立体化学.pptx

第二章第二章 立体化学立体化学 立体化学主要研究立体异构及其对物理立体化学主要研究立体异构及其对物理性质及化学性质的影响。性质及化学性质的影响。第一节第一节 对映异构对映异构互呈镜像的立体异构现象称为对映异构。互呈镜像的立体异构现象称为对映异构。物体与其镜像不能重叠的现象叫手性。两物体与其镜像不能重叠的现象叫手性。两个立体异构体若满足互为镜像且不能重叠的关个立体异构体若满足互为镜像且不能重叠的关系，则两者都是手性分子且互为对映异构体。系，则两者都是手性分子且互为对映异构体。旋光性旋光性一个旋光性的分子一定是手性分子。一个旋光性的分子一定是手性分子。比旋光度比旋光度：例如，一胆甾醇的氯仿溶液，其浓度为例如，一胆甾醇的氯仿溶液，其浓度为100mL100mL溶剂中含溶溶剂中含溶质质6.156.15克。将该溶液盛于克。将该溶液盛于5cm5cm长的旋光管中，于长的旋光管中，于2020 C C时用时用钠光测得其旋光度为钠光测得其旋光度为 1.21.2，则它的比旋光度可表示为：，则它的比旋光度可表示为：=39.039.0 (CHCl(CHCl3 3,C=0.0615g,C=0.0615gmlml 1 1)1.1.对称面对称面一、手性分子的判断一、手性分子的判断2.2.对称中心对称中心手性分子产生的条件：既无对称面手性分子产生的条件：既无对称面 也无对称中心。也无对称中心。二、手性分子的类型二、手性分子的类型1.1.含手性中心含手性中心与四个不相同的基团相连的原子就是手性中心与四个不相同的基团相连的原子就是手性中心(1)(1)手性碳手性碳含一个手性碳的化合物：含一个手性碳的化合物：构型的表示方法：构型的表示方法：透视式：透视式：FischerFischer投影式：投影式：构型标记法：构型标记法：D/LD/L标记法标记法R/SR/S标记法标记法(1)(1)-O-OH H,(2),(2)-CHOCHO,(3),(3)-CHCHOHOH,(4),(4)-H H -H-H在竖键时：在竖键时：-O-OH H -CHOCHO -CHCHOH OH 顺时针顺时针排列为排列为R R构型构型 逆时针逆时针排列为排列为S S构型构型-H-H在横键时：在横键时：-O-OH H -CHOCHO -CHCHOH OH 逆时针逆时针排列为排列为R R构型构型 顺时针顺时针排列为排列为S S构型构型(R)(R)(R)(R)练习：练习：苏氨酸：苏氨酸：2R,3R2R,3R2S,3S2S,3S2R,3S2R,3S2S,3R2S,3R含两个手性碳的化合物：含两个手性碳的化合物：酒石酸：酒石酸：2R,3R2R,3R2S,3S2S,3S2R,3S2R,3S2S,3R2S,3R内销旋体内销旋体 在在FischerFischer投影式中，将不同的基团写在竖键上，两投影式中，将不同的基团写在竖键上，两个手性碳原子上相同基团位于同侧的是个手性碳原子上相同基团位于同侧的是赤式赤式，相同基团位相同基团位于异侧的为于异侧的为苏式苏式。凡是含有两个手性碳原子的化合物的构型均可用赤凡是含有两个手性碳原子的化合物的构型均可用赤式和苏式来表示。式和苏式来表示。(2)(2)手性氮手性氮 如果氮上连接的三个基团不同，那么，胺应如果氮上连接的三个基团不同，那么，胺应该存在一对对映体。但是，这种胺的对映体至今该存在一对对映体。但是，这种胺的对映体至今还没有得到分离，其原因是这两个对映体可通过还没有得到分离，其原因是这两个对映体可通过翻转相互转化。故难以分离，也测不出旋光。翻转相互转化。故难以分离，也测不出旋光。