有机化学对映异构和非对映异构省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第四章第四章对映异构与非对映异（对映异构与非对映异（Chapter44.1 手（征）性与手（征）性分子手（征）性与手（征）性分子4.2 平面偏振光和旋光活性平面偏振光和旋光活性4.3 分子对称性与手（征）性分子对称性与手（征）性4.4 Fischer投影式与手性碳原子构型标识法投影式与手性碳原子构型标识法4.5 含两个不一样手性碳原子化合物对映异构现象含两个不一样手性碳原子化合物对映异构现象4.6 含两个相同手性碳原子化合物对映异构现象含两个相同手性碳原子化合物对映异构现象4.7 环状化合物立体异构环状化合物立体异构4.8 不含手性碳原子化合物对映异构现象不含手性碳原子化合物对映异构现象4.9 对映异构体性质及研究意义对映异构体性质及研究意义4.10 取得对映异构体化学方法取得对映异构体化学方法第1页立体异构体立体异构体l分子结构：分子中各原子连接次序与成键分子结构：分子中各原子连接次序与成键方式（单键、双键、三键）。方式（单键、双键、三键）。l分子构型：表示分子中原子或基团在空间分子构型：表示分子中原子或基团在空间排列方式。排列方式。l立体异构体：分子中原子或基团空立体异构体：分子中原子或基团空间排间排列或位置不一样而造成异构体。列或位置不一样而造成异构体。第2页n n 外消旋体拆分（外消旋体拆分（外消旋体拆分（外消旋体拆分（ResolutionResolution）巴斯德，巴斯德，巴斯德，巴斯德，L.L.L.L.Louis Pasteur(18221895)1848年，年，巴斯德巴斯德巴斯德巴斯德借助放大镜拆分借助放大镜拆分借助放大镜拆分借助放大镜拆分外消旋酒石酸钠铵外消旋酒石酸钠铵外消旋酒石酸钠铵外消旋酒石酸钠铵第3页(R)(R)型型型型,有效，不致畸形有效，不致畸形有效，不致畸形有效，不致畸形(S)(S)型型型型，致畸形，致畸形，致畸形，致畸形Thalidomide(Thalidomide(反应停反应停反应停反应停)镇静和止吐药品镇静和止吐药品镇静和止吐药品镇静和止吐药品(-)-L L-DOPADOPA 治疗帕金森氏病治疗帕金森氏病治疗帕金森氏病治疗帕金森氏病()-D D-DOPADOPA在体内集聚，不能被代谢在体内集聚，不能被代谢在体内集聚，不能被代谢在体内集聚，不能被代谢第4页反应停事件反应停事件:反应停是外消旋酞胺哌啶酮，用于疗反应停是外消旋酞胺哌啶酮，用于疗孕妇呕吐，造成了孕妇呕吐，造成了1.2万个畸形婴儿。万个畸形婴儿。第5页(S)(S)-天冬酰胺天冬酰胺天冬酰胺天冬酰胺苦味苦味苦味苦味(R)(R)-天冬酰胺天冬酰胺天冬酰胺天冬酰胺甜味甜味甜味甜味麻醉剂麻醉剂麻醉剂麻醉剂致痉挛致痉挛致痉挛致痉挛巴比吐酸衍生物巴比吐酸衍生物巴比吐酸衍生物巴比吐酸衍生物第6页同分异构体类型同分异构体类型第7页4.1.1手性手性imageandmirrorimagenon-superposeblel手性手性:实物与其镜象不能完全重合性质，实物与其镜象不能完全重合性质，也叫手征性。也叫手征性。4.1手（征）性与手（征）性分子手（征）性与手（征）性分子ChiralityandChiralMolecule第8页ChiralityinPlant第9页ChiralityinTools第10页ChriralityinArt第11页Figure4.1AMoleculeoflacticacidanditsmirrorimageabCOOHCOOHCH3CH3OHOH4.1.2手性分子手性分子第12页Figure4.2ThemoleculeissuperimposableonitsmirrorimageCOOHCOOHCH3 OH OHl定义：任何一个不能和它镜象完全重合分子，定义：任何一个不能和它镜象完全重合分子，也称不对称分子。也称不对称分子。l凡是手性分子都含有旋光活性。凡是手性分子都含有旋光活性。第13页1.1.