第五章-立体化学.pptx

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,*,第五章 立体化学,（Stereochemistry）,第1页,主要内容,立体异构体、旋光性,手性分子和非手性分子、手性碳,对映异构体和非对映异构体,立体结构表示方法、命名,第2页,二.立体异构,由原子或基团,空间排列或取向不一样,所产生异构现象。,一.立体化学(,Stereochemistry,),立体化学,以三维空间研究分子结构和性质科学,研究内容：,构象异构体,（可相互转化）,构型异构体（顺反异构）,（不能相互转化）,第一节 立体化学和立体异构现象,第3页,构型异构体,构象异构体,几何异构体(顺反异构）旋光异构体,交叉式构象,重合式构象,结构异构体,同分异构体,（结构异构体,）,立体异构体,碳架异构体,官能团位置异构体,官能团异构体,互变异构体,第4页,自然界中对映体镜象,沙漠胡杨,第5页,在立体化学中,不能与镜象叠合分子叫,手性分子,而能叠合叫非手性分子.,镜象与手性概念,一个物体若与本身镜象不能叠合,叫含有,手性,.,左手和右手不能叠合,左右手互为镜象,第6页,例:,乳酸,(,2-羟基丙酸,CH,3,-,C,HOH-COOH),立体结构：,乳酸分子模型图,两个乳酸模型不能叠合,乳酸两个模型关系象左手和右手一样,它们不能相互叠合,但却互为,镜象,.,第7页,手性(chirality)：,实物和其镜像不能重合现象,Chiral,is derived from the Greek word,cheiros,meaning“,hand,”.,手性分子,（,chiral,molecules,）：,有手性现象分子,二者不能重合,手性分子,镜像,转 180,o,第8页,第二节 对映异构,（enantiotropy),一.偏振光、旋光仪和旋光度,1.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。,这种只能在一个平面振动光为偏振光,3.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。,2.,旋光仪：用于测定偏振光,旋转角度仪器,第9页,*4.旋光度(,),影响旋光度原因,(a)被测物质;(b)溶液浓度;(c)盛液管长度;,(d)测定温度;(e)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。,第10页,*5 比旋光度,25,D,=+90.01,。,N,a:,=5869A,H,g:,=5461A,(C 1.15,C,2,H,5,OH),t,D,盛液管为1分米长，被测物浓度为1g/ml时旋光度。,o,o,第11页,手性碳 手性分子特征,连有四个不一样基团,碳原子,手性碳,(,chiral carbon,),手性中心,(,Chiral center,),手性碳标识,*,*,*,*,例：,*,.,二 旋光性和分子结构关系,三.手性碳、手性分子和对映异构体,1.手性碳,巴斯德，L.,Louis Pasteur(18221895),分子手性是产生对映异构体原因,第12页,2.手性分子,3.对映异构体,互为镜象两种构型异构体叫做,对映异构体,含有旋光性分子,凡是手性分子,必有互为镜象构型.分子手性是存在对映体必要和充分条件.,一对对映体结构相同,只是立体结构不一样,且呈镜像关系，这种立体异构就叫,对映异构,.,如乳酸是手性分子,故有对映体存在:,乳酸对映体,第13页,非手性分子,二者相互重合,非,手性分子,镜像,转 60,o,非手性分子：与镜像,相重合,（非手性分子不含有手性碳）,转 180,o,二者完全重合,非,手性分子,第14页,4.对映体性质差异,物理性质:除旋光方向不一样外，其余性质都相同,化学性质：,对映体在,非旋光性试剂,中，其化学性质相同；,但当碰到本身含有,旋光试剂,，则其反应速率、有否效果则完全不一样。,第15页,(S),-,天冬酰胺,苦味,(R),-,天冬酰胺,甜味,麻醉剂,致痉挛,巴比吐酸衍生物,第16页,(R),型,有效，不致畸形,(S)型,，致畸形,Thalidomide(反应停)镇静和止吐药品,(,-,),-,L,-,DOPA,治疗帕金森氏病,(,+,),-,D,-,DOPA,在体内集聚，不能被代谢,第17页,因为旋光性试剂加入，使对映体化学性质改变条件,使对映体表现出相同化学性质条件,手性条件：,非手性条件：,第18页,四.