第6章立体化学.ppt

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1、1,第6章,物质与其镜象不能叠合的特性称为手性或手征性。,手性分子,手性现象在自然界普遍存在，如生物碱、氨基酸、 蛋白质、核酸、萜类化合物和糖类化合物等天然产物 中大多都具有手性特征，人工合成的药物也与手性现 象密切相关。,因此研究手性分子对阐明天然产物的结构，指导 有机合成，研究有机化合物结构与生理活性的关系有 着重要意义。,2,长瓣兜兰 花两侧长瓣的螺旋是左右对称的，右侧是左 旋，左侧是右旋。 科学2002,Vol.54, No.55,3,构造异构,立体异构,碳链异构,官能团位置异构,官能团异构,构象异构,构型异构,同分异构,互变异构,顺反异构,旋光异构,对映异构,非对映异构,6.1 手性

2、分子和对映异构,4,分子结构三要素：构造、构型、构象。,构造异构： 具有相同的分子式，因分子中各原子连接的次序和方式不同而产生的异构。它不反映原子在分子结构中的空间相对位置。,5,构型异构： 具有相同的分子式，相同的原子连接的次序，不同 的空间排列方式而产生的异构。构型异构体是“刚性” 结构，异构体之间不能随意转化。即不同构型之间的 转化要经过断键和再成键的过程。,构象异构： 在不断开键的情况下，仅仅通过分子内键旋转的 角度不同而产生的异构，构象异构的最大特点是异构 体之间可以相互转化。,6,手性现象在分子结构中普遍存在,6.1.1 手性与手性分子,7,乳酸,2-丁醇,8,6.1.2 旋光性与

3、对映异构,如果一个化合物的分子与其镜象不能叠合，必然 存在着一个与其镜象相应的化合物，二者相互对映， 却不能叠合，这种互为实物和镜象对映关系的异构体 称为对映异构体，简称对映体。,对映异构体的性质差异就表现为旋光性的不同,1、对映异构体,9,互为实物和镜象是一对对映异构体,CH3CH(OH)COOH 乳酸,*,10,手性(Chirality) ： 一个物体若与其镜像不能重合，称这个物体具有手性；也叫手征性。 不能与自身镜像重合的分子称为手性分子（chiral molecules ）。由手性分子引起的异构称 为对映异构。,小结：,11,2、 对映异构体的旋光活性,对映体互为实物与镜象关系的立体异

4、构体,使偏振光向左旋称为左旋体；用“”表示；向右 旋的称为右旋体；用 “+”表示。,对映异构体结构差别很小，因此具有相同熔点、沸点、密度、折光率、在非手溶剂中的溶解度以及光谱性质），但它们对偏振光的作用不同。,因此对映异构体也叫旋光异构体。,12,（1）偏振光,13,只在一个平面上振动的光称为平面偏振光，简称 偏振光或偏光。 能使平面偏振光振动平面旋转的物质，称为旋光 性物质，也叫光学活性物质）； 反之为非光活性物质。,14,（2）旋光度和比旋光度,旋光性物质使平面偏振光旋转的角度称为旋光度，用表示。,15,旋光度的测量（用旋光仪进行测量）,随测定时所用溶液的浓度（c)、盛液管的长度(l)、温

5、度(t)、光波()以及溶剂的性质等而改变。,16,表示比旋光度； 旋光仪中读到的旋光度； l 盛液管的长度；（dm） C 溶液的浓度；（g/ml）,当物质溶液的浓度为1g/ml，盛液管的长度为1分米时，所测物质的旋光度即为比旋光度。,比旋光度,t,若所测物质为纯液体，计算比旋光度时，只要把公式中的 C 换成液体的密度d 即可。,17,比旋光度是旋光性物质的物理常数，与入射光的波长、温度有关。 常将写作 t 葡萄糖：D20 = + 52.5,所用溶剂不同也会影响物质的旋光度。 因此在不用水为溶剂时，需注明溶剂的名称， 例如，右旋的酒石酸在5%的乙醇中其比旋光 度为： = +3.79 (乙醇，5%

