对映异构(光学异构

对映异构 光学异构 旋光异构 引言 2001年诺贝尔化学奖 2001年10月10日瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布 本年度的Nobel化学奖奖金 一半授予美国科学家WilliamS Knowles和日本科学家野依良治 另一半授予美国科学家K BarrySharpless 三位获奖科学家的贡献就在于他们找到了立体选择性合成的方法和催化剂 可以高效快速地合成一种手性分子而不生成另一种 这为开发具有新特性的分子和物质开创了一个全新的领域 目前人们已根据他们的研究成果研制出了抗生素 消炎药和心脏病药等许多药物 WilliamS Knowles 野依良治 手性催化氢化反应 1938年出生于日本神户 1967年京都大学博士毕业 1972年在名古屋大学任教授 1917年出生于美国 1942年从哥伦比亚大学博士毕业曾在孟山都公司任职 1986年退休 Knowles的工作 S BINAP R BINAP H2 RuCl2 R BINAP 99 5 R 1 2 propandiol的合成 野依良治 日本 的工作 可作为在工业上合成抗菌素等类似的产品 K BarrySharpless 手性催化氧化反应 1941年出生于美国宾夕法尼亚洲 1968年斯坦福大学博士毕业 1990年起在美国斯克里普斯研究所任化学教授 DET 它用于生产 阻断剂 一种治疗心脏病的药 Sharpless的工作 催化剂作用示意图 一克催化剂就可以合成一吨手性产物 手性和手性分子 手性特征是自然界普遍存在的一种现象 首先让我们来看一个例子 了解一下什么是手性 1和2不相同吗 也许很难一下子看出来 但是你的鼻子却很容易把他们分开 化合物1是橙子味的 而2则是柠檬味的 若用实物模型操作 你总不能让他们互相重合 实际上 它们结构之间的关系就像你的左手和右手一样 表面上一模一样 但是你的左手永远不能很舒适地戴进你的右手套里 它们在三维空间上构成了一种实物和镜像的关系 无论如何都不能使它们互相重合 左右手的对映关系 镜子 许多天然产物和人体内的活性分子都是手性分子 所谓手性是指物质的分子和它的镜像不能重叠 正如我们的左 右手虽然相像但不能重叠一样 互为手性的分子是一对对映异构体 在药理领域 异构体中的一种可能具有疗效 而另一种可能不但无效甚至有害 如 葡萄糖在动物代谢中能起独特的作用 具有较高的营养价值 但其对映体 葡萄糖则不能被动物代谢 左旋的氯霉素有抗菌作用 但其对映体则无疗效 一个典型的例子就是1960年代 在欧洲出售的一种叫反应停 沙利度胺thalidomide 的药物 用于治疗孕妇早期的妊娠反应 该药物分子的R型对映异构体具有很好的镇定功能 可以减弱妊娠反应 另一种S型对映异构体却导致1 2万个海豹畸形儿出生的惨剧 在自然界 手性特征与我们如影随形 构成生命体的绝大多数有机分子 比如天然的蛋白质 多肽 催化酶 激素以及人体中的氨基酸等都是手性分子 生命体的分子识别体系有极强的手性识别能力 不同构型的立体异构体往往表现出极不相同的生理效能 手性 物体和它的镜像不能重合的特性 手性分子 凡与其镜像不能重合的分子叫手性分子 对映异构 分子式 构造式相同而构型互呈镜像对映关系的立体异构 一 物质的旋光性 光波是一种电磁波 它的振动方向与其前进方向垂直 在普通光线里 光波可在垂直于它前进方向的任何可能的平面上振动 光源 传播方向 普通光的振动平面 如果将普通光线通过一个Nicol棱晶 它好象一个栅栏 只允许与棱晶晶轴相平行的平面内振动的光线透过 而在其它平面内振动的光线则被阻挡 Nicol棱晶由两块方解石 CaCO3 按一定角度磨制后用加拿大树胶粘合而成的镜体 该棱镜只允许在同一平面内振动的光波透过 而其余光波被反射 光源 普通光 偏振片 偏光 样品管 旋转角度 偏光通过葡萄糖等旋光物质 旋光性物质 能使偏振光振动平面发生旋转的物质 旋光度 旋光性物质使偏振光振动平面旋转的角度 旋光仪 测定物质旋光度大小和方向的仪器 偏振光 只在一个平面内振动的光 零点 起偏棱晶B和检偏棱晶D晶轴相互平行时作为零点 即刻度盘指在0位置 D与刻度转盘E相连 若样品管中无旋光性物质 B和D晶轴平行时 则F视场最明亮 B和D互相垂直时 则F视场最黑暗 旋光仪 