清华大学有机化学立体化学省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

Chapter 5Chapter 5Stereochemistry第五章第五章 立体化学立体化学Organic Chemistry A(1)By Prof.Li Yan-MeiTsinghua University第1页ContentContent5.1 Introduction5.1 Introduction5.2 Molecule with one asymmetric carbon5.2 Molecule with one asymmetric carbon5.3 Molecule with two asymmetric carbon5.3 Molecule with two asymmetric carbon5.4 Molecule with more than two asymmetric 5.4 Molecule with more than two asymmetric carboncarbon5.5 Cyclic compound5.5 Cyclic compound5.6 Other chiral molecules5.6 Other chiral molecules5.7 Measure of polarity and reslution of racemic 5.7 Measure of polarity and reslution of racemic compounds compounds 第2页 5.1.1 Chirality 5.1.1 ChiralityNicol5.1 Introduction5.1 IntroductionPlane-polarized light平面偏振光（偏振光）第3页NicolLight sourceNon-chiral compounds,like water该化合物“无旋光性”“无光学活性”第4页NicolLight sourceChiral compounds,like lactic acid该化合物含有“旋光性”为“旋光物质”或“光活性物质”偏转角旋光度物质旋光性：物质使偏振光振动平面发生旋转性质第5页Specific rotation 比旋光度=100/(cl)D25=100/(cl)D:the D line of a sodium lamp (=589.6nm)The PolarimeterThe Polarimeter：旋光度 c：样品浓度（100mL溶液中样品克数）l：盛液管长度（单位：cm）第6页5.1.2 Asymmetric carbon atomIn the 19th century,several asymmetric crystals were discovered.Also,the solutions obtained from the asymmetric crystals were asymmetric.Louis Pasteur什么样化合物含有旋光性？第7页第8页notnot superposable superposable第9页Chirality 手性手性晶体结构中缺乏某种对晶体结构中缺乏某种对称原因，造成实物与镜称原因，造成实物与镜像互不重合像互不重合第10页从而推测含有手性分子，其结构中也因缺乏某种对称原因，造成实物从而推测含有手性分子，其结构中也因缺乏某种对称原因，造成实物与镜像互不重合与镜像互不重合第11页判据：判据：实物与镜像不能重合实物与镜像不能重合实物与镜像不能重合实物与镜像不能重合分子含有手性分子含有手性分子含有手性分子含有手性充分且必要充分且必要充分且必要充分且必要第12页1874 Newzealand Vant Hoff The carbon atom linking four different groups or atoms is called an“asymmetric carbon”.Asymmetric carbon不对称碳原子：与四个互不相同不对称碳原子：与四个互不相同一价基团相连接碳原子。一价基团相连接碳原子。加加“*”表示表示第13页If an symmetric carbon can be substituted and becomes asymmetric,it is called a“prochiral carbon”.Prochiral carbon第14页Any molecule with such a carbon molecule,which is linked to four different groups or atoms,shows some chirality.StereocenterVant Hoff 认为含有不对称碳分子含有旋光性。认为含有不对称碳分子含有旋光性。第15页优点：使用方便优点：使用方便缺点：很多例外缺点：很多例外 有些分子中存在不对称碳，但却无手性：有些分子中存在不对称碳，但却无手性：有些分子中没有不对称碳，但却有手性：有些分子中没有不对称碳，但却有手性：第16页5.1.3 Symmetric elementHow to judge chirality of a moleculelA molecule is not tally with its enantiomorphism.lBut molecules with two asymmetric carbons may be symmetric.第17页l A molecule without asymmetric carbon may be chiral.lIf a molecule lacks some specialized symmetric element,the molecule shows chirality.