[理学]第四章 对映异构.ppt

第四章 对映异构 主要内容主要内容 uu同分异构体同分异构体 uu手性分子和非手性分子、手性碳手性分子和非手性分子、手性碳 uu对映异构体和非对映异构体对映异构体和非对映异构体 uu立体结构的表示方法立体结构的表示方法 碳架异构体 位置异构体 官能团异构体 互变异构体 价键异构体 构型异构体 构象异构体 几何异构体 旋光异构体 交叉式构象 重叠式构象 构造异构体 同分异构体 （结构异构体） 立体异构体 电子互变异构体 有机化学中的同分异构现象 * 分子式相同, 结构不同的化合物称为同分异构体, 也叫结构异构体 1. 构造异构体 l 由于分子中原子或基团的排列顺序或方式 不同而产生的同分异构体。 2. 立体异构体 l 分子中原子或基团的排列顺序和方式相同，但 是在空间的排布不同所产生的异构体 构型异构 构象异构 a) b) 立体异构体：分 子中原子或原子 团互相连接次序 相同，但空间排 列方式不同而引 起的异构体。 构象异构体 旋光异构体 构型异构体 几何异构体 交叉式构象 重叠式构象 几何异构体：由于双键不能自由旋 转或由于成环碳原子的单键不能自 由旋转而引起的立体异构体。 旋光异构体：因分子含有不对称碳 原子或者没有对称因素而引起的具 有不同旋光性能的立体异构体。 立体异构体 立体异构体的定义 3. 同分异构的多层次性 l构造异构、构型异构和构象异构是不同层次 上的异构。其中构造异构属较低层次的异构 形式，其次为构型异构，而构象异构是较高 层次的异构形式。其中低层次异构形式通常 包含有较高层次的异构形式。 构型异构体 顺反异构 对映异构与非对映异构（旋光异构） 由于双键不能自由旋转而引起的顺反异构体用Z, E表示。确定 Z, E的原则是：按顺序规则确定与双键碳原子相连二个基团的 大小，由大到小用箭头标出。二个双键碳原子连的基团箭头方 向一致，双键为Z构型；箭头方向相反，双键为E构型。 双键用Z、E表示构型 (Z)-2-丁烯或顺-2-丁烯(E)-2-丁烯或反-2-丁烯 环用顺、反表示构型 顺-1,2-二甲基环丁烷 3 Z、E 和顺反构型的确定 由于成环碳原子的单键不能自由旋转而引起的顺 反异构体用顺反表示。确定顺反的原则是：二个 基团在平面的同一侧为顺，在平面的二侧为反。 反-1,2-二甲基环丁烷 三、构型异构中的对映异构 和非对映异构 1 1 手性分子和非手性分子手性分子和非手性分子 手性手性(chirality)(chirality)：实物和实物和 其镜像不能重叠的现象其镜像不能重叠的现象 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（chiral molecules）： 有手性现象的分子 两者不两者不 能重合能重合 手性分子 镜像 转转 180180 o o l l 手性分子手性分子 l l 手性碳手性碳 手性分子的特征手性分子的特征 连有四个不同基团的连有四个不同基团的碳原子碳原子 手性碳手性碳( (chiral carbonchiral carbon) ) 手性中心手性中心 ( (Chiral centerChiral center) ) 手性碳标记手性碳标记 * * * * * * * * 例：例： * * l l 非手性分非手性分 子子 两者两者 互相互相 重合重合 非手性分子 镜像 转转 6060 o o 非手性分子：与镜像非手性分子：与镜像相重合相重合 （非手性分子不含有手性碳）（非手性分子不含有手性碳） 转转 180180 o o 两者完两者完 全重合全重合 非手性分子 手性和对映体 生活中的对映体 (1)-镜象 沙漠胡杨 井冈山风景 桂林风情 左右手互为镜象 生活中的 对映体 (2) -镜 象 在立体化学中,不能与镜象叠合的分子叫手性分子 ,而能叠合的叫非手性分子. 镜象与手性的概念 一个物体若与自身镜象不能叠合,叫具有手性. 