立体化学专业知识讲座省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第七章第七章 立体化学立体化学（stereochemistry）第1页 分子中原子或原子团相互连接次序相同，但在空分子中原子或原子团相互连接次序相同，但在空 间排列间排列方向不一样而引发异构体。方向不一样而引发异构体。第一节第一节 立体异构体分类和定义立体异构体分类和定义 讨论分子立体形象及与物理性讨论分子立体形象及与物理性 质关系等。质关系等。讨论分子立体形象对化学反应讨论分子立体形象对化学反应性影响及产物分子和反应物分性影响及产物分子和反应物分子在立体结构上关系等。子在立体结构上关系等。第2页立体异构立体异构 结构相同结构相同,分子中原子或基团在空间排列方式不一样。分子中原子或基团在空间排列方式不一样。第3页什么是对映异构？什么是对映异构？当四个基团不一样时，两种化合物（实物和镜像）不能当四个基团不一样时，两种化合物（实物和镜像）不能重合，互为对映，是一对异构体，称为重合，互为对映，是一对异构体，称为对映异构体，对映异构体，是是手性手性化合物，含有化合物，含有旋光性旋光性。镜子镜子对映体对映体:含有镜像与实物关系一对旋光异构体含有镜像与实物关系一对旋光异构体第4页什么是手性和手性分子？什么是手性和手性分子？实物和镜像不能重合现象称为手性实物和镜像不能重合现象称为手性，含有手性分子称，含有手性分子称为手性分子。为手性分子。什么是旋光性？什么是旋光性？对映体含有相同沸点、熔点、溶解度及相同化学性质，对映体含有相同沸点、熔点、溶解度及相同化学性质，但对平面偏振光作用不一样。物质能使平面偏振光旋转性但对平面偏振光作用不一样。物质能使平面偏振光旋转性质，称为旋光性。质，称为旋光性。对映异构体也是旋光异构体。对映异构体也是旋光异构体。第5页第二节第二节 偏振光，比旋光度偏振光，比旋光度一、偏振光一、偏振光light sourcepolarizersample tubeanalyzerobserver1）H2O、甘油、乙醇等物质无旋光性，不改变偏振光方向亮。、甘油、乙醇等物质无旋光性，不改变偏振光方向亮。2）乳酸、葡萄糖等溶液有旋光性，需改变偏振光方向才亮。）乳酸、葡萄糖等溶液有旋光性，需改变偏振光方向才亮。旋光度：旋光度：旋光性物质使偏振光振动平面旋转角度，用旋光性物质使偏振光振动平面旋转角度，用表示。表示。右旋（右旋（+），左旋（），左旋（-）平面偏振光：普通光经过尼可尔棱镜后产生只能在一个平平面偏振光：普通光经过尼可尔棱镜后产生只能在一个平面振动光。面振动光。第6页二、比旋光度二、比旋光度 旋光度能够用旋光仪准确测定，不过测定时溶液浓度、旋光度能够用旋光仪准确测定，不过测定时溶液浓度、盛液管长度、温度及光波长都对旋光度有影响。盛液管长度、温度及光波长都对旋光度有影响。比旋光度：即浓度为比旋光度：即浓度为1g/ml-1溶液在溶液在20时，将波长为时，将波长为589nm偏振光经过长为偏振光经过长为10cm样品管时测得旋光度。样品管时测得旋光度。t=c.ll:盛液管长度盛液管长度:dmc:溶液浓度溶液浓度 g/ml:入射光波长入射光波长t:温度温度第7页第三节第三节 分子手性和对称原因分子手性和对称原因 1.手性手性(Chirality)实物与其镜影不能重合现象。实物与其镜影不能重合现象。2.对称原因对称原因1）平面对称原因）平面对称原因()含有平面对称原因分子是含有平面对称原因分子是对称分子。非手性分子对称分子。非手性分子。2）中心对称原因）中心对称原因(i)含有中心对称原因含有中心对称原因 分子是对称分子。分子是对称分子。