光活性物质及旋光异构体.ppt

2019/6/11,Organic Chemistry,第五章 旋光（对映）异构,2019/6/11,Organic Chemistry,天然产物往往具有旋光性 旋光性物质的物理性质除旋光性以外几乎相同；其化学性质除在生化反应或与旋光试剂作用以外几乎相同,2019/6/11,Organic Chemistry,多巴的生理活性,没有活性。,抗震颤麻痹作用，治疗帕金森氏症,2019/6/11,Organic Chemistry,（）麻黄碱：,（）伪麻黄碱,（）麻黄碱：具有收缩血管、松驰支气管平滑肌、兴奋中枢的作用，活性强。,（）伪麻黄碱：有升压、利尿作用，且活性弱。,2019/6/11,Organic Chemistry,香芹酮,薄荷油,手性与气味,*,*,2019/6/11,Organic Chemistry,“反应停”事件: 1957年，德国，上市一种新药非巴比妥类镇静药-“反应停”（-苯肽茂二酰亚胺，塞利多米）。广泛用于妊娠反应，销往46个国家，8000多例海豹肢畸形婴儿。 之后，美国FDA及其他国家逐渐以法律形式确定上市药物必须标明旋光性的相关说明。,镇静作用,强烈致畸作用,反应停（halidomide，-苯肽茂二酰亚胺，塞利多米 ）,结构决定性能,2019/6/11,Organic Chemistry,本章内容,同分异构体概况及历史回顾 旋光异构的基本概念 旋光（对映）异构与分子构型的关系 含一个手性碳原子化合物的对映异构 构型的表示方法费歇尔投影式 含有两个手性碳原子的对映异构 构型的R、S命名规则 环状化合物的立体异构 外消旋体的拆分 有机化学反应中的立体化学及不对称合成举例,2019/6/11,Organic Chemistry,一 同分异构体,1、构造（or 结构）异构体：分子中由于原子或基团结合顺序不同而产生的同分异构体。(Constitutional isomers),互变异构：,2019/6/11,Organic Chemistry,2、立体异构体：分子中的原子或基团具有相同的连接方式但在空间的排布方式不同导致的同分异构体。(Stereo-isomers),2019/6/11,Organic Chemistry,原子的链接顺序不同,原子的空间位置不同,2019/6/11,Organic Chemistry,“构象”和“构型” 构象（conformation）指分子的形象结构，当所含原子的种类、数目、及连接方式相同，然而在二维或三维空间中和环境温度下，通过原子间价键的翻转或旋转可产生许多可相互转变的分子形象。所有多原子分子在其翻转或旋转自由度未受限制条件下均可有无限构象，但在晶态中仅有一种稳定构象。 构型（configuration）则特指某些类型的分子结构，因其连接原子间的化学键的性质或连在其邻近的原子不容许它占据同一空间，致使其价键的翻转或旋转受阻而产生二种或多种难以互相转变的分子形象。这类分子无论在气、液或晶相中均可具有一定的结构构型。,2019/6/11,Organic Chemistry,同分异构体的历史回顾,1797年法国化学家Proust（普卢斯特）提出定比定律之后，人们便认为具有相同组成的化合物，便具有相同的性质，这一“错误”观点直到18221826年间才被新的发现所否定。这就是：,Whler（魏勒 德国化学家） Liebig（李比希 德国化学家）分别证实了异氰酸（HNCO）和雷酸（HONC）；异氰酸银（AgNCO）和雷酸银（AgONC）。,1828年Whler试图使氯化铵溶液与氰酸银反应来制备氰酸铵，但得到的确却是组成相同，性质不同的尿素。,2019/6/11,Organic Chemistry,1848年 Pasteur（巴斯德 法国化学家）在显微镜下用镊子将外消旋酒石酸拆分成右旋和左旋酒石酸。,1861年 Butlerov（布特列洛夫 俄国化学家）在德国自然科学代表大会上作了论物质化学结构报告从而建立了化学结构学说，说明了产生同分异构现象的原因是化学结构的不同。的,1874年 Vant Hoff（范特霍夫 荷兰化学家）和LeBel（法国化学工艺师）独立地提出了“碳原子正四面体假说”，创立了立体化学的基础。