结构中缺乏某种对称原因是该分子含结构中缺乏某种对称原因是该分子含有旋光性原因。有旋光性原因。第18页Asymmetric axisC2C3C3分子中对称原因：对称轴对称轴 C Cn n n n：轴阶轴阶C Cn n表示该结构含有表示该结构含有表示该结构含有表示该结构含有n n重轴。当分子绕该轴转动重轴。当分子绕该轴转动重轴。当分子绕该轴转动重轴。当分子绕该轴转动3603600 0/n/n角度后，得到构象角度后，得到构象角度后，得到构象角度后，得到构象与原分子完全一致。与原分子完全一致。与原分子完全一致。与原分子完全一致。当分子绕该轴转动一周，可得当分子绕该轴转动一周，可得当分子绕该轴转动一周，可得当分子绕该轴转动一周，可得n n个与原始构型无法区分等价构型。个与原始构型无法区分等价构型。个与原始构型无法区分等价构型。个与原始构型无法区分等价构型。第19页C2C31 12 23 34 4第20页C8第21页Planes of symmetric(mirror plane)CHHHHFour planes of symmetric in the molecule对称面对称面 ：假如有一个平面能够将分子分割成两部分，而其中一部分恰好：假如有一个平面能够将分子分割成两部分，而其中一部分恰好是另一部分镜象，这个平面就是分子对称面。是另一部分镜象，这个平面就是分子对称面。第22页symmetric plane:the paper plane an infinitude of symmetric planes第23页Symmetric centre对称中心对称中心 i ii：若分子中有一点：若分子中有一点i，经过，经过i点画直线，假如在离点画直线，假如在离i等距离直线两等距离直线两端有相同原子或原子团，则点端有相同原子或原子团，则点i称为分子对称中心。称为分子对称中心。第24页Symmetric element and chiralityhas symmetric planehas no symmetric centrehas no symmetric planehas no symmetric centreno chiralityno optical activitychiralitydoes not mach its enantiomorphous formoptical activity对称原因与对称性对称原因与对称性假如一个分子既没有对称面，又没有对称中心，那么该分子假如一个分子既没有对称面，又没有对称中心，那么该分子含有手性。含有手性。第25页有对称面无手性既无对称面，又无对称中心有手性第26页 5.2.1 R/S system and Fischer projection formulas 5.2.2 Enantiomer 5.2.3 Racemate5.2 Molecule with one asymmetric carbon5.2 Molecule with one asymmetric carbon第27页5.2.1 R/S system and Fischer projection formulas1,D/L systemDefined as L configurationDefined as D configuration以“乳酸为基准，衍生化方法n采取衍生化方法而推出n与旋光性无关n衍生过程中可能会产生歧义n当前主要应用于氨基酸、糖等分子中第28页2,R/S systemlowest priorityHighest priorityThird prioritySecond priorityR(rectus)S(sinister)基团大小？基团大小？次序规则！次序规则！特点：特点：R/S与构型一一对应，无须找基准与构型一一对应，无须找基准物进行衍生物进行衍生顺时针逆时针观察方向观察方向观察方向观察方向第29页L-D-S-R-第30页Try to decide the R/S configuration in these molecules.?第31页3,Fischer projection formula画法：画法：第32页指向纸内指向纸内指向纸外指向纸外第33页第34页利用利用Fischer投影式判断投影式判断R/S构型：构型：1234最小基团远离观察者，最小基团远离观察者，与与R/S构型判断要求一致构型判断要求一致逆时针逆时针S构型构型第35页1234最小基团指向观察者，最小基团指向观察者，与与R/S构型判断要求不一致构型判断要求不一致逆时针逆时针R构型构型第36页两个要求：两个要求：要求之一：要求之一：Fischer投影式不可在纸面上翻转投影式不可在纸面上翻转1800。翻转翻转1800SR相当于发生一次基团交换相当于发生一次基团交换结果：构型改变结果：构型改变第37页要求之二：要求之二：Fischer投影式能够在纸面上旋转投影式能够在纸面上旋转1800。旋转旋转1800SS相当于发生两次基团交换相当于发生两次基团交换结果：构型不变结果：构型不变第38页结论：基团交换偶数次结论：基团交换偶数次 构型不变构型不变 基团交换奇数次基团交换奇数次 构型改变构型改变应用：复杂情况下应用：复杂情况下R/S构型判断构型判断最小基团指向观察者，最小基团指向观察者，与与R/S构型判断要求不一致构型判断要求不一致第39页第40页5.2.2 Enantiomer 含一个不对称碳分子：对映体及其性质S-L-(+)R-D-(-)n含一个不对称碳原子分子，其分子内既无对称面，又无对称中心，所以含有手性。n必定存在一个与该分子互为实物与镜像关系分子，二者都有手性，二者互为对映异构体对映异构体。第41页p互为实物与镜像关系，所以旋光度大小相等，符号相反。p分子中任何两个原子之间距离及相对位置都相同，所以分子内能相同。