非手性分子。非手性分子。HClClCH对称面对称面3第8页3）四重交替对称轴）四重交替对称轴(Sn)含有反射对称原因分子是含有反射对称原因分子是对称分子对称分子。非手性分子非手性分子。四重交替对称轴往往与对称面及对称中心同时存在，只四重交替对称轴往往与对称面及对称中心同时存在，只含有四重交替对称轴化合物极少见，所以假如分子没有对称含有四重交替对称轴化合物极少见，所以假如分子没有对称面及对称中心，普通能够判断分子含有旋光性。面及对称中心，普通能够判断分子含有旋光性。第9页 假如分子中不存在对称面、对称中心和四重假如分子中不存在对称面、对称中心和四重交替对交替对称轴称轴，则这个分子含有手性。，则这个分子含有手性。判别手性分子依据判别手性分子依据 假如碳原子周围四个基团都不相同，就找不到对称面、假如碳原子周围四个基团都不相同，就找不到对称面、对称中心，分子有手性。通常这个碳称为对称中心，分子有手性。通常这个碳称为手性碳（手性碳（chiral carbon）或或手性中心手性中心，或，或不对称碳不对称碳，在结构式中用，在结构式中用“*”标出。标出。*乳酸乳酸第10页第四节第四节 含一个手性碳原子化合物含一个手性碳原子化合物 1）手性碳原子概念）手性碳原子概念 与四个不相同原子或基团相连碳原子。与四个不相同原子或基团相连碳原子。含一个手性碳分子是手性分子，含有一对对映体。含一个手性碳分子是手性分子，含有一对对映体。D20=+3.8o(水水)D20=-3.8o(水水)对对映映体体互为实物与镜互为实物与镜影关系，不能影关系，不能相互重合两相互重合两个立体异构体。个立体异构体。第11页2）左旋体、右旋体及外消旋体）左旋体、右旋体及外消旋体 一对对映体中：一对对映体中：使平面偏振光向左旋为左旋体，用使平面偏振光向左旋为左旋体，用“（）”或或“l”表示。表示。使平面偏振光向右旋为右旋体，用使平面偏振光向右旋为右旋体，用“（+）”或或“d”表示。表示。左旋体与右旋体，旋光度相同、旋光方向相反。左旋体与右旋体，旋光度相同、旋光方向相反。外消旋体：等量左旋体与右旋体混合物。无旋光性。外消旋体：等量左旋体与右旋体混合物。无旋光性。外消旋体用外消旋体用()或或(RS)或或(dl)或或 DL表示。表示。外消旋体可分离成左旋体与右旋体。外消旋体可分离成左旋体与右旋体。第12页3)构型及表示方法：费歇尔（构型及表示方法：费歇尔（Fischer）投影式）投影式书写规则书写规则：以手性碳原子为投影中心（交叉点）：以手性碳原子为投影中心（交叉点）横前竖后横前竖后第13页注意事项：注意事项：*1.同一平面上，旋转同一平面上，旋转90o，构型改变（其对映体），旋构型改变（其对映体），旋转转180o，构型不变。，构型不变。*2.同一手性碳上，基团两两交换偶数次，构型不变，同一手性碳上，基团两两交换偶数次，构型不变，交换奇数次，构型改变。交换奇数次，构型改变。*3.同一手性碳上，保持一个基团固定，另三个基团顺同一手性碳上，保持一个基团固定，另三个基团顺时针或逆时针调换位置，构型不变。时针或逆时针调换位置，构型不变。将以下化合物改写成将以下化合物改写成Fischer投影式，并标出手性碳原子构型。投影式，并标出手性碳原子构型。第14页实例实例第15页1）D、L标识法标识法 第五节第五节 构型和构型标识构型和构型标识绝对构型绝对构型能能真实真实代表某一代表某一光活性化合物构光活性化合物构型（型（R、S）与与假定假定D、L甘油醛甘油醛相关联而确定构型。相关联而确定构型。相对构型相对构型第16页2)R、S 标识标识看方向看方向第17页 试判断以下试判断以下Fischer投影式中与投影式中与(s)-2-甲基丁酸成对映关系有哪甲基丁酸成对映关系有哪 几个？