第八章 立体化学.ppt

第八章立体化学 1 有机化合物结构异构的分类 2 对映 旋光 异构与手性分子 手性 旋光性 对映体 内外消旋体 不对称合成的基本概念 3 构型的两种表示方法 楔形式和Fischer投影式 构型的R S标记法 4 含有一个或多个手性碳原子化合物的立体异构 5 环状化合物无或含其它手性碳原子的化合物的立体异构 6 外消旋体的拆分与不对称合成的基础知识 本章主要内容 本章主要讨论立体化学中的对映异构 1 有机化合物的同分异构现象及分类 8 0有机化合物结构的概念与分类 立体化学 研究有机分子的三维空间结构 立体结构 及其对化合物物理性质和化学反应的影响 立体异构体 分子的构造相同 只是立体结构不同的化合物是立体异构体 包括构型和构象异构 构型 分子中原子或原子团在空间的排列方式 构型的改变需要断裂化学键 构象 相同构造的分子由于 键的旋转导致原子或原子团在空间排布方式不同 构象的改变不需要断裂化学键 构造指的是分子中原子相互联结的方式和次序 构造的变更需要断裂化学键 2 立体化学的基本概念 镜象 物体通过镜面反映出来的形象 特征是以镜面为对称轴 实物与镜象互相对称 但不能重合 例1 自然中的镜象 8 1镜象 手性 对称因素与对映体 例2 左右手的镜象 立体化学中 不能与镜象叠合的分子叫手性分子 而能叠合的分子叫非手性分子 手性 Chirality 与手性分子的概念 一个物体若与自身镜象不能叠合 叫具有手性 左手和右手不能叠合 左右手互为镜象 例 乳酸 2 羟基丙酸CH3 CHOH COOH 的立体结构 饱和碳原子 sp3杂化 具有四面体结构 乳酸的分子模型图 两个乳酸模型不能叠合 乳酸的两个模型的关系象左手和右手一样 它们不能相互叠合 但却互为镜象 乳酸是手性分子 一个分子是否能与镜象叠合 与分子的对称性相关 通过考察分子的对称性可以判断是否手性分子 考察分子的对称性 要考察的对称因素有以下四种 设想分子中有一条直线 当分子以此直线为轴旋转360 n后 n 正整数 得到的分子与原来的分子相同 这条直线就是分子的n重对称轴 有2重对称轴的分子 C2 旋转180 n 2 例 2 丁烯 分子的对称性与手性的关系 1 对称轴 旋转轴 Cn 设想分子中有一平面 它可以把分子分成互为镜象的两半 这个平面就是对称面 有对称面的分子 例 氯乙烷 2 对称面 镜面 设想分子中有一个点 从分子中任何一个原子出发 向这个点作一直线 再从这个点将直线延长出去 在与该点前一线段等距离处 可以遇到一个同样的原子 这个点就是对称中心 有对称中心的分子 1 3 二甲基环丁烷 1 2 二氯乙烯 3 对称中心 i 设想分子中有一条直线 当分子以此直线为轴旋转360 n后 再用一个与此直线垂直的平面进行反映 即作出镜象 如果得到的镜象与原来的分子完全相同 这条直线就是交替对称轴 旋转90 后得 作镜象得 等于 该分子为有4重交替对称轴的分子 记为S4 4 n 4 4 交替对称轴 旋转反映轴 Sn 以下分子中存在哪些对称因素 Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl 绕轴旋转90 镜面 C2 2 无i S4 重合 思考题1 手性分子 既无对称面 又无对称中心 也无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 非手性分子 凡具有对称面 对称中心或交替对称轴的分子 对称轴的存在与否对分子是否具有手性没有决定作用 对有机分子而言 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 手性分子的一般判断 只要一个分子既没有对称面 