左手和右手不能叠合 左右手互为镜象 饱和碳原子具有四面体结构. (sp3杂化) 例: 乳酸(2-羟基丙酸CH3-CHOH-COOH) 的立体结构： 乳酸的分子模型图两个乳酸模型不能叠合 乳酸的两个模型的关系象左手和右手一样,它们 不能相互叠合,但却互为镜象. 手性：互为镜 影、但不能重 叠的性质称为 手性。 手性中心：如果分子的手性是 由于原子或原子团围绕某一点 的非对称排列而产生的，这个 点就是手性中心。 手性碳原子：与四个不相同的 基团相连的碳原子称为不对称 碳原子或称手性碳原子。手性 碳原子常用*标注。 (S)-3-羟基丁酸(R)-3-羟基丁酸 手性、手性中心、手性碳原子 两者不能重合两者不能重合 手性分子和非手性分子、手性碳手性分子和非手性分子、手性碳 手性分子手性分子 两者可以重合两者可以重合 手性碳手性碳 非手性分子非手性分子 对映异构体和非对映异构体对映异构体和非对映异构体 对映异构体 互为镜像且不互 相重合 对映异构体 非对映异构体相互不为镜像 如何判断一个分子是否有手性如何判断一个分子是否有手性 1.1. 最直接法最直接法: : 画其对映体，看是否重合画其对映体，看是否重合 2.2. 观察有无手性碳：观察有无手性碳： l l 若分子只含有一个手性碳，即为手性分子若分子只含有一个手性碳，即为手性分子 l l 分子含有二个以上手性碳，情况较为复杂分子含有二个以上手性碳，情况较为复杂 手性碳与立体异构体数目的关系： 若分子有 n 个手性碳，理论上有 2n 个立体异构体（ 2n / 2对 对映体。若手性碳组成相同，数目有所减少。 2, 32, 3- -丁二醇丁二醇2, 32, 3- -戊二醇戊二醇 有有4 4个立体异构体个立体异构体 与理论数目相同与理论数目相同 例：例： 手性碳组成相同手性碳组成相同 只有只有3 3个立体异构体个立体异构体 2, 32, 3- -戊二醇的两对对映体戊二醇的两对对映体 3. 3. 观察分子的有无对称性观察分子的有无对称性 （无手性碳）（无手性碳） （有手性碳）（有手性碳） l l 若分子含有若分子含有对称面对称面或或对称中心对称中心，为，为非非手性分子手性分子 l 如果分子中不存在对称面、对称中心，则这个分子具有手性 如：如：有对称面和对称中心的非手性分子有对称面和对称中心的非手性分子 与镜像重合与镜像重合 1、对称性和对称因素 1）对称轴 Cn 2）对称面s 3）对称中心 分子手性的判定 对称轴 Cn 这种轴是通过物体或分子的一条直线，以这条直线为轴 旋转一定的角度，得到的物体或分子的形象和原来的形象完 全相同，这种轴称为对称轴。n指绕轴一周，有n个形象与原 形象相同。 分子的对称性与手性的关系 对称面 s 某一平面将分子分为两半，就象一面镜子，实物（ 一半）与镜象（另一半）彼此可以重叠，则该平面是对称 面。 对称中心 i 分子中有一中心点，通过该点 所画的直线都以 等距离达到相同的基团，则该中心点是对称中心。 A: 非手性分子凡具有对称面、对称中心或交 替对称轴的分子. B: 手性分子既没有对称面,又没有对称中心, 也没有4重交替对称轴的分子,都不能与其镜象叠合 ,都是手性分子. C:对称轴的有无对分子是否具有手性没有决定作用 . 在有机化学中,绝大多数非手性分子都具有对称面或 对称中心,或者同时还具有4重对称轴. 没有对称面或对称中心,只有4重交替对称轴的非手 性分子是个别的. 对称性与手性的关系: 手性分子的一般判断:只要一个分子既没有对称面,又 没有对称中心,就可以初步判断它是手性分子. 凡是手性分子,必有互为镜象的构型.分子的手性是 存在对映体的必要和充分条件. 互为镜象的两种构型的异构体叫做对映体. 一对对映体的构造相同,只是立体结构不同,这种 立体异构就叫对映异构.