第三章立体化学介绍.ppt

1848年 巴斯德指出旋光活性是分子的不对称结构导致的 并首次将酒石酸拆分为左旋体和右旋体 1874年 范德霍夫和勒贝尔据此提出碳原子四面体构型学说 这是立体化学的基础 正四面体结构碳原子的存在是生命分子结构不对称性的基础 关于有机分子结构不对称性的起源及其在生命过程中的意义 迄今尚无完美的答案 立体化学 探讨有机物分子结构和反应立体性 exit 有机化学 旋光异构 内容提要 3 1手性分子及其光学活性一 手性和手性分子二 对映体及其光学活性三 旋光度的测定和表示 3 2手性分子的判定一 含一个手性碳原子的化合物二 旋光异构体构型的表示方法和命名 三 含两个不同手性碳原子的化合物四 含两个相同手性碳原子的化合物 3 3手性分子的构型及其表示 3 4含多个手性碳的化合物 3 5不含手性碳的手性分子 3 6潜手性碳和潜手性面 3 7旋光异构体的理化性质 3 8外消旋体的拆分 3 8天然手性分子的生物活性 第三章立体化学 旋光异构Opticalisomerism 构造异构 碳链异构官能团异构位置异构互变异构 立体异构 构象异构顺反异构 几何异构 旋光异构 光学异构 构型 同分异构 一 手性和手性分子手性 指物体和镜像不能完全叠合的性质 手性物体 手性的本质是不对称性 一个不对称的物体一定是具有手性的 该物体就称为手性物体 手性是三维物体的基本属性 手性现象在自然界是普遍存在的 手性分子 具有手性的分子称为手性分子 Chiralmolecule 或光学活性分子 opticalactivemolecule 很多天然分子都是手性分子 如糖 氨基酸 蛋白质 核酸等 3 1手性分子及其光学活性 二 对映体及其光学活性 对映体 互为实物与镜像关系的两个分子互相称为对映体 对映体的构造相同 但分子的三维空间构型不同 互为对映体的两个手性分子具有不同的光学活性 它们的光学活性用旋光度 Opticalrotation 来反映 旋光度 平面偏振光的偏振面旋转的角度 三 旋光度的测定和表示 旋光异构现象 偏振光和旋光活性 牛奶发酵肌肉运动糖发酵 乳酸 C3H6O3 三种不同来源的乳酸 分子式相同 结构式相同 但某些性质有差异 例如 使偏振光振动平面旋转的方向不同 1 偏振光 1 偏振光光波是一种电磁波 它是依靠振动前进的 其振动方向垂直于前进方向 普通光是由不同波长的光波组成的 双箭头表示不同波长的光可能的振动方向 普通光振动示意图 但如果使普通光通过由方解石片组成的Nicol棱镜或由人造偏振片制成的透镜 那么只有振动方向与棱镜晶轴平行的光才能通过 这种通过棱镜后只能在一个平面上振动的光称为平面偏振光 简称偏振光 1809年Malus首次发现 平面偏振光振动示意图 2 起偏镜产生偏振光的棱镜 起偏镜 3 检偏镜若要使偏振光射在第二个Nicol棱镜上 只有当第二个棱镜的晶轴于第一个棱镜的晶轴平行时 偏振光才能完全通过 我们才能在第二个棱镜之后看到最大亮度的光 也就是说 第二个棱镜可以检验偏振光的振动方向 检偏镜 普通光和偏振光 2 旋光活性 1 旋光活性使偏振光的偏振面发生旋转的性质 2 旋光活性物质具有旋光性质的物质 葡萄糖 肌肉运动和糖发酵产生的乳酸等 3 无旋光活性物质对偏振光不发生影响的物质 水 乙醇和丙酮等 3 旋光度某种旋光性物质使偏振光的偏振面旋转的角度 用 表示 4 右旋体使偏振光的偏振面向右旋转的物质 用 或 d 