又没有对称中心 就可以初步判断它是手性分子 对称因素与手性的关系总结 凡是手性分子 必有互为镜象的构型 分子的手性是存在对映体的必要和充分条件 互为镜象的两种构型的异构体叫做对映异构体 简称对映体 一对对映体的构造相同 只是立体结构不同 这种立体异构就叫对映异构 例如 乳酸是手性分子 故有对映体存在 对映体之间性质差异 对映异构与对映异构体 对映体的一般物理性质 熔点 沸点 相对密度 以及光谱 都相同 只有对偏振光的作用不同 偏正光的形成 偏正光的旋转 8 2旋光性和比旋光度 8 2 1旋光性 旋光性 能旋转偏正光的振动方向的性质 旋光性物质 或光活性物质 具有旋光性的物质 旋光的相关概念及旋光性的表示方法 在有机化学中 凡是手性分子都具有旋光性 而非手性分子则没有旋光性 对映体是一对相互对映的手性分子 它们都有旋光性 两者的旋光方向相反 但旋光度 能力 相同 右旋物质 能使偏正光的振动方向向右旋的物质 通常用 d 或 表示右旋 左旋物质 能使偏正光的振动方向向左旋的物质 通常用 l 或 表示左旋 旋光度 偏正光振动方向的旋转角度 用 表示 由旋光仪测得的旋光度 甚至旋光方向 不仅与物质结构有关 而且与测定的条件 样品浓度 盛放样品管的长度 偏正光的波长及测定温度等 有关 1 比旋光度 在溶液浓度规定为1g mL 盛液管的长度规定为1dm的条件下测得的旋光度叫比旋光度 一般用 表示 比旋光度 只决定于物质的结构 各种化合物的比旋光度是它们各自特有的物理常数 8 2 2比旋光度 用任一浓度的溶液 在任一长度的盛液管中进行测定 然后将实际测得的旋光度 按下式换算成比旋光度 式中 C 溶液浓度 g ml l 管长 dm 若被测得物质是纯液体 则按下式换算 l 式中 液体的密度 g cm3 l C 2 比旋光度的测定与换算 通常将测定时的温度和偏正光的波长标出 t 溶剂对比旋光度也有影响 所以也要注明溶剂 例 在20 时 以钠光灯为光源测得葡萄糖水溶液的比旋光度为右旋52 5 记为 D 代表钠光波长 因钠光波长589nm相当于太阳光谱中的D线 3 比旋光度的表示方法 手性碳原子 有机化合物中手性分子大都含有与四个互不相同的基团相连的碳原子 这种碳原子没有任何对称因素 叫不对称碳原子或手性碳原子 在结构式中通常用 标出手性碳原子 含有一个手性碳原子的分子一定是手性分子 一个手性碳原子可以有两种构型 具有手性的物质与分子中有无手性碳原子无关 8 3含有一个手性碳原子的化合物的对映异构 例 乳酸CH3CHOHCOOH 右旋乳酸 15 2 6 熔点 53 左旋乳酸 15 2 6 熔点 53 外消旋体不仅没有旋光性 且其他物理性质也往往与单纯的旋光体不同 例如 外消旋体乳酸熔点为18 D D 外消旋体 由等量的对映体相混合而成的混合物 乳酸的分子模型和投影式 两个竖立的键 表示向纸面背后伸去的键 两个横在两边的键 表示向纸面前方伸出的键 在纸面上旋转180 构型不变 旋转90 或270 或翻身 镜象 牢记 8 4构型的表示法 构型的确定和构型的标记 8 4 1构型的表示法 1 菲舍尔 Fischer 投影式 将手性碳原子表示在纸面上 用实线表示在纸面上的键 虚线表示伸向纸后方的键 用锲形实线表示伸向纸前方的键 Fischer投影式 锲形式 锲形式 Fischer投影式 2 锲形式 比较直观 8 4 2构型的确定菲舍尔投影式 锲形式看不出左 右旋 旋光仪可测定旋光方向 但不能判断构型 甘油醛 标准比较法 人为指定 为右旋甘油醛 的构型 为左旋甘油醛 的构型 以甘油醛这种的构型为标准 比照其他化合物的的结构来确定相对构型 左旋乳酸D 测定此乳酸旋光方向为左旋 比照方法 利用反应过程中与手性碳原子直接相连的键不发生断裂 