《对映异购》PPT课件.ppt

1,第 六 章 对 映 异 构,2,教 学 要 求： 1、理解对映体、非对映体、外（内）消旋体的概念，掌握含手性碳化合物的构型表示（Fischer 投影式）与标记（R/S），次序规则； 2、掌握分子手性的判别、分子对称因素与手性； 3、掌握亲电加成反应、游离基取代反应的立体化学特征； 4、理解物质的旋光性、外消旋体拆分，掌握环状化合物的对映异构。,重点：手性碳化合物的构型表示（Fischer 投影式）与标记（R/S）、亲电加成反应、游离基取代反应的立体化学特征。,难点：构型表示与标记,3,构型（configuration)：在具有一定构造的分子中，原 子在空间的排列方式不同。,环烷烃的顺反异构：假定环中碳原子在一个平面上，以环平面为参考平面，两取代基在同一边的叫顺式（cis-)，否则叫反式（trans-)。,緖 言,4,6.1 旋光性,平面偏振光（偏光） 偏振光：只在一个平面内振动的光。,5,旋光性：使偏光振动平面发生改变（偏转）的性质。可通过旋光仪检测。 旋光性质：具有旋光性的物质，分为左旋体和右旋体。,2. 旋光物质和比旋光度,6,旋光度：表示。其值为检偏器刻度盘上的读数，与c,t, l, 溶剂均有关,旋光方向： 右旋为“+”， 左旋为“-”,*注意： （1）一般用钠灯（D）作光源，=589.3nm，t=20oC（2）C：g/100ml l：dm （3）溶液一般为稀溶液，否则测出的值不准（刻度 盘可旋转n周） （4）若溶液不是水，则要在后面标出溶液及相应浓度（5）可在手册中查到，故可用该公式来计算稀溶液的浓度或验纯，也可用同一条件下测得的稀溶液的值来测量旋光性的大小。,7,一、对映异构现象的发现 1848年巴斯德L.Pasteur (1822-1895)在研究酒石酸钠铵的晶体时，发现无旋光性的酒石酸钠铵是两种互为镜象不同的晶体的混合物 。 1874年随着碳原子四面体学说的提出，Vant Hoff指出，如果一个碳原子上连有四个不同基团，这四个基团在碳原子周围可以有两种不同的排列形式，即两种不同的四面体空间构型。它们互为镜像，和左右手之间的关系一样，外形相似但不能重合。这种与四个不同的原子或原子团相连的碳原子称为不对称碳原子(手性C原子）。通常用“*”号标出,6.2 对映异构现象与分子结构的关系,8,二、手性和对称因素,1. 手性、手性分子 手性（手征、手征性）：实物与镜像不能重叠的特征（chirality). 手性分子：具有手性的分子称为手性分子（chiral molecules),对映异构现象：构造式相同的两个分子，其结构不同，呈实物与镜像的关系，二者不能重叠，一个左旋，一个右旋，其值相等，方向相反。 对映异构体：两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,9,2、分子的对称因素,物质具有手性就有旋光性和对映异构现象 ， 要判断某物质分子是否具有手性，必须研究分子的对称性质 。分子中常见的几种对称因素：,（1）对称面（）： 假如有一个平面可以把分子分割成两部分，而一部分正好是另一部分的镜象，这个平面就是分子的对称面（）。分子中有对称面，它和它的镜象就能够重合，分子就没有手性，是非手性分子（Achiral molecule），因而它没有对映异构体和旋光性。,10,（2）对称中心（i） 若分子中有一点P，通过P点画任何直线，两端有相同的原子，则点P称为分子的对称中心（用i表示）。如：,具有对称中心的化合物和它的镜象是能重合的，因此它不具有手性 。,11,（3）对称轴（Cn） 如果穿过分子画一直线，分子以它为轴，旋转一定角度后，可以获得与原来分子相同的形象，此直线即为对称轴（Cn表示）。 当分子沿轴旋转360/n，得到的构型与原来的分子相重合，这个轴即为该分子的n重对称轴。