表示右旋 5 左旋体使偏振光的偏振面向左旋转的物质 用 或 l 表示左旋 6 旋光仪测定旋光物质 大小和旋转方向的仪器 旋光仪示意图 7 比旋光度某物质的旋光度因溶液浓度 盛液管长度 测定温度 光源波长及溶剂性质不同而变 为比较各种旋光活性物质旋光性的大小 规定每毫升含1g旋光性物质的溶液放在1dm长的样品管中测得的旋光度为该物质的比旋光度 它是旋光物质特有的物理常数 C g ml l dm 例 肌肉运动产生的乳酸 3 8 右旋糖发酵产生的乳酸 3 8 左旋牛奶发酵产生的乳酸 0 3 2手性分子的判定一 手性与分子结构之间的关系1 手征性 实物和镜像不能完全重合的特性 例1 人的左右手 互为实物与镜像的关系 不能完全重合 不能相互重合 但互为镜像 互为镜像的两种构型的分子称为对映异构体 与其镜像不能重合的分子称为手性分子 2 手征性分子手征性分子 与自己的镜像不能重叠的分子 也称为不对称分子 1848年 法国科学家Pasteur发现无旋光活性的酒石酸钠铵晶体是两种晶形的混合物 它们之间的关系类似于两种石英晶体 Biot 具有手征性 且互为实物和镜像不能重合 他用镊子将这两种晶体分开 分别溶于水 二者均有旋光活性 测得的比旋光度大小相等 方向相反 Pasteur由晶体的外形联想到酒石酸钠铵的内部结构 认为物质的旋光活性是由于分子中原子或基团的排列不对称 即分子有手性的缘故 并明确指出 结构式相同的两种物质的旋光活性差异是由于分子中的原子或基团在空间的排列不同而引起的 然而对于两种来源不同的乳酸 要想证明旋光活性的差异是由于分子中的原子或基团在空间的排列不同而引起的 就必须先证实它们的结构相同 德国科学家Wislisennus利用10年的时间证实了肌肉运动和糖发酵产生的乳酸结构式确实相同 2 羟基丙酸 在空间的两种排列 由此得出结论 如果分子在结构上是相同的 但旋光活性不同 那么这种差别就只可能是原子或基团在空间的排布不同 而且这两种空间排列都是不对称的 也就是说 该分子具有手性 如果这两种不同的排布互为实物和镜像不能重合 那么所对应的两种物质彼此间比旋光度大小相等 方向相反 因而 分子的手性是引起旋光性的根本原因 旋光活性 充要条件 手征性分子 二维结构相同 原子或基团在空间排列为不对称 分子有手性 物质有旋光活性 立体异构现象 旋光异构现象 旋光异构体 3 手征性碳原子SP3杂化的碳原子连接的四个原子 或基团 不同 这个中间C原子叫手性C原子 或叫不对称C原子 用C 表示 在生物体内 存在大量手性分子 例如 1 葡萄糖有营养的是它的右旋体 2 氯霉素 只有左旋体有疗效 3 麻黄素 右旋体不仅没有疗效而且还干扰左旋体的作用 检验手性分子常用的方法 偏振光 例如 乳酸CH3C H OH COOH 其他手征性原子 4 对映体 如果两个旋光异构体互为实物和镜像不能重叠的关系 一对对映体 例如 肌肉运动产生的乳酸和糖发酵产生的乳酸就是一对对映体 一对对映体比旋光度相等 方向相反 糖发酵产生的乳酸 3 8 左旋体 对映体 旋光异构体 肌肉运动产生的乳酸 3 8 右旋体 一对对映体 一对对映异构体 表示为 含C 的分子 手性分子 二 手性分子的判定 思考 怎样判断一个分子为手性分子 or怎样判断一个化合物是否存在旋光异构 例1 含C 的分子 手性分子 分子内部无对称因素 分子具有手征性 分子为不对称分子 充要条件 对称因素包括 对称面 对称中心 