立体化学基础ppt课件

第3章立体化学基础 内容提要 3 2顺反异构 产生的条件和标记 3 3对映异构 手性碳原子和构型标记 3 1构象异构 烷烃构象异构 环烷烃构象异构 教学要求与学时 学时 4学时 1 掌握讨论各类立体异构现象 构象异构 顺反异构和对映异构的产生原因 表达方式 构型标记以及相关的基本概念 2 了解它们的性质及其在生物医学上的应用 同时为后续章节的学习打下立体化学基础 教学重点与难点 重点 各类立体异构现象 构象异构 顺反异构和对映异构的产生原因 表达方式 构型标记以及相关的基本概念 难点 各类异构现象的构型标记 20世纪50年代中期 反应停 沙利度胺 Thalidomide 作为镇静剂 有减轻孕妇清晨呕吐的作用而被广泛应用 结果在欧洲导致1 2万例胎儿致残 即海豹婴 于是1961年该药从市场上撤消 后来发现沙利度胺R型具有镇静作用 而S型却是致畸的罪魁祸首 研究人员进一步研究发现沙利度胺任一异构体在体内都能转变为相应对映体 因此无论是S型还是R型 作为药物都有致畸作用 反应停事件 S thalidomide R thalidomide 反应停事件 立体化学起源于1848年 法国化学家巴斯德 Pasteur 将外消旋的酒石酸铵钠的结晶 分离成左旋体和右旋体 从而发现了对映异构现象 立体化学是研究化合物分子在三维空间的立体形象与其物理性质 反应性能以及生理活性之间的关系的科学 立体化学已成为化学学科的一个重要分支 研究分子的立体结构与性能之间的关系已成为化学的一项重要内容 立体化学是研究分子中原子或基团在空间的排列状况 以及不同的排列对分子的物理 化学 生理性质所产生的影响 甲烷分子的形成 CH4中的4个杂化轨道为四面体构型 sp3杂化 H原子只能从四面体的四个顶点进行重叠 因为顶点方向电子云密度最大 形成4个 sp3 s键 3 1构象异构 一 烷烃的结构 乙烷 丙烷 丁烷中的碳原子也都采取sp3杂化 键的特点 键电子云重叠程度大 键能大 不易断裂 键可自由旋转 成键原子绕键轴的相对旋转不改变电子云的形状 两核间不能有两个或两个以上的 键 1 乙烷的构象 comformationofethane 构象 由于围绕C C单键旋转而产生的分子中各原子或原子团在空间的排列方式 二 烷烃的构象异构 两种极限构象式 重叠式和交叉式 构象的表示方法 锯架式 sawhorseformula 重叠式 交叉式 Newman投影式 1 从C C单键的延线上观察 前碳后碳 2 固定 前 碳 将 后 碳沿键轴旋转 得到乙烷的各种构象 重叠式 注意 室温下不能将乙烷的两种构象分离 因单键旋转能垒很低 12 6KJ mol 交叉式 能量高 不稳定 因非键张力大 一般含0 5 非键张力小 能量低 稳定 一般含99 5 1 乙烷的构象 comformation Newman投影式 以能量为纵坐标 以单键的旋转角度为横坐标作图 乙烷的能量变换曲线如下 2 丁烷的构象 丁烷有下列四种典型构象 注意 常温下 丁烷主要是以对位交叉式存在 丁烷的构象能量曲线图 稳定性次序 对位交叉式 邻位交叉式 部分重叠式 全重叠式 2 丁烷的构象 3 1 2环己烷及其衍生物的构象 一 椅式构象和船式构象 椅式构象 Chairform 碳2 3 5 6在同一平面上是椅座 碳1 2 6在同一平面上是椅背 碳4 3 5在同一平面上是椅腿 船式构象 boatform 碳2 3 5 6在同一平面上是船底 碳1 4在同一侧是船头 椅式构象张力分析 角张力 键角为正常的109 28 无角张力扭转张力 相邻碳上的氢都是交叉式构象 无扭转张力范氏张力 相互邻近氢之间的距离都大于两个氢原子的范氏半径之和240pm 无范氏张力 环己烷的椅式构象为无张力环 椅式构象的Newman投影式 