6、)。,18,6.1.3 对称因素与手性判断,为什么乳酸分子具有手性？,连有四个各不相同基团的碳原子称为手性碳原子 （或手性中心）用C*表示。,19,手性碳 手性分子的特征,连有四个不同基团的碳原子 手性碳(chiral carbon) 手性中心 (Chiral center),手性碳标记,20,凡是含有一个手性碳原子的有机化合物分子都具有手性，是手性分子。,分子是否具有手性,分子本身的对称性,分子结构的不对称性是存在对映异构的充分必要条件,21,1、对称面 若有一个平面把分子分成两半，这两半是实物与镜像的关系，则此平面是分子的对称面。用表示。,22,2、对称中心 若分子中有一点，从分子中的任一

7、原子或基团出发，向该点引一直线，若在距该点等距离处，有一相同的原子或基团，这点是对称中心，用i表示。,i,只要分子有对称面或对称中心，该分子就无手性。反之就为手性分子。手性分子具有旋光性。,23,分子是否具有手性取决于其本身的对称性。 凡是分子中具有对称面和对称中心的分子一般为非手性分子；反之分子具有手性。 手性分子存在一对对映异构体。 手性分子具有旋光性。 注意： 要把一种构型转变成它的对映异构体，必须断裂分子中的化学键，然后对调两个基团的位置。,小结：,24,6.2 对映异构体的书写与构型标记,6.2.1 构型的表示方法,锯架式，透视式，Newman，Fischer投影式,透视式（或伞形式

8、）,“楔前虚后实平面”,透视式,球棒模型,25,锯架式：,Newman式：,26,费歇尔（Fischer）投影式,投影规则： 手性碳放在纸面上， 伸向纸面前方的键放在横键上，伸向纸面后方的 键放在竖键上； 主链竖着写，命名时编号小的碳在最上方。 （横键朝前，竖键朝后，十字交叉点代表手性碳）,27,注：,（1）不能任意调换两基团的位置，调换一次，构型 改变；调换两次，构型不变。,（2） Fischer投影式在纸面内旋转90，构型改 变；旋转180构型不变。,（3）离开纸面翻转180构型反转。,28,6.2.2 构型表示法的互换,Fischer投影式是全重叠式构象，转化为锯架式或 Newman投影

9、式后，其构象仍是全重叠式构象。,注：,交叉式重叠式Fischer投影式,交叉式转换成重叠式，构象改变，但构型不变。,29,30,6.2.3 构型的标记 需要区别手性碳原子的构型，IUPAC规定，对映 异构体手性碳原子构型用R和S标记。,（1）根据“次序规则”确定四个不同基团的优先次序，由大到小排序：abcd。 （2）确定R、S：把最小基团d置于离观察者最远位置，从a，b，c为顺时针旋转，则为R，若为逆时针旋转，则为S。,步骤,1、R-S构型标记绝对构型标记,31,如何确定大、中、小？,32,（3）次序规则（sequence rule),取代基按其第一个原子的原子序数大小排列， 原子序数大者为“

10、较优”基团。若为同位素，则质量 重的定为“较优”基团。,IBrClFOHNH2CH3D H,33,如果两个基团的第一个原子相同，则比较与之相连的第二个原子，以此类推。,34,次序规则似“奖牌”规则, 含有双键或叁键基团，可以分解为连有两个或三个相同原子。,另注： Z型优先于E型，R型优先于S型。,35,对映异构体的命名是在物质的名称前标出R或S即可,OH.COOHCH3H,R-乳酸（2R-2-羟基丙酸）,例如：,36,如果：a b c d,d在竖键上,顺时针：R-,逆时针：S-,（最小基团不正则歪法则）,d在横键上,顺时针：S-,逆时针：R-,Fischer投影式中R、S的简便确定法,37,含

11、两个以上手性碳原子的化合物命名时应对每一个 手性碳原子逐一进行R、S标记，同时要注明各标记的 手性碳原子的位号。例如：,38,2、D-L构型标记相对构型标记,D-（+）- 甘油醛,L-（-）- 甘油醛,39,L-(+)-乳酸,D-(-)-乳酸,化合物的构型 R、S 或D、L与旋光方向无关，构型标记是人为规定的。 而旋光方向通过旋光仪测定结果。,注：,40,练习：,用 R-S 标记法给下列化合物命名,答案： 1）2R-2-氯丙酸，2）2S-2-氨基丙酸， 3）S-1-氯-1-溴乙烷。4）2R-1-甲氧基-2-氯丙烷， 5）2S-2-羟基丁烷,41,*,含有一个手性碳原子的化合物，一定是手性分子,

