立体化学基础培训课件

1 2 3 4 5 第三章立体化学基础 具有相同分子式而结构不同的分子互称为异构体 这种现象称为异构现象 6 同分异构 7 一 平面偏振光及比旋光度 一 平面偏振光和旋光性 光是一种电磁波 光的振动方向与其前进的方向垂直 普通光中含有各种波长的光线 可以在空间不同的平面上振动 第一节概述 8 二 偏振光和旋光性 前进方向与振动方向垂直 9 平面偏振光 仅在一个平面上振动的光叫做平面偏振光 10 11 12 这种现象的产生必然是由于物质将偏振光的振动平面旋转了所致 物质能使偏振光的振动平面旋转的性质叫做旋光性 具有旋光性的物质叫做旋光性物质 如乳酸 葡萄糖等 第二个棱镜旋转的方向就代表旋光性物质的旋光方向 13 14 使偏振光平面旋转一定角度叫做该物质的旋光度 Rotation 用 表示之 15 16 1 使平面偏振光振动平面向右旋转 顺时针旋转 的叫做右旋 用 表示 如从肌肉中得到的乳酸 乳酸 旋光方向有左 右之分 2 使平面偏振光振动平面向左旋转 逆时针旋转 的叫做左旋 用 表示 如从糖发酵中得到的乳酸 乳酸 17 二 旋光度与比旋光度 物质的旋光度除与本身的特性有关外 还随测定时所用的溶液的浓度 盛液管长度 温度 光波的波长以及溶剂的性质等而改变 比旋光度 specificrotation 在一定温度下 旋光管长度为1dm 样品浓度为1g ml的旋光物质 光源波长 589nm 钠光灯黄线 所测得的旋光度 18 比旋光度 Dt为比旋光度 为旋光度 C为浓度 g ml L为盛液管的长度 以分米为单位 D为钠光灯光源的波长 t为测定时的温度 19 将胆固醇样品260mg溶于5ml氯仿中 然后将其装满5cm长的旋光管 在室温 20 通过偏振的钠光测得旋光度为 2 5 计算胆固醇的比旋光度 2 5 0 26g 5ml 0 5dm 96 20 21 物质使偏振光振动平面向右旋转的叫做右旋 用 号或 d 表示 左旋用 或 l 表示 例如 由肌肉提取液中获取的乳酸 其比旋光度 3 8 它表示这种乳酸是右旋的 22 二 对映体异构和手性 有些化合物的实物和镜像是可以重合的 而有些是不能重合的 彼此互称为对映异构体 enantiomers 有个化合物的分子与其镜像不能相互重合 必然存在一个与镜像相应的化合物 即相互对映 这种异构体称为对映异构体 又称旋光异构体 23 24 25 26 27 有对映异构体的分子称为手性分子 chiralmolecule 或称具有手征性或手性 28 三 分子的对称性和手性 一 对称因素 判断一个分子的对称性 要将一个分子进行某一项对称操作 看结果是否与它原来的立体构型完全一致 对称因素可以是一个点 一个面或一个轴 29 1 对称面 30 31 丙酸分子的对称面 32 2 对称中心 33 3 对称轴 当分子环绕通过该分子中心的轴旋转一定角度 得到的分子形象与原来的完全重合 此轴称为对称轴 symmetricaxis 符号C 34 35 如氯仿就有一个三重对称轴C3 当分子绕C H键的轴旋转120 与原来分子重合 苯有一个六重对称轴C6 C6轴是通过分子中心垂直于苯环平面的轴 36 一个分子不能与它的镜像重合的条件一般是这分子没有对称面 也没有对称中心 37 二 手性因素 连接四个不同的原子或原子团的碳原子就称为 不对称碳原子 Asymmetriccarbon 又叫做 手性碳原子 Chiralcarbon 一般用 C表示 1 手性中心 38 一般说来 因为分子中存在不对称原子 物质具有旋光性 39 40 2 手性面 分子的手性由于某些基团对分子中某一平面的不同分布而引起 此平面称为手性面 41 如一个碳原子连接四个不同的原子或基团时 这个正四面体就不可能在任何地方被分成实物与镜像的关系的两半 