大学有机化学第八章立体化学(对映异构).ppt

单击此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,*,同分异构：,分子式相同而结构与性质不同的现象,碳链异构：丁烷与异丁烷,官能团异构：,乙醚（,C,2,H,5,OC,2,H,5,）,与丁醇（,C,4,H,9,OH）,官能团位置异构：丙醛与丙酮；,1-氯丁烷与2-氯丁烷,互变异构：烯醇式与酮式,a）结构（构造）异构,（Constitutional Isomerism）,即原子间互相连接的方式与顺序不同。(成键顺序),b立体异构,（Stereoisomerism）：,分子组成与构造相同,，但原子在,空间的排列方式不同,的化合物称为立体异构,构型异构,（Constigurational Isomerism）包括：,顺-反异构（cis-trans）：烯烃，环烷烃,对映异构（,光学异构，旋光异构,）：化合物分子互为,镜象及实物，不能重合,构象异构,（Conformational Isomerism）：沿,C-C,单键旋转；如乙烷的对位交叉式，重叠式；,环己烷的椅式船式。,立体化学：,研究有机物分子的三维空间结构即立体结构及其对化合物物理性质和化学性质的影响。,（一）手性和对映异构,人的左右手是不能完全重叠的，就象“实物”与“镜像”的对映关系，互称为,对映体,。,手性（chiral）：,一个物体若自身与其镜像不能重叠，称之,手性,。,对映异构现象：,任何一个有机物的分子，若与其镜像不能重叠，称,对映异构现象,。,一、对映异构中的基本概念,对映异构(光学异构)现象,实验事实：,同为乳酸，为什么会具有不同的光学性质呢？,对映异构体之间的物理性质和化学性质基本相同，只是旋光性能不同（对平面偏振光的旋转方向不同）,二.物质的,旋光性,光是一种电磁波，光波的振动方向与光的前进方向垂直,让光通过一个象栅栏一样的 Nicol 棱镜(起偏镜)不是所有方向的光都能通过，而只有与棱镜晶轴方向平行的光才能通过。透过棱晶的光就只能在一个方向上振动。,1、平面偏振光：只在一个平面上振动的光，简称,偏振光,。,旋光性:,能使偏振光,振动面旋转,的性质，叫做,旋光性,旋光性物质,：具有旋光性的物质，也称光学活性物质,物质有两类：,（1）,旋光性物质,能使偏振光振动面旋转的性质，,叫做旋光性,；,具有旋光性的物质，叫做旋光性物质。,（2）,非旋光性物质,不具有旋光性的物质，叫做,非旋光性物质,。,旋光性物质使偏振光旋转的角度，称为,旋光度,，以,“”表示。,但旋光度“,”,受,温度、光源、浓度,等许多因素的影响。故用,比旋光度,来表示，它是物质的,特性常数,。,分析,有,旋光性的乳酸,和,无旋光性的丙酸,在结构上的差别：,初步结论,：,乳酸所以具有旋光性，可能是因为分子中,有一个*C原,子,（,不对称碳原子或手性碳,）。,1.旋光性产生的原因,丙酸,乳酸,CH,3,CHCH,2,CH,3,Cl,*,手性碳原子：,连有,四个不同原子或基团,的,碳原子,，用*标记。,手性：,物体或分子与其镜像不重合的现象,互为镜像对映关系，相似而不能重合的性质,(2)二者的关系：互为镜像（实物与镜像关系，或者,说左、右手关系）。二者无论如何也不能完全重叠。,与镜像不能重叠的分子，称为,手性分子,为什么有,*,C,原子就可能具有旋光性？