北京大学有机化学3-立体化学.pptx

第三章第三章第三章第三章 立体化学立体化学立体化学立体化学exit1/69第一节第一节立体化学任务，立体异构体立体化学任务，立体异构体分类和定义分类和定义第二节第二节旋光性和分子结构对称性原因旋光性和分子结构对称性原因第三节第三节手性分子分类及情况分析手性分子分类及情况分析第四节第四节消旋、拆分和不对称合成消旋、拆分和不对称合成本章提要本章提要本章提要本章提要2/69立体异构体定义：分子中原子或原子团相互连接次序立体异构体定义：分子中原子或原子团相互连接次序相同，但在空相同，但在空间排列方向不一样而引发异构体。间排列方向不一样而引发异构体。任务：研究分子立体形象及与立体形象相联络特殊物理任务：研究分子立体形象及与立体形象相联络特殊物理性质和化学性质科学。性质和化学性质科学。立体异构体立体异构体构型异构体构型异构体构象异构体构象异构体几何异构体几何异构体旋光异构体旋光异构体第一节第一节立体化学任务立体化学任务立体异构体分类和定义立体异构体分类和定义分类分类3/69第二节第二节旋光性和分子结构对称性原因旋光性和分子结构对称性原因不能与其镜象叠合分子为手性分子；不能与其镜象叠合分子为手性分子；手性分子有旋光性。手性分子有旋光性。一一手性分子手性分子4/69二二判别手性分子依据判别手性分子依据有有更迭对称轴更迭对称轴无无手性手性旋转旋转+反射反射更迭对称轴更迭对称轴(Sn)（或旋转反（或旋转反射轴）射轴）有有对称中心对称中心无无手性手性倒反倒反对称中心对称中心(i)（或反演中心）（或反演中心）不能作为区分手不能作为区分手性依据性依据旋转旋转对称轴对称轴(Cn）有有对称面对称面无无手性手性反应（射）反应（射）对称面（对称面（）判别手性依据判别手性依据对称操作对称操作对称元素对称元素S1=S2=i5/69第三节第三节手性分子分类及情况分析手性分子分类及情况分析一一含手性碳原子手性分子含手性碳原子手性分子二二不含手性碳原子手性分子不含手性碳原子手性分子6/69一一含手性碳原子手性分子含手性碳原子手性分子1.含一个手性碳原子化合物含一个手性碳原子化合物2.含两个或多个不对称碳原子化合物含两个或多个不对称碳原子化合物3.含两个或多个相同（相象）手性碳原子化合物含两个或多个相同（相象）手性碳原子化合物4.含手性碳原子单环化合物含手性碳原子单环化合物7/69（1）手性碳原子）手性碳原子（2）对映体）对映体（3）外消旋体）外消旋体（4）Fischer投影式投影式（5）相对构型和绝对构型）相对构型和绝对构型（6）旋光度表示（偏振光）旋光度表示（偏振光）（7）分子潜非对称性）分子潜非对称性1.含一个手性碳原子化合物含一个手性碳原子化合物8/69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。（2）对映体）对映体(S)-(+)-乳酸乳酸(R)-(-)-乳酸乳酸()-乳酸乳酸mp53oCmp53oCmp18oC D=+3.82 D=-3.82 D=0pKa=3.79(25oC)pKa=3.83(25oC)pKa=3.86(25oC)151515外消旋乳酸外消旋乳酸（1）手性碳原子（已讲）手性碳原子（已讲）9/69特特点点*1结构：镜影与实物关系结构：镜影与实物关系*2内能：内能相同。内能：内能相同。*3物理性质和化学性质在非手性环境中相同，在手性环境物理性质和化学性质在非手性环境中相同，在手性环境中有区分。中有区分。*4旋光能力相同，旋光方向相反。旋光能力相同，旋光方向相反。10/69外消旋体与纯对映体物理性质不一样，旋外消旋体与纯对映体物理性质不一样，旋光必定为零。光必定为零。（i）外消旋混合物）外消旋混合物（ii）外消旋化合物）外消旋化合物（iii）固体溶液）固体溶液（3）外消旋体）外消旋体一对对映体等量混合，得到外消旋体。一对对映体等量混合，得到外消旋体。11/69立体结构立体结构锲形式锲形式投影式投影式Fischer投影式投影式（4）Fischer投影式投影式12/69注意事项：注意事项：*1.不能在纸面上旋转不能在纸面上旋转90o*2.不能离开纸面翻转不能离开纸面翻转180o*3.基团两两交换次数不能为奇数次，但能够基团两两交换次数不能为奇数次，但能够是偶数次。是偶数次。