25KJ/mol25KJ/molP 若限制翻转就能得到两种异构体，若限制翻转就能得到两种异构体，19441944年年prelog(prelog(瑞士瑞士)将将TrTrgerger碱的左旋和右旋体成功碱的左旋和右旋体成功分离。分离。四个基团不同的季铵盐，如碘化甲基乙基烯四个基团不同的季铵盐，如碘化甲基乙基烯丙基苯基铵，对映体之间不能相互转化，可被拆丙基苯基铵，对映体之间不能相互转化，可被拆分成对映体。分成对映体。例：例：(3)(3)手性磷手性磷2.2.含手性轴含手性轴（1 1）丙二烯型）丙二烯型条件：同一双键碳上的两个基团不同条件：同一双键碳上的两个基团不同（2 2）螺环型）螺环型（3 3）联苯型）联苯型条件：条件1.1.同一苯环上两个基团不同同一苯环上两个基团不同 2.2.两个苯环不能沿两个苯环不能沿 键自由旋转键自由旋转练习：练习：（4 4）螺杂环和螺环酮型）螺杂环和螺环酮型 这类分子的构型标定是从螺原子的一侧开这类分子的构型标定是从螺原子的一侧开始编号，基团大的为始编号，基团大的为1 1，另一侧基团大的为，另一侧基团大的为2 2，再回到标再回到标1 1的一侧，另一个为的一侧，另一个为3 3，标，标2 2的一侧剩的一侧剩下的基团为下的基团为4 4。练习：练习：3.3.含手性面含手性面 在分子中有一个假设的平面，当分子结构围绕在分子中有一个假设的平面，当分子结构围绕此平面呈不对称排列时可能导致分子产生手性。此平面呈不对称排列时可能导致分子产生手性。这这一个面就成为一个面就成为手性面手性面。常见的手性面化合物有常见的手性面化合物有丙状化合物丙状化合物和和螺旋化合物螺旋化合物。当环醚化合物的苯环上有较大的取代基当环醚化合物的苯环上有较大的取代基(如如BrBr或或COOH)COOH)，而环醚又较小，而环醚又较小(n(n值小值小)时，苯环的转动就要时，苯环的转动就要受到阻碍，如苯环上的取化基是不对称分布的，就受到阻碍，如苯环上的取化基是不对称分布的，就能产生对映异构体，由于像一个提篮的把手，又叫能产生对映异构体，由于像一个提篮的把手，又叫做做“把手化合物把手化合物”。例如：。例如：六螺并苯是苯用两相邻碳原子互相稠合，六个苯六螺并苯是苯用两相邻碳原子互相稠合，六个苯环构成一个环状烃，两端的两个苯环的四个氢原子拥环构成一个环状烃，两端的两个苯环的四个氢原子拥挤，使两个苯环不能在一个平面内，一端在平面之上，挤，使两个苯环不能在一个平面内，一端在平面之上，另一端在平面之下，整个分子形成螺旋状，构成含手另一端在平面之下，整个分子形成螺旋状，构成含手性面的分子，具有一对对映体。性面的分子，具有一对对映体。第二节第二节 手性化合物获得方法手性化合物获得方法一、由天然产物中提取一、由天然产物中提取 许多天然产物都是手性的，其中有许多是有用的许多天然产物都是手性的，其中有许多是有用的药物。如：药物。如奎宁奎宁紫杉醇紫杉醇 存在于紫杉树树皮中，具存在于紫杉树树皮中，具有极强的抗癌活性。有极强的抗癌活性。存在于金鸡纳树中，存在于金鸡纳树中，治疗疟疾。治疗疟疾。二、外消旋体拆分二、外消旋体拆分 局麻药局麻药丙胺卡因丙胺卡因两种对映体的局麻作用相近，其两种对映体的局麻作用相近，其S S-(+)-(+)-型水解缓慢，但型水解缓慢，但R R-(-)-(-)-对映体可迅速水解生成对映体可迅速水解生成导致高铁血红蛋白症的甲苯胺，具有血液毒性。导致高铁血红蛋白症的甲苯胺，具有血液毒性。丙胺卡因丙胺卡因 甲苯胺甲苯胺S-(-)-3-S-(-)-3-羟基羟基-L-L-酪氨酸（多巴）酪氨酸（多巴）例如：治疗帕金森病的药物多巴，只有例如：治疗帕金森病的药物多巴，只有(S)-(S)-对映体有效，而对映体有效，而(R)-(R)-对映体有严重的副作用。