这是因为：,(1)一个,*,C,就有两种不同的构型：,分子的构造相同，但构型不同；形成实物与镜象、相似而不能重合的两种分子，称为,对映异构体(对映体),对映体,：成对存在，旋光能力相同，但旋光方向相反,二者能量相同（分子中任何两原子的距离相同）,对映异构体,对映体,两个对映体结构差别很小，一般的物理性质，如熔点、沸点、折射率、吸收光谱以及化学性质也基本上相同，,很难用一般的物理及化学方法把它们分开,，它们只对平面偏振光的作用不同和,对某些旋光性试剂的化学反应性能却不同,。,手性，对映异构，旋光活性联系起来，得出如下结论：,实物和镜像不能重合，物质具有手性，有对映异构现象，具有光学活性。如果实物和镜像能重合，物质非手性，无对映体，无旋光活性。,对映异构体的性质,物理性质和化学性质在,非手性环境,中相同，在,手性环境,中有区别。,旋光能力相同，旋光方向相反；生理效应不同。,如：,动物肌肉运动产生的乳酸，,=+3.82,葡萄糖经乳酸杆菌发酵后得到的乳酸，=-3.82,(-)氯霉素有抗菌作用，(+)氯霉素没有抗菌作用,人体能吸收(+)葡萄糖，却不吸收(-)葡萄糖,Some chiral objects in our life,有机分子,是否有手性,，与,分子的,对称性,有关。,1.对称因素,：,对称轴，对称面、对称中心。,（1）对称轴：,设想分子中有一条直线，当分子以该直线为轴旋转,360/n,（n为正整数），得到的分子与原分子相同，该直线即为这个分子的,n重对称轴C,n,。,对映异构现象与分子结构的关系,（2）对称面,a.平面分子的原子所在的同一个平面,b.通过一个分子，并把这个分子分割为,实物和镜像,的,平面,（3）对称中心,i,H,H,H,H,F,F,Cl,Cl,分子中,假想的一个点,，每个原子或原子团与该点连线，在距离相等、方向相反的地方都有一个相同的原子或原子团,（4）n重更替对称轴（S,n,）,分子沿某轴（C,n,轴）旋转360/n，再用一面垂直于C,n,轴的镜面将分子反射，其镜像若与原分子重合，此轴即为,n重更替对称轴（S,n,）,。最具权威性、严格性的判定标准。其与对称中心、对称面一般是同时存在的。,判断,分子是否手性的,依据,：,凡具有对称面、对称中心的分子，都是非手性分子。,有无对称轴，对分子是否有手性无决定作用。,一般：,当分子中只有一个C*，分子一定有手性。,当,分子中有多个手性中心时，要借助对称因素。,无对称面，又无对称中心的分子，必是手性分子。,一、对映异构体的表示方法,1.,透视式,或（楔形式）,对映体,正确表示手性碳上各基团和原子在空间的相对位置,8.4 构型的表示方法,写法：,将手性碳表示在纸面上，用细实线表示纸面上的键，用虚线表示伸向纸后方的键，用锲形键表示伸向纸前方的键。,（手势法）,特点：,实（楔）前，虚后，线纸面,费歇尔投影式,书写的原则,：,2.Fischer 投影式,1.,把手性碳置于纸平面或黑板平面，四个键按交叉的“十”字排列，横竖两条直线的交叉点代表手性碳原子。,2.,“横前竖后”横线表示与C*相连的两个键指向纸平面的前面（向我们冲过来），竖线表示指向纸平面的后面（远离我们）。,3.将实际观察到的原子和基团的空间位置关系画出。以正交“十”字表示手性碳和其四个价键；,交点为手性碳,。,规则,：,横前竖后，手性碳不写,对映体,CH,3,H,COOH,HO,CH,3,OH,COOH,H,注意：一般，将碳链置于竖直键上，并使编号最小的基团置于 上端。,使用费歇投影尔式需注意的几个问题：,（i）,不能离开纸面翻转,，否则将改变原化合物构型。,（ii）在,纸面上旋转,90或其奇数倍,，则,改变构型,；旋转,90的偶数倍,，则,保持原构型,。,（iv）若通过,奇数次调换手性碳所连基团,，则,转换为其,对映体,，通过,偶数次调换,，则保持,原构型,。