对称轴 更迭对称轴等 但对大多数有机物特别是链状化合物 只要根据分子中是否存在对称面 对称中心就可以判断分子是否有手性 怎样判断不对称 只要理解对称就可以了 1 对称面 若有一个平面能将分子切成两部分 其中一部分正好是另一部分的镜像 这个平面就是这个分子的对称面 结论 有对称面的分子 实物和镜像能重叠 无手性 无对映异构体 例如 1 1 二氯乙烷反 1 2 二氯乙烯 p 反 1 3 二氟 2 4 二氯环丁烷 结论 有对称中心的分子 实物和镜像能重叠 无手性 无对映异构体 p 反 1 2 二氯乙烯 2 对称中心 i 分子中有一点p 若在离p等距离的两端有相同的原子或基团 p点为该分子的对称中心 有对称面或对称中心 分子为对称分子 无手性 基团在空间只有一种排列 无旋光异构现象 分子既无 又无i 它们是手性分子 为旋光异构体 练习 判断下面分子有无手性 对称轴 注意 对称轴不能作为分子有无手性的判据 旋转1800 判断一个分子有无手性 一般只要判断这个分子有无 i 若既没有 又没有i 则这个分子有手性 有对映异构体 有旋光性 若分子有 或i 则这个分子无手性 结论 3 3手性分子的构型及其表示 p84 一 含一个手性碳原子的化合物分子式 结构式相同 含一个手性碳原子 旋光异构体总数 2 一对对映体 构型相反 比旋光度大小相等 方向相反 一对对映体的等量混合物 外消旋体 空间的两种排列 例如 牛奶发酵产生的乳酸就是右旋体 肌肉运动产生的乳酸 和左旋体 糖发酵产生的乳酸 等量混合所得到的外消旋体 外消旋体表示为 或dl 0 外消旋体不同于一般的混合物 有固定的物理常数 例如 乳酸 m p 16 8 乳酸和 乳酸m p 52 8 2 透视式 1 球棒模型 二 构型的表示法 p84 1 构型的表示方法 特点 构型直观 缺点 书写麻烦 楔形透视式 基本规定 用实线表示在纸面上的键 虚线表示伸向纸平面后方的键 楔线表示伸向纸平面前方的键 如图 FischerHE 3 Fischer投影式 费歇尔投影式 与手性碳横向相连的基团朝向纸平面的前方 竖向相连的基团朝向纸平面的后方 手性碳处于纸平面上 将其投影 所得平面投影式称为费歇尔投影式 投影 费歇尔投影式 2 费歇尔 Fischer 投影式的书写 规定 碳链放在竖直方向 将碳链中编号为1的C放在竖线上方 手性C原子放在纸平面上用 字表示 竖线表示在纸平面后方 横线表示在纸平面前方 即 横前竖后 例如 写出CH3CHOHCOOH的对映异构 OH COOH H 其他基团放在横线两端 1 2 3 or 编号 将手性C放在 字心上 将1号C放在竖线上方 和C 相连的另一C基团 CH3基 放在竖线下方 画 字 方法 CH3 练习 写出分子CH3CH2CHClCHO的费歇尔投影式 二 构型的标记 p85 1 相对构型D L标记法互为对映体的两种乳酸 其右旋体和左旋体的构型究竟是哪一种 这在1951年前无法解决 即不知道这两种构型的真实空间排列 为了区别这二者 必须有一个统一的标准 才不至于引起混乱 1906年 Rosanoff从甘油醛与糖的关系出发 建议以甘油醛为标准 并规定 甘油醛的构型为 D 甘油醛L 甘油醛 OH HO 通过一系列不改变手性碳构型的化学反应 将其它旋光性物质的分子构型与该标准联系起来 例 D 乳酸 OH OH D 甘油醛 OH D 甘油酸 以甘油醛为相对标准 所表示的旋光性物质的分子构型 