如乳酸是手性分子,故有对 映体存在: 乳酸的对映体 (二) 对映异构体 3 3 化合物的立体结构式化合物的立体结构式 例例1 1：2 2- -丁醇丁醇 三种常用立体结构表达式三种常用立体结构表达式 伞形式伞形式Fischer Fischer 投影式投影式十字式十字式 主链放在垂直方向上,伸向后方 不是立体结构式不是立体结构式 上 碳链头端,下 碳链末端 横线 H及取代基 例例2 2：2, 32, 3- -丁二醇丁二醇 将主链转至同一方向 互为镜像，不能重合 2, 32, 3- -丁二醇三种立体异构体的十字表达式丁二醇三种立体异构体的十字表达式 立体结构表达式立体结构表达式 伞形式伞形式Fischer Fischer 投影式投影式十字式十字式 键的方向？ 立体结构式的变换立体结构式的变换 两种常用的改变基团位置的方法：两种常用的改变基团位置的方法： l l 交换基团法交换基团法 l l 旋转法旋转法 问题问题 1 1：如何改变基团的位置而又不改变原有构型？如何改变基团的位置而又不改变原有构型？ 问题问题 2:2: 如何判断两个结构式（如下图）是否为同一化合物？如何判断两个结构式（如下图）是否为同一化合物？ 1.1. 交换基团法交换基团法 n n 手性碳上的两个基团或原子交换手性碳上的两个基团或原子交换奇数次奇数次得对映体得对映体, , 交换交换偶数次偶数次回到原回到原 来结构来结构 2.2.旋转法旋转法 n n 分子以手性碳上化学键为轴旋转，所得到的结构分子以手性碳上化学键为轴旋转，所得到的结构结构不变结构不变， 仍为原来的分子（因为手性碳的构型未变化）仍为原来的分子（因为手性碳的构型未变化） 例例 1:1: 试说明化合试说明化合 物物I I和和IIII是否为同一是否为同一 化合物化合物? ? l l 用基团交换法用基团交换法 甘油醛甘油醛 I I和和IIII为对为对 映体映体 例例 2:2: 判断判断I I和和IIII是否是否 为同一化合物为同一化合物 l l 用基团交换法用基团交换法（C2C2和和C3C3都要交换）都要交换） （接下页） （接上页） 两者相同两者相同I I 和和 IIII 为同为同 一化合物一化合物（C2 、C3均交换了 偶数次） 构型的标记方法有两种： （以甘油醛为对照标准）： 右旋甘油醛的构型定为D型，左旋甘油醛的构型定为L型。凡通过 实验证明其构型与D-相同的化合物，都叫D型，在命名时标以“D” 。而构型与L-甘油醛相同的，都叫L型，在命名时标以“L”。 例：左旋乳酸：D-(-)-乳酸; 右旋乳酸: L-(+)-乳酸 1. 过去常用DL法 D、L只表示构型，而不表示旋光方向。 旋光方向以“+”(右旋)、“-”(左旋)表示。 手性碳构型的表示方法手性碳构型的表示方法 n n 描述立体构性的描述立体构性的 D D / / L L 体系体系（相对构型）（相对构型） 基准物基准物 D D-(+)-(+)-甘油醛甘油醛L L-(-)-(-)-甘油醛甘油醛 D D-(+)-(+)-葡萄糖葡萄糖D D-(-)-(-)-乳酸乳酸 L L-(+)-(+)-乳酸乳酸 2. 2. 手性碳构型的表示方法（手性碳的绝对构型）手性碳构型的表示方法（手性碳的绝对构型） 1.1. 手性碳的绝对构型手性碳的绝对构型R/S R/S 方法方法，手性化合物的命名，手性化合物的命名 例：例： 2-2-丁醇丁醇 选择优先顺序最 小的原子或基团远 离观察者，其余原 子或基团依优先顺 序排列 (S)-2-丁醇(R)-2-丁醇 有一个手性碳 沿沿 C-H C-H 方向方向 S S型型 （逆时针方向）（逆时针方向） R R型型 （顺时针方向）（顺时针方向） 2.2.