,（iii）若,固定某一基团,，而使,另三个基团按顺时针或反时针方向依次调位次,，将保持原,构型不变,。,3.楔型式转化为 Fischer 投影式,方法：,将纸面上竖直向上的基团和伸向纸面后方的基团写在 Fischer 投影式的竖线上，上下关系不变；其余两个基团写在横线上，左右关系不变。,COOH,H,OH,H,3,C,COOH,H,OH,H,3,C,COOH,H,CH,3,HO,4.Newman式与Fischer式间的转化,H,OH,H,HO,CH,2,OH,CHO,*,*,步骤：,a.写出重叠式构象，,b.将重叠式投影式“平板化”,竖立键向上,重叠式构象,CHO,HO,OH,CH,2,OH,H,H,步骤,b.,竖线,上的基团写在 Fischer 投影式的,竖线,上，,前面C原子上的基团写在上方，后面C原子上的基团写在下方,。,c.从 Newman 投影式中，观察每个碳原子上另两个基团的左右位置，即为它们在 Fischer 投影式中的左右位置。,*,*,5.锯架式转化为 Fischer 投影式,CH,3,CH,3,Br,CL,HO,Br,*,*,*,*,构型的两种标记法：,D/L法,和,R/S法,。,构型的标记,1、D/L命名法,(,相对构型,),规定：,以甘油醛为标准,羟基在右边为右旋，称D型；羟基在左边为左旋，为L型,D、L与“+、-”没有必然的联系,其它化合物的构型,：,通过化学反应构型关联的方法，可标记其他手性化合物的相对构型。,D-(+)-甘油醛,D-()-甘油酸,D-()-乳酸,一个手性化合物，在化学反应中，只要手性碳原子的四个价键不断裂，该手性碳原子的构型就没有变化。,相对构型：,与假定的D、L甘油醛相关联而确定的构型。,绝对构型：,能真实代表某一光活性化合物的构型,D、L命名对多个手性碳的化合物使用不方便，目前仅在,糖类和氨基酸中使用仍很普遍,。,直至1951年用X射线衍射，测得,(+)-酒石酸铷钠,的绝对构型，千万个旋光化合物的真正构型才得以确定。,此时，才能明确指出一对对映异构体中，哪一个是右旋体，哪一个是左旋体。,幸运的是人为规定的D-(+)甘油醛构型正好是其真正的构型。,2R/S标记法绝对构型的标记 （Cahn-Ingold-Prelog Convention）,D，L标记不完善；通过化学反应进行关联，有时会发生错乱。,R，S标记法可标记手性碳的绝对构型,1970年IUPAC建议采用“次序规则”,R（retus：right）；,S（sinister,left）标记,OH C,2,H,5,CH,3,R、S命名规则,：R/S标记法分成两步：,定序：,将手性碳原子所连接的4个基团（a、b、c、d）按照次序规则abcd排列。优先基团在前。,将次序规则中次序最小的基团（d）放在离观察者眼睛最远的位置，其它3个基团a、b、c指向观察者。观察其余三个基团由大中小的顺序，若是顺时针方向，则其构型为R（R是拉丁文Rectus的字头，是右的意思），若是反时针方向，则构型为S（Sinister,左的意思）。,由Fiehser投影式直接判定R/S构型,例如:,结论,：,当最小基团处于横键位置时，其余三个,基团从大到小的顺序若为逆时针，其构型为R；,反之，构型为S。,结论,：,当最小基团处于竖键位置时，其余三个基团从大到小的顺序若为顺时针，其构型为R；反之，构型为S。