p在非手性环境下无区分（除旋光性）对映体性质：第42页In symmetric environmentIn asymmetric environmentThe enantiomer shows no difference.Melting point,boiling point,even reaction rate in asymmetric solution are the same.在手性环境中二者性质不一样！在手性环境中二者性质不一样！When in asymmetric solution,reacting with asymmetric reagent or reacting with asymmetric catalysts,the reaction rates are different.第43页生命体形成手性环境生命体形成手性环境 可识别不一样手性分子！可识别不一样手性分子！第44页 5.2.3 Racemate 外消旋体外消旋体1 mol 左旋体左旋体 1 mol 右旋体右旋体外消旋体外消旋体p混合物p旋光度为零p性质与对应左、右旋体不一样外消旋化：旋光化合物在物理或化学原因作用下变成两个对映外消旋化：旋光化合物在物理或化学原因作用下变成两个对映体平衡混合物，因而失去旋光性过程。体平衡混合物，因而失去旋光性过程。第45页A equimolar mixture of two enantiomerslUsing reactants and solvents with no chirality,racement is always obtained.利用非手性原料，在非手性条件下只能得到外消旋体利用非手性原料，在非手性条件下只能得到外消旋体lRacement show different properties,e.g.melting point,to pure enantiomers.lRacemization is such a process in which an chiral compound is converted into two enantiomers,and thus loses its optical reactivity.第46页 5.3.1 Molecule with two same asymmetric carbons 5.3.2 Optical activity and conformation 5.3.3 Molecule with two different asymmetric carbons5.3 Molecule with two asymmetric carbon5.3 Molecule with two asymmetric carbon第47页p当一个分子含有当一个分子含有n个不对称碳原子，其异构体数最多为个不对称碳原子，其异构体数最多为2n个。个。p含有多个不对称碳原子含有多个不对称碳原子Fischer投影式画法：投影式画法：第48页5.3.1 Molecule with two same asymmetric carbonsEnantiomer 对映异构体对映异构体Diastereomers 非对映异构体非对映异构体共有共有3 3个异构体个异构体meso compound内消旋体内消旋体非对映异构体性质不一样！非对映异构体性质不一样！第49页meso compound 内消旋体内消旋体p单一化合物p旋光度为零p性质与那一对对映异构体均不一样第50页symmetric,but unstable.stable,still symmetric?问题问题？全重合式，不优势！全重合式，不优势！第51页5.3.2 Optical activity and conformation 旋光性与构象旋光性与构象1,meso compound利用利用Fischer投影式投影式模型分析，分子含有模型分析，分子含有对称面，无手性。对称面，无手性。平面分析平面分析利用立体分析，分子利用立体分析，分子应有手性。应有手性。立体分析立体分析第52页COOHHOOCOHOHHHOHCOOHHOOCOHHHCOOHHCOOHOHHOHCOOHCOOHHOHHHOCOOHHOHOHHCOOHHCOOHHOOHHHOOC第53页2,enantiomersCOOHHOHOHHCOOHCOOHHOHHHOCOOHCOOHHCOOHHHOOHCOOHHOOCOHHHOHCOOHHOOCHOHHOHCOOHHOCOOHOHHH第54页5.3.3 Molecule with two different asymmetric carbonsStereoisomerDiastereomer第55页 5.4.1 Epimer 5.4.2 Pseudoasymmetric carbon 5.4 Molecule with more than two asymmetric 5.4 Molecule with more than two asymmetric carboncarbon第56页5.4.1 Epimer 差向异构体差向异构体EpimerHCOOHOHHClHCOOHHOClHClHC2H5ClHC2H5假如两个光学异构体仅有一个不对称碳原子构型相反，其它不对称碳原子构型都相同，这两个光活异构体则互为差向异构体。第57页 5.4.2 Pseudoasymmetric carbon 假不对称碳原子假不对称碳原子有几个不对称碳原子？是否不对称碳是否不对称碳取决于取决于2C和和4C构型构型第58页mesomesoThe third carbons of these four isomers are asymmetric.