I-2 立体化学.ppt

第二章立体化学 异构体 分子式相同而构造 即化合物中键的特定结合方式和原子的顺序 不同的各种分子集合体之间互称为异构体 包括 碳链异构 官能团异构 官能团位置异构和互变异构 构造相同而原子或基团的空间排列上不同的化合物是立体异构体 包括 构型异构和构象异构 2 1对映异构关系 手性 chirality 是用来描述一种物体和它的镜象不能重叠时一个名称 历史上手征性和旋光性非常密切相关 化学家们能互换地使用旋光的和手征的这两种描述方法 旋光性是手征分子的一种性质 即旋转偏振光平面的能力 旋光度的符号和大小都与测量条件有关 包含温度 溶剂和射入样品中的入射光的波长 一个旋光性的分子一定是手征的 反之亦然 但在一些测量条件下 有些手征分子的旋光性可能非常小 以至无法与零相区别 在这种情况下 可以在另一个波长上测定 得出较大的旋光度 手征中心 碳手征中心 连在sp3碳上的配基按四面体方式取向 当具有四个不相同的配基时 分子是手征的 我们把这个碳原子称为手征中心 如2 丁醇是手征的 而乙醇却不是 不是手征的分子叫做非手征的 手征中心 除了碳手征中心外 还有硫 磷 氮手征中心 如具有三个不同取代基的胺原则上是能够有旋光性的因为它们是手征的 但是角锥体翻转所需要的活化能太小 以致不能将对映异构体分离 当它变为季胺盐时 就不能翻转而变成手性的 手性的描述 手性可以用菲舍尔 Fischer 惯用法 D L 或凯恩 英格尔德 泼莱劳格 Cahn Ingold Prelog 惯用法 R S 来描述 注意 分子的旋光度符号和构型 D L 之间没有简单的关系 不是都象甘油醛那样D 是右旋 L 是左旋 例如 L 丙氨酸这个氨基酸是右旋的 手性的描述 因此 D L与R S以及旋光度的左旋 右旋它们彼此之间没有必然联系 不含手性中心的手性分子 手性轴和手性面的化合物 如某些旋光性的丙二烯 联芳基 亚烷基环己烷就是轴型非对称分子的例子 手征轴 反式环烯可作为分子中有非对称性面的例子 手性因素与手性化合物的关系 含有手性中心等手性因素的化合物不一定是手性化合物 如果该化合物含有对称中心 对称面等对称因素则是非手性的 1 2 二甲基环丁烷的三个可能的立体异构体是 立体异构体的数目 手征中心的数目和立体异构体的数目之间不存在一个简单的一般关系 因为某些式子可以和它们的镜象重叠 当不存在这些情况时 具有n个不同的不对称中心的体系可能有的立体异构体的数目是2n个 2 2非对映异构关系 2 2 1非对映异构体它们之间不是物体与其镜象的关系的立体异构体 非对映异构体的性质 非对映异构体在化学和物理性质上可以是不相同的 它们具有不同的熔点 沸点 折射率 溶解特性 偶极矩 比旋光度等等 在非对映异构体中可以把每个手征中心按顺序规则规定为R或S 2 2 2拆分和动力学拆分 拆分是把一个含有等量对映体的混合物 称为消旋体或外消旋混合物 分离成其组分的过程 用一个旋光性试剂 拆分剂 来处理对映异构体混合物 使其转变为非对映异构体混合物 然后利用非对映异构体的沸点 溶解度等性质的差异 通过蒸馏或重结晶而使其分离 2 苯基 3 甲基丁酸的拆分为例 动力学拆分 用来描述利用与旋光性试剂的选择性反应进行对映异构体分离的一个术语 它依靠对映异构体与手征试剂反应时速度的差别 一种手征分子与另一种手征分子反应的过渡态能量 对于每一种对映异构体来说都可以是不同的 如果一个外消旋混合物 R 分子 S 分子 与一个旋光性试剂 R 试剂 反应 那么两个过渡态 R 分子 R试剂和S 分子 R试剂 