,构型的标记,R/S法标记,(R)-,(S)-,H,OH,H,HO,CH,2,OH,CHO,H,OH,Br,H,H,H,*,*,*,前：(R)-,(R)-,后：(S)-,CHO,HO,OH,CH,2,OH,H,H,*,*,Br OH CH,3,COOH,H,CH,3,Br,CHO,CH,2,OH,H,HO,(R)-,(S)-,区分：,a:(+)-/(-)-,b:d-/l-,c:(R)-/(S)-,d:D-/L-,由实验确定：右旋为(+)-；左旋为(-)-。,按基团顺序规则确定：顺时针(R)-；逆时针(S)-。,与甘油醛相关联：羟基在左侧为L-；在右侧为 D-。,一个化合物的构型与构型是一对对映体,有一个构型必定有一个构型。,而一个对映体右旋,x,度，另一个对映体则左旋,x,度。,注意：,化合物的构型R/S、或D/L和旋光方向（）,无必然的联系,。因旋光方向是化合物的固有性质，而对化合物的,标记是人为的规定,。,含一个手性碳原子的化合物,对映体,Cl,H,CH,2,CH,3,HO,CH,3,CH,2,CHOH,Cl,*,Cl,OH,CH,2,CH,3,H,(S)-1-氯-1-丙醇,(R)-1-氯-1-丙醇,有两个立体异构体,1、对映体互为物体与镜象关系的立体异构体,一、对映体,二、外消旋体：,一对对映体,的,等量,混和物,。,2、,对映体之间的特点,（1）对映异构体的物理性质、化学性质相同，难以用化学方法区别。,（2）对映异构体的比旋光度相同，仅旋光方向相反。,（3）对映异构体的生理作用往往不同，在手性环境条件下，对映体会表现出某些不同的性质，如反应速度有差异，生理作用的不同等。,外消旋体与对映体的比较（以乳酸为例）：,旋光性 物理性质 化学性质 生理作用,外消旋体 不旋光 mp 18 基本相同 各自发挥其左右,对映体 旋光 mp 53 基本相同 旋体的生理功能,表示方法：用dl或（）来表示,8.5,含两个手性碳原子的化合物,1.,含有两个,不同,手性碳原子的化合物,2.,含有两个,相同,手性碳原子的化合物,CH,3,CHCHCH,3,Br,Cl,CH,3,CHCHCH,3,Cl,Cl,*,*,*,*,含有两个,不同,手性碳原子的化合物：,Br,CH,3,CH,3,Cl,H,H,CH,3,H,CH,3,H,Cl,Br,Br,CH,3,CH,3,H,Cl,H,H,CH,3,CH,3,Cl,H,Br,对映体,对映体,非对映体,共有四个立体异构体,(2S,3R)-,(2R,3S)-,(2R,3R)-,(2S,3S)-,(R)-,(S)-,等量混和组成外消旋体,等量混和组成外消旋体,（1）,（2）,（3）,（4）,Cl,COOH,COOH,OH,H,H,H,COOH,COOH,H,HO,Cl,对映体,(2S,3S)-,(2R,3R)-,非对映体,：,不呈物体与镜象关系的立体异构体,叫做,非对映体,。分子中有两个以上手性中心时，就有非对映异构现象。,非对映异构体的特征：,1 物理性质不同（熔点、沸点、溶解度等）。,2 比旋光度不同。,3 旋光方向可能相同也可能不同。,4 化学性质相似，但反应速度有差异。,非对映体,内消旋体,H,CH,3,CH,3,H,Cl,Cl,含有两个,相同,手性碳原子的化合物：,Cl,CH,3,CH,3,Cl,H,H,Cl,CH,3,CH,3,H,Cl,H,H,CH,3,CH,3,Cl,H,Cl,对映体,共有三个立体异构体,(2R,3R)-,(2S,3S)-,(2S,3R)-,(2R,3S)-,即:(2R,3S)-,H,CH,3,CH,3,H,Cl,Cl,Cl,CH,3,CH,3,Cl,H,H,对称面,将分子分割为互为,实物和镜像,的两部分,内消旋化合物：,具有多个手性碳原子的非手性分子,。