影式可以在纸面上旋转180，不会改变基团的前后关系；,投影式不能在纸面上旋转90，否则构型发生变化；,固定一个基团，另外三个基团任意旋转，构型不变；,任何两个基团互换，一个投影式将变成它的对映体。,四、含有一个手性碳原子的化合物,（二）费歇尔投影式,11.2,对映异构,（三）构型的标示方法,1,D,、,L,标示法,DL标记法是以甘油醛的构型为标准来进行,DL构型是相对构型。,四、含有一个手性碳原子的化合物,11.2,对映异构,1,D,、,L,标示法,D,L,标记法经典、方便，但它只能标出一个手性碳的构型。,目前，,D,L,标记法主要用于糖和蛋白质的构型标记。,四、含有一个手性碳原子的化合物,（三）构型的标示方法,11.2,对映异构,2,R,、,S,标示法,R,拉丁字Rectus（,右,）；,S,拉丁字Sinister（,左,）。,R/S标记法是根据手性碳原子上所连的四个原子或原子团在空间的排列方式来标记的。,R/S构型是,绝对构型,。,四、含有一个手性碳原子的化合物,（三）构型的标示方法,11.2,对映异构,2,R,、,S,标示法,用R/S标记构型的步骤为：,按照大小次序规则，确定大小次序；,将最小的原子或原子团置于距观察者最远处；,观察其余三个原子或原子团由大到小的排列方式。,顺时针 R,；,逆时针 S,。,四、含有一个手性碳原子的化合物,（三）构型的标示方法,11.2,对映异构,2,R,、,S,标示法,例,1,：的构型标记。,四、含有一个手性碳原子的化合物,（三）构型的标示方法,11.2,对映异构,2,R,、,S,标示法,根据次序规则：,OH,COOH,CH,3,H,四、含有一个手性碳原子的化合物,（三）构型的标示方法,11.2,对映异构,四、含有一个手性碳原子的化合物,（三）构型的标示方法,11.2,对映异构,RS标记法也可直接应用于Fischer投影式：,四、含有一个手性碳原子的化合物,（三）构型的标示方法,11.2,对映异构,注 意,RS标记法与DL标记法的依据不同。,RS法依据与,C相连的四个原子或原子团的大小顺序；,DL法依据与D甘油醛的构型是否相同,。,四、含有一个手性碳原子的化合物,（三）构型的标示方法,11.2,对映异构,（一）含两个不同手性碳原子的化合物,五、含两个手性碳原子化合物的对映异构,例：,以氯代苹果酸的构象透视式和费歇尔投影式分别表示四个异构体。,11.2,对映异构,（一）含两个不同手性碳原子的化合物,2S,，,3S 2R,，,3R 2S,，,3R 2R,，,3S,五、含两个手性碳原子化合物的对映异构,11.2,对映异构,（一）含两个不同手性碳原子的化合物,1.从上面构型中看出：,和是一对对映体，组成外消旋体；,和也是一对对映体，也组成外消旋体；,和为非对映体；和也是非对映体；,2.非对映体的物理性质、比旋光度不同；但旋光方向不一定，有相同，也有不相同。化学性质相似。,3.当分子中含有,n,个不同的手性碳原子时，就可以有,2,n,个光学异构体，它们可以组成,2,n-1,个外消旋体,。,五、含两个手性碳原子化合物的对映异构,11.2,对映异构,（二）含两个相同手性碳原子的化合物,以酒石酸的费歇尔投影式分别表示四个异构体。,五、含两个手性碳原子化合物的对映异构,11.2,对映异构,（,）（,）（,）（,）,2R,，,3R 2S,，,3S 2R,，,3S 2S,，,3R,五、含两个手性碳原子化合物的对映异构,（二）含两个相同手性碳原子的化合物,11.2,对映异构,1,.,从上面构型中看出：,和是一对对映体，组成外消旋体；,和似乎也是一对对映体，但在纸面旋转180就变成；故为同一化合物；为一,内消旋体,。用（meso）表示。,和与属非对映体。,五、含两个手性碳原子化合物的对映异构,（二）含两个相同手性碳原子的化合物,11.2,对映异构,2,.,内消旋体和外消旋体有着本质的区别,：,内消旋体是一种纯物质，不能拆分，而外消旋体可以拆分成具有旋光性的两种物质。,3,.,当含有n个手性碳原子时旋光异构体的数目最多为2,n,，最多可组成2,n-1,对对映体对。,五、含两个手性碳原子化合物的对映异构,（二）含两个相同手性碳原子的化合物,11.2,对映异构,（三）含有两个手性碳原子的脂环化合物,环状化合物的立体异构体比链状更复杂，既有顺反异构，又有对映异构。