环己烷的船式构象 锯架式纽曼式 Hf 习惯上称为旗杆氢 五 环己烷及其衍生物的构象 船式环己烷张力分析 角张力 无 扭转张力 有 范德华张力 Hf Hf和船底氢之间的距离均小于0 24nm 有范氏张力 1椅式船式 环己烷构象转换的势能图 势能 kJ mol 1 二 椅式构象中的横键和竖键 在12个碳氢键中 有6个键与对称轴平行 叫竖键 直立键 或称 axial 键 另外6个键几乎垂直于对称轴 叫做横键 平伏键 或 equatorial 键 竖键 a 横键 e 二 椅式构象中的横键和竖键 翻环作用 当环己烷的一个椅式构象转变为另一个椅式构象时 原来的 键将转变为 键 而 键也相应转变为 键 二 椅式构象中的横键和竖键 1 椅式构象中1 3 5碳在一个平面 2 4 6碳在另一平面 两平面相距0 5nm 2 分子中有6个 键 直立键 6个e键 平伏键 3 构象具有转环作用 104 105次 秒 椅式构象的特点 二 椅式构象中的横键和竖键 三 一取代环己烷的构象当环己烷分子中的一个氢被其它基团取代时 可取代 键 也可以取代 键 得到两种不同的构象 甲基环己烷 优势构象 95 取代环己烷优势构象判断的一般规律 一元取代环己烷 e键取代最稳定 多个相同取代基的环己烷 e键取代最多的构象最稳定 含不同的取代基的环己烷 较大的基团在e键的构象较稳定 四 二取代环己烷的构象 下列异构体中哪一个最稳定 并指出其中的构象异构体和顺反异构体 顺 取代 反 取代 反 取代 最稳定 1 3 和1 4 二甲基环己烷的情况如何 四 二取代环己烷的构象 顺 1 2 二甲基环己烷 两种构象 ea ae 的稳定性是一样的 反 1 2 二甲基环己烷 两种构象 ee aa 的稳定性不一样 ee取代优势 99 2x3 8 7 6 2x3 8 7 6 3 8 15 2kJ 34 2x1 0 2 0 2x11 4 22 8 顺 1 叔丁基 4 氯环己烷 叔丁基是一个很大的基团 一般占据e键 某些取代环己烷 张力特别大时 环己烷的椅式构象会发生变形 甚至会转变为船式构象 四 二取代环己烷的构象 五 十氢化萘的构象 十氢化萘有两个异构体 稠合碳 C1 C6 上的两个氢位于萘环平面同侧的为顺式 异侧的为反式 反式分子的排列平展开阔 无空间张力 顺式分子呈盆状 排列拥挤 沿C1 C6键观察 反式结构中异环亚甲基都处于对位交叉 而在顺式结构中异环亚甲基都处于邻位交叉位 因此反式比顺式稳定 五 十氢化萘的构象 反式十氢萘是刚性结构 不能翻环 顺十氢萘可通过翻环作用 产生构象异构 顺十氢萘的构象异体 顺十氢萘和反十氢萘两种稠合方式在自然界广泛存在 五 十氢化萘的构象 练习 1 写出下列化合物的优势构象 2 下列构象中哪一个是的优势构象 B 练习 3 2烯烃的顺反异构 烯烃 C4以上的烯有碳链异构 位置异构 顺反异构 炔烃 C4以上的炔烃只有碳链异构和位置异构 无顺反异构 例1 丁炔只有两种异构体 丁烯有四种异构体 1 形成顺反异构的条件 必要条件 有限制碳碳键自由旋转的因素 充分条件 每个双键碳原子必须连接两个不同的原子或原子团 例如 1 丁烯 没有顺反异构 2 丁烯的顺反异构 顺 2 丁烯Cis 2 butene 反 2 丁烯Trans 2 butene 2 烯烃的顺反异构体的命名 1 顺 反构型标记两个双键碳上相同的原子或原子团在双键的同一侧者 称为顺式 反之称为反式 例 cis 2 butenetrans 2 butene 2 Z E 构型标记 问题的提出 对后两个化合物进行命名 必须了解次序规则 官能团大小次序规则 把双键碳上的取代基按原子序数排列 同位素 D H 大的基团在同侧者为Z 不在同侧者为E Z Zuasmmen 共同 E Entgengen 相反 E 1 氯 2 溴丙烯 Z 