河北科技大学有机化学精品教案--第六章立体化学1.doc

河 北 科 技 大 学 教 案 用 纸第 12 次课 2 学时上次课复习：上章总结本次课题（或教材章节题目）： 第六章 立体化学6.1异构体的分类6.2手性和对称性 6.3手性分子的性质光学活性6.4具有一个手性中心的对映异构教学要求：1.理解以下基本概念：平面偏振光、旋光性、旋光性物质、手性、手性分子、右旋体、左旋体、旋光度、比旋光度、对映体。2.熟练掌握Fischer投影式规则 重 点：基本概念、 Fischer投影式规则难 点：Fischer投影式规则教学手段及教具：采用模型、多媒体课件和板书相结合的课堂讲授方法讲授内容及时间分配：第一学时 6.1异构体的分类6.2手性和对称性6.3手性分子的性质光学活性 6.3.1旋光性第二学时 6.3.2旋光仪和比旋光度6.4具有一个手性中心的对映异构 6.4.1构型的表示法课后作业无参考资料1基础有机化学，邢其毅、徐瑞秋、周政 编，人民教育出版社2有机化学，胡宏纹 主编，高等教育出版社3有机化学，Morrison Boyd 著4有机化学，袁履冰 主编，高等教育出版社5Introduction to Organic Chemistry , (Third Ed.), Andrew Streitwieser; C.H. Heathcock 著。7第 12 - 页第六章 立体化学【教学目的】1、理解以下基本概念：平面偏振光、旋光性、旋光性物质、手性、手性分子、右旋体、左旋体、旋光度、比旋光度、对映体、非对映体2.熟练掌握Fischer投影式规则，应做到：(1)根据化合物的名称写出其Fischer投影式。 (2)根据化合物的其它立体结构式写出其Fischer投影式。【教学重点】基本概念、Fischer投影式【教学难点】Fischer投影式【教学时间】2学时6.1异构体的分类对映异构现象的发现早在十九世纪就发现许多天然的有机化合物如樟脑、酒石酸等晶体有旋光性，而且即使溶解成溶液仍具有旋光性，这说明它们的旋光性不仅与晶体有关，而且与分子结构有关。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。他用一只放大镜和一把镊子，细心地、辛苦地、把混合物分成两小堆：一小堆是右旋的晶体，另一小堆是左旋的晶体，很象是在柜台上分开乱堆在一起的右手套和左手套一样。虽然原先的混合物是没有旋光性的，现在各堆晶体溶于水以后都是有旋光性的！还有，两个溶液的比旋光度完全相等，但旋光方向相反。就是说，一个溶液使平面偏振光向右旋转，而另一个溶液以相同的度数使平面偏振光向左旋转。这两个物质的其他性质都是相同的。由于旋光度的差异是在溶液中观察到的，Pasteur推断这不是晶体的特性而是分子的特性。（他提出，构成晶体的分子是互为镜象的，正像这两种晶体本身一样。他提议，存在着这样的异构体，即其结构的不同仅仅是在于互为镜象，性质的不同也仅仅是在于旋转偏振光的方向不同）。指出，对映异构现象是由于分子中的原子在空间的不同排列所引起的。Pasteur的这些观点，为对映异构现象的研究奠定了理论基础。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。为什么要研究对映异构呢？ 1天然有机化合物大多有旋光现象。2物质的旋光性与药物的疗效有关（如左旋维生素C可治抗坏血病，而右旋的不行）。3用于研究有机反应机理。6.2手性和对称性6.2.1分子的手性 对映异构 对映体乳酸有两种不同构型（空间排列）特征：（1）不能完全重叠，（2）呈物体与镜象关系（左右手关系）。互为实物和镜象关系（象左手和右手一样）彼此不能完全重叠的特征，称为手性。（chirality）。具有手性（不能与自身的镜象重叠）的分子叫做手性分子。（chiral molecules）。连有四个各不相同原子或基团的碳原子称为手性碳原子（或手性中心）用C*表示。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。6.2.2对称因素物质具有怎样的分子结构才与镜象不能重合，具有手性呢？要判断某一物质分子是否具有手性，必须研究分子的对称因素。下面介绍分子中常见的几种对称因素：对称面（）、对称中心（i）、对称轴（Cn）、更替对称轴（Sn）。