为了便于比较 化学家引入了比旋光度的概念 比旋光度 tD 在钠光源下 每毫升含有1g待测物质的溶液 置于1dm长的样品管中 在温度为t下测得的旋光度数值 量糖计 在制糖工业中 测定蔗糖溶液的旋光度 即可算出它的质量浓度 故所用的旋光仪又叫量糖计 二 旋光性与分子结构的关系 对映异构现象的发现 1848年法国巴黎师范大学化学家 微生物学家Pasteur 1822 1895 在研究酒石酸钠铵晶体时 发现有两种不同的晶体 这两种晶体互为实物和镜像的关系 非常相似 但不能重合 Pasteur细心地用镊子将这两种晶体分开 分别溶于水中 并测定其旋光度 发现其中一种是左旋的 另一种是右旋的 而它们的比旋光度却相等 左旋和右旋酒石酸钠铵晶体的外形是不对称的 但溶于水晶体消失后 仍具有旋光性 显然它的旋光性与分子内部结构有关 当时他明确提出两个很重要的概念 对映异构现象是由于分子中原子在空间的不同排列而引起的 左旋体和右旋体分子中原子在空间的排列是实物和镜像的关系 为了说明对映异构产生的原因 1874年荷兰化学家Van tHoff 1852 1911 和法国化学工艺师LeBel 1847 1930 分别独立提出碳原子的四面体学说 手性碳原子C 分子中连有四个不同原子或基团的碳原子 Van tHoff和LeBel当时在巴黎Wurtz实验室学习和工作 他们的四面体学说提出后 在化学界引起很大的反响 有的支持 有的反对 后来大量的实验事实证明正四面体学说是正确的 由于Van tHoff对有机化学发展的巨大贡献 1901年他成为Nobel化学奖的第一个获得者 物质分子与其镜像不能重合是手性分子的特征 手性分子必定旋光 旋光的分子必定是手性的 非手性分子必定不旋光 不旋光的分子必定是非手性分子 物质分子中含有C 就一定是手性分子吗 分子的手性 旋光性 与分子内的对称因素有关 分子的对称因素主要有对称面和对称中心 对称面 镜面 设想分子中有一个平面 它把分子劈成两半 这两半互为实物和镜像 这个平面叫对称面 用 表示 具有对称面的化合物是非手性的 它没有对映异构体和旋光性 有对称面 对称中心 设想分子中有一点i 从分子中任一基团为出发点与i连接 再延长此连线到等距离处 都遇到相同的基团 则此点叫分子的对称中心 2 4 二氟 1 3 二氯环丁烷 苯 有对称中心i 具有对称中心的化合物是非手性的 它没有对映异构体和旋光性 一个分子既无对称面也无对称中心 一般可初步判断它是一个手性分子 有对映异构体和旋光性 产生旋光性的原因 旋光性是由分子结构不对称引起的 平面偏振光也是电磁波 它可以看作是由两种园偏光合并组成的 它们都围绕着光前进的方向呈螺旋形向前传播 其中一种呈右螺旋形 另一种呈左螺旋形 这两种光互为不能重叠的镜像关系 光的振动频率很高 形成了快速的交流电场 当光线照射到透明物质的分子上时 分子的原子核和电子都受到光的电场的影响 因电子质量较小 它容易受光的电场影响而发生振动 由于光波与电子震动之间的影响 光波前进的速度就减慢 从而产生折射现象 物质的折射率愈大 表明光在前进中受到的阻碍愈大 其速度就愈小 也就是物质分子中电子振动愈强 如果物质分子的极化度愈大 物质与光的相互作用也就愈强 折射率也就愈大 当偏光经过一个对称的区域时 这两种园偏光受到分子的阻碍相等 所以它们以相同的速度经过这个区域 因此 合成光 偏光 仍保持原来偏光的振动平面 不表现出旋光性 如果遇到不对称区域 由于不同基团极化度的差异 两个园偏光受到的阻碍就不同 速度减慢的程度也就不一样 这就导致合成光振动平面不能再维持在原来的方向 而产生一定的偏转 从而表现出旋光性 一种物质没有旋光性 这不是个别分子的性质 而是大量任意分布的可与镜像重合的分子 即非手性分子 宏观统计的结果 三 含一个C 原子化合物的对映异构 乳酸 乳酸 镜面 左旋体 右旋体 互称对映 异构 体 外消旋体 等量对映体的混合物 对映体的物理 化学性质与环境是否手性有密切的关系 在非手性环境下 对映体的性质相同 例如对映体的熔点 沸点 酸碱性 溶解度和反应速率等等 这好比两个螺丝钉 一个螺纹向左 一个向右 如果把它们钻到木板中 非手性环境 两者都可以旋进去 而且难易程度相同 如果把它旋进螺帽 手性环境 那旋转的方向就不同了 生物体中有许多手性物质 酶是生物催化剂 具有很高的手性 