基团的优先顺序（基团的优先顺序（Cohn-Ingold-PrelogCohn-Ingold-Prelog定序规则）定序规则） （1）原子序数大者优先，同位素质量大者优先原子序数大者优先，同位素质量大者优先 如： I Br Cl S P F O N C D H （2）基团的第一个原子相同时，比较与其相连的下一个原子基团的第一个原子相同时，比较与其相连的下一个原子 如：-CH2CH3 -CH3 -CH2Cl -CH2F -CH2OCH3 -CH2OH -CH(CH3)2 -CH2CH(CH3)2 （3 3）对不饱和基团，可认为与同一原子连接对不饱和基团，可认为与同一原子连接 2 2 或或 3 3 次次 如：如： 例例: : 例例: : 比较以下基团的优先顺序比较以下基团的优先顺序 1 1 2 2 R, S 构型的确定 看的方向 将与手性碳原子相连的四个基团按顺序规则排列大小， 将最小的基团放在离眼睛最远的地方，其它三个基团 按由大到小的方向旋转，旋转方向是顺时针的，手性 碳为R 构型；旋转方向是逆时针的，手性碳为S 构型。 (S)-(+)-乳酸； 逆时针方向运转 (sinister, 拉丁文) (R)-(-)-乳酸； 顺时针方向运转 (rectus, 拉丁文) 例例: 2, 3-: 2, 3-丁二醇的三个立体异构体的命名丁二醇的三个立体异构体的命名 非手性分子非手性分子 S S型型 S S型型 ( (2S, 3S2S, 3S)-2, 3-)-2, 3-丁二醇丁二醇 R R型型 R R型型 S S型型 S S型型 ( (2S, 3R2S, 3R)-2, 3-)-2, 3-丁二醇丁二醇 或或 ( (2R, 3S2R, 3S)-2, 3-)-2, 3-丁二醇丁二醇 ( (2R, 3R2R, 3R)-2, 3-)-2, 3-丁二醇丁二醇 非手性分子非手性分子 手性碳：一个碳原子连结四个不同的取代基 含一个手性碳原子的分子 含两个手性碳的分子 含两个不同手性碳的分子（有4个构型异构体） I 和 III, I 和 IV 不是对映体，是非对映体 II 和 III，II 和 IV不是对映体，是非对映体 I 和 II， III 和 IV 是对映体 含两个相同手性碳的分子（有3个构型异构体） 一些不含手性碳的手性分子一些不含手性碳的手性分子 l连二烯型（含有两个互相垂直的平面） 比较：比较： 与镜像无法重合，是手性分子与镜像无法重合，是手性分子 有对称面，为非手性分子有对称面，为非手性分子 l l 螺环型螺环型 与镜像无法重合，是手性分子与镜像无法重合，是手性分子 l l 联苯型联苯型( (位阻型位阻型) ) 大基团使单键旋转受阻大基团使单键旋转受阻 l l 构象型（构象转换受阻）构象型（构象转换受阻） 反反- -环辛烯环辛烯 l l 螺旋型螺旋型 手性分子的特性手性分子的特性 旋光性旋光性 1. 1. 立体异构体之间的一般物理、化学性质比立体异构体之间的一般物理、化学性质比 较较 例：例：酒石酸酒石酸(tartaric acid), (tartaric acid), （2, 3-2, 3-二羟基丁二酸）二羟基丁二酸） 有有2 2个组成相同的手性个组成相同的手性 碳碳, ,有有3 3个立体异构体个立体异构体 (R,R)-酒石酸(S,S)-酒石酸(R,S)-酒石酸 一对对映体一对对映体 相同 非对映体之间性非对映体之间性 质有明显差别质有明显差别 l l 酒石酸立酒石酸立 体异构体体异构体 性质比较性质比较 2.2. 对映体对映体之间的性质差别：之间的性质差别： 物理性质：对物理性质：对偏振光偏振光的作用不同的作用不同有旋光性有旋光性 化学性质：对化学性质：对手性试剂手性试剂的作用不同的作用不同 l l 手性化合物手性化合物对对偏振光偏振光的作用的作用旋光性旋光性（或称光学活性）（或称光学活性） 入射偏振光入射偏振光 石英样品管石英样品管 旋光度旋光度, , a a （装有旋光性物质）（装有旋光性物质） a 透射偏振光透射偏振光 （已偏转）（已偏转） Opitically activeOpitically active 3. 3. 