相对构型 由D 甘油醛通过不使构型改变的一系列化学反应而衍生得到的旋光性物质 或通过不使构型改变的一系列化学反应而使之变成D 甘油醛的旋光性物质 的分子构型 D 构型 同样 由L 甘油醛衍生得到的旋光性物质的分子构型 L 构型 D 甘油醛L 甘油醛 D 乳酸L 乳酸 OH OH HO HO 两种来源不同的乳酸 其 是旋光仪测出来的 D L 构型是以 甘油醛为相对标准衍生出来的 二者间无任何关系 是两个完全不同的概念 但是 D L命名法只适应于和甘油醛结构类似的其它化合物 如糖和氨基酸类 如果结构上与甘油醛没有相似之处 用不同的原子或基团类比 则同一种化合物可能确定为D 或L 构型 从而引起混乱 2 绝对构型R S标记法 p86 1951年 Bijvoet用x 射线衍射法测定了右旋酒石酸铷钾的构型 发现以甘油醛为标准而确定的构型恰好与其真实构型相符 从此由相对构型标准推出的所有旋光性物质的分子构型就称为绝对构型 系统命名法是以 次序规则 为基础 用R S命名法来确定分子的绝对构型 R Retus 拉丁文 右 S Sinister 拉丁文 左 R S标记法 OH COOH CH3 H 规则 基团排序 将手性C原子相连的4个不同的基团按次序规则排列 R S命名法 观察 找出最小取代基放在对面最远处 再由前面观察另外三个取代基的顺序 构型标记 若其余基团由大 较优基团 到小顺序为顺时针方向排列 则构型为R 若为反时针 则构型为S 绝对构型的命名原则 a b c d 1 2 3 1 2 3 4 顺时针 R 逆时针 S D 甘油醛L 甘油醛 1 2 3 基团优先次序 观察方向 R 乳酸 反时针 观察方向 顺时针 S 乳酸 例如 R 氯乙基甲醚 R 1 戊烯 3 醇 S 2 氨基丙酸 S 3 甲基 1 戊烯 顺时针 逆时针 练习 命名下列化合物 答案 S 2 碘丁烷 R 氟氯溴代甲烷 一对对映体的手性碳的构型必然相反 同样 对乳酸的一对对映体来说 其 是旋光仪测出来的 其构型是X 射线衍射法测出来的 与相对构型恰好一致 而R S 是根据命名规则判断出来的 D L R S 之间没有任何必然的联系 为了能正确命名旋光异构体的构型 必须掌握Fischer投影式的书写规则 此外 了解一些规律也有助于判断构型 Fischer投影式在纸平面上转动90 或90 的奇数倍 所得构型相反 例 R S 90 Fescher投影式在纸平面上转动90 的偶数倍 所得构型不变 例 180 R R 将Fischer投影式中C 上的任意两个原子或基团对调 C 构型改变 例 R S 将Fescher投影式中C 上的任意3个原子或基团按一定方向依次调换位置 C 构型不变 R S R a b c d S 2 溴丁烷 S 2 溴丁烷 S 2 溴丁烷 R 2 溴丁烷 练习 用R S命名法命名化合物a 并指出其余化合物b c d与a的关系 指同一物或对映异构体 3 4含多个手性碳的化合物 p87 一 含两个不同手性碳原子的化合物 例1 2 3 4 三羟基丁醛 H H 基团优先次序 C2 OH CHO CH OH CH2OH C3 OH CH OH CHO CH2OH C 2S 3R B 2S 3S D 2R 3S A 2R 3R 一对对映体 一对对映体 3 两对对映体之间 彼此两两互为非对映体 4 分子式 结构式相同 含n个不相同手性碳原子 旋光异构体总数 2n 1 分子式 结构式相同 