1 氯 2 溴丙烯 三 烯烃的命名 连接在双键碳上都是烃基时 沿碳链向外延伸 CH3 3C CH3 2CH CH3CH2 CH3 C C C C C C C H C C H H H H H 最大次大次小最小 C CH CH CH2 当取代基不饱和时 把重键碳看成以单键和多个原子相连 例 Z E 命名法不能同顺反命名法混淆 注意 顺 顺 顺 反 反 反 为什么没有反 顺 2 5 庚二烯 2 5 庚二烯的顺反异构 顺 反 醛肟 偶氮化合物 肟和偶氮化合物的顺反异构 b p n20Dd204cis 或Z型 60 31 44861 28351 2 二氯乙烯trans 或E型 48 41 44541 2565S g 100mLH2O m p cis 或Z型 77 8130trans 或E型 0 7300 2 顺反异构体物理性质的差别 丁烯二酸 cis trans 275 部分反应 3 顺反异构体化学性质的差别 烯烃的顺反异构 4 顺反异构体生理活性也不同 例如合成的代用品己烯雌酚 反式异构体生理活性较大 顺式则很低 顺 己烯雌酚 反 己烯雌酚 生理活性大 二 烯烃的顺反异构 花生四烯酸 全顺式 维生素A 全反式 维生素A的结构中具有四个双键 全部是反式构型 如果其中出现顺式结构则生理活性大大降低 具有降血脂作用的亚油酸和花生四烯酸则全部为顺式构型 二 烯烃的顺反异构 1984年荷兰药理学家Ariens极力提倡手性药物以单一对映体上市 抨击以消旋体形式进行药理研究以及上市 他的一系列论述的发表 引起药物部门广泛的重视 2001年诺贝尔化学奖授予了3位美日科学家 表彰他们在手性催化氢化反应和手性催化氧化反应领域所做出的重大贡献 目前 研究和发展新的手性技术 借此获得光学纯的手性药物 已成为许多实验室和医药公司追求的目标 3 3对映异构 3 3 1偏振光与旋光性 一 平面偏振光与比旋光度平面偏振光 plane polarizedlight 只在一个平面上振动的光 简称偏振光 旋光性 opticalactivity 物质能使偏振光的振动面旋转的性能 有旋光性的物质叫旋光性物质或光活性物质 手性化合物都具有旋光性 旋光仪示意图 光源 起偏镜 旋光性物质 一 平面偏振光和旋光度 旋光度 偏振光的偏振面被旋光性物质所旋转的角度 能使偏振光的偏振面向右旋 dextrorotation 即顺时针方向旋转的物质称为右旋体 或d 能使偏振光的偏振面向左旋 levorotation 即逆时针旋转的物质称左旋体 或l 一 平面偏振光和旋光度 t 测定时的温度 D 光源 钠光 589nm l 旋光管长度 dm C 溶液浓度 g ml 1 如 比旋光度 一定温度下 浓度为1g ml 1的待测物质 在1dm长的旋光管中 光源波长为589nm 钠光D线 时测得的旋光度 以 表示 比旋光度与旋光度的关系如下 例如 在胆固醇的氯仿溶液中 浓度为260mg 5ml 放入5cm长的盛液管中在室温 20 下测定其旋光度为 2 5 求它的比旋光度 Dt D20 L c 2 5 0 5dm 0 26g 5ml 96 一对对映异构体 若一个是左旋 另一个必定是右旋 其旋转度数相等 但方向相反 1 手性 chirality 和手性分子象人的左 右手一样 互为实物与镜象关系 彼此又不能重合的性质称为手性 3 3 2手性与对称性 手性 Chirality 自然界的基本属性 组成生命活动的基本化学物质是手性化合物 手性药物 一把钥匙开一把锁 氨基酸 蛋白质糖 多糖核酸 DNA 2 3以上开发中的药物为手性市场上40 的手性药物为单一异构体2002年全球手性药物市场1590亿美元 1 手性和手性分子 左手性的紫藤和右手性的紫藤紫藤茎缠绕的手性特征 与紫藤属不同的种相关 同种紫藤的茎不大可能表现不同的手性缠绕特征 