13/69D-(+)-甘油醛甘油醛L-(-)-甘油醛甘油醛D-(-)-乳乳酸酸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HO14/69（6）旋光表示旋光表示*1平面偏振光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普通光经过尼可尔棱镜后产生只能在一个平面振动光。这种只能在一个平面振动光为平面偏振光。光。这种只能在一个平面振动光为平面偏振光。*2旋光物质旋光物质能使平面偏振光旋转一定角度物质称为旋光性物质。能使平面偏振光旋转一定角度物质称为旋光性物质。15/69*3旋光度旋光度()影响旋光度原因影响旋光度原因1.(a)被测物质被测物质;(b)溶液浓度溶液浓度;(c)盛液管长度盛液管长度;2.(d)测定温度测定温度;(e)所用光波长所用光波长在旋光仪中被测出使偏振光旋转角度称为旋光度。在旋光仪中被测出使偏振光旋转角度称为旋光度。16/69*4比旋光度比旋光度25D=+90.01。Na:=5869AHg:=5461A(C1.15,C2H5OH)tD盛液管为盛液管为1分米长，被测物浓度为分米长，被测物浓度为1g/ml时旋光度。时旋光度。oo17/69 t100M=t分子量分子量*5分子比旋光度分子比旋光度比旋光度比旋光度 分子量分子量/100 旋光仪中测不出旋光度化合物不一定是一个没有旋光仪中测不出旋光度化合物不一定是一个没有旋光性化合物，也可能是一个等量右旋体和左旋光性化合物，也可能是一个等量右旋体和左旋体混合物。旋体混合物。18/69（7）潜非对称性和潜不对称碳原子）潜非对称性和潜不对称碳原子假如一个对称分子经一个基团被取代后失去了假如一个对称分子经一个基团被取代后失去了其对称性，而变成了一个非对称分子，那么原其对称性，而变成了一个非对称分子，那么原来对称分子称为来对称分子称为“潜非对称分子潜非对称分子”，或称为，或称为“原手性分子原手性分子”。而分子所含有这种性质称为。而分子所含有这种性质称为“潜非对称性潜非对称性”或或“原手性原手性”，而发生改变碳原，而发生改变碳原子称为子称为“潜不对称碳原子潜不对称碳原子”或或“原手性碳原子原手性碳原子”。19/69被被OH取代取代orS-(+)-乳乳酸酸R-(-)-乳酸乳酸潜不对称碳原子（原手潜不对称碳原子（原手性碳原子）性碳原子）潜非对称分子潜非对称分子（原手性分子）（原手性分子）20/692.含两个或多个不对称碳原子手性分子含两个或多个不对称碳原子手性分子（1）旋光异构体数目）旋光异构体数目（2）非对映体）非对映体（3）赤式和苏式）赤式和苏式（4）差向异构体）差向异构体21/692nn个个C*16D+D-D+D-D+D-D+D-D+D-D+D-D+D-D+D-四个四个C*8C+C-C+C-C+C-C+C-三个三个C*4B+B-B+B-两个两个C*2A-A+一个一个C*(1)旋光异构体数目旋光异构体数目22/69不呈镜影关系旋光异构体为不呈镜影关系旋光异构体为非对映体非对映体。非对映体含有不一样。非对映体含有不一样旋光能力，不一样物理性质和不一样化学性质。旋光能力，不一样物理性质和不一样化学性质。含两个不对称碳分子，若在含两个不对称碳分子，若在Fischer投影式中，两个投影式中，两个H在在同一侧，称为同一侧，称为赤式赤式，在不一样侧，称为，在不一样侧，称为苏式苏式。（3）赤式和苏式）赤式和苏式（2）非对映体）非对映体23/69(i)(ii)(iii)(iv)(2R,3R)-(-)-赤藓赤藓糖糖(2S,3S)-(+)-赤藓赤藓糖糖(2S,3R)-(+)-苏阿苏阿糖糖(2R,3S)-(-)-苏阿苏阿糖糖HOCH2-CH(OH)-CH(OH)-CHO(i)(ii)对映体，对映体，(iii)(iv)对映体。对映体。(i)(iii),(i)(v),(ii)(iii),(ii)(v)为非对映体。为非对映体。24/69（4）差向异构体）差向异构体两个含多个不对称碳原子异构体，假如，只有两个含多个不对称碳原子异构体，假如，只有一个不对称碳原子构型不一样，则这两个旋光一个不对称碳原子构型不一样，则这两个旋光异构体称为异构体称为差向异构体差向异构体。假如构型不一样不对。假如构型不一样不对称碳原子在链端，称为称碳原子在链端，称为端基差向异构体端基差向异构体。其它。