12、 具有旋光性。存在一对对映异构体，其中一个是左旋，一个是右旋。如乳酸: D15 = + 2.6， D15 = -2.6,对映体对偏振光的作用正好大小相同，方向相反。,6.3 含一个手性碳原子化合物的对映异构,42,对映体之间性质的异同点： （1）物理性质和化学性质一般都相同，对偏振光的作 用不同，旋光方向相反。 （2）在手性环境条件下，对映体会表现出某些不同的 性质，如反应速度有差异，生理作用的不同等。,43,外消旋体： 等量的左旋体和右旋体的混合物，一般用（）来表示。 注意：外消旋体没有旋光性； 外消旋体与其左、右旋体的物理性质不同； 一般的物理方法不能分离外消旋体。,左旋仲丁醇和右旋仲丁醇

13、的沸点、熔点、溶解度、相对密度、折射率、比旋光度、构型的异同。,比较：,44,6.4.1 含两个不同手性碳的化合物,6.4 含多个手性碳原子化合物的对映异构,2-羟基-3-氯丁二酸（氯代苹果酸）,45,不呈物体与镜象关系的立体异构体叫做非对映异构体,46,分子中有两个以上手性中心时，就有非对映异构现象 非对映异构体的特征： 1 物理性质不同（熔点、沸点、溶解度等）。 2 比旋光度不同。 3 旋光方向可能相同也可能不同。 4 化学性质相似，但反应速度有差异。,47,表3-8 氯代苹果酸的物理性质,非对映体可用一般的物理方法分离开来,48,2、含两个相同手性碳的化合物,2,3-二羟基丁二酸(酒石酸

14、)为例：,49,只有三种异构体，第一对是一对对映体；在第二对异构体中，分子中有一个对称面，不是手性分子无对映异构体。,50,（3）和（4）在结构上看，含有两个相同的手性碳 原子，一个是R 型，一个是S型，其构型相反，因此 其旋光能力相同而方向相反，相互抵消，使整个分子 不显旋光性。 分子中虽然含有手性碳，却不是手性分子，因而 也没有旋光性的化合物，称为内消旋体。内消旋体用“meso-”或“m-”表示。,51,表3-9 酒石酸的物理性质,52,讨论：,内消旋体与外消旋体的异同：,1）二者都无旋光性； 2）内消旋体是纯的非手性物质，而外消旋体 是一对对映体的等量混合物； 3）内消旋体不可拆分，而外

15、消旋体可拆分。,53,分子中所含手性碳越多，立体异构（对映异构体） 的数目越多。,分子中含有n个手性碳的化合物，最多有 2n 个立体异构体，有2n-1对对映异构体。,54,6.5 环状化合物的立体异构 常常同时有顺反异构和对映异构 1）判断顺反异构， 2）判断手性； 3）讨论对映异构,55,S,S,R,R,反-1，2-环丙烷二甲酸,（1R，2R）-1，2-环丙烷二甲酸,（1S，2S）-1，2-环丙烷二甲酸,56,6.6 不含手性碳原子化合物的对映异构,1、丙二烯型衍生物,57,58,如2,3-戊二烯已分离出对映异构体,59,类似的还有：,60,6.6.2 联苯型化合物,61,获得手性分子的重要

16、意义药物与人类的关系 构成生命体系的生物大分子的主要部分大多数是以一种对映体形式存在的。故药物与其作用也是以手性的方式进行的。 生物体的酶和细胞表面受体是手性的, 故对外消旋药物的识别、消化和降解过程也是不同的。,6.7 手性有机化合物的制法,62,(R)型,有效，不致畸形,(S)型，致畸形,Thalidomide(反应停) 镇静和止吐药物,63,6.7.1 外消旋体的拆分,(1)机械拆分法,(2)微生物拆分法,(3)选择吸附拆分法,(4)诱导结晶拆分法,(5)化学拆分法,64,6.7.2 不对称合成,手性合成是在手性条件下进行的，如手性反应物、 手性试剂、手性催化剂、手性溶剂等。,不对称合成的方法主要分为两类： （1）选用手性化合物做起始反应物之一； （2）起始反应物是对称的、非手性的，将其产物转化 为不对称的手性物质。,相对手性合成,绝对手性合成,65,小结： 1、理解手性、旋光性、对映异构的概念 2、熟练掌握R-S构型的标记方法 3、熟练掌握几种构象式和菲舍尔投影式之间的 相互转化。 作业：P162 6-1、 6-2、 6-4、 6-6、 6-7、 6-8,