分子的手性与旋光异构课件

5.1分子的手性与对称因素5.2偏振光与比旋光度5.3含手性碳原子的光活异构体5.3.1含一个手性碳原子的分子5.3.2含两个手性碳原子的分子5.3.3含三个不同手性碳原子的分子5.4不含手性碳原子的光活异构体5.5环状化合物的构型异构体5.6对映异构体的性质5.7潜手性分子/原子与潜手性面5.8外消旋体的拆分5.9手性分子的光学纯度,第五章分子的手性与旋光异构,立体异构,构造相同,分子中原子或基团在空间的排列方式不同产生的异构。,(对映异构/光活异构),5.1分子的手性和对称因素,5.1.1.手性(Chirality)实物与其镜影不能重合的特征。,5.1.2.分子的对称因素,(1)对称面(),具有平面对称因素的分子是对称分子、非手性分子。,(2)对称中心(i),具有中心对称因素的分子是对称分子、非手性分子。,(3)对称轴(Cn),对称轴不作为判别分子手性的依据。,(4)反轴(Sn),具有反轴对称因素的分子是对称分子、非手性分子。,5.2偏振光、比旋光度,5.2.1.平面偏振光,一般情况下,不具有对称面、对称中心和S4反轴的分子,其实物与镜影不能重合,是不对称分子(手性子)。,光波振动方向与光束前进方向关系示意图,普通光,一般情况下，手性分子具有光学活性。,平面偏振光(plane-polarizedlight),通过Nicol棱镜,仅在一个平面(与棱镜的晶轴平行的平面)上振动的光。,5.2.2.旋光仪、旋光度、比旋光度,(a)(b)(c),旋光性：使偏振光偏振面旋转的能力。,旋光方向：右旋（+）、d-;左旋（-）、l-旋光度：使偏振光偏振面旋转的角度。用表示。,比旋光度,t=,(物理常数),葡萄糖：,D20=,+52.5(水),海洛因：,D15=,-166(甲醇),(钠光D线波长：589nm),如何确定一个活性物质是+60o的右旋体还是-300o的左旋体？,（改变浓度或盛液管长度，一般用前者方法）,例:从粥样硬化动脉中分离出来的胆甾醇0.5g溶解于20mL氯仿,并放入1dm的测量管中,测得旋光度-0.76.求得比旋光度为：,-30.4o,全自动旋光仪,例:测得一个葡萄糖溶液的旋光度为+3.4,盛液管长度为1分米，所测葡萄糖的浓度为：,0.0648g/mL,5.3含手性碳原子的光活异构体,5.3.1含一个手性碳原子的分子,(1)手性碳原子的概念,与四个不相同的原子或基团相连的碳原子。,含一个手性碳的分子是手性分子,具有一对对映体。,D20=+3.8o(水)D20=-3.8o(水),对映体,互为实物与镜影关系,又不能相互重合的分子。,(2)左旋体、右旋体及外消旋体,一对对映体中：,使平面偏振光向左旋的为左旋体，用“()”或“l”表示。使平面偏振光向右旋的为右旋体，用“(+)”或“d”表示。,左旋体与右旋体,旋光符号不同(即旋光方向相反)、旋光度相同.它们具有相同的物理/化学性质(非手性条件下),外消旋混合物：,外消旋混合物可分离(拆分)成左旋体与右旋体。,等量的左旋体与右旋体的混合物无旋光性。,()或(RS)或(dl)或DL表示。,外消旋化：一个对映体通过平衡转化为其镜像的过程,(3)手性碳的R、S构型,手性碳的构型:与手性碳相连的四个不同基团的空间排列。,R、S标记手性碳原子构型,S,R,S,(左右手法则),河豚毒素(Tetrodotoxin)其毒性与C9的立体构型有关：C9为S构型(天然得到的化合物)是极毒的，C9为R构型则毒性很小。,试判断天然极毒的河豚毒素是(A)还是(B)?,d-异构体有强兴奋作用l-异构体抗兴奋作用,D-(-)有杀菌作用L-(+)无药效,Z-R（有生理活性）,(4)Fischer投影式,规定投影时,与手性碳相连横向两个键朝前,竖向两个键向后,交叉点为手性碳.一般碳链放在竖直方向,氧化态较高的基团在上面。,将下列化合物改写成Fischer投影式,并标出手性碳构型。,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。,如果固定某一个基团,而依次改变另三个基团的位置,则分子构型不变。,SSSS,试判断下列Fischer投影式中与(s)-2-甲基丁酸成对映关系的有哪几个？,将投影式在纸平面上旋转90o,则成它的对映体。,RS,将投影式中与手性碳相连的任意两个基团对调,对调一次(或奇数次)则转变成它的对映体；对调二次则为原化合物。,注意:1)构型R和S与旋光性没有必然联系2)Fischer投影式是分子重叠构象的视图,(5)相对构型和绝对构型(D/L构型;R/S构型),5.3.2含两个手性碳原子的分子,(1)含两个不同手性碳原子的分子,以手性碳原子上四个不同的原子或基团在“顺序规则”中的先后次序来确定的构型绝对构型,以R/S标记构型。,X-射线单晶衍射法确定绝对构型。,以甘油醛的构型为参照标准而确定的构型相对构型，以D/L标记构型。,对映关系：与；与非对映关系：与、与、与、与,非对映体:构造相同,构型不同,相互间不是实物与镜影关系的立体异构体。