chapt 08 立体化学[1].ppt

掌握 手性和手性分子以及手性碳原子的概念 对映体 非对映体 外消旋体和内消旋体的概念和主要性质 对映异构体命名方法 R S 熟悉 费歇投影式和透视式表示立体异构体的方法 对称因素 无手性碳原子的对映异构体 了解 外消旋体的拆分方法 手性合成 特殊对映体现象 第八章立体化学 立体化学 现代有机化学的重要组成部分在三维空间上了解分子的结构与性能的关系 立体化学对生命科学有极端重要的意义 研究内容 分子的构型和构象的不同对其物理性质和化学反应的影响 本章侧重介绍 立体异构反应的立体化学分别在各章有关地方介绍 异构体 具有相同的分子式的不同化合物有机化合物的异构现象 异构现象 由化学键的刚性和方向性引起的 1808年 E Malus 1815年Biot等发现有些晶体有旋光性 1848年 Pasteur 巴黎师大 发现酒石酸钠铵有两种晶体 分开溶解得两种旋光方向相反的溶液 其旋光性与晶体性质无关 是分子中不对称结构引起的 1874年 范霍夫提出碳原子四面体结构 他指出如果一个C原子上连有四个不同的原子或基团 则在空间可有两种不同的排列方式 如乳酸 8 1对映异构体和手性分子 一 研究历史 它们互为实物和镜像的关系 但又不能重合 这种现象好比人的左手和右手的关系 故称为手性 它们是一对异构体 互称对映异构体 简称对映体 都称为手性分子 和镜像可以重叠的分子 叫非手性分子 连有四个不同基团的碳原子称为手性碳原子 生活中的镜像 二 手性分子的判定 1 对称面 一个平面把分子分成互为物像的两部分 一 最直观方法 物像不能重合 二 手性碳原子 一个手性碳原子则是手性分子 三 对称因素 2 对称中心若分子中有一点 通过该点画任何直线 在离此点等距离的两端有相同的基团 则该点称为分子的对称中心 例如 3 对称轴 Cn 以设想直线为轴旋转360 n 得到与原分子相同的分子 该直线称为n重对称轴 例如 无有无有对称轴不能作为分子是否具有手性的判据 4 交替对称轴 略 结论 有对称面 对称中心 交替对称轴的分子无手性 反之 一般可判定为手性分子 对称轴不能作为分子是否具有手性的判据 8 2 物理性质 光学活性对映体的性质在非手性环境下是相同的 光学活性不同一 偏振光和比旋光度 普通光线在均匀介质中直线传播 同时在垂直于前进方向的平面内进行无数个方向振动 如果让光通过一个象栅栏一样的Nicol棱镜 只有与棱镜晶轴方向平行的光才能通过 而通过棱镜的光就只能在一个方向上振动 只在一个平面上振动的光 称为平面偏振光 简称偏振光 偏振光通过手性物质时 其振动面可以被手性物质旋转一定的角度 能使偏振光振动面旋转的物质 叫旋光性物质 使偏振光旋转的角度 称为旋光度 以 表示 因旋光度受温度 光源 浓度 管长等因素的影响 为了便于比较 常用比旋光度 来表示 式中 为试样的旋光度 c为试样的浓度 g ml l为盛液管的长度 dm t测样时的温度 为光源的波长 用钠光D表示 旋光方向 右旋 左旋 列比旋光度的数值时必须给出使用的溶剂及溶液的浓度 例如 右旋乳酸在20 下 5 乙醇中的比旋光度应表示为 一对对映中 两个异构体旋光方向相反 比旋光度数值相等 因此对映异构也叫旋光异构 二 旋光度的测量旋光仪 S 乳酸 R 乳酸mp53oCmp53oC D 3 82 D 3 82 15 15 三 外消旋体酸牛奶中的乳酸没有旋光性 是因为该乳酸是左旋和右旋乳酸的等量混合物 一对对映体的等量混合物称为外消旋体 外消旋体用 表示 四 e e 值 对映体过量值 合成中研究重点 8 3 