几个？第18页第六节第六节 含两个手性碳原子化合物含两个手性碳原子化合物1、含两个不一样手性碳原子分子、含两个不一样手性碳原子分子 对映关系：对映关系：与与；与与 非对映关系：非对映关系：与与、与与、与与、与与第19页 非对映体：结构相同非对映体：结构相同,构型不一样构型不一样,相互间不是实物与镜影关系相互间不是实物与镜影关系 立体异构体。立体异构体。非对映异构体其旋光性不一样非对映异构体其旋光性不一样,物理性质不一样。物理性质不一样。光活异构体数目光活异构体数目=2n;(n=不一样手性碳原子数不一样手性碳原子数)外消旋体数目外消旋体数目=2n-1 2、含两个相同手性碳原子分子、含两个相同手性碳原子分子 第20页内消旋体内消旋体(meso)：分子内部形成对映两半化合物。：分子内部形成对映两半化合物。(有平面有平面 对称因数对称因数)。含有两个手性中心内消旋结构一定是（含有两个手性中心内消旋结构一定是（RS）构型。）构型。R S内消旋体无旋光性内消旋体无旋光性(两个相同取代、构型相两个相同取代、构型相反手性碳原子，处于同一分子中，旋光性反手性碳原子，处于同一分子中，旋光性抵消抵消)。内消旋体不能分离成光活性化合物。内消旋体不能分离成光活性化合物。指出以下指出以下(A)与与(B)、(A)与与(C)关系关系(即对映体或非对映体关系即对映体或非对映体关系)。第21页第七节第七节 含三个手性碳原子化合物含三个手性碳原子化合物 不一样时不一样时:八个旋光异构体、组成四对对映体。八个旋光异构体、组成四对对映体。C-2差向异构体差向异构体 差向异构体差向异构体：含多个手性碳两个光活异构体，仅有一个手：含多个手性碳两个光活异构体，仅有一个手 性碳原子构型相反，其余手性碳构型相同，性碳原子构型相反，其余手性碳构型相同，这两个光活异构体称为差向异构体。这两个光活异构体称为差向异构体。C-2差向异构差向异构：由：由C-2引发差向异构。（引发差向异构。（C-2构型相反）构型相反）第22页三羟基戊二酸三羟基戊二酸对称碳原子对称碳原子不对称碳原子不对称碳原子(2R,4R)-(2S,4S)-(2R,3s,4S)-(2R,3r,4S)-COOHHHOHHOHOHCOOHRRCOOHHHOHHOHOHCOOHSSC3无手性，不无手性，不过手性分子过手性分子C3有手性，不过非手有手性，不过非手性分子，内消旋体性分子，内消旋体CHCHCOOHOHOHOHHOOCCH二个相同时二个相同时:第23页一个碳原子（一个碳原子（A）若和两个相同取代不对称碳原子相连而且当）若和两个相同取代不对称碳原子相连而且当这两个取代基构型相同时。该碳原子为这两个取代基构型相同时。该碳原子为对称碳原子对称碳原子，而若这，而若这两个取代基构型不一样且成镜像关系时，则该碳原子为不对两个取代基构型不一样且成镜像关系时，则该碳原子为不对称碳原子，则（称碳原子，则（A）为）为假不对称碳原子假不对称碳原子。假不对称碳原子构型用小假不对称碳原子构型用小r,小小s表示。在判别构型时，表示。在判别构型时，R S，顺，顺 反。反。假不对称碳原子（假手性碳）假不对称碳原子（假手性碳）第24页1.内消旋内消旋 2,3-二甲基二甲基-1,4-丁二醇经氧化后得丁二醇经氧化后得 到到 2,3-二甲基二甲基-4-羟基丁酸，问产物有没有羟基丁酸，问产物有没有 旋光性？旋光性？2.胆甾醇分子中有多少个不对称碳原子？胆甾醇分子中有多少个不对称碳原子？