如,因此，有无对称轴不能作为判断分子有无手性的标准。,12,结论：分子具有手性的必要和充分条件是 （1）无对称面；（2）无对称中心。二者缺一不可。至于对称轴的存在与否，不能作为判断分子是否有手性的依据。,绝大多数情况下，分子中既没有对称面，又没有对称中心，则该分子与其镜像不能互相叠合，分子就有手性。手性分子中不一定含有手性原子；含手性碳原子的分子不一定是手性分子。,13,6.3 含一个手性碳原子化合物的对映异构,对映异构体：构造式相同；互为镜像且不重叠 值相等，符号相反,一、对映体 以乳酸 H3C*HOHCOOH为例,14,二、外消旋体 右旋体和左旋体是一对对映体。等量的右旋体和左旋体组成的混合物，称为外消旋体，无旋光性，在手性条件下可拆分。,对映异构体的性质 手性条件下（溶解度，反应速度）不同，生理活性（药性）不同； 其它物性，非手性条件下的化学性质一般相同； 对映性可在手性条件下（手性试剂、手性催化剂等）拆分。,15,三、构型表示方法： 锯架式， 契形式（透视式）， Newman投影式， 费歇尔投影式,1.投影的原则： 把与手性碳原子结合的横向的两个键摆向自己，把竖立的两个键摆向纸后，一般将含碳原子的原子团放在竖立键方向，把命名时编号最小的碳原子放在上端，然后把这样固定下来的分子模型中各个原子或原子团投影到纸面上，这样，在投影式中，两条直线的垂直交点相当于手性碳原子，它位于纸面上。以横键相连的两个原子或原子团相当于原来面对自己的基团，与横键垂直的两个键所连的原子团相当于伸向纸后的基团,16,Fischer投影式注意事项： （1）“十”的含义：交叉点表示手性C，四个端点连四个不同的基团； （2）四个基团的空间关系：“横”前“竖”后。 （3）四点操作：,投影式不能离开纸面翻转，否则会改变基团前后关系； 两投影式只能在纸平面上移动或转动180o来比较是否重叠，不能在纸面上转动90和270； 投影式中任两个基团不能对调，否则构型改变； 投影式中固定一个基团，其它任意三个基团按一定方向（顺或逆时针）依次轮换位置，构型不改变。,17,18,2. 对映体的R、S命名：,（1）根据次序规则确定四个基团的优先次序abcd，找出最小的基团。注意：Z型优先于E型 （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。,19,或者用大拇指指向最小的基团，然后观察其余三个基团由大到小的排列顺序是，和右手握一样者为R，和左手握一样者为S。,20,21,3.根据Fischer投影式，确定R或S构型,22, 6.4含两个手性碳原子化合物的对映异构,1. 含两个相同手性碳原子的化合物（以酒石酸为例）,内消旋体：含多个手性碳原子但不具有旋光性的化合物称为内消旋体（为纯净物）。分子内有一对称面。,23,2. 含两个不相同不对称碳原子的化合物,这类化合物中两个手性碳原子所连的四个基团不完全相同。,24,以氯代苹果酸为例:,25,非对映体：不呈物体与镜象关系的立体异构体叫做非对映体。分子中有两个以上手性中心时，就有非对映异构现象。,立体异构体总数：2n个 化合物的关系：,26,6.5 环状化合物的立体异构 环状化合物的立体异构现象比链状化合物复杂，往往顺、反异构和对映异构同时存在。,一、环丙烷衍生物,如：1,2-环丙烷二甲酸,27,二、环己烷衍生物,反-1，2-环己二甲酸,两个COOH，可以都在直立键上，也可以都在平伏键上，不论是ee型还是aa型，由于构象转变时未涉及键的断裂，因此它们都是反式，属同一构型。 两者比较起来ee型因有较小的空间位阻，所以在平衡中，ee构象占优势，ee型的反式化合物，在分子中无对称面，它和镜象不能重合，因此为手性分子，存在一对对映体。,28,构象转变不造成化学键的断裂，并不影响分子的R、S构型。 