彼此具有非对映异构的关系 动力学拆分 酶拆分也是动力学拆分的一类 常用的拆分方法 晶体机械分离法形成和分离非对映立体异构体微生物或酶作用拆分法色谱分离法等等 一 晶体机械分离法 原理 某些外消旋混合物中的 和 对映体自发的一宏观晶体分别析出 当这些晶体键的区别可被看出来时 那么在放大镜的帮助下借助镊子之类的工具来分离 适用范围 外消旋混合物 且两对映体晶体的区别可被看出来优缺点 过于繁琐 且不能应用于外消旋化合物和外消旋固体溶液 改良后 接种结晶拆分法 原理 在外消旋混合物饱和溶液中 用两对映体之一的晶体或其他旋光性化合物晶体小心接种并适当冷却 则其中一种对映体的晶体便会结晶析出适用范围 外消旋混合物优点 将该法与重结晶等其他方法合用可获得较好的分离效果 例 DL 氯霉素的母体氨基醇的拆分 10gDL 氨基醇和1gD 氨基醇溶解于100ml80 C水中 冷却至20度后析出D 氨基醇1 9g 然后 将母液在加热至80 C 并加少量水让体积保持100ml 再溶解2gDL 氨基醇于其中 冷却至20 C 析出氨基醇2 1g 分批连续地溶解DL 氨基醇 可交替地分离出D 氨基醇和L 氨基醇 二 形成和分离对映立体异构体的拆分 原理 当对映体的酸或碱 A和 A分别和旋光性的碱或酸 B作用后 形成非对映体的两种盐 A B和 A B 由于两种非对映体的盐的溶解呈现出颇为明显的差别 于是可以用结晶 重结晶的方法来分离 然后将得到的晶体分解从而得到所需的物质适用范围 外消旋混合物 外消旋化合物 外消旋固体溶液 拆分剂所必须具备的几个条件 1 拆分剂和被拆分的物质的化合物必须容易形成 且又容易被分解成原来的组分2 所形成的非对映立体异构体 至少二者之一必须能形成好的晶体 并且两个非对映异构体在溶解度上有可观的差别 3 拆分剂应尽量达到旋光纯态4 拆分剂必须是廉价的或容易制备的 或在拆分完成之后 能够容易地和接近于定量地回收 实例分析 外消旋乳酸的拆分 DL 乳酸 吗啡碱 摩尔比1 1 H2O加热 溶解 冷却吗啡碱D 乳酸盐吗啡碱L 乳酸盐 D 91 8度 Yd95 D 92 7度 晶体 滤出 母液 1 重结晶2 氨水氨水吗啡碱D 乳酸胺吗啡碱L 乳酸胺 回收 1 脱色2 CaCl2 回收 D 乳酸钙草酸L 乳酸锌D 乳酸 D 6 83度m p 25 8 C 2 67度Yd50 三 微生物或酶作用下的拆分 原理 利用酶是专一性的手性催化剂来使其中一个对映体分解从而只剩消另一个异构体达到分离的目的 一般采用的酶使猪肾酰化酶I 它可催化除天门冬氨酸外的所有普通氨基酸的N 乙酰化衍生物的不对称水解 而对于天门冬氨酸必须用猪肾酰化酶II才能奏效 这些酶的缺点之一是很不稳定 在使用时要制备新鲜的制剂才能起作用 例 N 乙酰 DL 丙氨酸 猪肾酰化酶I 在母液中 用离子交换法分离提纯 1 乙酸乙酯提取 2 非酶促的酸水解 四 色谱分离法的拆分 A 柱色谱拆分法 吸附剂 用手性的化合物 如淀粉 蔗糖粉 乳糖粉等 非对称的吸附剂与一个被拆分的外消旋体中的 分子和 分子 分别地形成存在稳定性差别的 具有非对映立体异构关系的两种吸附物 其中之一被吸附得比较牢固 而另一个比较松弛 因此在洗提得过程中 后者比较容易通过吸附剂柱而先被洗脱 于是可以达到拆分外消旋体的目的 B 配位竞争拆分法 使含旋光性氨基酸残基的非对称离子交换树脂 固定的配位体 与或离子配位 即生成所谓的 配位体交换树脂 这种配位体交换树脂的固定配位体可以部分地和有倾向地与D 或L 氨基酸 活动的配位体 发生配位体交换作用 