讨论讨论第25页含手性碳原子单环化合物含手性碳原子单环化合物顺反异构和对映异构顺反异构和对映异构试验证实：单环化合物有否旋光性能够经过其平面式试验证实：单环化合物有否旋光性能够经过其平面式对称性来判别，凡是有对称中心和对称平面单环化合物无对称性来判别，凡是有对称中心和对称平面单环化合物无旋光性，反之则有旋光性。旋光性，反之则有旋光性。无旋光（对称面）无旋光（对称面）有旋光有旋光第八节第八节 环状化合物立体异构环状化合物立体异构第26页无旋光（对称中心）无旋光（对称中心）有旋光有旋光无旋光无旋光(对称面对称面)无旋光（对称面）无旋光（对称面）第27页无旋光（对称面）无旋光（对称面）有旋光有旋光无旋光（对称面）无旋光（对称面）有旋光有旋光第28页取代环己烷旋光性情况分析取代环己烷旋光性情况分析例一：顺例一：顺-1,2-二甲基环己烷二甲基环己烷旋转旋转120o(1)(2)(1)构象转换体构象转换体(1)和和(2)既是既是构象转换体，构象转换体，又是对映体。又是对映体。能量相等，所能量相等，所以构象分布为以构象分布为(1):(2)=1:1。结论：用平面式分析，化合物是内消旋体。结论：用平面式分析，化合物是内消旋体。用构象式分析，化合物是外消旋体。用构象式分析，化合物是外消旋体。第29页结论结论：用平面式分析，：用平面式分析，(1R,2R)-1,2-二甲基环己烷或二甲基环己烷或(1S,2S)-1,2-二甲基环己烷是一个有旋光化合物。用构象式分析二甲基环己烷是一个有旋光化合物。用构象式分析,是无是无数种有旋光构象式数种有旋光构象式 组合而成混合物组合而成混合物。SS例三例三:（1S，2S）-1,2-二甲基环己烷二甲基环己烷例二：（例二：（1R，2R）-1,2-二甲基环己烷二甲基环己烷RR构象能够翻转，普通以平面式分析，不影响构型构象能够翻转，普通以平面式分析，不影响构型第30页第九节第九节 不含手性碳原子化合物旋光异构不含手性碳原子化合物旋光异构 1.丙二烯型化合物丙二烯型化合物中心碳原子两个中心碳原子两个 键平面正键平面正 交交,两端碳原子上四个基团，两端碳原子上四个基团，两两处于互为垂直平面上。两两处于互为垂直平面上。当当AB B，分子有手性。分子有手性。类似物：类似物：无无 有有第31页2.联苯型化合物联苯型化合物苯环间碳碳苯环间碳碳 键旋转受阻，产生位阻构象异构。键旋转受阻，产生位阻构象异构。当同一环上邻位有不对称取代时（取代基或原子体积较大）当同一环上邻位有不对称取代时（取代基或原子体积较大）,整个分子无对称面、无对称中心整个分子无对称面、无对称中心,分子有手性。分子有手性。第32页当一个苯环对称取代时（即邻位两个取代基相同时），分当一个苯环对称取代时（即邻位两个取代基相同时），分子无手性。子无手性。联萘衍生物：联萘衍生物：2,2-联萘二酚是手性分子。联萘二酚是手性分子。3.螺旋型分子螺旋型分子 (-)-六螺六螺并苯并苯末端两苯环不在同平面上。末端两苯环不在同平面上。第33页4.含其它不对称原子光活性分子含其它不对称原子光活性分子环状化合物立体异构体环状化合物立体异构体:meso-(S,S)-(R,R)-同时存在顺反异构、对映异构。同时存在顺反异构、对映异构。第34页（1R，3S）-3-溴溴-1-环己醇环己醇思思考考题题1）写出化合物）写出化合物(1R,3S,5R)-1-甲基甲基-3-硝基硝基-5-氯环己烷氯环己烷 结构并画出其优势构象。结构并画出其优势构象。2）写出环己六醇全部立体异构体及其中一个最稳定写出环己六醇全部立体异构体及其中一个最稳定 构象。构象。3）指出以下化合物是否有手性？）指出以下化合物是否有手性？第35页无（对称中心）无（对称中心）无（对称面）无（对称面）无（对称中心）无（对称中心）有有无（对称面）无（对称面）无（对称面）无（对称面）第36页第十节第十节 旋光异构体性质旋光异构体性质 在相同非手性条件下，旋光异构体物理性质与化学性在相同非手性条件下，旋光异构体物理性质与化学性 质相同。