手性分子手性分子手性分子手性分子 手性手性手性手性(chirality)(chirality)：实物实物实物实物和其镜像不能重合现象和其镜像不能重合现象和其镜像不能重合现象和其镜像不能重合现象 Chiral Chiral is derived is derived from the Greek word from the Greek word cheiroscheiros,meaning,meaning“handhand”.”.手性分子手性分子手性分子手性分子（chiral molecules）：）：有手性现象分子有手性现象分子二者不二者不二者不二者不能重合能重合能重合能重合手性分子手性分子镜像镜像转转转转 180 180o ol l 手性分子手性分子手性分子手性分子第14页l l 非手性分子非手性分子非手性分子非手性分子二者二者二者二者相互相互相互相互重合重合重合重合非非手性分子手性分子镜像镜像转转转转 60 60o o非手性分子：与镜像非手性分子：与镜像非手性分子：与镜像非手性分子：与镜像相重合相重合相重合相重合（非手性分子不含有手性碳）（非手性分子不含有手性碳）（非手性分子不含有手性碳）（非手性分子不含有手性碳）转转转转 180 180o o二者完二者完二者完二者完全重合全重合全重合全重合非非手性分子手性分子第15页对映异构对映异构l对映异构现象：分子式相同，结构式也相对映异构现象：分子式相同，结构式也相同，但因为原子在空间排列次序不一样而同，但因为原子在空间排列次序不一样而使两种异构体互为实物与镜象或左右手关使两种异构体互为实物与镜象或左右手关系而不能完全重合现象。系而不能完全重合现象。l对映异构体：互为实物与镜象关系，而不对映异构体：互为实物与镜象关系，而不能完全重合异构体，简称对映体。能完全重合异构体，简称对映体。第16页图图4-3光传输光传输l光波是电磁波，振动方向与传输方向垂直光波是电磁波，振动方向与传输方向垂直l普通光和单色光可在垂直于光波前进方向全普通光和单色光可在垂直于光波前进方向全部可能平面上振动部可能平面上振动光传输方向光传输方向ABCD4.2 平面偏振光和旋光活性平面偏振光和旋光活性4.2.1 平面偏振光平面偏振光第17页l平面偏振光：只在同一个平面内振动平面偏振光：只在同一个平面内振动光，简称偏振光。光，简称偏振光。Figure4.4Thenatureofplane-polarizedlight第18页4.2.2 物质旋光性物质旋光性Figure4.5Abilityofamoleculetorotateplane-polarizedlight第19页几个基本概念几个基本概念l物质旋光性：物质能使偏振光振动平面旋转物质旋光性：物质能使偏振光振动平面旋转性质，也叫光学活性性质，也叫光学活性l右旋体：使偏振光振动平面向右（顺时针）右旋体：使偏振光振动平面向右（顺时针）旋转物质（旋转物质（+）l左旋体：使偏振光振动平面向左（反时针）左旋体：使偏振光振动平面向左（反时针）旋转物质（旋转物质（-）l外消旋体：等量左旋体和右旋体组成混合体外消旋体：等量左旋体和右旋体组成混合体系系()-乳酸，可拆分乳酸，可拆分l旋光度：旋光性物质使偏振光振动平面旋转旋光度：旋光性物质使偏振光振动平面旋转角度（角度（）第20页4.2.3 旋光仪（旋光仪（polarimeter）图图4.6WXG-4圆盘旋光仪圆盘旋光仪（手动测量，（手动测量，测量范围：测量范围：180o,准确度：准确度：0.05o）a-光源光源b-起偏镜起偏镜c-盛液管盛液管d-检偏镜检偏镜e-刻度盘刻度盘abcde第21页其它类型旋光仪其它类型旋光仪（测量范围：（测量范围：180o，测量精度：测量精度：0.02o仪器自动显示测量值仪器自动显示测量值,防防止读数误差）止读数误差）图图4.7WXG-5半自动旋光仪半自动旋光仪工作模式工作模式:旋光度、比旋度、溶液浓旋光度、比旋度、溶液浓度和糖度度和糖度,自动重复测自动重复测6次并计算平次并计算平均值和均方根均值和均方根,有有RS232接口，可向接口，可向PC机传送数据机传送数据,测量范围：测量范围：45，120Z(糖度糖度)准确度：准确度：(0.01+测量值测量值0.05%),(0.03Z+测量值测量值0.05%)图图4.8WZZ-3数字自动旋光仪数字自动旋光仪第22页4.2.4比旋光度比旋光度l定义：要求溶液浓度为定义：要求溶液浓度为1g.ml-1,盛液管长度为盛液管长度为1dm时测得旋光度。