第59页共四个异构体：共四个异构体：RRSSRSRS33333C 为非不对称碳为非不对称碳都有旋光性都有旋光性互为对映异构体互为对映异构体3C 为不对称碳为不对称碳均无旋光性均无旋光性为内消旋体为内消旋体互为非对映异构体互为非对映异构体假不对称碳假不对称碳第60页Optical StereomerC3 is symmetricNot optical MesoC3 is asymmetric第61页 5.5.1 Cyclopropane,cyclobutane,and cyclopentane 5.5.2 derivatives of Cyclohexane5.5 Cyclic compound5.5 Cyclic compound关键：平面分析 构象分析第62页 5.5.1 Cyclopropane,cyclobutane,and cyclopentane1,CyclopropaneAAAAAAATrans-Cis-第63页ABBAABBACis-Trans-AAAAAA第64页2,Cyclobutane3,CyclopentaneLearn on your own第65页5.5.2 Derivatives of Cyclohexane顺顺-1,2-二取代二取代平面分析：平面分析：构象分析：构象分析：第66页Rotation Conformation transition(i)(i)(i)(i)第67页Rotation Conformation transition(ii)aa(ii)ee(iii)eeConformation transition(iii)aa第68页(iv)(iv)第69页结论：就环己烷而言，平面分析与构象分析结论相同。第70页 5.6.1 Allene type compounds 5.6.2 Diphenyl compounds 5.6.3 Spiro compounds 5.6.2 Compounds with stereocenters other than carbon5.6 Other chiral molecules5.6 Other chiral molecules第71页 5.6.1 Allene type compounds第72页假如任何一端或两端碳原子上连有相同取代基，则分子中存在对假如任何一端或两端碳原子上连有相同取代基，则分子中存在对称面，该分子无手性。称面，该分子无手性。反之，则该分子有手性。反之，则该分子有手性。第73页5.6.2 Diphenyl compoundsIf on 2,2,6,6 sites there are large groups which block the rotation of the benzene rings,the two phenol rings are not on the same plane.第74页 5.6.3 Spiro compounds第75页5.6.2 Compounds with stereocenters other than carbonAlso,molecules with N,S,Si,As show this property.第76页第77页 5.7.1 Measure of polarity (Learn on your own)5.7.2 Reslution of racemic compounds 5.7.3 Enantiomer excess percentage 5.7.4 Configuration and bio-activities5.7 Measure of polarity and reslution of racemic 5.7 Measure of polarity and reslution of racemic compoundscompounds第78页5.7.1 Measure of polarity (Learn on your own)D25=100/(cl)第79页 5.7.2 Reslution of racemic compounds 1,Chemical methods50%D-Acid50%L-Acid50%D-Acid50%D-Acid-D-Base50%L-Acid-D-Base2,Enzymatic methods50%D-Compound50%L-compoundEnzymeEnzymeUsed upNR第80页3,Crystal seeds4,Column chromatography第81页5.7.3 Enantiomer excess percentage%ee=R+SR-S%R-%S=If R=S=50%ee=0%If R=100,S=0%ee=100%MesoPure chiral compound第82页5.7.4 Configuration and bio-activities 构型与生理活性抗疟药有氯喹啉有(+)、(-)之分，但二者抗活性、强度均相同。第83页氯霉素：氯霉素：(-)氯霉素：有生理活性氯霉素：有生理活性 (+)氯霉素：无生理活性氯霉素：无生理活性多巴：多巴：(-)多巴：抗镇颤麻痹作用，多巴：抗镇颤麻痹作用，用于治疗帕金森病用于治疗帕金森病 (+)多巴：无生理活性多巴：无生理活性S-(-)多巴多巴1 1、有与无、有与无第84页2 2、强与弱、强与弱茛菪碱（茄科植物茛菪、曼陀罗、天仙子等）是茛菪碱（茄科植物茛菪、曼陀罗、天仙子等）是R-(+)茛菪碱和茛菪碱和S-(-)茛菪碱组成外消旋体。茛菪碱组成外消旋体。二者都能够作为抗胆碱药。但前者中枢兴奋作用比二者都能够作为抗胆碱药。但前者中枢兴奋作用比后者强后者强850倍。正因为前者毒性大，故而毒性也倍。正因为前者毒性大，故而毒性也大。所以临床上使用是（大。所以临床上使用是（）茛菪碱，取名）茛菪碱，取名“阿托阿托品品”、“颠茄碱颠茄碱”。第85页3 3、相反抗、相反抗(-)-依靠唑啉含有利尿作用，而(+)-依靠唑啉含有抗利尿作用第86页3 3、作用类型、强度均不一样、作用类型、强度均不一样反应停（反应停（halidomide，-苯肽茂二酰亚胺，塞利多米）苯肽茂二酰亚胺，塞利多米）镇静作用强烈致畸作用第87页Thank you!Thank you!第88页