有机化学第06章对映异构.ppt

1、第六章 对映异构,Stereochemistry,Enantiomerism,本章提纲,立体化学、立体异构体的定义和分类 旋光性和手性 分子的手性和对称性 含手性碳原子的手性分子 消旋体、拆分和不对称合成,立体异构体的定义：分子中的原子或原子团互相连接的次序相同，但在空间的排列方向不同而引起的异构体。,立体化学是有机化学的重要组成部分.它的主要内容是研究有机化合物分子的三维空间结构(立体结构),及其对化合物的物理性质和化学反应的影响.,立体化学、立体异构体的定义和分类,由双键引起的顺反异构,环引起的顺反异构,构造异构、构型异构和构象异构是不同层次上 的异构。其中构造异构属于较低层次的异构形式，

2、其次为构型异构，而构象异构是较高层次的异构形式。其中低层次异构形式通常包含较高层次的异构形式。,对映异构体 enantiomerism,旋光性和手性,1 旋光性 (optical activity),偏振光 （Plane-polarized light）,普通光通过尼科尔棱镜形成的只在一个方向上传播的平面光,旋光物质：具有光学活性(旋光性)的物质。,2. 旋光性（光学活性 optical activity） 物质能使偏振光发生偏转的性质,3. 旋光仪 polarmeter： 定量测量液体或溶液的旋光程度的仪器,4. 旋光度（observed rotation） 旋光活性物质使偏振光振动平面旋转

3、的角度， 用“”表示,左旋：使偏振光平面向左旋称左旋，用 “l” 或“”右旋：使偏振光平面向右旋称右旋，用“d”“”,影响旋光度的因素: (a)被测物质; (b) 溶液的浓度; (c) 盛液管长度; (d) 测定温度; (e) 所用光的波长,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,但旋光能力是相同的.,5.比旋光度 （specific rotation）,在一定温度和波长条件下，样品管长度为1 dm, 样品浓度为1gml-1时测得的旋光度。 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.,D-钠光源，波长为589nm T-测定温度，单位

4、为 -实测的旋光度 l-样品池的长度，单位为dm c-为样品的浓度，单位为gml-1,对映体和手性,Louis Pasteur (1822-1895.9.25)法国微生物学家、化学家，近代微生物学的奠基人。1848年得到的酒石酸盐晶体,生活中的对映体 镜象,在立体化学中,不能与镜象叠合的分子叫手性分子,而能叠合的叫非手性分子.,镜象与手性的概念,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,在有机化学中,凡是手性分子都具有旋光性(有些手 性分子旋光度很小);而非手性分子则没有旋光性.,不对称碳原子,不对称碳原子: (asymmetric carbon atom

5、) 与四个互不相同的基 团相连的碳原子叫不 对称碳原子.,不对称碳原子是一种手性中心, 但手性中心不一定是不对称碳原子. 有不对称碳的分子不一定是手性分子.,C*,饱和碳原子具有四面体结构. (sp3杂化) 例: 乳酸(2-羟基丙酸CH3-CHOH-COOH) 的立体结构：,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.,1 对称性和对称元素,分子的手性与对称性因素,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n重对称轴.,有2重对称轴的(2-丁烯),1 对称轴

6、(旋转轴) Cn,线型分子有C对称轴,找出下列化合物的对称轴.,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.如:,2 对称面(镜面) ,不在对称面上的原子数一定为偶数。,下列化合物有几个对称面?,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,则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,3 对称中心 i,找出下列化合物的对称中心,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

7、线就是交替对称轴.,4 交替对称轴(旋转反映轴Sn) Cn+ ,有4重交替对称轴的分子,5 甲烷及其衍生物的对称性,4个C3 3个C2 6个,甲烷衍生物的对称性 C(aaab)型1C3+3 C(aabb)型1C2+2 C(aabc)型1 C(abcd)型无对称因素,A: 非手性分子凡具有对称面、对称中心或交替对称轴的分子. B: 手性分子既没有对称面,又没有对称中心,也没有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. C:对称轴的有无对分子是否具有手性没有决定作用.,在有机化学中,绝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