时测得旋光度。l比旋光度与旋光度换算比旋光度与旋光度换算=cLttL为旋光管长度，为旋光管长度，单位单位dmC为溶液浓度，为溶液浓度，单位单位g.ml-1第23页练习练习（农学联考）（农学联考）25/(0.1g.mL-12.5dm)=+100第24页l对称面（对称面（Planeofsymmetry)l对称中心对称中心(Centerofsymmetry)l手性碳原子手性碳原子(Chiralcarbon)4.3分子对称性和手（征）性分子对称性和手（征）性第25页对称面对称面l对称面：把分子分为实物与镜象关系平面。对称面：把分子分为实物与镜象关系平面。第26页（a）原子在一个平面内）原子在一个平面内（b）原子不在一个平面）原子不在一个平面（a）（b）第27页l对称中心：对称中心：分子中一个点，从这个点往分子中各分子中一个点，从这个点往分子中各基团拉连线，这个点成为连线中心，而且连线两端基基团拉连线，这个点成为连线中心，而且连线两端基团相同，该团相同，该“点点”即分子对称中心。即分子对称中心。对称中心对称中心.第28页l手性碳原子：和四个不相同原子或基手性碳原子：和四个不相同原子或基团相连碳原子。团相连碳原子。手性碳原子手性碳原子*第29页l分子中只含有一个手性碳原子分子为手分子中只含有一个手性碳原子分子为手性分子。性分子。l没有对称面与对称中心分子是手性分子。没有对称面与对称中心分子是手性分子。总结：判断手性分子普通规则总结：判断手性分子普通规则第30页练习：判断以下分子是否含有手性？练习：判断以下分子是否含有手性？*第31页4.4Fischer投影式与手性碳原子构型投影式与手性碳原子构型标识法标识法4.4.1构型表示方法构型表示方法l模型模型l透视式透视式lFischer投影式投影式第32页乳酸对映体透视式乳酸对映体透视式l手性碳原子手性碳原子C*在纸面上。在纸面上。l用正常粗细实线表示与用正常粗细实线表示与C*相连原子或原子团在纸相连原子或原子团在纸面上。面上。l用虚线表示与用虚线表示与C*相连原子或原子团伸向纸面后方。相连原子或原子团伸向纸面后方。l用楔形（或粗实线）表示与用楔形（或粗实线）表示与C*相连原子或原子团相连原子或原子团伸向纸面前方。伸向纸面前方。第33页费歇尔费歇尔(FischerE)投影式投影式 H HCH3CH3D乳酸乳酸Fischer投影式投影式COOHCOOH第34页费歇尔费歇尔(FischerE)投影式写法投影式写法l用用“+”交点代表手性碳原子，四端与四个交点代表手性碳原子，四端与四个 基团相连。基团相连。l将碳链放在竖直线上，氧化态较高碳原子将碳链放在竖直线上，氧化态较高碳原子或主链或主链1号碳原子在上，以竖直线相连基团号碳原子在上，以竖直线相连基团表示伸向纸后。表示伸向纸后。l以水平线相连基团表示伸出纸面。以水平线相连基团表示伸出纸面。第35页4.4.2构型命名法构型命名法lDL命名法（相对构型）命名法（相对构型）lRS命名法（绝对构型）命名法（绝对构型）lR：拉丁文：拉丁文rectus（右）右）lS：拉丁文：拉丁文sinnister（左）（左）第36页DL命名法命名法D-(+)-甘油醛甘油醛L-(-)-甘油醛甘油醛l1951年以前年以前,不能测定化合物绝对构型。不能测定化合物绝对构型。l相对构型：将甘油醛以相对构型：将甘油醛以Fischer投影式书写，手性碳投影式书写，手性碳原子上所连羟基在右边为原子上所连羟基在右边为D-型，在左边为型，在左边为L-型。型。l用化学反应将手性化合物与甘油醛相关联，确定用化学反应将手性化合物与甘油醛相关联，确定D,L构型。构型。l碳水化合物和氨基酸用碳水化合物和氨基酸用D,L-构型表示。构型表示。第37页RS命名法命名法l首先按首先按“次序规则次序规则”将与手性碳原子相连将与手性碳原子相连四个基团确定先后次序。四个基团确定先后次序。