其它情况，分别依据情况，分别依据C原子位置编号称为原子位置编号称为Cn差向异差向异构体。构体。25/69()阿拉伯糖阿拉伯糖()耒苏耒苏糖糖()木糖木糖()核糖核糖(i)和和(iii),(ii)和和(iv)是是C2差向差向异构体。异构体。(i)和和(iiv),(ii)和和(viii)是是C3差差向异构体。向异构体。(i)和和(vi),(ii)和和(v)是是C4差向异差向异构体。构体。26/693.含两个或多个相同（相象）手性碳原子化合物含两个或多个相同（相象）手性碳原子化合物（1）假不对称碳原子）假不对称碳原子（2）内消旋体）内消旋体27/69一个碳原子（一个碳原子（A）若和两个相同取代不对称碳原子相）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。该碳原子为对称连而且当这两个取代基构型相同时。该碳原子为对称碳原子，而若这两个取代基构型不一样时，则该碳原碳原子，而若这两个取代基构型不一样时，则该碳原子为不对称碳原子，则（子为不对称碳原子，则（A）为假不对称碳原子。）为假不对称碳原子。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。表示。在判别构型时，在判别构型时，R S，顺，顺 反。反。(1)假不对称碳原子假不对称碳原子28/69对称碳原子对称碳原子不对称碳原子不对称碳原子(2R,4R)-2,3,4-三羟基戊二酸三羟基戊二酸(2S,4S)-2,3,4-三羟基戊二酸三羟基戊二酸(2R,3s,4S)-2,3,4-三羟基戊三羟基戊二酸二酸(2R,3r,4S)-2,3,4-三羟基戊三羟基戊二酸二酸三羟基戊二酸三羟基戊二酸29/69(2)(2)内消旋体内消旋体分子内含有平面对称性原因没有旋光性分子内含有平面对称性原因没有旋光性立体异构体称为内消旋体。立体异构体称为内消旋体。(meso)30/69(I)(I)(2)(3)(+)-酒石酸酒石酸(-)-酒石酸酒石酸(R)(R)(R)(R)(S)(S)(S)(S)mp D(水水)溶解度溶解度(g/100ml)pKa1pKa(+)-酒石酸酒石酸170oc+12.01392.984.23(-)-酒石酸酒石酸170oc-12.01392.984.23()-酒石酸酒石酸(dl)206oc020.62.964.24meso-酒石酸酒石酸140oc01253.114.80酒石酸情况分析酒石酸情况分析31/69化合物旋光性与熔点、沸点一样，是许多分子所组化合物旋光性与熔点、沸点一样，是许多分子所组成成集体性质。集体性质。只要分子中任何一个构象有对称面或对称中心，其只要分子中任何一个构象有对称面或对称中心，其它有手性构象都会成对地出现。它有手性构象都会成对地出现。内消旋酒石酸对称性分析内消旋酒石酸对称性分析32/69旋转旋转180oC3右旋右旋60oC2左旋左旋60o交叉式交叉式(I)有对称中心有对称中心交叉式交叉式(II)交叉式交叉式(III)交叉式交叉式(II)与与(III)是一对对映体，其内能相等，是一对对映体，其内能相等，在构象平衡中所占百分含量相等在构象平衡中所占百分含量相等33/69研究表明：研究表明：一个含有一个含有n个不对称碳原子直链化合物，个不对称碳原子直链化合物，假如它有可能出现内消旋型旋光异构体，那么它旋光假如它有可能出现内消旋型旋光异构体，那么它旋光异构体数目将少于异构体数目将少于2n个。个。假如假如n为偶数，将可能存在为偶数，将可能存在2n-1个旋光异构体和个旋光异构体和个内消旋型异构体。假如个内消旋型异构体。假如n为为奇数，则能够存在总共个奇数，则能够存在总共个2n-1立体异构体，其中立体异构体，其中个为内消旋型异构体。个为内消旋型异构体。22有内旋体时旋光异构体计算有内旋体时旋光异构体计算34/694.含手性碳原子单环化合物含手性碳原子单环化合物判别单环化合物旋光性方法判别单环化合物旋光性方法试验证实：单环化合物有否旋光性能够经过试验证实：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旋光性，反之则有旋光性。