8、替对称轴的非手性分子是个别的.,判别手性分子的依据,含手性碳原子的手性分子,含一个手性碳原子的化合物 含两个或多个不对称碳原子的化合物 含两个或多个相同（相象）手性碳原子的化合物 含手性碳原子的单环化合物,含一个手性碳原子的化合物,1.手性碳原子:与四个互不相同一价基团(chiral carbon atom) 连接的碳原子C*,具有镜像与实物关系的一对旋光异构体。,2. 对映异构体,外消旋乳酸,特 点 结构：镜影与实物关系 内能：内能相同。 物理性质和化学性质在非手性环境中相同，在手性环境中有区别。 旋光能力相同，旋光方向相反。 对映体的生理性质不同。,外消旋体与纯对映体的物理性质不同，旋光必

9、然为零。,外消旋体,一对对映体等量混合，得到外消旋体。,立体结构,锲形式,投影式,Fischer投影式,4. 对映体的表达式 透视式和 Fischer投影式,两个竖立的键向纸面背后伸去的键; 两个横在两边的键向纸面前方伸出的键.,书写费歇尔投影式的规则,注意事项： 不能在纸面上旋转90o ,或90o的奇数倍. 不能离开纸面翻转180o（不能翻身） 基团两两交换次数不能为奇数次，但可以是偶数次。 保持一个基团不变，顺时针或逆时针交换三个基团 构 型不变,对映体的命名 RS命名原则,（1）按次序规则排出各取代基的顺序ABCD,原子序数大小规则序数大的原子优先 同位素规则原子量大优先 外推规则层层外

10、推，先比较最大的 d. 相当规则重键看作多个单键如：C=C2 等,（2）方向盘法 最小基团D放在操作杆上， 从D的对面看，顺时针为R,反时针为S.,R-S标记法,R,S,顺时针,反时针,基团次序为：abcd,（3）三角形法 按大小顺序画三角 形， 最小基团在竖线上，顺R反S 最小基团在横线上，顺S反R,(右旋): S-(+)-乳酸,(左旋): R-(-)-乳酸,例如：乳酸手性碳原子的四个基团排队： OH COOH CH3 H. 因此乳酸的两种构型可分别如下识别和标记：,R、S只表示构型，而不表示旋光方向。 旋光方向以“+”(右旋)、“-”(左旋)表示。,判断下列化合物的构型是R还是S.,D-(

11、+)-甘油醛,L-(-)-甘油醛,D-(-)-乳酸,相对构型（D,L标记法）和绝对构型（法）,绝对构型,能真实代表某一光活性化合物的构型（R、S）,与假定的D、L甘油醛相关联而确定的构型。,相对构型,H,O,以甘油醛这种人为的构型为标准， 再确定其他化合物的相对构型关联比较法。,潜非对称性和潜不对称碳原子,如果一个对称分子经一个基团被取代后失去了其对称性，而变成了一个非对称分子，那么原来的对称分子称为“潜非对称分子”，或称为“原手性分子”。而分子所具有的这种性质称为“潜非对称性”或“原手性”，而发生变化的碳原子称为“潜不对称碳原子”或“原手性碳原子”。,S-(+)-乳酸,R-(-)-乳酸,潜不

12、对称碳原子 （原手性碳原子）,潜非对称分子（原手性分子）,含两个或多个不对称碳原子的手性分子,（1）旋光异构体的数目 （2）非对映异构体 （3）赤式和苏式,(1) 旋光异构体的数目,例如: 一个C* 二个C* 三个C*,(i),(ii),(iii),(iv),(2R,3R)-(-) -赤藓糖,(2S,3S)-(+) -赤藓糖,(2S,3R)-(+) -苏阿糖,(2R,3S)-(-) -苏阿糖,HOCH2-CH(OH)-CH(OH)-CHO 2,3,4-三羟基丁醛,(i)(ii)对映体，(iii)(iv)对映体。,(i)(iii),(i)(iv),(ii)(iii),(ii)(iv)为非对映体。