凡物质分子在结构上不具有对称面、对称中心或四重更替对称轴，这个物质就具有手性，它和镜象互为对映异构，具有旋光性。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。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。3对称轴（Cn）设想分子中有一直线，分子以它为轴，旋转一定角度360/n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）。4更替对称轴（Sn） 如果一个分子沿一根轴旋转了360/n的角度以后，再用一面垂直于该轴的镜象将分子反射，所得的镜象如能与原物重合，此轴即为该分子的n重更替对称轴（用Sn表示）。 如果旋转的角度为90（360/4），就称为四重更替对称轴（S4）。具有四重更替对称轴的化合物和镜象能够重叠，因此不具旋光性。在一般情况下，四重更替对称轴往往和对称面或对称中心是同时存在的。上述化合物就同时存在两个对称面，而且在化合物分子中只具有四重更替对称轴的是极少量的。因此要判断一个化合物的分子有没有手性，一般只要考虑它有没有对称面和对称中心就可以了。非手性分子凡具有对称面、对称中心或交替对称轴的分子。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。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。对映体的熔点、沸点、相对密度、折光率、在一般溶剂中的溶解度，以及光谱图等物理性质都相同。在与非手性试剂作用时，它们的化学性质也一样。对映体在物理性质上的不同只表现在对偏振光的作用不同。6.3手性分子的性质光学活性6.3.1旋光性一、平面偏振光光波是一种电磁波，它的振动方向与前进方向垂直。在光前进的方向上放一个（Nicol）棱晶或人造偏振片，只允许与棱晶晶轴互相平行的平面上振动的光线透过棱晶，而在其它平面上振动的光线则被挡住。这种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。二、物质的旋光性能使平面偏振光振动平面旋转的物质称为物质的旋光性，具有旋光性的物质称为旋光性物质（也称为光活性物质）。能使偏振光振动平面向右旋转的物质称右旋体d或+，能使偏振光振动平面向左旋转的物质称左旋体l或-，使偏振光振动平面旋转的角度称为旋光度，用表示。6.3.2旋光仪和比旋光度一、旋光仪测定化合物的旋光度是用旋光仪，旋光仪主要部分是有两个尼可尔棱晶（起偏棱晶和检偏棱晶），一个盛液管和一个刻度盘组织装而成。若盛液管中为旋光性物质，当偏光透过该物质时会使偏光向左或右旋转一定的角度，如要使旋转一定的角度后的偏光能透过检偏镜光栅，则必须将检偏镜旋转一定的角度，目镜处视野才明亮，测其旋转的角度即为该物质的旋光度。如下图所示二、比旋光度旋光性物质的旋光度的大小决定于该物质的分子结构，并与测定时溶液的浓度、盛液的长度、测定温度、所用光源波长等因素有关。为了比较各种不同旋光性物质的旋光度的大小，一般用比旋光度来表示。比旋光度与从旋光仪中读到的旋光度关系如下。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。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。最常用的光源是钠光(D)，=589.3nm,所测得的旋光度记为 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%)。上面公式即可用来计算物质的比旋光度，也可用以测定物质的浓度或鉴定物质的纯度。6.4具有一个手性中心的对映异构具有一个手性中心的化合物有手性，有对映体。对映体的构型可用楔形式和费歇尔（EFischer）投影式表示。6.4.1构型表示一、楔形式优点：形象生动，一目了然 缺点：书写不方便二、Fischer投影式为了便于书写和进行比较，对映体的构型常用费歇尔投影式表示：1投影原则： a横、竖两条直线的交叉点代表手性碳原子，位于纸面上。 b横线表示指向纸面外，竖线表示指向纸面内。 c习惯将含有碳原子的基团写在竖线上，编号最小的碳原子写在竖线上端。2使用费歇尔投影式应注意的问题： a基团的位置关系是“横前竖