含一个手性碳原子的化合物 含一个手性碳原子的化合物 在空间有两种不同的排布 它们互为实物与镜像的关系 对映体 一 表示手性分子的空间形象 Fischer投影式 碳链作竖线 编号最小的碳放在上面 横线表示伸向前方的键 竖线表示伸向后方的键 交叉点代表一个C原子 使用Fischer投影式的注意事项 比较两个化合物的构型时不能离开纸平面翻转 3 任意对换两个基团的位置 构型翻转 4 可以固定一个基团 其他基团按顺时针 或逆时针 方向转动 得到的化合物构型不变 8 4构型表示法 一 D L命名法相对构型 D 甘油醛L 甘油醛 其它化合物的构型通过化学转变与标准物质联系确定 例如 D 甘油醛 D 乳酸 H O 由上可见 构型与旋光方向没有确定的关系 1951年Fischer人为指定甘油醛的构型 1951年Bijroet用X Ray衍射法成功测定 酒石酸钠铷的绝对构型 与由Fischer人为指定的甘油醛推导出的构型碰巧一致 相对构型 变成绝对构型 D L命名法的局限性 只适用于型的化合物 2 同一化合物通过不同的推导路线 结论有时不一致 3 有许多化合物无法与甘油醛联系 D L命名法主要在碳水化合物和氨基酸中使用 二 R S标记法 1970年 IUPAC建议采用R S命名法 根据基团优先顺序规则 若a b c d 判定规则 1 将d置于背面最远处 2 若a b c顺时针 R 若a b c反时针 S 例 基团的定序规则与Z E命名时一样 1 单原子比较原子序数 SO3H SR OR OH CH2Cl CH3 SO3H OH NH2 CH3 3 基团含有双键或三键时 当作两个或三个单键看待 如 2 基团依次比较 4 遇有同位素时 则质量大的原子优先 例如 D H R 2 溴丁烷 三 Fischer投影式的R S标记 顺序最小的原子 或基团 在竖线上 顺时针排列为R构型 逆时针排列为S构型 顺序最小的原子 或基团 在横线上 顺时针排列为S构型 逆时针排列为R构型 R 2 氨基丙酸 2S 3R 2 氯 3 溴戊烷 8 5含一个以上手性碳原子化合物8 5 1 含两个不同手性碳原子化合物 异构体数目 4 22 2n n 手性碳原子数目 1和2 3和4互为对映关系 1和3 4也不能重合 是立体异构 但不是镜像关系 这种不是镜像关系的立体异构称为非对映异构体 它们具有不同的物理或化学性质 非对映体中 如果仅有一个手性碳构型相反 则又称差向异构体 8 5 2 含两个相同手性碳原子化合物 以酒石酸为例 1和2 3和4互为对映关系 但仔细观察会发现1和2可以重合 是同一物质 所以异构体数目少于22个 一个含有n个不对称碳原子的直链化合物 它的旋光异构体的数目最多是2n个 1和2分子中有一个对称面 因此分子无手性 分子内含有平面对称性因素的立体异构体称为内消旋体 meso 内消旋体没有旋光性 可见 分子有手性碳原子 分子不一定有手性 等量的3和4构成外消旋体 思考 内外消旋体的异同 戊醛糖 2 3 4 5 四羟基戊醛 异构体数目23 8个 8 5 3含有三个手性碳原子的化合物 如果把戊醛糖的两端氧化成羧基 异构体只有四个 小于23 像 III IV 虽然有手性碳原子 却非手性分子 所以C 3这样的不能对分子的手性起作用的手性碳原子 叫做假手性碳原子 III IV 中C 3是手性原子 C 2和C 4所连基团构型不同 R R R S 8 6其他手性原子的手性分子 一 含N手性中心的对映异构体 四级铵盐存在对映体 二 含Si手性中心的对映异构体 三 含P手性中心的对映异构体 四 含S手性中心的对映异构体 一 丙二烯型的旋光异构体 