,meso,-,分子中有对称因素,一个R，一个S，可以认为是分子内部,两个构造相同而构型相反的手性碳的旋光作用刚好相互抵消,，使整个分子无旋光性。,注意区别内消旋化合物和外消旋混合物的概念,内消旋体与外消旋体的异同,相同点：都不旋光,不同点：内消旋体是一种纯物质，外消旋体是两个对映体的等量混合物，可拆分开来。,（链状分子的立体异构体数N与其分子中所含手性碳原子的个数n的关系：N 2,n,个）,手性碳原子与手性分子之间的关系,1.,必要性?,手性分子是否必然含有手性碳原子？,手性分子不一定含有手性碳原子。,2.,充分性,含有手性碳原子的分子是否一定是手性分子？,含有手性碳原子的分子也不一定是手性分子,.,.,*,*,=,H,+,-H,+,-H,+,H,+,-H,2,O,-H,2,O,H,2,O,H,2,O,60-70,o,C,4小时,（+）-肾上线素（无药效）,（-）-肾上线素（有药效）,H,+,例1,D-(-)-麻黄素,有生理活性，易结晶,L-(+)-假麻黄素,生理活性只有麻黄素的1/5。,碳正离子,例2,外消旋体的拆分（,resolution,）和手性合成（,chiral synthesis,）,Nobel prize（2001年）授于从事手性合成方面的化学家,William S.Knowles,Ryoji NoyoriK.,Barry Sharpless,1/4 of the prize,1/4 of the prize,1/2 of the prize,拆分,：由潜手性分子合成手性分子时，一般得到一对外消旋体,拆分,但具有生物活性的物质只有一对对映体中的一个，即R或是S构型,药物方面：右旋Vc，治坏血病；反应停R-（有效），S-使胎儿致畸；构成蛋白质分子基石的氨基酸（除甘氨酸外）全是左旋；氯霉素左旋有效。西药1/2含手性中心，其中1/2以对映体混合物出售。单一的对映体药物以10%速度增加。,材料方面：液晶分子加上一个手性中心可作为快速光开关。,外消旋体的拆分,定义：将,外消旋体,拆分成,左旋体和右旋体,，称为外消旋体的拆分。,基本原则：,提供手性环境和条件，使对映异构体表现出不同的性质从而得以拆分(Resolve，Resolution)。,1848年 Pasteur（巴斯德,法国化学家）在显微镜下用镊子将外消旋酒石酸拆分成右旋和左旋酒石酸。,1、机械拆分法,2.化学拆分法:,如拆分酸的外消旋体,(+)-RCOOH+(-)-RNH,2,成盐,分级结晶,HCl,HCl,(+)-RCOO,-,(-)-RNH,2,(-)-RCOO,-,(-)-RNH,2,(+)-RCOOH +,(-)-RNH,3,Cl,-,(-)-RCOOH +,(-)-RNH,3,Cl,-,+,+,-,例如：,（1）拆分剂与外消旋体之间易发生反应,又易被分解。,（2）两个非对映立体异构体在溶解度上,有可观察的差别。,（3）拆分剂应当尽可能地达到旋光纯度。,（4）拆分剂必须是廉价的，易制备的，,或易定量回收的。,拆分试剂的条件,1g,R-,氨基醇,5g,S+,5g,R,氨基醇饱和液,(80，100ml),析出,2g,R-,氨基醇,(,余下,4g,R,5g,S),分去晶体，剩下母液,过滤,加水至100ml,冷却至20,80,加2g消旋体,冷却至20,2g,S-,氨基醇析出,3.诱导结晶法(化学法的一种),4.微生物拆分法:,在酶的作用下进行的拆分.利用酶有选择性分解对映体中的一种异构体,5.色谱法(选择吸附法):,手性的固定相或手性流动相，选择性地吸附外消旋体中的一种异构体.,缺点：在分离过程中，外消旋体至少有一半被消耗掉.,