图中所示为紫藤属中左手性的紫藤 Wisteriasinensis 1 手性和手性分子 互为实物与镜像关系 又不能重叠的分子 称手性分子 chiralmolecule 1 手性和手性分子 例如 乳酸分子 存在实物和镜像关系 又不能重叠的一对立体异构体 互为对映异构体 简称对映体enantiomer 1 手性和手性分子 1 对称面 能将分子结构剖成互为实物和镜像关系两半的平面 symmetricalplane 符号为 2 手性分子的判断 注意 在考察分子的对称因素时 应将原子或原子团看作球形 有对称面的分子与它的镜像能重合 因此没有对映异构现象 称为非手性分子 achiralmolecule 2 手性分子的判断 问题 下列分子有无对称面 2个对称面 7个对称面 2 手性分子的判断 结论 含对称中心的分子 与其镜像能够重合 是对称分子 即非手性分子 2 对称中心 i 假若分子中有一点 在所有通过该点的直线上在距该点等距离处 具有相同的原子或基团 该点就叫分子的对称中心 symmetricalcenter 2 手性分子的判断 Cn的对称操作是旋转 2 手性分子的判断 3 对称轴 Cn 假若有一条穿过分子的直线 分子以它为轴旋转360 n后 分子得到与原来相同的形象 该直线就叫做分子的n重对称轴 哪个分子有手性 对称因素与分子的手性 在绝大多数情况下 分子中没有对称面和对称中心 与其镜象就不能叠合 分子就会有手性 分子中是否存在对称轴对分子是否具有手性没有决定作用 判断分子中有无对称面和对称中心在立体化学中有重要意义 2 手性分子的判断 手性因素 使分子具有手性的几何因素有 手性中心 手性面 手性轴 手性中心能引起分子具有手性的一个特定原子或分子骨架的的中心称为手性中心 chiralcenter 2 手性分子的判断 手性碳原子 最常见的手性中心 凡是连有4个不同原子或基团的碳原子称为手性碳原子 chiralcarbonatom 或称手性中心 chiralcenter 含有一个手性碳原子的化合物只有一对对映体 2 手性分子的判断 对映体 例 二 手性分子的判断 紫杉醇的结构中含有多少个手性碳原子 紫杉醇的结构 二 手性分子的判断 紫杉醇的结构中含有11个手性碳原子 紫杉醇的结构 2 手性分子的判断 其它手性中心有N P和S等多价原子 如 二 手性分子的判断 p 315 手性S原子 如 判断对映体的方法有三种 1 建造一个分子和它的镜像的模型 如果两者不能重合 就存在对映体 2 如果分子有对称面或对称中心 那么它和其镜像就能重合 就不存在对映体 3 如果一个分子有一个手性碳原子 它就具有对映异构现象 有一对对映体 2 手性分子的判断 手性分子 手性分子 问题 下列哪些是手性分子 2 手性分子的判断 3 手性与旋光性 在非手性分子中 如乙醇溶液 每一个乙醇分子在任何地方产生的对偏振光的偏转影响 都能被其周围存在的 与其成对映关系的另一分子的影响抵消 所以 就表现为无光学活性 Fischer投影式书写规则 1 碳链竖写 氧化态较高的基团写在顶端 2 水平线与垂直线交叉点代表C 3 水平线上基团伸向纸前面 垂直线上基团伸向纸后面 4 多个手性碳以重叠式进行投影 3 3 3对映异构体的表示法 费歇尔 Fischer 投影式 乳酸的投影式 费歇尔 Fischer 投影式 酒石酸 透视式Fischer投影式 费歇尔 Fischer 投影式 例如 费歇尔 Fischer 投影式 Fischer投影式特点 投影式在纸平面上旋转180 时构型不变 投影式在纸平面上旋转90 时构型改变 两个基团交换奇数次构型改变 交换偶数次不变 费歇尔 Fischer 投影式 费歇尔 Fischer 投影式 一个取代基保持不变 其余三个依次换位 不改变构型 费歇尔 