旋光产生原因和外消旋体,有旋光性物质产生旋光,非旋光性物质无旋光,对映体等量混合，无旋光,。,外消旋体：,对映体等量混合物称外消旋体,。,第19页,五.手性分子判断方法,最直接法:,画其对映体，看是否重合,2.观察有没有手性碳：,若分子只含有一个手性碳，即为手性分子,分子含有二个以上手性碳，情况较为复杂,第20页,对称原因包含：,3.寻找分子中有否对称原因,(1),对称轴(旋转轴),(2),对称面(镜面),(3),对称中心,(4),交替对称轴(旋转反应轴),含有（2），（3），（4）其中之一，便是非手性分子,第21页,构想分子中有一条直线,当分子以此直线为轴旋转360/n后,(n=正整数),得到分子与原来分子相同,这条直线就是n重对称轴,.,有2重对称轴分子(2-丁烯),(1)对称轴(旋转轴),含有对称,轴分子并不一定为非手性分子,第22页,构想分子中有一平面,它能够把分子分成互为镜象两半,这个平面就是对称面.,有对称面分子(氯乙烷),(2)对称面(镜面),含有对称面分子一定是非手性分子,第23页,构想分子中有一个点,从分子中任何一个原子出发,向这个点作一直线,再从这个点将直线延长出去,则在与该点前一线段等距离处,能够碰到一个一样原子,这个点就是对称中心.,有对称中心分子,(3)对称中心,含有对称中心分子一定是非手性分子,第24页,构想分子中有一条直线,当分子以此直线为轴旋转360/n后,再用一个与此直线垂直平面进行反应(即作出镜象),假如得到镜象与原来分子完全相同,这条直线就是交替对称轴.,()旋转90后得(),()作镜象得(),()等于(),有4重交替对称轴分子,(4)交替对称轴(旋转反应轴),4,含有,交替对称轴,分子一定是非手性分子,第25页,A:,非手性分子,凡含有对称面、对称中心或交替对称轴分子.,B:,手性分子,既没有对称面,又没有对称中心,也没有交替对称轴分子,都不能与其镜象叠合,都是手性分子.,C:,对称轴,有没有对分子是否含有手性没有决定作用.,在有机化学中,绝大多数非手性分子都含有对称面或对称中心,或者同时还含有,交替,对称轴.,没有对称面或对称中心,只有交替对称轴非手性分子是个别.,对称性与手性关系:,手性分子普通判断:只要一个分子既没有对称面,又,没有对称中心,就能够初步判断它是手性分子.,第26页,1.含有手性碳化合物,一个手性碳原子能够有两种构型（2,1,）。,含有手性物质和分子中有没有手性碳原子,无关,.,含有一个手性碳原子分子一定是手性分子；,（1）.含有一个手性碳原子化合物,六.手性分子类型,第27页,例：乳酸CH,3,C,HOHCOOH,*,右旋乳酸-熔点=53,左旋乳酸-熔点=53,外消旋体不但没有旋光性，且其它物理性质也往往与单纯旋光体不一样。比如：外消旋体乳酸熔点为18.,外消旋体由等量对映体相混合而成混合物.,乳酸,第28页,菲舍尔投影式:两个竖立键向纸面背后伸去键;,两个横在两边键向纸面前方伸出键.,构型表示法，构型确实定和构型标识,手性分子构型表示法,（1）Fischer投影式,伞形式,Fischer 投影式,Fischer 投影式,不是立体结构式,第29页,不能离开纸面翻转。翻转180,。,，变成其对映体。,不能在纸面上转动90，270,。,，不然变成其对映体。,在纸面上转动180,。,构型不变。,保持1个基团固定，而把其它三个基团顺时针或逆时针地调换位置，构型不变。,Fischer投影式书写时几点注意事项,第30页,含有一个手性碳原子化合物有一对对映体(,2,1,)。,分子中若有多个手性碳原子，立体异构数目就要多些：若含有,n个手性碳原子,化合物，,最多,能够有,2,n,种立体异构。,有些分子立体异构数目,少于 2,n,这个最大数。,（2）含有多个手性碳原子化合物立体异构,A.含有两个不一样手性碳化合物和非对映异构体,第31页,例:2-羟基-3-氯丁二酸,HOOC-CH-CH-COOH,立体异构,OH Cl,*,*,这四种异构体中(,I)和(II)是对映体;(,III),和,(,IV)是,对映体,.,(,I)和(II)等量混合物是,外消旋体,；(,III),和,(,IV)等量混合物也是外消旋体。