,1931年 Puling（鲍林 美国化学家）和Slater提出了杂化轨道理论，解决了价键的方向性问题。,岁月流逝，经无数科学家坚苦卓绝的奋斗，揭开了化合物同分异构的“神秘面纱”。,2019/6/11,Organic Chemistry,光 源,光 栅,偏振光,水,1 偏振光与旋光性,二、旋光异构基本概念,2019/6/11,Organic Chemistry,旋光性,光 源,光 栅,偏振光,旋光性物质,乳酸, 能使偏振光旋转的性质，称旋光性。,2019/6/11,Organic Chemistry,左旋,右旋,检 偏 镜,- , 有旋光性的物质，即旋光性物质（光学活性物质）。, 不同的旋光性物质，其左旋或右旋以及旋转的角度大小不同，是物质本身所具有的特性。,2019/6/11,Organic Chemistry,2 旋光度与比旋光度,偏振光通过某旋光性液体物质或溶液后偏振光偏转的角度。,比旋光度：由于物质的旋光度受温度，物质的浓度等影响，所以规定物质在室温、浓度为1g/l、样品管为1dm、光源为钠光（589.3nm)时测得的旋光度为比旋光度。 则旋光度与比旋光度的关系为：,：旋光度；：比旋光度；t：温度；：光波长；c：样品浓度，单位g/ml；l:样品管长度，单位dm,（）表示右旋 （）表示左旋,2019/6/11,Organic Chemistry,从粥样硬化动脉中分离出来的胆固醇样品260mg溶于5ml氯仿中，然后，装满长度为5cm长的样品管内，在20用钠光作光源，测得旋光度为-2.5。那么，其比旋光度为多少？,【例题】,2019/6/11,Organic Chemistry,乳酸（肌肉中）,葡萄糖,吗啡（痛药物）,青蒿素（抗疟药）, 无旋光性药物：维生素A、青霉素、酒精、阿斯匹林等。,部分常用药物的比旋光度,2019/6/11,Organic Chemistry,三、旋光（对映）异构与分子构型的关系,1、对映异构的发现 19世纪发现了许多天然有机化合物具有旋光性，Pasteur 1848年研究酒石酸钠铵的不对称性，进而提出了分子结构的不对称性。,酒石酸钠铵晶体,早期发现,1848年 巴斯德,Crystals of Sodium Ammonium Tartrate,2019/6/11,Organic Chemistry,1874年提出了碳的四面体学说，范特霍夫指出当有机化合物具有下列结构式应该具有对映异构体，即物质具有旋光性,2019/6/11,Organic Chemistry,左、右旋乳酸即具有上述结构特点，因此具有旋光性,物质的分子和其镜像不能重合称为手性，具有手性的分子称为手性分子,2019/6/11,Organic Chemistry,1-氯-1-溴乙烷,2019/6/11,Organic Chemistry,1-氯-1-溴乙烷,分子,镜像,2019/6/11,Organic Chemistry,分子,镜像,2019/6/11,Organic Chemistry,2019/6/11,Organic Chemistry,2019/6/11,Organic Chemistry,2019/6/11,Organic Chemistry,2019/6/11,Organic Chemistry,3.2 分子的手性, 定义：分子与其镜像看起来很相似，实际上不能完全重合的性质，称为手性。, 手性的前提：既无对称中心，又无对称面，分子必定有手性，是手性分子（旧称不对称分子） 。, 具有手性的分子，其物质具有旋光性。,2019/6/11,Organic Chemistry,2、手性分子在分子对称性上必须具备的条件,1）具有对称面的分子没有手性,2019/6/11,Organic Chemistry,C,H,CH3,Cl,1,1-二氯乙烷,2019/6/11,Organic Chemistry,2）具有对称中心的分子没有旋光性,2019/6/11,Organic Chemistry,2019/6/11,Organic Chemistry,3）具有对称轴的分子不一定没有旋光性,具有二重对称轴，有对称面，没有旋光性,对称轴（Cn）： n360。