外消旋体和内消旋体外消旋体和内消旋体 l l 外消旋体外消旋体等量的左旋体和右旋体的混合物等量的左旋体和右旋体的混合物 例： （旋光性相互抵消（旋光性相互抵消消旋）消旋） 产物无旋光性产物无旋光性 外消旋体性 (racemic mixture) （ ） ( ( ) ) - -2 2- -溴丁烷溴丁烷 外消旋体表示方式外消旋体表示方式 例：例： l l 内消旋体内消旋体 有手性碳，但分子有对称面有手性碳，但分子有对称面 ( (R, SR, S) )- -mesomeso- -酒石酸酒石酸 内消旋体表示方法 分子有对称面，无旋光性分子有对称面，无旋光性 。一个手性碳的旋光性正 好被分子内另一构型相反 的手性碳所抵消 内消旋体(meso compounds) l l 旋光纯、外消旋体和内消旋体性质的比较旋光纯、外消旋体和内消旋体性质的比较 1.1 偏振光 ( plane-polarized light ) 普通光在通过尼克尔棱镜后形成的只在一个方 向传播的平面光 1. 偏振光、光学活性及旋光度 旋光仪(polarimeter) 物质能使偏振光发生偏转的性质。 1.2 光学活性 ( optical activity ) l l 左旋和右旋左旋和右旋 一对对映体对偏振光的作用不同，一个使偏振光向顺时 针方向偏转，另一个使偏振光向逆时针方向偏转，两者偏转 数值相同。 例：例： 右旋右旋(dextrorotatory)(dextrorotatory)：使偏振光向：使偏振光向顺时针顺时针方向偏转，表示为方向偏转，表示为(+)(+) 左旋左旋(levorotatory)(levorotatory) ：使偏振光向：使偏振光向逆时针逆时针方向偏转，表示为方向偏转，表示为( ( ) ) (R, R)(R, R)- -( (+ +) )- -酒石酸酒石酸(S, S)(S, S)- -( (- -) )- -酒石酸酒石酸 旋光异构体旋光异构体（对映异构体）（对映异构体） 左旋左旋 a a a a 右旋右旋 入射光方向入射光方向 l l 手性分子旋光能力的表示方式手性分子旋光能力的表示方式 比旋光比旋光 a a t t at = a t l c at : 实验观察到的旋光度 l : 样品管长度（dm, 分米） c : 样品浓度（g / cm3） t : 测试时温度 : 波长 例：例： (R, R)(R, R)- -( (+ +) )- -酒石酸酒石酸 a a 2525 D D = = +12+12o o ( (水 水,20%),20%) ( ( 钠光，钠光，D D线，线， =589nm)=589nm) specific rotationspecific rotation 手性分子的获得手性分子的获得 2.2.获得手性分子的重要意义获得手性分子的重要意义药物与人类的关系药物与人类的关系 l l 构成生命体系的生物大分子的主要部分大多数是以一种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，进行的， l l 生物体的酶和细胞表面受体是手性的生物体的酶和细胞表面受体是手性的, , 故对外消旋药物故对外消旋药物 的识别、消化和降解过程也是不同的。的识别、消化和降解过程也是不同的。 1.1. 手性分子的来源手性分子的来源 l l 自然界自然界: : 糖类、氨基酸、生物碱、萜类、甾体化合物糖类、氨基酸、生物碱、萜类、甾体化合物 l l 外消旋体的拆分外消旋体的拆分 l l 不对称有机合成反应不对称有机合成反应 (S)(S)- -天冬酰胺天冬酰胺 苦味苦味 (R)(R)- -天冬酰胺天冬酰胺 甜味甜味 麻醉剂麻醉剂致痉挛致痉挛 巴比吐酸衍生物巴比吐酸衍生物 (R)(R)型型, ,有效，不致畸形有效，不致畸形 (S)(S)型型，致畸形，致畸形 Thalidomide(Thalidomide(反应停反应停) ) 镇静和止吐药物镇静和止吐药物 ( (- -) )- -L L- -DOPADOPA 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 n n 外消旋体的拆分（外消旋体的拆分（ResolutionResoluti