以保证手性碳原子的构型不发生变化 最后和规定构型的甘油醛进行结构比照 例如 通过系列化学反应证明 左旋乳酸和右旋甘油醛的构型一致D 右旋甘油醛指定构型D Na Hg 两种甘油醛的绝对构型 和规定的一致 右旋酒石酸铷钠的绝对构型 1 标准比较法得出此构型 测得结果为右旋 2 X光衍射直接确定右旋酒石酸铷钠与此推出的构型一致 3 所以人为指定的甘油醛的构型也是其绝对构型 以此为标准确定的其它相对构型也是绝对构型 注意 从构型上不能判定物质的旋光方向 须测定 构型的确定在于阐明左 右旋某物质的连接次序 即分子中各原子或基团在空间的排列方式 构造相同而构型不同的异构体在命名时 有必要对其构型予以标记 构型的标记方法有两种 右旋甘油醛的构型定为D型 左旋甘油醛的构型定为L型 凡通过实验证明其构型与D 相同的化合物 都叫D型 在命名时标以 D 而构型与L 甘油醛相同的 都叫L型 在命名时标以 L 例 左旋乳酸 D 乳酸 右旋乳酸 L 乳酸 D L只表示构型 而不表示旋光方向 旋光方向以 右旋 左旋 表示 D L标记法只适合分子中含有一个C 的构型 8 4 3构型的标记 1 以甘油醛为对照标准的D L法 根据手性碳原子所连接的四个不同基团在空间的排列次序来标记构型的方法 假定手性碳原子所连接的四个基团为a b c d 并将它们按次序 次序规则 原子序数大小 排队 若a b c d四个基团的顺序是a b c d 将该手性碳原子在空间作如下安排 2 R S标记法 把排在最后的基团d放在离观察者最远的位置 然后按轮转方向abc观察其他三个基团 轮转方向为顺时针 该C 的构型标记为 R 右 轮转方向为逆时针 该C 的构型标记为 S 左 例如 锲形式的R S标记法 R S 顺时针 反时针 基团次序为 a b c d R Rectus 右 S Sinister 左 1 将次序排在最后的基团d放在一个竖立的 即指向后方的 键上 然后依次轮看a b c 2 轮转顺序为顺时针 该投影式代表的构型为R型 轮转顺序为逆时针 该投影式代表的构型为S型 c 基团次序为 a b c d 顺时针 逆时针 一 菲舍尔投影式中最小的基团d在竖键上 3 菲舍尔投影式的R S标记法 顺时针方向轮转的 该投影式代表的构型为S型逆时针方向轮转的 该投影式代表的构型为R型 基团次序为 a b c d 二 菲舍尔投影式中最小的基团d在横键上 d在竖键上 d在横键上 顺时针 逆时针 R S 逆时针 顺时针 例如 乳酸CH3CHCOOH手性碳原子的四个基团排队 OH 基团次序 OH COOH CH3 H 因此乳酸的两种构型可识别和标记如下 右旋 S 乳酸 左旋 R 乳酸 S楔形式 投影式 R H在竖键 判断下列物质菲舍尔投影式的构型 思考题2 Br H Cl CH3 H2N H CH3 CH3 Cl COOH CH CH3 2 ClCH2 基团次序 Br Cl CH3 H H2N COOH CH3 H Cl CH2Cl CH CH3 2 CH3 S S R 4 分子中有多个手性碳原子的化合物 命名时可用R S标记法将每个手性碳原子的构型一一标出 例如 C 2所连接的四个基团的次序 OH CHOHCH2CH3 CH3 H 所连接的四个基团的次序 OH CHOHCH3 CH2CH3 H 2S 3R 2 3 戊二醇 5 手性化合物的命名 将手性碳原子的位次连同构型写在括号里 例如 注意 R和S是手性碳原子的构型根据所连基团的排列顺序所作的标记 在一个化学反应中 如果手性碳原子构型保持不变 产物的构型与反应物的相同 但它的R或S标记却不一定与反应物的相同 反之 如果反应后手性碳原子的构型发生了转化 产物构型的R或S标记也不一定与反应物的不同 因为经过化学反应 