/旋转度数。，叫n重轴。对称轴不能作为分子有无光学活性的判据。,2019/6/11,Organic Chemistry,具有二重对称轴，有旋光性,群论,一般地说，物质分子凡在结构上具有对称面或对称中心的，就不具有手性，也就没有旋光性。反之，同时不具有对称面和对称中心的，分子就有手性和旋光性。,2019/6/11,Organic Chemistry,不对称碳：饱和碳原子上连有互不相同的四个原子或原子团，用*表示。 手性：如果物质的分子和它的镜像不能重合，和我们的左右手相像，那么把物质的这种特征称为手性。 手性分子：具有手性的分子。 对映体：互为镜像关系，但不能完全重合的一对异构体，互为对映体。他们都具有旋光性。,总 结,2019/6/11,Organic Chemistry,手性碳（不对称碳）, 碳原子连接四个基团，且四个基团互不相同，这样的碳原子为手性碳原子，用*标记。, 分子只有一个手性碳，必然具有手性。, 其它手性原子：N、S、P等。,2019/6/11,Organic Chemistry,乳酸,标出手性碳,*,*,2019/6/11,Organic Chemistry,*,no stereo-center,2019/6/11,Organic Chemistry,毒芹碱,*,邻乙酰基-乳香酸,多少个手性碳？ 11个,2019/6/11,Organic Chemistry,四、含一个手性碳原子化合物的对映异构,1、对映体 含有一个手性碳原子的两种立体异构体互为影像关系，因此互称为对映体。,2019/6/11,Organic Chemistry,2、含有一个手性碳原子的化合物只有一对对映体,2019/6/11,Organic Chemistry,镜面,一对对映体（互为镜像）,2019/6/11,Organic Chemistry,3、外消旋体,等量混合 没有旋光性 外消旋体通常用dl表示。也用（）表示, 定义：左-、右+旋体各以50%混合物，用表示。如：,（）乳酸（糖发酵） 50,（）乳酸（肌肉中） 50,（）乳酸（牛奶）,2019/6/11,Organic Chemistry,五、构型的表示方法费歇尔投影式（以右旋乳酸为例）,1）把碳链纵向排列,2）把与手性碳原子结合的横向的两个键摆向自己，竖向的两个键摆向纸后,“横外竖里”,2019/6/11,Organic Chemistry,3）命名是优先的基团放在手性碳原子的上方,按上述规则把固定下的模型投影到纸面上，两条直线的交叉点即为手性碳原子,“横外竖里”,2019/6/11,Organic Chemistry,2，3-二溴丁烷的Fischer投影式,2019/6/11,Organic Chemistry,费歇尔投影式只能在平面内旋转180，而不能离开平面旋转180，也不能在平面内旋转90，否则就会变为它的异构体,2019/6/11,Organic Chemistry,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。 任意两个基团调换偶数次，构型不变。 任意两个基团调换奇数次，构型改变。,2019/6/11,Organic Chemistry,六、含有两个手性碳原子的对映异构 1、含有两个不同手性碳原子的对映异构 这种化合物中两个手性碳原子所连的四个基团并不完全相同,2019/6/11,Organic Chemistry,含有两个不同手性碳原子的对映异构体有四种，分别如下，以氯代苹果酸为例：,a b c d,a和b； c和d 为对映异构体 a和c、d； b和c、d为非对映体,a和c； b和d 为差向异构体,构造相同但不呈镜像对应关系的立体异构体，也是旋光异构体。,仅有一个手性碳的构型不同,2019/6/11,Organic Chemistry,2019/6/11,Organic Chemistry,2、含有两个相同手性碳原子的对映异构体,2019/6/11,Organic Chemistry,3、含有多个手性碳原子的有机化合物的对映异构,含有n个不相同的手性碳原子应该有2n个对映异构体，同时可组成2 n-1个外消旋体。