对映体有严重的副作用。沙立度胺（沙立度胺（ThalidomideThalidomide）事件）事件（R R）镇静剂）镇静剂 （S S）致畸剂）致畸剂 R R-(+)-(+)-和和S S-(-)-(-)-沙立度胺都有镇静作用，可用于沙立度胺都有镇静作用，可用于缓解妊娠妇女的晨吐反应，因而我国仿制时将其称为缓解妊娠妇女的晨吐反应，因而我国仿制时将其称为“反应停反应停”。19611961年发现此药会引起胎儿畸形，据统年发现此药会引起胎儿畸形，据统计，全世界达计，全世界达1700017000例以上。成为药学史上的沉痛教例以上。成为药学史上的沉痛教训。训。1979 1979年，德国波恩大学研究人员对该药进行了年，德国波恩大学研究人员对该药进行了拆分，发现是拆分，发现是S S型对映体具有致畸作用，原因出自代型对映体具有致畸作用，原因出自代谢产物。谢产物。S S-(-)-(-)-沙立度胺的二酰亚胺容易进行酶促沙立度胺的二酰亚胺容易进行酶促水解，生成邻苯二甲酰亚胺基戊二酸，后者可渗入胎水解，生成邻苯二甲酰亚胺基戊二酸，后者可渗入胎盘，干扰胎儿的谷氨酸类物质转变为叶酸的生化反应，盘，干扰胎儿的谷氨酸类物质转变为叶酸的生化反应，从而干扰胎儿发育，造成畸胎。而从而干扰胎儿发育，造成畸胎。而R R-(+)-(+)-异构体不易异构体不易与代谢水解的酶结合，不会产生相同的代谢产物。与代谢水解的酶结合，不会产生相同的代谢产物。1.1.手工分离法手工分离法 18481848年年 Pasteur(Pasteur(巴斯德巴斯德 ,法国化学家）在法国化学家）在显微镜下用镊子将外消旋酒石酸钠拆分成右旋和显微镜下用镊子将外消旋酒石酸钠拆分成右旋和左旋酒石酸钠。左旋酒石酸钠。2.化学分离法化学分离法外消旋体外消旋体非对映体非对映体3.生物分离法生物分离法:在酶的作用下进行的拆分在酶的作用下进行的拆分(+)-(+)-丙氨酸丙氨酸(-)-(-)-乙酰丙氨酸乙酰丙氨酸4.色谱分离法色谱分离法:手性的（手性的（D-D-乳糖）作为吸附剂乳糖）作为吸附剂三、手性合成三、手性合成(不对称合成不对称合成)一般是指在合成反应中生成的对映体的量是不相等的。一般是指在合成反应中生成的对映体的量是不相等的。A BA B A/B1A/B1最早做不对称合成的是最早做不对称合成的是FisherFisher，做的第一个手性合成，做的第一个手性合成是是L-L-甘露糖酸甘露糖酸 L-L-葡萄糖酸葡萄糖酸 3 3 ：1 1L-L-阿拉伯糖阿拉伯糖 手性合成的方法很多，原则上是在手性合成的方法很多，原则上是在手性环境手性环境中进中进行反应，如采用行反应，如采用手性底物手性底物，手性催化剂手性催化剂，手性试剂手性试剂等。等。1.1.由手性底物出发由手性底物出发(A)64%(B)36%(A)64%(B)36%(ee%=28%)(ee%=28%)手性合成的效果通常用手性合成的效果通常用ee%ee%值表示，值表示，eeee值就是对值就是对映体过量值也称对映体过量百分率。映体过量值也称对映体过量百分率。ee%=R-S/R+S100%=R%-S%ee%=R-S/R+S100%=R%-S%优势构象优势构象大大小小 当羰基化合物的当羰基化合物的位是位是手性碳时，醛酮最大体积的手性碳时，醛酮最大体积的基团和羰基处于反式平面关系时，为加成的优势构象。基团和羰基处于反式平面关系时，为加成的优势构象。进行加成时，亲核试剂总是从小基团那边进攻。