在研究环己烷衍生物的立体异构时，对构象引起的手性现象可以不予考虑，而只要考虑顺、反异构和对映异构，并可以直接用平面六角形来观察，这样仍可得到同样正确的结果。 如：顺式和反式1，2-环己二甲酸可用下式表示：,存在一对称面，相当于内消旋体，因此不具旋光性。,29,不存在对称面，与其镜象不能重叠，有一对映体，为手性分子，有旋光性。,再如：都有对称面，所以都没有对映异构体,30,6.6 不含手性碳原子化合物的对映异构,一、丙二烯型化合物 如果丙二烯两端原子上各连接两个不同的基团时：,由于所连四个取代基两两各在相互垂直的平面上，整个分子没有对称面和对称中心，具有手性，如：,2，3-戊二烯的对映异构体,31,如果在任何一端或两端的碳原子上连有相同的取代基，这些化合物都具有对称面，因此不具旋光性。,32,二、单键旋转受阻碍的联苯型化合物,在联苯分子中，两个苯环可以围绕中间单键旋转，如果在苯环中的邻位上即2，2，6，6位置上引入体积相当大的取代基（-NO2，-COOH等），则两个苯环饶单键旋转就要受到阻碍，以至它们不能处在同一平面上，而必须互成一定的角度。,33,当苯环邻位上连接的两个体积较大的取代基不相同时，整个分子就没有对称面或对称中心，就可能有手性。,若在一个或两个苯环上所连的两个取代基是相同的，这个分子就有对称面，没有旋光性。,34,三、螺环等其它不含手性碳化合物的对映异构,分子不具有对称面和对称中心，（螺环类）有手性，有对映体。,分子扭曲类型化合物，分子不具有对称面和对称中有手性，有对映体 .,35,6.7 外消旋体的拆分,一、含义：把外消旋体拆开分成左旋体和右旋体的过程。,二、拆分方法：通常有化学法、诱导结晶法、微生物法等。,1、化学拆分法： 原理：是将外消旋体与一个有旋光性的天然产物起化学作用，生成非对映异构体，然后利用非对映异构体物理性质上的不同（特别是沸点和溶解度的不同），而将两个非对映异构体分开（通过分馏或分步结晶），最后除去拆分剂恢复到纯粹的左旋体和右旋体。,36,如果外消旋体是碱，则可用旋光性酸如（+）酒石酸，樟脑磺酸等使它变成盐，然后用分步结晶法将它们分开。,2.诱导结晶法： 这是最经济的方法。这个方法是当一个溶液含有稍微过量的一对对映体之一，它就先沉淀出来，而且沉淀出来的量为过量的一倍多。过滤后，滤液就含有过量的另一个对映体，升温加入DL外消旋体，冷却时，另一对映体就会沉淀出来。通过这种方法，只是第一次加入一个光活对映体，就能交替地把外消旋体分为左、右旋体。,37,例如，100克的DL氯霉素碱和1克的D碱在80C时溶于100毫升水中，冷却到20C，沉淀出1.9克的D碱，过滤后，再加入2克的DL碱到滤液中，加热到80C，冷却后，2.1克的L碱就沉淀出来了。,3.生化方法 ：某些微生物或它们所产生的酶对于对映体中一种异构体有选择地分解作用。,38,合成的DL丙氨酸经乙酰化后，通过一个由猪肾内取得的一个酶，水解L型丙氨酸的乙酰化物的速度要比D型的快得多。因此就可以把DL乙酰化物变为L-（+）-丙氨酸和D-（-）-乙酰丙氨酸，由于二者在乙醇中的溶解度区别很大，可以很容易地分开。,39,6.8 亲电加成反应的立体化学,以C=C双键上的亲电加成反应来说明立体化学在反应历程研究中的应用。以顺-2-丁烯与溴的加成为例，实验结果得到的是外消旋体2，3-二溴丁烷，这说明顺-2-丁烯与溴的加成是反式加成。,40,若是顺式加成，得到的应为内消旋体，与实验事实不符。,41,那么，中间体若是碳正离子：,这与实验事实不符，说明中间体不是碳正离子。,42,现在认为，顺-2-丁烯与溴加成中间体为环状溴瓮离子,43,环己烯与次卤酸加成，生成反式产物的反应也同样说明它是按生成环状中间体历程进行反式加成的。,44,烷烃的卤代反应： 烷烃的卤代是游离基反应，中间体是烷基游离基，这个历程可由立体化学得到证实。如正丁烷卤代生成2卤代丁烷，它有一个手性C，应该