而如果含有相同的手性碳原子，则对映体的数目就会少得多，同时会有内消旋体。,2019/6/11,Organic Chemistry,七、构型的R、S命名规则,1970年IUPAC建议对对映异构体采用R、S命名，规则如下：,1、对手性碳原子连接的四个原子（原子团）排序（大到小）,排序规则同烯烃的Z、E命名规则相同 依次比较到出现第一个原子序数不同的原子,2019/6/11,Organic Chemistry,2、构型的R、S命名规则,把最小的基团放在远离观察者眼睛的地方，其他三个基团从大到小排列，顺时针为R型，逆时针为S型。,R型,2019/6/11,Organic Chemistry,构型的标定,2019/6/11,Organic Chemistry,2019/6/11,Organic Chemistry,R S S,(2S,3R)-2,3-二氯丁烷,(2R,3R)-2,3-二氯丁烷,(2S,3S)-2,3-二氯戊烷,对映体,内消旋体,2019/6/11,Organic Chemistry,葡萄糖的构型：2R，3S，4R，5R,构型（R、S）的快捷判定法,直接从Fischer投影式判断：概括地说，“横变竖不变”， 即当最小基团在横向位置上时，其它三个基团优先顺序按顺时针排列的，则为S型（变），如按逆时针排列的，则为R型（变）；当最小基团在竖向时，其它三个基团的优先次序按顺时针排列的，则为R型（不变），如按逆时针排列的，则为S型（不变）。,2019/6/11,Organic Chemistry,构型标定实例,2019/6/11,Organic Chemistry,R、S与左、右旋的关系：, 没有必然的联系。, 如果R构型是，则S构型为；反之，如果R构型是，则S构型为。,Notice,乳酸与甘油醛的构型与旋光方向,2019/6/11,Organic Chemistry,n = 1,n = 2 or more,Is there a stereocenter?,ACHIRAL,NO,STEREOISOMERS,YES,ENANTIOMERS,mirror-image,DIASTEREOMERS,OPTICALLY ACTIVE,meso,“always”,plane of symmetry,no plane of symmetry,non-mirror-image,OPTICALLY INACTIVE,是手性中心吗？,立体异构,镜面对映,对映体,光学活性,非手性中心,非光学活性,非镜面对映,非对映异构体,无对称面,有对称面,内消旋体,非对映异构体,略,2019/6/11,Organic Chemistry,八、环状化合物的立体异构：,1、环丙烷衍生物,有对称面，没有旋光性,没有对称面，有旋光性,有旋光性,有旋光性,2019/6/11,Organic Chemistry,2、其它不含手性碳原子的化合物的对应异构,1）连苯类,2）丙二烯类,2019/6/11,Organic Chemistry,3）螺环烃,2019/6/11,Organic Chemistry,4）含其它手性原子的分子：N、P、S等 略,2019/6/11,Organic Chemistry,5）把型（柄型）化合物,2019/6/11,Organic Chemistry,九、外消旋体的拆分,2、生化方法（酶解）：通过专一性酶促反应拆分,1 机械法,如 巴斯德（Pasteur， 1848 年），拆分酒石酸钠铵。,2019/6/11,Organic Chemistry,3、晶种结晶法,4、柱层析法,2019/6/11,Organic Chemistry,柱层析法图示,（）-A,洗脱液,手性物质,2019/6/11,Organic Chemistry,5、化学反应法,2019/6/11,Organic Chemistry,有机化学反应中的立体化学及不对称合成举例,【实例一】 CH3CH2CH=CH2 + HBr,2019/6/11,Organic Chemistry,【实例二】 Z-2-戊烯 + Br2,2019/6/11,Organic Chemistry,实验结果,外消旋体 内消旋体 外消旋体 外消旋体,2