,第32页,非对映体,(,I)和(,III),或,(,IV)以及(II)和(,III),或,(,IV)也是立体异构，但它们不是互为镜象，不是对映体，这种不对映立体异构体叫做非对映体.,非对映体旋光度不相同,而旋光方向则可能相同,也可能不一样,其它物理性质都不相同:,非对映体混合在一起,能够用普通物理方法将它们分离出来.,2-羟基-3-氯丁二酸物理性质,第33页,例:酒石酸 HOOC-CH-CH-COOH立体异构,OH OH,*,*,这四种异构体中(,I)和(II)是对映体;(,III),和,(,IV)是同一个物质(它们能够相互叠合).,立体异构体数目为3bcd,第45页,（3）.手性碳绝对构型,R/S 方法,，手性化合物命名,例：2-丁醇,选择,优先次序,最小原子或基团远离观察者，其余原子或基团依优先次序排列,(S),-,2,-,丁醇,(R),-,2,-,丁醇,有一个手性碳,沿 C-H 方向,S型,（逆时针方向）,R型,（顺时针方向）,第46页,（4）.基团优先次序（Cohn-Ingold-Prelog定序规则）,（第二章 p39）,（a）,原子序数大者优先，同位素质量大者优先,如：I Br Cl S P F,O N C D H,（b）,基团第一个原子相同时，比较与其相连下一个原子,如：-CH,2,C,H,3,-C,H,3,-CH,2,Cl,-CH,2,F,-CH,2,O,C,H,3,-CH,2,O,H,-CH(,C,H,3,),2,-CH,2,C,H,(CH,3,),2,第47页,（c）,对不饱和基团，可认为与同一原子连接 2 或 3 次,如：,例:,第48页,例:比较以下基团优先次序,1,2,第49页,比如：乳酸CH,3,CHCOOH手性碳原子四个基团排队：,OH,OH COOH CH,3,H.所以乳酸两种构型可分别以下识别和标识：,(右旋):S-(+)-乳酸,(左旋):R-(-)-乳酸,第50页,例:,2,3-,丁二醇三个立体异构体命名,非手性分子,S型,S型,(,2S,3S,)-2,3-丁二醇,第51页,R型,R型,S型,S型,(,2S,3R,)-2,3-,丁二醇,或,(,2R,3S,)-2,3-,丁二醇,(,2R,3R,)-2,3-,丁二醇,非手性分子,第52页,三.手性分子取得,取得手性分子主要意义药品与人类关系,组成生命体系生物大分子主要部分大多数是以一个对映体形式存在。故药品与其作用也是以手性方式进行，,生物体酶和细胞表面受体是手性,故对外消旋药品识别、消化和降解过程也是不一样。,手性分子起源,自然界:糖类、氨基酸、生物碱、萜类、甾体化合物,外消旋体拆分,不对称有机合成反应,第53页,经过化学反应,能够在非手性分子中形成手性碳原子:,例1:烷烃氯化,例2:丙酮酸还原,2-氯丁烷,2-羟基丙酸,这两个反应产物并不含有旋光性。外消旋体。,3.外消旋体取得,第54页,由非手性分子合成手性分子时，产物是外消旋体。,若在反应时,存在某种手性条件,，则新手性碳原子形成时，两种构型生成机会不一定相等（对映体之一含量稍多些）。,这种不经过拆分直接合成出含有旋光性物质,方法，叫,手性合成,（或,不对称合成,）。,4.手性合成,第55页,外消旋体是由一对对映体等量混合而成，对映体除旋光方向外，其它物理性质均相同。,用普通物理方法（分馏、分步结晶等）不能把一对对映体分离开来。必须用特殊方法。,拆分,将外消旋体分离成旋光体过程叫“拆分”。,拆分方法普通有以下几个,：,（1）利用外消旋体中对映体结晶形态上差异，借肉眼直接识别，或经过放大镜进行识别，而把两种结晶体挑捡分开。(当前极少用),（2）利用一些微生物或它们所产生酶，对对映体中一个异构体有选择分解作用。,四.外消旋体拆分,机械拆分法：,微生物拆分法：,第56页,外消旋体拆分（,Resolution,）,巴斯德，L.,Louis Pasteur(18221895),1848年，,巴斯德借助放大镜拆分,外消旋酒石酸钠铵,第57页,（3）用某种旋光性物质作为吸附剂，使之选择性地吸附外消旋体中一个异构体（形成两个非对映吸附物）。