平面单环化合物无旋光性，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35/69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）36/69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37/69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。38/69SS结论：用平面式分析，结论：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)-1,2-二甲二甲基基环己烷是一个有旋光化合物。环己烷是一个有旋光化合物。用构象式分析，用构象式分析，(1R,2R)-1,2-二甲基环己烷或二甲基环己烷或(1S,2S)-1,2-二甲二甲基基环己烷是无数种有旋光构象式环己烷是无数种有旋光构象式组合而成混组合而成混合物。合物。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RR39/69二二不含手性碳原子手性分子不含手性碳原子手性分子1.有手性中心旋光异构体有手性中心旋光异构体2.有手性轴旋光异构体有手性轴旋光异构体3.有手性面旋光异构体有手性面旋光异构体40/691.有手性中心旋光异构体有手性中心旋光异构体一对对映体已拆分一对对映体已拆分C6H5H3CNCH2C6H5C H2CHCH2+未拆分出光活异构体未拆分出光活异构体（未分电子对起不到一（未分电子对起不到一个个 键作用。）键作用。）除除C外，外，N、S、P、As等也能作等也能作手性中心手性中心41/692.有手性轴旋光异构体有手性轴旋光异构体（1）丙二烯型旋光异构体）丙二烯型旋光异构体（2）联苯型旋光异构体）联苯型旋光异构体（3）把手化合物）把手化合物42/69（1）丙二烯型旋光异构体）丙二烯型旋光异构体（A）两个双键相连）两个双键相连VontHoff（荷兰）（荷兰）Bel（法）（法）（19诺贝尔奖）诺贝尔奖）实例：实例：a=苯基，苯基，b=萘基，萘基，1935年拆分。年拆分。43/69（B）一个双键与一个环相连（）一个双键与一个环相连（19拆分）拆分）（C）螺环形）螺环形 D=81.4o(乙醇乙醇)2544/69C原子与原子与X1（或（或X3）中心距）中心距离和离和C原子与原子与X2（或（或X4）中心距离之和超出中心距离之和超出290pm，那么在室温（那么在室温（25oC）以下，）以下，这个化合物就有可能拆分这个化合物就有可能拆分成旋光异构体。成旋光异构体。C-H（94104）C-CH3（94150）C-COOH（94156）C-NO2（94192）C-NH2（94156）C-OH（94145）C-F（94139）C-Cl（94163)C-Br（94183）C-I（94200）（2）联苯型旋光异构体）联苯型旋光异构体45/69C-NO2与与C-NO2384pmC-NO2与与C-CH3365pm因为位阻太大引发旋光异构体称为因为位阻太大引发旋光异构体称为位阻位阻异构体。异构体。46/69除了考虑基团大小，还要考虑基团形象除了考虑基团大小，还要考虑基团形象反应温度：反应温度：118。X=CH3NO2COOHOCH3消旋化消旋化t1/21.501.921.561.45179分分125分分91分分9.4分分半衰期越短，说明旋转阻力越小。半衰期越短，说明旋转阻力越小。IBrCH3ClNO2COOHNH2OCH3OHFH阻转能力下降阻转能力下降旋光异构体在适当条件下会发生消旋。旋光异构体在适当条件下会发生消旋。47/69n=8，可析解，光活体稳定。，可析解，光活体稳定。n=9，可析解，可析解，95.5oC时，半衰期为时，半衰期为444分。分。n=10，不可析解。，不可析解。（3）把手化合物）把手化合物48/69n=4m=4可析解可析解43oCn=8半衰期半衰期170分。分。49/69蒄（无手性）蒄（无手性）六螺并苯（有手性）六螺并苯（有手性）3.有手性面旋光异构体有手性面旋光异构体50/69第四节第四节消旋、拆分和不对称合成消旋、拆分和不对称合成一一外消旋化外消旋化二二差向异构化差向异构化三三外消旋体拆分外消旋体拆分四四不对称合成不对称合成51/69一一外消旋化外消旋化一个纯光活性物质，假如体系中一个纯光活性物质，假如体系中二分之一量发生构型转化，就得外消二分之一量发生构型转化，就得外消旋体，这种由纯光活性物质转变为外旋体，这种由纯光活性物质转变为外消旋体过程称为消旋体过程称为外消旋化外消旋化。