也就是没有对称面或对称因素 成了不对称分子 就有了旋光性 这个碳原子所连的四个不同的原子或原子团在空间就会有两种排列方式 就成了两种异构体 42 43 一 含一个手性碳原子的化合物 第二节对映异构和非对映异构 44 两图看起来很相似 好象代表一个分子 但实际无论怎样翻转 都不能重合 45 含有一个不对称碳原子的化合物只有两个旋光异构体 乳酸含有一个不对称碳原子 它就具有两个旋光异构体 将构成对映体的两个旋光异构体等量混合 就得到没有旋光性的混合物 这种混合物称为外消旋体 raclmate 用dl表示 一 外消旋体 46 乳酸 乳酸 对映异构体 47 二 对映异构体的表示方法 Fischer投影式 Fischer投影式投影方法 2 手性C原子上方和下方所连原子或基团朝后 连在左边和右边的原子或基团朝前 Fischer投影式基本原则 横前竖后 1 主碳链直立 编号较小的一端朝上 48 49 乳酸模型及Fischer投影式 50 规定 1 Fischer投影式只能在纸面上旋转180 不能旋转90 或270 2 Fischer投影式不能离开纸面旋转3 Fischer投影式基团只能偶次交换 不能奇次交换 否则将变为它的对映体 51 52 将手性碳上的四个基团中的任意两个对调 构型改变 53 54 三 对映体的构型及其命名法 1 构型的D L命名法 不对称碳原子连接的基团在空间真实排布的情况称为该分子的绝对构型 在1951年以前 还没有找到合适的测定绝对构型的方法 为了避免混淆 曾以甘油醛为标准做了人为的规定 甘油醛具有如下的两种构型 55 D 甘油醛L 甘油醛 费歇尔投影式中 X在右边为D型 X在左边为L型 56 这种人为规定的构型为相对构型 1951年J M Bijvoet测定了化合物的绝对构型 恰好与人为规定的构型相一致 确定的相对构型就成为绝对构型 对于有一个以上的手性C原子化合物 就要看最下边的手性C原子 57 58 D L构型的关键在于 找出手性C原子 判断手性C原子横键上两个基团的大小 大基团在右侧为D构型 大基团在左侧为L构型 59 D L表示的是化合物的构型 并不表示旋光的方向 旋光的方向用 和 表示 另外 旋光性物质的旋光方向与构型之间没有固定的关系 例如D 型只说明 在这种化合物中 不对称碳原子的空间排布与D 甘油醛是同一类型 至于它的旋光方向则是由于整个分子中原子间相互影响的结果 可能是右旋的 也可能是左旋的 可以用旋光仪测定出来 60 2 构型的R S命名法 规则 1 将手性碳原子上所连四个原子或基团按优先顺序从大到小依次排列 如A B D E 2 将最小的基团 E 朝向远离观测者的方向 然后对着余下的基团观察 若A B D的方向为顺时针 定为R型 若A B D的方向为逆时针 定为S型 61 62 次序规则 确定某碳原子所连原子或基团的大小的方法 某一个碳原子所连原子或基团的大小次序 按所连第一个原子的原子序数大小来排列 原子序数大者为大基团 或优先基团 同位素按原子量大小次序排列 常见基团优先次序 1 原子序数大小 63 若该碳原子所连基团的第一个原子相同 则比较其次相连原子的原子序数 依次类推直至比出大小为止 若该基团含有双键或叁键时 则可看成连接两个或三个相同的原子 64 看O的个数 65 常见基团的优先顺序 I Br Cl SO3H SH F OCOR OR OH NO2 NR2 NHR NH2 CCl3 COOH CONH2 CHO CH2OH C6H5 C CH3 3 CH CH3 2 CH2CH2CH3 CH2CH3 CH3 D H 66 67 R构型 68 S构型 69 R型 S型 70 R S命名法也可直接用于Fischer投影式 最小基团在竖方向 上或下 