Fischer 投影式 将Fisher投影式的书写规定和注意事项可归纳如下 横向前 竖向后 含碳原子上下连 转半圈 不能翻 编号小者在上端 偶次互换是原物 奇次互换构型变 费歇尔 Fischer 投影式 下列各表达式代表的是同一物还是对映体 同一物 费歇尔 Fischer 投影式 三 对映异构体的构型标记 1 D L相对构型标记法D L标记法是以甘油醛的构型为标准来进行的 以下是与 甘油醛比较得出的 故用这种方法标记的构型叫相对构型 D 甘油醛 L 甘油醛 例如 D 乳酸构型的关联 当一个光活性化合物在发生反应时 只要不对称中心的键不发生断裂 分子的空间构型就保持不变 1 D L相对构型标记法 D L构型和旋光方向没有必然的联系 例如 注意 要用规范的Fischer投影式 D L命名法的使用有一定的局限性 它只适用与甘油醛结构类似的化合物 目前 仍用于糖类和氨基酸的构型命名 D 乳酸 L 苹果酸 1 D L相对构型标记法 2 R S绝对构型命名法 当化合物分子的空间构型可以测定后 利用次序规则给C 标定构型 次序规则1956年由Cahn Ingold Prelog提出 1970年IUPAC接受了这一建议 因为它反映的是分子中的原子或基团在空间的真实排列状况 所以叫绝对构型 以R Rectus拉丁文 右 S Sinister拉丁文 左 进行标记 R S标记法规则 1 按次序规则将 C所连的四个基团由大到小排列 如 A B D E 2 将末优基团 E 原离视线 其余三个面向自己 3 若从A到B再到D的走向是顺时针走向 则是R构型 若是逆时针方向 则是S构型 2 R S绝对构型命名法 R构型 S构型 I Br Cl H 2 R S标记法 一对对映体 一个是R型 另一个必为S型 若R型是左旋的 S型必然是右旋的 旋光方向与R S构型没有必然的联系 旋光方向目前只能通过旋光仪测定 2 R S命名法 在Fischer投影式中 当末优基处于竖键时 其它三个基团按优先次序顺时针排列为R 构型 逆时针排列为S 构型 R 型 S 型 优先次序 a b d e Fischer投影式的R S命名 2 R S命名法 当末优基处于横键时 其它三个基团按优先次序顺时针排列为S 构型 而逆时针排列为R 构型 R 型 S 型 2 R S命名法 例如 2 R S标记法 标记下列化合物中手性碳的构型 2 R S命名法 用R S命名 并判断它们是同一物还是对映体 A B C S 2 溴丁烷 R S A 与 B 互为对映体 A 与 C 为同一物质 2 R S标记法 1 含一个手性碳原子的化合物含有一个手性碳原子的化合物只有一对对映体 例如 乳酸分子 3 3 4含一个手性碳原子的化合物的对映异构 外消旋体 racemicmixture或racemate 等量的左旋体和右旋体的混合物 用 或dl表示 思考 外消旋体是否显旋光性 为什么 乳酸有三种不同旋光现象 从肌肉组织中分离出来的乳酸为右旋乳酸 由左旋杆菌使葡萄糖发酵而产生的乳酸为左旋乳酸 而由一般化学合成的乳酸则为外消旋体 3 3 5含两个手性碳原子的化合物 1 含两个不相同手性碳的化合物以2 3 4 三羟基丁醛为例 a b c d 2R 3R 2S 3S 2S 3R 2R 3S 对映体对映体 a 与 c 或 d b 与 c 或 d 间彼此不成镜像关系的立体异构体称非对映体 diasteroisomer 3 3 5含两个手性碳原子的化合物 107 Diastereomers 3 3 5含两个手性碳原子的化合物 含两个不同的 C的对映异构体的数目有4个 含n个不同的 C原子的化合物 其对映异构体的数目有2n个 有2n 1对对映体 葡萄糖分子中有4个手性碳原子 它有多少个对映异构体 多少对对映体 3 3 5含两个手性碳原子的化合物 