手性分子和旋光异构.ppt

Some chiral objects in our life,自然界的手性,在贝类中较普遍的方向是往右旋转，但也有些种类的贝壳，如大西洋海边熠熠发光的海螺一般是往左旋转。,1957年1962年，造成数万名婴儿严重畸形。 进一步研究表明，其致畸作用是由沙利度胺其中的一个异构体（S-异构体）引起的，而R-构型即使大剂量使用，也不会引起致畸作用。,手性与人类健康: “反应停”悲剧,(R)-thalidomide,(S)-thalidomide,1. 平面偏振光 ( plane-polarized light ) - 能通过起偏镜（尼克尔棱镜）的平面光。,一、旋光活性与分子的对称性,2. 光学活性 ( optical activity ) - 物质能使偏振光发生偏转的性质。,一、旋光活性与分子的对称性,旋光仪(polarimeter),l,3. 右旋和左旋 ( dextrorotatory and levorotatory ) - 使偏振光振动平面向右旋转称右旋，“ + ” - 使偏振光振动平面向左旋转称左旋，“ - ” 4. 旋光度（observed rotation) - 旋光活性物质使偏振光振动平面旋转的角度，用“a ”表示,一、旋光活性与分子的对称性,5. 比旋光度（specific rotation) - 在一定温度和波长（通常为钠光灯，波长为589 nm）条件下，样品管长度为1dm，样品浓度为1g/mL 时测得的旋光度。用a表示。 - 是一物理常数。,T,D - 钠光源，波长为589nm T - 测定温度，单位为 a - 实测的旋光度 l - 样品池的厚度，单位为dm c - 为样品的浓度，单位为g/mL,一、旋光活性与分子的对称性,巴斯顿的贡献,1848年，法国化学家巴斯顿 （L.Pasteur, 18221895）发现酒石酸两种不同的存在形式： 左旋酒石酸 右旋酒石酸,图：巴斯顿把酒石酸晶体分 开成两个镜像异构体,6. 分子的对称性和对称因素,一、旋光活性与分子的对称性,对称因素,对称轴,对称中心,对称面,象转轴,72o,（1）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（n重对称）。,一、旋光活性与 分子的对称性,（2）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。,一、旋光活性与 分子的对称性,（3）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。,一、旋光活性与 分子的对称性,请分析甲烷分子的对称因素,4个C3对称轴,3个C2对称轴,一、旋光活性与分子的对称性,请分析甲烷分子的对称因素,4个C3对称轴,3个C2对称轴,一、旋光活性与分子的对称性,6个对称面,7. 手性、手性分子和旋光活性 对称分子 - 含有对称面 (s) 、对称中心 (i) 或四重象转轴(S4) 的分子，其实物与镜影相互重叠。 手性 - 如果分子中不存在对称面、对称中心和四重象转轴，则这个分子具有手性。其实物与镜影不能完全重叠。 手性分子 - 实物与镜影不能完全重叠的分子。 手性分子都具有光学活性。,一、旋光活性与分子的对称性,7. 手性、手性分子和旋光活性,Question：判定下列分子是否具有手性,一、旋光活性与分子的对称性,2 Enantiomer (对映异构体) - a nonidentical (nonsuperimposable) mirror image is called an enantiomer of the original molecule.,二、对映异构与R、S构型判断,3 构型的表示方法 (R and S system),二、对映异构与R、S构型判断,基团的大小排序遵循“次序规则”,A. (R)-2-butanol B. (S)-1-methoxy-2- propanamine C. (S)-5-chloro-6-hepten-2-one,使用“左右手法则”是十分方便的,3 构型的表示方法 (R and S system),二、对映异构与R、S构型判断,A,B,C,A,B,C,A,B,C,4 Fischer projections,上 - 碳链头端 下 - 碳链末端 横线 - H及取代基,二、对映异构与R、S构型判断,A. (2S,3S)-3-chloro-2-pentanol B. (2R,3S)-3-amino-4-penten-2-ol C. (2S,3R,4R)-2-bromo-4-floro-3-hydroxy-5-phenylpentanoic acid,5 Fischer projects的构型判断,S,S,R,S,S,R,R,二、对映异构与R、S构型判断,建议使用纸面分析法 D竖线，ABC逆时针，S; ABC顺时针，R; D横线，ABC逆时针，R; ABC顺时针，S;,6 外消旋体 (racemic mixture, or racemate) All the physical properties of enantiomers are the same except their optical activity. 一对对映异构体，其比旋光度数值相等，旋光方向相反。 外消旋体 - 一对对映异构体的等量混合物,二、对映异构与R、S构型判断,7 光学纯度 (Optical Purity) - A mixture of enantiomers in a 75:25 ratio will have an observed rotation that is 50% of that for a single enantiomer. Such a mixture is said to have an optical purity (o.p.) of 50%.,a 100% a c l,o.p.,=,二、对映异构与R、S构型判断,8 对映体过量值 enantiomeric excess (e.e.),Example: (S)-(+)-2-bromobutane a = + 23.1 sample a = +9.2 o.p. = 9.2/23.1 = 0.40 or e.e. = 40% Means: 70% S, 30% R; 40% is excess S, 60% is racemic,e.e.