产物的手性碳原子上所连接的基团与反应物的不样了 产物和反应物的相应基团的排列顺序可能相同 也可能不同 产物构型的R或S标记 决定于它本身四个基团的排列顺序 与反应前后构型是否保持不变无关 例如 R S 结论 含有一个手性碳原子的化合物有一对对映体 分子中若有多个手性碳原子 立体异构的数目就要多些 若含有n个手性碳原子的化合物 最多可以有2n种立体异构 有些分子的立体异构数目少于2n这个最大数 8 5含有多个手性碳原子化合物的立体异构 例 2 羟基 3 氯丁二酸HOOC CH CH COOH的立体异构OHCl 这四种异构体中 I 和 II 是对映体 III 和 IV 是对映体 I 和 II 等量混合物是外消旋体 III 和 IV 等量混合物也是外消旋体 I 或 II 和 III IV 是非对映体 非对映体 I 和 III 或 IV 以及 II 和 III 或 IV 也是立体异构 但它们不是互为镜象 不是对映体 这种不对映的立体异构体叫做非对映体 非对映体旋光度不相同 而旋光方向则可能相同 也可能不同 其它物理性质都不相同 非对映体混合在一起 可以用一般的物理方法将它们分离出来 2 羟基 3 氯丁二酸的物理性质 例 酒石酸HOOC CH CH COOH的立体异构OHOH 这四种异构体中 I 和 II 是对映体 III 和 IV 是同一种物质 它们平面旋转180 可以相互叠合 如下图 IIIIIIIV 2R 3R 2S 3S 2R 3S 2S 3R 有些分子的立体异构数目少于2n这个最大数 III 通过C 2 C 3 键中心点的垂直线为轴旋转180 就可以看出它可以与 IV 是叠合的 以黑点为中心在纸面上旋转180 III 和 IV 是同一种物质的本质原因 两个手性碳原子连接的基团完全相同 在它的全重叠式构象中可以找到一个对称面 在它的对位交叉式构象中可以找到一个对称中心 内消旋体 III 和 IV 分子内存在对称面 能与其镜象叠合 不是手性分子 因此也没有旋光性 这种物质叫内消旋体 内消旋体与外消旋体均无旋光性 但它们的本质不同 酒石酸之所以有内消旋体 是由于它的两个手性碳原子所连接基团的构造完全相同 当这两个手性碳原子的构型相反时 它们在分子内可以互相对映 因此整个分子不再具有手性 含有多个手性碳原子的分子却不一定都有手性 所以不能说凡是含有手性碳原子的分子都是手性分子 内消旋酒石酸 III 和有旋光性的酒石酸 I 或 II 是非对映体 它不仅没有旋光性 并且物理性质也相差很大 酒石酸的物理性质 外消旋体206 酒石酸对映异构体小结 例如 戊醛糖 2 3 4 5 四羟基戊醛 含三个C 的化合物最多可能有23 8种立体异构 如果把戊醛糖的两端氧化成羧基 就只有四种立体异构体 假手性碳原子 III IV 中尽管C 3是手性原子 C 2和C 4所连基团虽构造相同 但构型不同 但 III IV 却是非手性分子 像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 R R R S 在含有多个手性碳原子的立体异构体中 只有一个手性碳原子的构型不相同 其余的构型都相同的非对映体 又叫差向异构体 例1 内消旋酒石酸与有旋光性的酒石酸只有一个碳原子的构型不相同 所以它们是差向异构体 IIIIIIIV 2R 3R 2S 3S 2R 3S 2S 3R 相同分子内消旋 I 和 和 III 都是差向异构体 差向异构体 例2 I 和 II I 和 III I 和 IV 也都是差向异构体 外消旋体和内消旋体都无旋光性 内消旋体是一种纯物质 外消旋体是由一对旋光方向不同而其它物理性质相同的对映体等量混合而成 可以拆分 拆分 将外消旋体分离成旋光体的过程叫 拆分 用一般的物理方法 