进行加成时，亲核试剂总是从小基团那边进攻。(A)(B)(A)(B)(Cram(Cram规则，规则，1952)1952)(A)(A)(B)(B)8 8 ：1 1 (ee%=78%)(ee%=78%)如果底物不具有手性，要先在底物中引入手性基团，如果底物不具有手性，要先在底物中引入手性基团，进行手性合成后，再去掉引入的手性基团。进行手性合成后，再去掉引入的手性基团。62.5%62.5%（ee%=25%ee%=25%）小小中中大大优势构象优势构象(Prolog(Prolog规则规则)2.2.应用手性试剂应用手性试剂麦尔外因麦尔外因-彭多夫还原：彭多夫还原：(S)-(+)(R))(S)-(+)(R)-(-)60.9%39.1%60.9%39.1%(ee%=21.8%)(ee%=21.8%)(S)-(+)(S)-(+)从表面上看，醇是还原剂，它将醛酮还原成醇而本从表面上看，醇是还原剂，它将醛酮还原成醇而本身被氧化成酮。但实际上，真正起还原作用的是醇铝。身被氧化成酮。但实际上，真正起还原作用的是醇铝。其反应历程如下。其反应历程如下。大大大大大大大大稳定稳定(S)(S)3.3.应用手性催化剂应用手性催化剂(R)-(+)(S)-(-)(R)-(+)(S)-(-)97%3%97%3%(ee%=94%)(ee%=94%)Rh(DIPAMP)Rh(DIPAMP)S-(-)S)多巴多巴光学纯度光学纯度O.P=94%O.P=94%光学纯度：光学纯度：O.P=O.P=样样/纯纯100%100%第三节第三节 构象构象构象构象-围绕围绕 键旋转而产生的分子中原子或基团键旋转而产生的分子中原子或基团 在空间的不同排列方式称为构象。在空间的不同排列方式称为构象。1.1.乙烷的构象乙烷的构象 （1）乙烷的典型构象：）乙烷的典型构象：重叠式和交叉式重叠式和交叉式重叠式重叠式 交叉式交叉式 一、开链化合物一、开链化合物（2 2）构象的表示形式）构象的表示形式 ：楔形透视式楔形透视式 透视式透视式 NewmanNewman投影式投影式 （2 2）构象的表示形式）构象的表示形式 楔形透视式楔形透视式 透视式透视式 NewmanNewman投影式投影式 如何画如何画 Newman Newman 投影式投影式第一步：画一个中心带点的圆，表示第一步：画一个中心带点的圆，表示C-CC-C上的碳原子上的碳原子第二步：画碳原子上的键第二步：画碳原子上的键第三步：在每个键上添加原子第三步：在每个键上添加原子（3 3）构象的内能与稳定性构象的内能与稳定性 内能：内能：交叉式交叉式 重叠式重叠式稳定性由稳定性由C-HC-H 键电子云之间的排斥作用产生键电子云之间的排斥作用产生 重叠式乙烷的内能比交叉式乙烷的内能大约重叠式乙烷的内能比交叉式乙烷的内能大约高高12.6kJ/mol12.6kJ/mol，但，但在室温下可相互转化，不能分离。在室温下可相互转化，不能分离。键旋转引起的位能变化曲线键旋转引起的位能变化曲线对位交叉式对位交叉式 部分重叠式部分重叠式 邻位交叉式邻位交叉式部分重叠式部分重叠式 邻位交叉式邻位交叉式 全重叠式全重叠式2.2.丁烷的构象丁烷的构象（1 1）丁烷的典型构象：丁烷的典型构象：（3 3）构象的内能与稳定性构象的内能与稳定性 内能：内能：对位交叉式对位交叉式邻位交叉式邻位交叉式 部分重叠式部分重叠式全重叠式全重叠式 稳定性：对位交叉式稳定性：对位交叉式邻位交叉式邻位交叉式 部分重叠式部分重叠式全重叠式全重叠式 许多药物分子的构象异构与其生物活性的发许多药物分子的构象异构与其生物活性的发挥密切相关。