l然后把排列次序最小基团放在离观察者然后把排列次序最小基团放在离观察者最远位置，将其它三个基团从大到小排最远位置，将其它三个基团从大到小排序，若为顺时针方向，则为序，若为顺时针方向，则为R，若反时针，若反时针方向则为方向则为S。（R）-2-丁醇丁醇第38页重键分解方法重键分解方法l与手性碳原子相连原子与手性碳原子相连原子A若以双键或叁键与另一个若以双键或叁键与另一个原子原子B相连相连,则相当于则相当于A与两个与两个B或三个或三个B相连。相连。第39页练习练习(+)-l标出（）乳酸分子中手性碳原子绝标出（）乳酸分子中手性碳原子绝对构型。对构型。l R乳酸乳酸Fischer投影式是（投影式是（）。）。（农学联考）（农学联考）第40页练习练习（农学联考）（农学联考）D第41页l含有两个不一样手性碳原子化合物有四含有两个不一样手性碳原子化合物有四种不一样构型分子。种不一样构型分子。ARASARASBRBSBSBRl分子中含有分子中含有n个不一样手性碳原子，则有个不一样手性碳原子，则有2n个对映异构体。个对映异构体。4.5含两个不一样手性碳原含两个不一样手性碳原子化合物对映异构现象子化合物对映异构现象第42页2,3,4-三羟基丁酸对映异构体三羟基丁酸对映异构体Fischer投影式投影式a(2R,3R)b(2S,3S)c(2R,3S)d(2S,3R)l凡是不是实物与镜像对映关系旋光异构体均称凡是不是实物与镜像对映关系旋光异构体均称为非对映异构体。为非对映异构体。l例：例：a和和d,a和和c,b和和c,b和和d第43页4.6 含有两个相同手性碳原子化合物含有两个相同手性碳原子化合物l含有两个相同手性碳原子化合物有三个含有两个相同手性碳原子化合物有三个对映与非对映异构体（旋光）。对映与非对映异构体（旋光）。a(2R,3R)b(2S,3S)c(2R,3S)d(2S,3R)=第44页内消旋体内消旋体l定义：能够用平面将分子分成实物和镜影关系两半定义：能够用平面将分子分成实物和镜影关系两半,两个不对称原子旋光性相反两个不对称原子旋光性相反,整个分子没有旋光活整个分子没有旋光活性异构体性异构体(meso)。第45页顺顺-1,2-二氯环戊烷二氯环戊烷反反-1,2-二氯环戊烷二氯环戊烷SRSSRR4.7环状化合物立体异构环状化合物立体异构l立体异构：顺反异构、对映异构立体异构：顺反异构、对映异构第46页4.8不含手性碳原子化合物对不含手性碳原子化合物对映异构现象映异构现象l思索：思索：l含有手性碳原子是分子含有手性充分必含有手性碳原子是分子含有手性充分必要条件？要条件？第47页丙二烯型化合物丙二烯型化合物spsp2sp2图图4-11丙二烯丙二烯键立体结构示意图键立体结构示意图手性轴手性轴第48页图图4-9丙二烯原子轨道示意图丙二烯原子轨道示意图第49页2，3-戊二烯对映异构体戊二烯对映异构体CCCCCC231l丙二烯两个端碳原子上各自连有不一样基丙二烯两个端碳原子上各自连有不一样基团，为手性分子。团，为手性分子。第50页2-甲基甲基-2，3-戊二烯戊二烯l有对称面，非手性分子有对称面，非手性分子第51页单键旋转受阻联苯型化合物单键旋转受阻联苯型化合物6,6-二硝基联苯二硝基联苯-2,2-二甲酸旋光异构体二甲酸旋光异构体l联苯联苯4个个-位都连有较大基团，而且同一位都连有较大基团，而且同一苯环上连着两个基团不一样，为手性分子苯环上连着两个基团不一样，为手性分子第52页2，6-二氯二氯-2，6-二溴联苯二溴联苯l有对称面，非手性分子有对称面，非手性分子第53页4.9对映异构体性质及研究意义对映异构体性质及研究意义4.9.1物理性质物理性质l熔点、沸点，在非手性溶剂中溶解度等完全熔点、沸点，在非手性溶剂中溶解度等完全相同。相同。l旋光度相同，旋光方向相反。旋光度相同，旋光方向相反。l非对映异构体物理性质不一样，化学性质基非对映异构体物理性质不一样，化学性质基本相同，但同一反应中，反应速率不一样。本相同，但同一反应中，反应速率不一样。l外消旋体有固定熔点，且熔程很窄。外消旋体有固定熔点，且熔程很窄。第54页表表4-2一些旋光异构体物理性质一些旋光异构体物理性质名称名称熔点熔点/比旋光度比旋光度溶解度溶解度g.