走向为顺时针方向的为R型 走向为逆时针方向的为S型 最小基团在横方向 左或右 走向为顺时针方向的为S型 走向为逆时针方向的为R型 R型 S型 71 R型 S型 72 注意 R S标记法与D L标记法的依据不同 R S法依据与 C相连的四个原子或原子团的大小顺序 D L法依据与D 甘油醛的构型是否相同 73 一 含有二个不同手性C原子的化合物 2S 3S 2R 3R 2R 3S 2S 3R 对映体 对映体 2n个立体异构体 二 含有多个手性C原子的化合物 74 75 76 77 78 对含有n个 C的化合物 光学异构体数目 2n外消旋体数目 2n 1 n为不同手性碳的数目 例如 含3个 C 最多有23 8个旋光异构体 含4个 C 最多有24 16个旋光异构体 79 内消旋体 二 含有二个相同手性C原子的化合物 80 内消旋体的分子模型 81 内消旋体与外消旋体都不具有旋光性 但二者有着本质的区别 内消旋体是一种纯净物外消旋体是混合物 可以分离成具有旋光性的两种物质 外消旋体与内消旋体都没有旋光性 但它们有本质的不同 外消旋体是等量左旋体和右旋体的混合物 可拆分 内消旋体是分子内有对称面的单一化合物 不可拆分 82 在有机化合物中 随着手性碳原子数目的增多 其立体异构体的数目也增多 当分子中含有n个不同的手性碳原子时 就可以有2n个立体异构体 它们可以组成2n 1个外消旋体 如果分子中含有相同的手性碳原子 就会有内消旋体存在 其对映体的数目也要少于2n个 83 手性是自然界的本质属性之一 生命活动一些重要的生物大分子 如蛋白质 多糖 核酸和酶等 几乎全是手性的 在目前使用的化学药物中 大部分也具有手性 其药理作用是通过与体内大分子之间的严格手性匹配与分子识别而实现的 有手性的化合物含有两个化学结构和物理结构完全相同而光学结构不同的异构体 即对映体 属光学异构体 在多数情况下 具有光学异构体的药物中的两种对映体的生物效应及药理作用有很大差别 通常只有一种对映体有药理作用 84 手性技术就是应用拆分的方法 手性辅助剂的方法及不对称催化方法 将药物中无效 低效或有副作用的对映体除去 制备成具有单一定向结构 单一对映体 的纯手性药物 这类药物成分更纯 在治疗疾病时起效快 疗程短 85 三 旋光异构体的拆分 一 化学拆分法 化学拆分法的原理是将对映体转为非对映体 利用非对映体之间物理性质的差异 采用重结晶 蒸馏等一般方法达到分离的目的 86 87 88 例2 外消旋醇的拆分 89 二 结晶拆分法 结晶拆分法的原理是先将需要拆分的外消旋体溶液制成过饱和溶液 再加入一定量的同样左旋体的晶体 与晶体同种构型的异构体立即析出结晶而拆分 90 随着手性技术的不断改进 单一对映体药物已在心血管病 肿瘤 神经系统疾病及消化系统疾病等治疗方面广泛应用 有专家预测 为了全球上市的化学合成新药中 将有大部分为单一异构体药物 91 第三节环烷烃的立体异构 一 顺反异构和对映异构 判断环烷烃是否有对映异构 一般根据它们是否有对称中心或对称面 对称中心和对称面 一 取代环烷烃的立体异构 92 1R 2R 1 2 环丙烷二甲酸 93 二 取代环己烷的构象 94 一取代环己烷的构象 环己烷分子中的一个氢原子被其他原子或基团取代时 取代基可以处于横键或竖键 故取代环己烷可以有两种不同的椅式构象存在 其中横键取代的构象是优势构象 95 一取代环己烷的椅式构象比船式构象稳定 最稳定的构象是最大基团在横键的构象 96 当取代基的体积增大时 两种椅式构象的能量差增大 横键取代构象所占的比例就更高 取代环己烷中大基团处于e键的构象较稳定 为优势构象 97 2 二取代环己烷的构象 环己烷分子中的二个氢原子被其他原子或基团取代时 存在顺反异构体 1 甲基 2 叔丁基环己烷的顺反异