于是可以用来拆分DL 氨基酸 C 纸色谱拆分法 纤维素具有手性的结构 因此纸色谱分离法也可以被用于外消旋体的拆分 D 气相色谱拆分法 气相色谱拆分法和普通的柱色谱拆分法在基本原理上没有大的差别 它们的不同主要是 在气相色谱法中 用气体 氢气 氦气等 作为携带体 进行气化的被拆分物的扩散和洗脱 而在一般的色谱法中 用液体 各种溶剂 作为被拆分物的携带体 2 3动态立体化学 2 3 1立体专一反应和立体选择反应立体专一反应是指 在相同的反应条件下 由立体异构的起始物得出立体异构的不同产物 立体选择性反应是指 在特定反应中 单一一种反应物能够形成两种或更多种立体异构产物 但观察到的是其中一种异构体的形成占优势 某些立体专一反应 对烯的立体专一加成反应 如环氧化反应亲核取代反应 某些立体专一反应 消除反应 如脱卤化氢反应氧化胺的热解反应 某些立体专一反应 在这些立体专一过程中 起始物都是一对立体异构体 产物彼此也是立体异构体 每个反应进行时 只得到单一一种立体异构体 而不混杂有另一种立体异构体 某些立体选择性反应 构型保留 在反应中立体化学方面有意义的原子的空间排列在反应物和产物中是相同的 构型转变 在反应中立体化学方面有意义的原子的空间排列在反应物和产物中是对映异构的关系 如果在生成产物过程中反应物失去了立体化学的完整性 那么这个反应进行时发生外消旋化作用 如果仅仅丧失一部分立体化学完整性的许多反应实例 我们把它称为部分外消旋化作用 有机分子发生外消旋化作用时最常见的机理过程是 从不对称碳原子处断裂掉一个配基而得出一个平面的三配位中间体 当不存在象非对称溶剂化作用这样特殊的效应时 这样一个中间体能以两边相等的几率被俘获 结果产生等量的对映异构体产物 外消旋化反应也可以通过角锥体的翻转作用和围绕碳 碳单键旋转的过程而发生 2 4潜手征关系 2 4 1同位配基如果在反应过程中C 2 上的一个质子被另一个配基 例如氘 所取代 则两种可能的取代方式产生同一种产物 所以C 2 上的两个质子在拓扑学上和在化学上都是相当的 它们被称为同位配基 2 4 2异位配基 如果所发生的过程涉及到C 1 上的两个质子 则结果应得到立体化学上不同的状态 氘取代C 1 上的质子产生一个手征性产物1 氘 1 3 丙二醇 C 1 上的两个质子在拓扑学上是不相当的 因为一个氢被取代产生的产物与另一个氢被取代而产生的产物是不同的 它们是立体异构体 这种类型的配基称为异位的 heteortopic 并且由于取代的产物是对映异构体的 enantiotopic 1 3 丙二醇的C 1 和C 3 都是潜手征中心 prochiralcenters 如果一个点配基被一个新的点配基取代时产生一个手征组合体 chiralassembly 则原来的组合体就是潜手征的 用字母pro R和pro S来规定手征分子中的异位配基 选取潜手征中心上的一个异位配基 并且认为它比另一个异位配基有较高的序位 而不打乱其余配基的序位 如果应用顺序规则的结果是 潜手征中心的构型规定为R 则所选的配基是pro R 如果这个潜手征中心是S 则所选配基是pro S 对映异构位的原子或基因 除了对手征试剂的作用以外 在一切化学性质方面都是等当的 2 4 3潜手征面 乙醛羰基有两个面呈现在进攻试剂面前 这两个面彼此具有镜象关系 并且是对应异构位的 如果从某一个面方向看过去 取代基按递降序位的排列顺序是顺时针的 那么这个面就是re 如果是反时针的 那就是si 一个非手征试剂与一个呈现对应异构位面的分子反应时 将产生等量的对映异构体 得到无旋光性的产