分馏 分步结晶等 不能把一对对映体分离开来 必须用特殊方法 拆分的方法 1 机械拆分法 利用外消旋体中对映体的结晶形态上的差异 借肉眼直接辨认 或通过放大镜进行辨认 而把两种结晶体挑捡分开 目前很少用 2 微生物拆分法 利用某些微生物或它们所产生的酶 对对映体中的一种异构体有选择的分解作用 8 6外消旋体的拆分 3 选择吸附拆分法 用某种旋光性物质作为吸附剂 使之选择性地吸附外消旋体中的一种异构体 形成两个非对映的吸附物 4 诱导结晶拆分法 晶种结晶法 在外消旋体的过饱和溶液中 加入一定量的一种旋光体的纯晶体作为晶种 于是溶液中该旋光体含量多 在晶种的诱导下优先结晶析出 5 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 例如酸的化学拆分 酸的拆分步骤可用下列通式表示 常用的旋光性碱主要是生物碱 如 奎宁 马钱子碱 番木鳖碱 常用的旋光性酸是酒石酸 樟脑 磺酸等 拆分酸时常用旋光性碱 拆分碱时常用旋光性酸 拆分的意义 大多数化学合成产物都是外消旋体 但往往旋光性物质有独特的化学活性或化学活性要远优于外消旋体 例如化学合成的非甾体消炎镇痛药 酮基布洛芬是外消旋体混合物 研究表明其中S 酮基布洛芬的药效是外消旋体的2倍 拆分意味着临床只需要一半剂量即可达到同样疗效 不经过拆分利用某种手性条件直接合成出具有旋光性物质的方法 叫手性合成 或不对称合成 通过化学反应能在非手性分子中形成手性碳原子 例1 烷烃氯化 例2 丙酮酸还原 2 氯丁烷 2 羟基丙酸 以上两个反应的产物无旋光活性 外消旋体 若在反应时存在某种手性条件 则新手性碳原子形成时 两种构型生成的机会不一定相等 某种对映体的含量稍多些 8 7手性合成 例如 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 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 此时左旋体的含量多于右旋体的混合物 相对含量用ee值表示 互为镜像 对称结构两个进攻方向 产物不一样 思考题3 写出烯烃的溴代反应历程以及终产物的立体结构 湖南大学 有对映体 有对映体 不对称结构 上下均可成环 思考题4 北京科技大学 环烷烃只要在环上有两个碳原子各连有一个取代基 就有顺反异构 如环上有手性碳原子 则有对映异构现象 观察碳原子所在的环左右是否具有对称性 若无对称性则相当于连接两个不一样的官能团 该碳原子是手性碳原子 含有手性碳原子环状化合物不一定是手性分子 如内消旋体 薄荷醇的平面式3个 8个光学异构体 环状化合物手性碳原子的判断 8 8环状化合物的立体异构 例1 2 羟甲基环丙烷 1 羧酸 四种立体异构体 对映体 对映体 例2 将2 羟甲基环丙烷 1 羧酸氧化成环丙烷二羧酸 三种立体异构体 有一个内消旋体 II 和 III 是一对对映体 I 和 II 或 III 是非对映体 对映体 内消旋体 例3 二元取代环丁烷的立体异构的数目与取代基的位置有关 环丁烷 1 3 二羧酸 环丁烷 1 2 二羧酸 北京科技大学 下列生成物是如何形成的 是否为同一物质 不对称结构 上下均可成环 每环一个进攻方向 Br 加成符合马式规律 形成不同的产物 上成环 下成环 思考题5 思考题6 北京化工大学 写出烯烃的硼氢化氧化反应产物的立体结构 在有机化合物中 也有一些手性分子并不含有手性碳原子 这些手性分子都有对映体存在 例1 丙二烯 当第一和第三个碳原子分别连有不同基团时 整个分子就是一个手性分子 因而有对映体存在 中间的C为sp杂化 C 8 9 不含手性碳原子化合物的对映异构 例2 联苯邻位上有较大取代基时 两个苯环不在