(100g水水)-1(+)-乳酸乳酸53+3.8(-)-乳酸乳酸53-3.8()-乳酸乳酸16.8-(+)-苹果酸苹果酸100+2.3(-)-苹果酸苹果酸100-2.3()-苹果酸苹果酸128.5-144(+)-酒石酸酒石酸170+15139(-)-酒石酸酒石酸170-15139()-酒石酸酒石酸206-20.6(meso)-酒石酸酒石酸146-148-125第55页4.9.2化学性质化学性质l对映体异构体与非手性试剂作用完全相同。对映体异构体与非手性试剂作用完全相同。l对映异构体与手性试剂作用或在手性溶剂对映异构体与手性试剂作用或在手性溶剂或手性催化剂作用下，二者反应速率不一或手性催化剂作用下，二者反应速率不一样。样。第56页4.9.3研究意义研究意义 生物体内几乎全部化学反应都需要酶生物体内几乎全部化学反应都需要酶催化，而酶对底物含有极高立体结构要求，催化，而酶对底物含有极高立体结构要求，所以不一样立体结构异构体普通含有极不所以不一样立体结构异构体普通含有极不相同生理作用。相同生理作用。第57页Fig.4-10Enzyme-substratecomplex第58页表表4-3手性药品对映体不一样作用手性药品对映体不一样作用药品名称药品名称药品治疗作用药品治疗作用有效对映体和作用有效对映体和作用另一个对映体和作用另一个对映体和作用反应停反应停S-构型，镇静剂构型，镇静剂R-构型，致畸胎构型，致畸胎青霉素胺青霉素胺S,S-构型构型，抗关节炎药，抗关节炎药R,R-构型，突变剂构型，突变剂乙醇丁胺乙醇丁胺S,S-构型，抗结核菌构型，抗结核菌R-构型，造成失明构型，造成失明酮基布洛酚酮基布洛酚S-构型，抗炎构型，抗炎R-构型，防治压周炎构型，防治压周炎第59页手性药品指导标准手性药品指导标准一个含手性原因化学药品，必须说明一个含手性原因化学药品，必须说明其两个对映体在体内不一样生理活性、药其两个对映体在体内不一样生理活性、药理作用和代谢过程，以及考虑单一对映体理作用和代谢过程，以及考虑单一对映体问题。问题。FDA1992年年3月月第60页4.10取得对映异构体方法取得对映异构体方法l外消旋体拆分外消旋体拆分:化学分离法、晶种结晶法、色谱分离法化学分离法、晶种结晶法、色谱分离法l化学计量不对称合成：手性试剂化学计量不对称合成：手性试剂l不对称催化反应：手性催化剂不对称催化反应：手性催化剂第61页不对称合成不对称合成l无手性条件下合成反应，得到外消旋体。无手性条件下合成反应，得到外消旋体。l不对称合成不对称合成:当在手性条件下进行反应，当在手性条件下进行反应，产物中某一对映异构体量占优势，使反产物中某一对映异构体量占优势，使反应产物含有旋光活性，这种合成反应也叫应产物含有旋光活性，这种合成反应也叫手性合成。手性合成。第62页诺贝尔化学奖取得者及其主要贡献 Willam S.Knowles主要贡献威廉诺尔斯：威廉诺尔斯：1942年获美国年获美国哥伦比亚大学博士学位，曾哥伦比亚大学博士学位，曾就职于孟山都企业，主要开就职于孟山都企业，主要开发了不对称氢化反应手性催发了不对称氢化反应手性催化剂。化剂。第63页L-多巴（治疗帕金森综合症）合成多巴（治疗帕金森综合症）合成第64页RyojiNoyori主要贡献主要贡献野依良治：野依良治：1967年获日本京都年获日本京都大学博士学位，大学博士学位，1972年任日本年任日本名古屋大学教授，完善了用于名古屋大学教授，完善了用于不对称氢化反应手性催化剂工不对称氢化反应手性催化剂工艺。艺。第65页萘普生（抗炎镇痛）合成萘普生（抗炎镇痛）合成第66页K.BarrySharpless主要贡献主要贡献巴里巴里夏普斯：夏普斯：1941年生于费城，年生于费城，1968年获斯坦福大学博士学位，年获斯坦福大学博士学位，美国加州斯克里普斯研究所化学美国加州斯克里普斯研究所化学教授，开发了不对称氧化反应手教授，开发了不对称氧化反应手性催化剂。性催化剂。第67页紫杉醇（抗癌药）边链合成紫杉醇（抗癌药）边链合成l用手性锇催化剂催化烯烃不对称双羟基化用手性锇催化剂催化烯烃不对称双羟基化反应。反应。第68页