药物受体一般只与药物多种构象中挥密切相关。药物受体一般只与药物多种构象中的一种结合，这种构象称为的一种结合，这种构象称为药效构象药效构象。例如，抗。例如，抗震颤麻痹药物多巴胺作用于受体的药效构象是对震颤麻痹药物多巴胺作用于受体的药效构象是对位交叉式。位交叉式。多巴胺多巴胺多巴胺的药效构象多巴胺的药效构象3.3.丁二烯的构象丁二烯的构象反式反式 顺式顺式椅式椅式船式船式1.1.环己烷的构象环己烷的构象两种典型的构象：两种典型的构象：船式构象和椅式构象船式构象和椅式构象二、环状化合物二、环状化合物 船船式构象式构象：桥头的两个氢原子相距比较近，桥头的两个氢原子相距比较近，斥力大；碳碳之间的空间关系为重叠式，因此斥力大；碳碳之间的空间关系为重叠式，因此船式构象能量高，船式构象能量高，不稳定不稳定。船式构象的船式构象的newman投影式投影式稳定性：椅式稳定性：椅式船式船式 椅式构象椅式构象：碳碳之间均为邻位交叉式，斥力碳碳之间均为邻位交叉式，斥力小，能量低，小，能量低，稳定稳定，为环己烷的优势构象。，为环己烷的优势构象。a a键键(直立键直立键)e e键键(平伏键平伏键)椅式构象中的椅式构象中的1212个个C-HC-H键分为两类：键分为两类：直立键直立键或或a a键键，垂直于碳原子所在平面，三个，垂直于碳原子所在平面，三个朝上，三个朝下。朝上三个朝下。平伏键平伏键或或e e键，大致平行于键，大致平行于碳原子所在平面，碳原子所在平面，三个朝上，三个朝下。三个朝上，三个朝下。在室温下，椅式构象可以迅速翻转，由一种在室温下，椅式构象可以迅速翻转，由一种椅式构象变为另一种椅式构象。椅式构象变为另一种椅式构象。翻转后翻转后，原来的，原来的a a键变为键变为e e键，键，e e键变为键变为a a键键。2.2.取代环己烷的构象取代环己烷的构象稳定性：甲基在稳定性：甲基在e e键上的构象键上的构象 甲基在甲基在a a键上的构象键上的构象（1 1）一取代环己烷）一取代环己烷甲基环己烷有两个椅式构象：甲基环己烷有两个椅式构象：e型，型，a型型 取代基越大，取代基处于取代基越大，取代基处于e e键上的概率越大。键上的概率越大。叔丁基取代环己烷几乎完全以叔丁基取代环己烷几乎完全以e e型构象存在。型构象存在。（2 2）二取代环己烷）二取代环己烷 反反-1.2-1.2-二甲基环己烷二甲基环己烷有两个椅式构象：有两个椅式构象：eeee型型aaaa型型稳定性：稳定性：eeaaeeaa 顺顺-1.2-1.2-二甲基环己烷二甲基环己烷只有一个椅式构象：只有一个椅式构象：eaea型型 取代环己烷取代环己烷 构象构象顺顺-1,21,2-二甲基环己烷二甲基环己烷 aeae 反反-1,21,2-二甲基环己烷二甲基环己烷 eeee，aaaa顺顺-1,31,3-二甲基环己烷二甲基环己烷 ee,aaee,aa反反-1,31,3-二甲基环己烷二甲基环己烷 aeae顺顺-1,41,4-二甲基环己烷二甲基环己烷 aeae反反-1,41,4-二甲基环己烷二甲基环己烷 ee,aaee,aa两个取代基不同时，较大取代基总是处于两个取代基不同时，较大取代基总是处于e e键键（3 3）多取代环己烷）多取代环己烷具有相同取代基的环己烷，具有相同取代基的环己烷，e e键最多的构象最稳定键最多的构象最稳定环上具有不同取代基，大基团在环上具有不同取代基，大基团在e e键的构象最稳定键的构象最稳定3.3.多环化合物构象多环化合物构象（1 1）十氢化萘）十氢化萘（2 2）螺环化合物）螺环化合物（3 3）环己酮衍生物）环己酮衍生物（4 4）环己烯）环己烯