假如构型。假如构型转化未到达半量，转化未到达半量，就叫就叫部分外消旋化。部分外消旋化。52/69含有手性碳原子化合物，若手性碳含有手性碳原子化合物，若手性碳很轻易形成正碳离子、负碳离子、自由很轻易形成正碳离子、负碳离子、自由基等中间体时，常会发生外消旋化。基等中间体时，常会发生外消旋化。经形成正碳离子、负经形成正碳离子、负碳离子、自由基等中碳离子、自由基等中间体发生外消旋化。间体发生外消旋化。H+-H+-H+H+-H2O-H2OH2OH2O60-70oC4小时小时（+）-肾上线肾上线素（无药效）素（无药效）（-）-肾上线素肾上线素（有药效）（有药效）H+53/69含手性碳化合物，若手性碳上氢在酸含手性碳化合物，若手性碳上氢在酸或碱催化作用下，易发生烯醇化，在烯醇或碱催化作用下，易发生烯醇化，在烯醇化过程中常会发生外消旋化。化过程中常会发生外消旋化。经烯醇化发经烯醇化发生外消旋化。生外消旋化。D-(-)-乳酸乳酸L-(+)-乳酸乳酸54/69含多个含多个C*化合物，使其中一个化合物，使其中一个C*发生构型转化发生构型转化过程称为过程称为差向异构化差向异构化。假如是端基。假如是端基C*发生构型转化，发生构型转化，则称为则称为端基差向异构化端基差向异构化。二二差差向向异异构构化化55/69D-(-)-麻黄素麻黄素有生理活性，易结晶有生理活性，易结晶L-(+)-假麻黄素假麻黄素生理活性只有麻黄素生理活性只有麻黄素1/5。碳正离子碳正离子56/69将外消旋体拆分成左旋将外消旋体拆分成左旋体和右旋体，称为外消体和右旋体，称为外消旋体拆分。旋体拆分。三三外消旋拆分外消旋拆分57/691.化学析解法化学析解法形成和分离非对映体异构体析解法形成和分离非对映体异构体析解法(+)RCOOH+(-)-RNH2成盐成盐分级结晶分级结晶HClHCl(+)-RCOO-(-)-RNH2(-)-RCOO-(-)-RNH2(+)-RCOOH+(-)-RNH3 Cl-(-)-RCOOH+(-)-RNH3 Cl-+-58/69（1）析解剂与被析解剂之间易反应合成）析解剂与被析解剂之间易反应合成,又易被分解。又易被分解。（2）两个非对映立体异构体在溶解度上）两个非对映立体异构体在溶解度上有可观差异。有可观差异。（3）析解剂）析解剂应该尽可能地到达旋光纯度。应该尽可能地到达旋光纯度。（4）析解剂必须是廉价，易制备，）析解剂必须是廉价，易制备，或易定量回收。或易定量回收。析解试剂条件析解试剂条件59/691g R氨基醇氨基醇5gS+5gR 氨基氨基醇饱和液醇饱和液（80，100ml）析出析出2gR氨基醇氨基醇（余下（余下4g R,5gS）分去晶体，剩下母液分去晶体，剩下母液过滤过滤加水至加水至100ml冷却至冷却至2080加加2g消旋体消旋体冷却至冷却至202gS 氨基氨基醇醇析出析出2.接种结晶析解法接种结晶析解法60/693.微生物或酶作用下析解微生物或酶作用下析解4.色谱分离法色谱分离法选择光活性物质作柱色谱吸附剂选择光活性物质作柱色谱吸附剂5.机械分离法机械分离法61/69不对称合成不对称合成对称反应（选向率为对称反应（选向率为0）不对称不对称反应反应立体选向性反应立体选向性反应0选向率选向率(S)若若(R)B时，立体选向百分率时，立体选向百分率为为 当当BA时，立体选向百分率时，立体选向百分率为为 65/69反应物反应物+试剂试剂*1.手性反应物手性反应物*2.手性试剂手性试剂*3.手性溶剂手性溶剂*4.手性催化剂手性催化剂*5.在反应物中引入手性在反应物中引入手性产物产物催化剂催化剂溶剂溶剂不对称合成常采取方法不对称合成常采取方法66/69非手性分子非手性分子有一个有一个手手性中心性中心外消旋体外消旋体67/69（少）（少）（多）（多）反应物有一个反应物有一个手性中心手性中心产物有二个手性中心，非对映体。产物有二个手性中心，非对映体。68/69大量试验事实证实：大量试验事实证实：一个非手性分子在反应过程中产生一个手性一个非手性分子在反应过程中产生一个手性中心时，产物为外消旋体；但一个手性分子中心时，产物为外消旋体；但一个手性分子在反应过程中产生第二个手性中心时，将会在反应过程中产生第二个手性中心时，将会产生二个不等量非对映体。产生二个不等量非对映体。69/69