A 两个双键相连 8 7有手性轴 不含手性原子 的旋光异构体 B 一个双键与一个环相连 1909年拆分 C 螺环形 二 联苯型的旋光异构体 某些原子或基团的半径 pm 如下 由于位阻太大引起两苯环不共平面 n 8 可拆分 光活体稳定 n 9 可拆分 95 5oC时 半衰期为444min n 10 不可拆分 三 把手化合物 提篮型化合物苯环上有足够大的不同取代基时 往往有对映体存在 n 4 m 4 可拆分 蒄 无手性 六螺并苯 有手性 四 有手性面 螺旋结构 的旋光异构体 8 8环状化合物的立体异构 单环化合物有否旋光性可以通过其平面式的对称性来判别 凡是有对称中心和对称平面的单环化合物无旋光性 反之则有旋光性 无旋光 对称面 有旋光 无旋光 对称面 有旋光 无旋光 对称面 有旋光 对于具有手性的环状化合物 仅用顺 反标记不能表明其构型 必须采用R S标记 例如 1R 2R 1 2 环丙烷二甲酸 1S 2S 1 2 环丙烷二甲酸 该顺式化合物与上面的两个反式异构体互为非对映异构体 上述分析都是建立在 环是平面结构 的基础上的 实际上 除了三元环 都不是平面结构 用平面分析1 2 二甲基环己烷 顺式属内消旋化合物 无手性 反式有手性 通过构象分析如下 如果把构像也考虑进去 结论是否一样 构象分析的结论与平面结构的分析相同为方便起见 可用平面结构来分析 环上取代基增多 异构体数目也增加 8 9对映体的化学性质一 对映体的化学性质在手性环境中差别非常大 特别是生物体内的作用 二 外消旋化反应 某一光活性物质在一定条件下被转化成外消旋体的过程 称为外消旋化 外消旋化过程常常受到光 热 试剂的影响 三 外消旋体的拆分 将外消旋体拆分成左旋体和右旋体 1 化学拆分法 将外消旋体与旋光性物质作用 得到非对映体的混合物 根据非对映体不同的物理性质 用一般的分离方法将它们分离 拆分酸时 常用的旋光性碱主要是生物碱 如 奎宁 马钱子碱 番木鳖碱 拆分碱时 常用的旋光性酸是酒石酸 樟脑 磺酸等 对非酸非碱的外消旋体 可以设法在分子中引入酸性基团 1gR氨基醇 5gS 5gR氨基醇饱和液 80 100ml 析出2gR氨基醇 余下4gR 5gS 分去晶体 剩下母液 过滤 加水至100ml 冷却至20 80 加2g消旋体 冷却至20 2gS氨基醇析出 2 接种晶种拆解法有意识地加入某种旋光体作晶种 3 微生物或酶作用下的析解生物体中的酶或细菌等具有旋光性 当它们与外消旋体作用时 具有较强的选择性 例如 在外消旋酒石酸中培养青霉素 只消耗右旋酒石酸 留下左旋酒石酸 4 色谱分离法选择光活性物质作色谱的吸附剂 5 机械分离法 通过化学反应 可以在非手性分子中形成手性碳原子 例1 烷烃氯化 2 氯丁烷 但是产物并不具有旋光性 外消旋体 四 手性合成 若在反应时存在某种手性条件 则新的手性碳原子形成时 两种构型生成的机会不一定相等 对映体之一的含量稍多些 这种不经过拆分直接合成出具有旋光性的物质的方法 叫手性合成 或不对称合成 在手性基团的影响下 新的手性碳原子两种构型的生成机会不是均等的 此时左旋体的含量较多 酮酸直接还原 只能得到外消旋的 羟基酸 若将酮酸先与旋光性的醇作用 生成旋光性的酮酸酯后再还原 最后水解 则得到具有旋光性的羟基酸 利用各种手性化学试剂或某些微生物或酶的高度选择性来进行不对称合成 起始原料为非手性分子 但在合成过程中有手性分子参加反应 所以叫部分手性合成 如果在整个反应中没有手性分子参加 只是在某物理因素的影响下进行的手性合成 叫绝对手性合成 8 10立体化学在研究反应历程中的应用举例