,例：,（,1R,，,2S,）（,1R,，,2R,）（,1S,，,2S,）,顺反异构体 对应异构体,五、含两个手性碳原子化合物的对映异构,11.2,对映异构,六、旋光异构体的性质,对映异构体之间，除了旋光方向相反外，其他物理性质如熔点、沸点、溶解度及旋光度等都相同；而非对映异构体之间，不仅旋光性不同，而且其他物理性质也不相同。如表,14-2,酒石酸的物理性质的比较,11.2,对映异构,如表,14-2,酒石酸的物理性质的比较,物质,mp,D(,水),溶解度(g/100ml),pKa,(+)-酒石酸,170,+12.0,139,2.98,(-)-酒石酸,170,-12.0,139,2.98,(,)-,酒石酸(dl),206,0,20.6,2.96,meso-酒石酸,140,0,125,3.11,六、旋光异构体的性质,11.2,对映异构,左旋麻黄碱在升高血压方面的作用比右旋麻黄碱大,20,倍,左旋肾上腺素的生理活性比右旋肾上腺素强,14,倍,左旋氯霉素可以用于治疗伤寒等疾病，而右旋氯霉素几乎无效,左旋抗坏血酸有抗坏血病的作用，而右旋的则没有,L-,型氨基酸、,D-,型糖是人体所需要的，,对映异构体之间对生物体的作用不同，不同构型的一对对映异构体对人体的生理和药理作用的差异往往是很大的。,例如：,六、旋光异构体的性质,11.2,对映异构,七、旋光异构体的拆分,（一）结晶拆分法,外消旋体,右旋体,右旋体饱和溶液,冷却,右旋体结晶,母液,外消旋体,左旋体饱和溶液,冷却,左旋体结晶,母液,外消旋体,反复上述操作,11.2,对映异构,（二）化学拆分法,利用化学方法将其生成一对对映体和非对映体，然后用物理方法将它们分离，然后又用化学方法把它们分开。,例：拆分一对外消旋体的酸,七、旋光异构体的拆分,11.2,对映异构,可利用沸点、溶解度性质不同，用分馏或分步结晶法使它们分开。然后再用强无机酸与之反应。,将对映体转化成非对映体时所加的试剂称为,拆分剂。,拆分外消旋的酸性物质，要用碱性拆分剂，拆分外消旋的碱性物质，则要用酸性拆分剂。,（二）化学拆分法,七、旋光异构体的拆分,11.3,构象异构,键的特点之一是：,电子云以键轴为轴呈圆柱对称分布,成键的碳原子之间可以沿键轴任意旋转,由碳碳,键沿键轴旋转而引起分子中原子或原子团在空间的不同排列形式称,构象,由单键的旋转而产生的异构体叫,构象异构,11.3,构象异构,一、乙烷的构象,围绕,C-C,键旋转产生无穷多的构象，,一般研究典型的极限构象。,11.3,构象异构,乙烷的两种极限构象及表示方式：,球棒模型,透视式,一、乙烷的构象,11.3,构象异构,重叠式,(,顺叠式,),构象,交叉式,(,反叠式,),构象,Newman,投影式,交叉式构象最稳定，重叠式构象最不稳定,一、乙烷的构象,11.3,构象异构,二、正丁烷的构象,正丁烷分子中有,3个C,-,C 键，每一个C,-,C键的旋转，都将产生无数个构象,正丁烷沿,C,2,和,C,3,之间的,键键轴旋转有四种典型构象。,11.3,构象异构,对位交叉式,(反错式),部分重叠式,(反叠式),邻位交叉式,(顺错式),全重叠式,(顺叠式),稳定性,：,对位交叉式,邻位交叉式部分重叠式全重叠式,二、正丁烷的构象,11.3,构象异构,三、环己烷的构象,（一）环已烷的构象,11.3,构象异构,椅式构象中的竖键和横键,三、环己烷的构象,（一）环已烷的构象,11.3,构象异构,由于,CC,键的转动，不但船式与椅式构象可相互转变，而且椅式构象也可转变为另一种椅式构象,在相互转变中，原来的,a,键变为,e,键，而原来的,e,键变为,a,键,三、环己烷的构象,（一）环已烷的构象,11.3,构象异构,（二）取代环已烷的构象,环己烷上的氢原子被其他基团取代后，取代基可处于横键或竖键。a 键取代和 e 键取代示意图,三、环己烷的构象,11.3,构象异构,（1）取代基在e,键上的是稳定构象。,甲基处于竖键的构象中，甲基上的,H原子与C3、C5上的氢原子距离较近，会产生范德华斥力，能量高，不稳定。甲基在横键的构象，斥力小，较稳定。,三、环己烷的构象,（二）取代环已烷的构象,11.3,构象异构,（2）二取代环已烷：e 键取代基多的构象是稳定的。,三、环己烷的构象,（二）取代环已烷的构象,11.3,构象异构,（3）环有不同取代基时，大的取代基在e键的构象最稳定。,环己烷环上只有一个取代基时,取代基在横键的构象最稳定。,环己烷环上有不只一个取代基时，取代基相同，e键最多的,构象最稳定；取代基不同，大基团在e键的构象最稳定。,三、环己烷的构象,（二）取代环已烷的构象,