含两个不相同手性碳原子 旋光异构体总数 22 4 2 两对对映体 A与B是一对对映体 C与D是一对对映体 A与B或C与D分别等量混合组成两种外消旋体 结论 例2 2 羟基 3 氯丁二酸 氯代苹果酸 分子中 含有两个不同的手性C原子 存在四种构型 即 归纳 互为对映异构体 比旋光度相等 方向相反 物性相同 与 与 与 与 为非对映异构体 互相间比旋光度不同 物性 化性也不同 与 与 注意 与 与 等摩尔混合 构成外消旋体 所谓非对映异构体 不成镜像关系的异构体 二 含有两个以上不相同手性C原子的化合物 2 3 4 5 四羟基戊醛 含有三个不相同手性C原子 存在着4对对映异构体即 8个旋光异构体 外消旋体数 三 含两个相同手性碳原子的化合物 p88 H 基团优先次序 C2 OH COOH CH OH COOH C3 A 2R 3R C 2S 3R B 2S 3S 一对对映体 内消旋体 meso D 2R 3S 3 一对对映体 A与B 和内消旋体 C或D 之间 彼此两两 A与C或B与C 互为非对映体 1 分子式 结构式相同 含两个相同手性碳原子 旋光异构体总数 3 2 一对对映体 A与B 和一个内消旋体 C或D 4 A与B等量混合组成一种外消旋体 结论 2R 3R 2 3 4 三羟基丁酸 给下列化合物命名 写出 2S 3R 3 氨基 2 丁醇的结构式 3 5环状化合物的旋光异构现象 判断环状化合物有无旋光异构现象 首先 找出环状化合物的顺反异构 其次 判断每一种顺反异构体是否存在旋光异构体 例如 判断下列化合物各有几个异构体 存在顺反异构体 一个为顺式 一个为反式 两种均无对称面 各有一对对映异构体 a共有四种立体异构体 即 1 化合物a2 甲基环丙基甲酸 顺 反 2 化合物b2 2 二甲基环丙基甲酸 无顺反异构体存在 分子为不对称分子 只存在两种立体异构体 互为对映异构体 S 2 2 二甲基环丙基甲酸 R 2 2 二甲基环丙基甲酸 存在顺反异构体 一个为顺式 一个为反式 顺式异构体分子种有一对称面 无旋光异构体 反式异构体为不对称分子 存在一对对映异构体 即 3 化合物c1 2 环丙基二甲酸 三种构型 顺 反 顺 1 2 环丙基二酸 R R 反 1 2 环丙基二酸 S S 反 1 2 环丙基二酸 存在顺反异构体 一种为顺式 另一种为反式 两种异构体均有对称面 均无旋光异构体 顺 3 甲基环丁基甲酸 反 3 甲基环丁基甲酸 4 化合物d3 甲基环丁基甲酸 3 6不含手性碳的手性分子一 丙二烯型化合物的旋光异构 丙二烯两端的碳原子连接的四个氢原子不共平面 当这两个碳上连有不同的原子或基团时 整个分子没有对称面和对称中心 是一个手性分子 二 单键旋转受阻碍的联苯型化合物 3 7旋光异构体的性质一 对映体的性质对分子式相同 结构式相同 互为实物和镜像不能重叠的一对对映体来说 二者都是手性分子 但在非手性条件下二者的理化性质完全相同 没有手征性 只有在手性条件下其手征性才能表现出来 一对对映体就好比是两个螺纹相反的螺丝钉 木制品对它们来说 就是非手性条件 这两个螺丝钉都能旋进去 性质相同 没有手征性 而螺丝帽则为手性条件 只有与螺丝帽螺纹方向一致的螺丝钉才能旋进去 二者性质不同 具有手征性 非手性条件 加热 溶剂 非手性试剂和催化剂等 一对对映体的m p b p S以及一般实验条件下的化学性质相同 手性条件 平面偏振光 酶等 一对对映体旋光活性不同