= major enantiomer% - minor enantiomer%,测定方法：主要是色谱法，包括GC（气相色谱），HPLC（液相色谱）,二、对映异构与R、S构型判断,8 对映体过量值 enantiomeric excess (e.e.),二、对映异构与R、S构型判断,o.p.值理论上等于e.e.，但实际上由于测定方法不同，两者可能不同。随着色谱技术的发展，目前e.e.值更常用，也更准确。,(2S,3R)-3-chloro-2-pentanol,四、 立体构型的表达式及相互转化,Cl,H,H,OH,H,Cl,OH,H,练习 请给出化合物的中英文系统名，并将其表示为锯架式和Fischer投影式。,R,S,Cl,H,H,OH,五、 不含手性碳的手性分子,1 具有丙二烯结构的分子,五、 不含手性碳的手性分子,2 具有联苯类结构的化合物 - 位阻异构体（atropisomer） - 由于单键旋转受阻而形成的手性分子。,3 具有螺旋型结构的化合物,五、不含手性碳的手性分子,4. 含有其它不对称原子的手性分子 季铵阳离子和季鏻阳离子,五、不含手性碳的手性分子,叔胺和叔膦,注意：叔胺的异构体转化十分迅速，有的书中将它们归于构象异构体。,五、不含手性碳的手性分子,思考题 试写出二取代环戊烷的所有可能的结构（按两个取代基相同和不同时的情况分别说明）。,六、环烷烃的构型异构,七、同分异构现象小结,构造异构 constitutional,立体异构 Stereo-,碳链异构 官能团异构 位置异构,构型异构 configurational,构象异构 conformational,顺反异构 对映-非对映异构,同分异构 isomerism,单键旋转异构 叔胺翻转异构,构造异构体 Constitutional isomers,- 由于分子中原子或基团的排列顺序及性质不同而产生的同分异构体。,1. 构造异构体 Constitutional isomers,Enantiomers and Diastereomers 对映异构与非对映异构（旋光异构）,构型异构体Configurational isomers,构象异构体 Conformational isomers,- they can be interconverted by rotation about one or more sigma-bonds - the interconversion are so rapid that we cannot separate them,1) Rotation about single bonds,构象异构体 Conformational isomers,2) Amine inversion,Nonbonding electron pair is required Inversion energy 25 kJ/mol, can rapidly interconvert at RT,3. 同分异构的多层次性,构造异构、构型异构和构象异构是不同层次上的异构。 低层次异构形式通常包含有较高层次的异构形式。,构造异构,构型异构,构象异构,较低层次,较高层次,Prochiral prochiral center: carbon, hydrogen prochiral plane - symmetry plane,八、潜手性中心、潜手性面与手性识别,八、潜手性中心、潜手性面与手性识别,手性环境对手性中心、潜手性中心的识别,八、潜手性中心、潜手性面与手性识别,对潜手性中心的识别,Table. Some properties of the stereoisomers of tartaric acid（酒石酸） isomers m.p. (0C) 20 Density Solubility in H2O (+) 168-170 +12 1.7598 139.0g/100ml (- ) 168-170 - 12 1.7598 139.0g/100ml meso 146-148 0 1.6660 125.0g/100ml () 206 0 1.7880 20.6g/100ml,Tartaric acid: HOOCCH(OH)CH(OH)COOH,九、对映异构体性质与手性拆分,1 手性化合物的物理性质,Enantiomers have identical melting points, solubility, and density, only differ in the sign of specific rotation. Meso compound is diasteromeric with (+)-isomer or (-)-isomer, and it has different physical properties. The racemic mixture is different from the meso compound and either of the enantiomers.,1 手性化合物的物理性质,九、对映异构体性质与手性拆分,2. 对映异构体的拆分,主要方法（参阅教材）： 化学法：与光学活性胺成盐、或与光学活性醇成酯使之转化为物理性质不同的非对映异构体 (+)-羧酸 + (+)胺 (+)(+)盐 (- )-羧酸 + (+)胺 (- )(+)盐 晶种结晶法（crystallization） 色谱法（chromatograph, chiral column