分子中有几个手性碳原子 有多少个光学异构体 3 3 5含两个手性碳原子的化合物 2 含两个相同手性碳的化合物以酒石酸为例 酒石酸的对映异构 a b c d c 与 d 为相同化合物 因其重叠式构象含对称面 对位交叉式构象含对称中心 是非手性分子 称内消旋体 对映体 相同 内消旋体 2R 3R 2S 3S 2R 3S 2R 3S 内消旋酒石酸分子 对称面 内消旋体 指分子中有 C 但分子内有对称面或对称中心 因此分子无手性 即无对映异构和旋光性 3 3 5含两个手性碳原子的化合物 内消旋酒石酸的两个邻位交叉式构象 相互对映 不能重合 有手性 但由于它们的能量相同 存在的几率相同 室温下又不能分离 所以相互抵消了旋光性 整体表现不具旋光性 3 3 5含两个手性碳原子的化合物 用构象分析说明内消旋体时 为什么仅考察其重叠式构象就能判断分子是否有手性呢 这是因为若分子的重叠式构象是非手性的 它的对位交叉式构象因存在对称中心也是非手性的 而其它各种构象虽然有手性 但肯定存在与之相对映的互为镜像关系的构象 3 3 5含两个手性碳原子的化合物 3 3 6脂环化合物的对映异构 脂环化合物的构型异构比较复杂 往往顺反异构和对映异构同时存在 我们可以先看它是否存在顺反异构 再考察分子中是否含手性碳来判断它存在旋光异构体与否 1 2 二甲基环丙烷 存在顺反异构体 1 2 二甲基环丁烷与1 2 二甲基环丙烷类似 3 3 6脂环化合物的对映异构 1 3 二甲基环丁烷则不同 无论顺式还是反式 均可找到对称面 为非手性分子 不存在对映异构体 由于它们没有手性碳 也不能称为内消旋体 3 3 6脂环化合物的对映异构 3 3 6脂环化合物的对映异构 3 3 7不含手性碳化合物的对映异构 大多数有旋光性的分子内都存在手性碳原子 但也有一些化合物虽不含手性碳原子 整个分子却包含了手性因素 使其与它的镜像不能重合 产生一对对映体 这类分子也是手性分子 常见的有联苯型和丙二烯型 1 丙二烯型化合物 丙二烯型化合物分子中有四个平面相互垂直 两端碳原子上的 键平面是相互垂直的 当两端碳原子上所连基团不相同时 分子就具有对映异构体 丙二烯型 3 3 7不含手性碳化合物的对映异构 2 联苯型化合物 在联苯分子中两个苯环以单键相连 两环可围绕单键进行旋转 但当2 2 6 6 位上的氢被较大基团取代时 则旋转受阻 自由旋转 旋转受阻 3 3 7不含手性碳化合物的对映异构 联苯型6 6 二硝基 2 2 联苯二羧酸 丙二烯型 2 3 戊二烯 3 3 7不含手性碳化合物的对映异构 其它与以上类似的还有螺环型和环与双键相连的化合物 例如 它们在结构上的共通特点是 两端碳原子上的 键平面相互垂直 3 3 7不含手性碳化合物的对映异构 下列哪些化合物为手性分子 手性分子 手性分子 非手性分子 非手性分子 讨论 3 3 8对映异构体的物理性质 一对对映体的物理性质除对偏振光的作用方向不同外 旋光度 熔点 沸点 在非手性溶剂中的溶解度都相同 但非对映体的物理性质则完全不同 外消旋体是一对对映体的等量混合物 它的物理性质和纯的对映体不同 除没有旋光性外 熔点 比重和折光率都不相同 而且熔点很敏锐 与一般的混合物不同 但沸点与纯对映体没有差别 R 型花香味无味S 无味刺激性气味 酒石酸立体异构体的物理性质 三 外消旋体的拆分 基于非对映体的物理性质的差别 设法制成非对映体 用常规分离手段分开 再经一定方法处理使其转换回原来的对映体 拆分试剂 人工合成的 天然产物 例 外消旋酸拆分 三 外消旋体的拆分 3 3 10学对映体的生物作用 手性分子的立体结构与受体的立体结构 受体靶位 有互补关系时 其活性部位才能进入受体的靶位 产生应有的生理作用 而一对对映体只有其中一个适合进入一个特定受体靶位 产生生