质相同。名称名称 熔点熔点/oC 25(20%水水）溶解度溶解度 pka1 pka2 (+)-酒石酸酒石酸 170 +12o 139 2.93 4.23 (-)-酒石酸酒石酸 170 -12o 139 2.93 4.23 第37页 旋光异构体在手性条件下旋光异构体在手性条件下(如手性试剂、手性催化剂等如手性试剂、手性催化剂等)其反应其反应 速率不一样。速率不一样。生物体内酶和各种底物具手性。手性分子对映体进入生物生物体内酶和各种底物具手性。手性分子对映体进入生物 体内手性环境后体内手性环境后,引发不一样分子识别引发不一样分子识别,使其生理活性相差很大。使其生理活性相差很大。比如：酞胺哌啶酮比如：酞胺哌啶酮(“反应停反应停”)手性药品旋光异构与生物活性手性药品旋光异构与生物活性1）旋光异构体含有不一样生物活性强度）旋光异构体含有不一样生物活性强度 S/R=1020倍倍R-异构体异构体:有效镇静剂有效镇静剂S-异构体异构体:强畸胎剂强畸胎剂第38页 非麻醉性消炎镇痛药非麻醉性消炎镇痛药(S)-酮咯酸酮咯酸 2)旋光异构体含有完全相反生物活性。旋光异构体含有完全相反生物活性。利尿药：利尿药：(S)-(-)-依靠唑依靠唑啉啉 3)旋光异构体毒性或严重副作用旋光异构体毒性或严重副作用 减肥药减肥药(S)-(+)-氟苯丙胺氟苯丙胺S/R=230倍倍第39页d-异构体异构体 有强兴奋作用有强兴奋作用 l-异构体异构体 抗兴奋作用抗兴奋作用D-(-)有杀菌作用有杀菌作用L-(+)无药效无药效Z-R（有生理活性）（有生理活性）第40页第十一节第十一节 不对称合成不对称合成 非手性化合物在非手性条件下生成外消旋体。非手性化合物在非手性条件下生成外消旋体。为何总得外消旋体为何总得外消旋体?第41页 一个分子在对称环境下反应一个分子在对称环境下反应,不可能有选择性。不可能有选择性。(左旋体与左旋体与 右旋体过渡态能量相同右旋体过渡态能量相同,反应活化能相同反应活化能相同,反应速率相同反应速率相同)。第42页 1.由手性化合物进行不对称合成由手性化合物进行不对称合成构象分析构象分析 中间体自由基构象能中间体自由基构象能第43页 结果：产物为不等量非对映体，且结果：产物为不等量非对映体，且meso-占优势。占优势。第44页2.非手性分子经过引入手性基团进行不对称合成非手性分子经过引入手性基团进行不对称合成一个分子构象决定了某一试剂靠近分子方向。一个分子构象决定了某一试剂靠近分子方向。第45页3.非手性分子经过引入手性催化剂进行不对称合成非手性分子经过引入手性催化剂进行不对称合成 手性配体：手性配体：(R)-BINAP第46页4.选择性生物催化不对称合成选择性生物催化不对称合成条件温和、高效、立体专一条件温和、高效、立体专一5.立体选择性反应与立体专一性反应立体选择性反应与立体专一性反应第47页第48页6.对映体过量百分率、立体选向百分率与光学纯度百分率对映体过量百分率、立体选向百分率与光学纯度百分率外消旋体拆分外消旋体拆分 1.化学分离法化学分离法第49页2.生物分离法生物分离法L-(+)-丙氨酸丙氨酸拆分理论收率拆分理论收率 50%消旋化动态拆分消旋化动态拆分第50页 3.晶种法晶种法4.色谱分离法色谱分离法 1）柱色谱法）柱色谱法 2）配位竞争法）配位竞争法 3）纸色谱法）纸色谱法 4）气相色谱法）气相色谱法参考书：立体化学参考书：立体化学 叶秀林编叶秀林编 北大出版社北大出版社 1999第51页作业作业:P209347813第52页