,（4）（晶种结晶法）：在外消旋体过饱和溶液中，加入一定量一个旋光体纯晶体作为晶种，于是溶液中该旋光体含量多，在晶种诱导下优先结晶析出。,（5）将外消旋体与旋光性物质作用，得到非对映体混合物，依据非对映体不一样物理性质，用普通分离方法将它们分离。如酸选择吸附拆分法：,诱导结晶拆分法,化学拆分法：,第58页,对于酸，拆分步骤可用以下通式表示：,拆分酸时,，惯用旋光性碱主要是生物碱，如：（-）-奎宁、（-）-马钱子碱、（-）-番木鳖碱；,拆分碱时,，惯用旋光性酸是酒石酸、樟脑-,-磺酸等。,第59页,仪器拆分（,GC,HPLC,）,HPLC用手性柱,GC用手性柱,第60页,例:外消旋a-苯乙胺化学拆分,接下页,在甲醇中溶解性差,第61页,接上页,第62页,酶解法拆分（利用酶选择性反应进行拆分）,例:,DL,-丙氨酸酶解拆分,选择性去乙酰基,第63页,不对称合成(,Asymmetric Synthsis,),选择性地生成立体异构体,选择性地生成,非对映异构体,例1：,手性底物控制选择性,衡量标准：,非对映体过量,d.e.(,d,iastereomeric,e,xcess),第64页,William S.Knowles,Ryoji Noyori,K.Barry Sharpless,The Nobel Prize in Chemistry,for their work on chirally catalysed hydrogenation reactions,for his work on chirally catalysed oxidation reactions,第65页,环烷烃只要在环上有两个碳原子各连有一个取代基,就有顺反异构。如环上有手性碳原子,则有对映异构现象；,可把环看成是平面多边形，其结果与实际情况一致,。,六.环状化合物立体异构,看要考查碳原子所在环：,左右是否含有对称性，若无对称性则相当于两个不一样官能团，则该碳原子是手性碳原子。,环状化合物手性碳原子判断：,薄荷醇平面式,有环状化合物虽有手性碳原子，但,分子可能是非手性！（如内消旋体）,几个,*,？几个光学异构体?,8个,第66页,1.平面小环化合物,例1：,2-羟甲基环丙烷-1-羧酸（四种立体异构体）,对映体,对映体,第67页,例2：,将2-羟甲基环丙烷-1-羧酸氧化成环丙烷二羧酸，（三种立体异构体，有一个内消旋体）。,(II)和(III)是一对对映体,(I)和(II)或(III)是非对映体.,对映体,内消旋体,第68页,例3:,二元取代环丁烷立体异构数目与取代基位置相关:,环丁烷-1,3-二羧酸,环丁烷-1,2-二羧酸,第69页,环己烷不是平面结构,较为稳定构象为折叠椅型构象和船型构象.,-稳定(99.9%以上),C-C-C键角基本保持109.5,任何两个相邻C-,H,键都是,交叉式,.椅型构象无张力环.,纽曼投影式,透视式,环己烷椅型构象,2.非平面环状化合物（环己烷结构）,(1)椅型构象,第70页,全部键角也靠近109.5,故也没有角张力.但相邻C-H键却并非全是交叉.C-2,和C-3上 C-H 键,以及C-5和C-6上 C-H键都是重合式.,C-1和C-4上两个向内伸H因为距离较近而相互排斥,也使分子能量有所升高.,透视式,纽曼投影式,环己烷船型构象,(2)船型构象,第71页,(3)环己烷椅型构象中碳原子空间分布,A,A,线为构象对称轴,(4)椅型构象中两种,C-H,键,a键(直立键),e键(平伏键),与对称轴成,109.5,第72页,经过C-C键不停扭动,一个椅型翻转为另一个椅型,为 a键,为e键,椅型构象翻转,两种椅型构象是,等同分子,.,(5)构象翻转,第73页,两种椅型构象是两种,不一样结构,分子.,甲基连在a键上构象含有较高能量,比较不稳定,平衡体系中e键甲基环己烷占95%,a键占5%,同一平面上比较,(6),甲基,环己烷椅型构象翻转,第74页,若有多个取代基,往往是,e 键,取代基最多,构象最稳定.,若环上有不一样取代基,则,体积,大取代基连在,e,键上构象最稳定.,例1:1,2-二甲基环己烷，顺式以下：,反式(e,e)比顺式稳定.（,a,a）实际上不存在（能量太高）,取代基在,e键上构象较稳定.,反式？,第75页,叔丁基在,e 键上构象比在 a 键上另一个构象要稳定多.,例2:顺-4-叔丁基环己醇两种构象,第76页,