,非对映异构体其旋光性不同,物理、化学性质都不同。,光活异构体数目=2n;(n=不同手性碳原子数)外消旋体数目=2n-1,(2)含两个相同手性碳原子的分子,meso,内消旋体(meso)：分子内部形成对映两半的化合物。(含平面对称因数),具有两个手性中心的内消旋结构一定是(RS)构型。,内消旋体无旋光性(两个相同取代、构型相反的手性碳原子,处于同一分子中,旋光性抵消)。,内消旋体不能分离(不能拆分)成光活性化合物。,试指出下列(A)与(B)、(A)与(C)的关系(即对映体或非对映体关系)。,(3)含三个不同手性碳原子的分子,八个旋光异构体、四对对映体.其中的一对非对映异构体：,C-2差向异构体,差向异构体:含多个手性碳的两个光活异构体,仅有一个手性碳原子的构型相反,其余的手性碳构型相同，这两个光活异构体称为差向异构体。,C-2差向异构：由C-2引起的差向异构。,2R3S4S2S3S4S,(4)含假不对称碳原子的分子,(R),(R),(S),(S),(R),(S),(R),(S),meso,非手性碳原子/假手性碳原子,假不对称碳原子,假不对称碳原子构型用r,s表示;基团列出顺序:R优先S。,非光活性内消旋体,当与碳原子相连的四个基团中有两个结构相同但构型相反时,分子具有平面对称因素(内消旋),是非手性分子。当与碳原子相连的四个基团中有两个结构及构型相同(RR或SS)时,分子是手性分子。,-猜猜看-,1.内消旋2,3-二甲基-1,4-丁二醇经氧化后得到2,3-二甲基-4-羟基丁酸，问产物有没有旋光性？,2.胆甾醇分子中有多少个不对称碳原子？,5.4不含手性碳原子的光活异构体,5.4.1丙二烯型分子,中心碳原子sp杂化,两个键平面正交,两端碳原子上四个基团,两两处于互为垂直的平面上。,当A(A)B(B)分子有手性。,类似物：,无有,5.4.2联苯型分子,苯环间碳碳键旋转受阻，产生位阻构象异构。,当同一环上邻位有不对称取代时(取代基或原子体积较大),分子有手性。,当一个苯环邻位对称取代时，分子无手性。,联萘衍生物：1,1-联-2-萘酚是手性分子。,5.4.3螺旋型分子,头尾苯环不在同平面上。,基团的阻转能力大致如下：,IBrCH3ClNO2COOHNH2OCH3OHFH,5.4.4含其它不对称原子的光活性分子,与四个不同取代基相连的氮、磷原子,是手性中心.,含孤对电子的链状叔胺(易翻转,构象异构体),各种不对称取代的多价硫化物(锍盐、亚磺酸酯、亚砜),较稳定，可得到光活性化合物。,环状叔胺（若不易翻转,则具有手性）,5.5环状化合物的构型异构体,可能同时存在顺反异构、对映异构。,meso-(S,S)-(R,R)-,(R,S)-(S,S)-1,2-环丙烷二羧酸(R,R)-,环状化合物的命名,(1R,3S)-3-溴环己醇,(1R,3S,5R)-1-甲基-3-硝基-5-氯环己烷,用平面式和构象式分析环状化合物的光学活性,(i)(i)构象转换体;两者能量相等;消旋体。,试写出1,2-1,3-1,4-二氯环己烷的全部构型异构体,并指出它们的对映异构关系及是否存在内消旋体。,5.6对映异构体的性质,对映异构体除对偏振光呈现不同性质外,在非手性环境中,具有完全相同性质,在手性环境中具有不同的性质。,名称熔点/oC25(20%水）溶解度pka1pka2(+)-酒石酸170+12o1392.934.23(-)-酒石酸170-12o1392.934.23,对映异构体在手性条件下进行反应,其反应速率不同。,生物体内酶、各种底物具手性.对映异构体进入生物体内手性环境,引起不同分子识别,使其生理活性相差很大。,例:抗妊娠反应的镇静药“反应停”,手性药物与生物活性,1)对映异构体具有不同的生物活性强度,(R)-酞胺哌啶酮,(R)强镇定剂;(s)强致畸剂,非麻醉性的消炎镇痛药：(S)-酮咯酸,2)对映异构体具有完全相反的生物活性。,利尿药：(S)-(-)-依托唑啉,4)对映异构体的毒性或严重副作用,减肥药：(S)-(+)-氟苯丙胺,3)对映异构体具有完全不同的药理作用,5.7潜手性分子/原子和潜手性面,潜手性分子,潜手性氢原子的标记pro-R-H(HR)；pro-S-H(HS),立体异位氢对映异位氢和非对映异位氢,立体异位面对映异位面和非对映异位面,产物：一对对映体(R和S构型),对映异位面、非对映异位面潜手性面,酶活性中心对潜手性底物的识别和结合,含sp2碳原子的分子,碳与所连三个不同基团(原子)处于同一平面。试剂从不同面进攻中心碳可能得到：1)相同产物(具有等位面)；2)对映异构体(具有对映异位面)；3)非对映异构体(具有非对映异位面)。,5.8外消旋体的拆分,5.8.1化学分离法,5.8.2生物分离法(酶法拆分),拆分的理论收率50%,(L-丙氨酸),5.8.3晶种法,5.8.4色谱分离法,(1)柱色谱法(2)配位竞争法(3)纸色谱法(4)气相色谱法,5.8.5形成分子复合物的析解,消旋化的动态拆分,（L-赖氨酸）,5.9手性分子的光学纯度,例：拆分外消旋2-丁醇,测得拆分所得其中一个对映体旋光度为：