因此对映体在生物体内常常表现不同的生理作用 例如左旋烟碱的毒性比右旋的大 青霉菌在含有 酒石酸的培养液中生长 右旋的酒石酸被消耗掉 溶液慢慢从不旋光变成左旋 将 苹果酸盐溶液在兔子身上作皮下注射 左旋体被消耗掉 从尿中排泄出来的是 苹果酸盐 对映体在结构上的区别是空间构型不同 采用传统的平面结构式 无法表示基团在空间的相对位置 如果采用立体的模型图 书写又非常不方便 目前普遍使用的是平面投影式 它是1891年Fischer提出的 所以又叫Fischer投影式 Fischer 1852 1919 杰出的德国有机化学家 因合成糖和嘌呤而获得1902年Nobel化学奖 他是凯库勒 1829 1896 和拜尔 1835 1917 1905年获Nobel化学奖 的学生 构型的表示方法 费歇尔投影式 透视式 乳酸 乳酸 D 乳酸D L法 构型标记 R 乳酸R S法 投影式 四 含两个C 原子化合物的对映异构 2R 3R 2 氯 3 羟基丁二酸 2R 3S 2S 3R 熔点 145 157 145 157 7 1 7 1 9 3 9 3 对映体 非对映体 非对映体 不呈物像对映关系的构型异构体 非对映体的物理性质不同 化学性质相似 但反应速率有差异 非对映体混合在一起 可以用一般的物理方法将它们分离开来 构型异构体数 2n n是不相同的C 数 外消旋体数 2n 1 酒石酸HOOC C HOH C HOH COOH 右旋酒石酸 左旋酒石酸 内消旋 meso 酒石酸 2R 3R 酒石酸 2S 3S 酒石酸 2R 3S 内消旋酒石酸 无旋光性 手性 有旋光性 手性 酒石酸只有三个构型异构体 酒石酸的物理常数 五 环状化合物的立体异构 顺 1 氯 2 溴环丙烷 反 1 氯 2 溴环丙烷 无对称面 无对称中心 对映体 对映体 共有四个构型异构体 内消旋体 对映体 共有三个构型异构体 反式1 2 和1 3 环己烷二甲酸有对映体 六 不含C 原子化合物的对映异构 例1丙二烯型化合物 对映体 2 3 戊二烯 2 3 戊二烯整个分子没有对称面 也没有对称中心 虽然分子中没有C 原子 但是分子具有手性 有对映异构体 不是顺反异构 如果任何一端的碳原子连有相同的基团 分子即具有对称面 无手性 无对映体 例2联苯型化合物 对映体 6 6 二硝基联苯 2 2 二甲酸 在联苯分子中 两个苯环可以围绕中间的单键自由旋转 若在每个苯环的邻位上引入大体积基团 由于空间阻碍使得单键不能自由旋转 两个苯环不能处在同一平面上 此时 整个分子没有对称面和对称中心 具有手性 有对映体 单键自由旋转 180 但同一苯环上连有两个相同的基 分子有对称面 无手性 无对映异构体 F原子体积小 单键可以自由旋转 两个苯环可以共平面 分子有对称面和对称中心 无手性 无对映异构体 七 手性合成和光学纯度 此例为非手性合成 产物是外消旋体 不具有旋光性 手性合成 由非手性化合物合成手性化合物时 如果反应在手性条件下进行 将使产物中某个立体异构体的量占优势 这种合成叫手性合成 或不对称合成 丙酮酸 乳酸 薄荷醇 丙酮酸 薄荷醇酯 乳酸 薄荷醇酯 占优势 乳酸 薄荷醇酯 乳酸 占优势 此例为手性合成 产物的一种立体异构体过量 具有旋光性 不对称合成的产物是不等量左旋体和右旋体的混合物 它的比旋光度 取决于混合物中左 右旋体的组成 Percentopticalpurity 不对称合成的效率 R型对映体对S型对映体的过量百分数 percentenantiomericexcess 主要对映体的量 次要对映体的量 右旋体 左旋体 75 25 八 外消旋体的拆分 将外消旋体分开成为左旋体和右旋体的操作叫外消旋体的拆分 机械拆分法 利用外消旋体中对映体的结晶形态的差异 借肉眼直接辨认或通过放大镜进行辨认 而把两种结晶体挑拣分开 此法要求结晶形态有明显的不对称性 且结晶大小适宜 此法比较原始 目前极少使用 只在实验室中少量制备时偶然采用 微生物法 某些微生物或它们所产生的酶 对于对映体中一种异构体有选择地分解作用 利用微生物或酶的这种性质可以从外消旋体中把一种旋光体拆分出来 例如在含有外消旋酒石酸的培养液中 微生物只利用右旋体作为生长营养物质 结果右旋体被消耗 留下的是左旋酒石酸 此法缺点是原料至少有一半未得到利用 选择吸附拆分法 用某种旋光性物质作为吸附