13、,不呈镜影关系的旋光异构体为非对映异构体。非对映体具有不同的旋光能力，不同的物理性质和不同的化学性质。,含两个不对称碳的分子，若在Fischer投影式中，两个H在同一侧，称为赤式，在不同侧，称为苏式。,（3）赤式和苏式,（2）非对映体,内消旋体,分子内含有平面对称性因素的没有旋光性的立体异构体称为内消旋体。是非手性分子。,含两个或多个相同（相象）手性碳原子的化合物,mp D(水) 溶解度(g/100ml) pKa1 pKa (+)-酒石酸 170oc +12.0 139 2.98 4.23 (-)-酒石酸 170oc -12.0 139 2.98 4.23 ()-酒石酸 (dl) 206oc

14、0 20.6 2.96 4.24 meso-酒石酸 140oc 0 125 3.11 4.80,酒石酸的情况分析,化合物的旋光性与熔点、沸点一样，是许多分子所组成 的集体性质。 只要分子中任何一种构象有对称面或对称中心，其他有手性的构象都会成对地出现。由于有手性的构象对旋光的影响相互抵消，所以分子没有旋光性。,内消旋酒石酸的对称性分析 旋光性与构象,差向异构体在立体化学中，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：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相同，所以它们是差向异构体：,I II III IV (2

15、R,3R) (2S,3S) (2R,3S) (2S,3R), 内消旋,有内消旋体时旋光异构体的计算,研究表明：一个含有n个不对称碳原子的直链化合物，如果它有可能出现内消旋型的旋光异构体，那么它的旋光异构体的数目将少于2n个。如果n为偶数，将可能存在2n-1个旋光异构体和 个内消旋型的异构体。如果n为奇数，则可以存在总共个2n-1立体异构体，其中 个为内消旋型异构体。,含手性碳原子的单环化合物 判别单环化合物旋光性的方法,实验证明：单环化合物有否旋光性可以通过其平面式的对称性来判别，凡是有对称中心和对称平面的单环化合物无旋光性，反之则有旋光性。,无旋光（对称面）,有旋光,顺式和反式互为非对映异构

16、体,1 奇数环,当AB不同时，顺式和反式都有手性。,2 偶数环,思考：当AB相同和不同时有什么区别？,取代环己烷旋光性的情况分析,例一：顺-1,2-二甲基环己烷,旋转120o,(1),(2),(1)的构象转换体,(1)和(2)既是构象转换体，又是对映体。能量相等，所以构象分布为(1):(2)=1:1。,结论：用平面式分析，化合物是内消旋体。 用构象式分析，化合物是外消旋体。 是非手性分子。,S,S,结论：用平面式分析，(1R,2R)-1,2-二甲基环己烷或(1S,2S)-1,2-二甲基 环己烷是一种有旋光的化合物。 用构象式分析，(1R,2R)-1,2-二甲基环己烷或(1S,2S)-1,2-二

17、甲基 环己烷是无数种有旋光的构象式 组合而成的混合物。,例三: （1S，2S）反-1,2-二甲基环己烷,例二：（1R，2R）反-1,2-二甲基环己烷,R,R,不含手性碳原子的手性分子,1.有手性中心的旋光异构体 2.有手性轴的旋光异构体 3.有手性面的旋光异构体,1.有手性中心的旋光异构体,一对对映体已拆分,未拆分出光活异构体 （未共用电子对起不到一个键的作用。）,除C外，N、S、P、As 等也能作 手性中心,2. 有手性轴的旋光异构体,（1）丙二烯型的旋光异构体 （2）联苯型的旋光异构体 （3）把手化合物,（1）丙二烯型的旋光异构体,（A）两个双键相连,Vont Hoff（荷兰）Bel（法）

18、 （1901年诺贝尔奖）,实例：a=苯基，b=萘基，1935年拆分。,（B）一个双键与一个环相连（1909年拆分）,（C）螺环形,D = 81.4o ( 乙醇 ),25,C原子与X1（或X3）的中心距离和C原子与X2 （或X4）的中心距离之和超过290pm，那么在室温（25oC）以下，这个化合物就有可能拆分成旋光异构体。,（2）联苯型的旋光异构体,n=8，可析解，光活体稳定。 n=9，可析解， 95.5oC时，半衰期为444分。 n=10，不可析解。,（3）把手化合物,蒄（无手性）,六螺并苯（有手性）,3. 有手性面的旋光异构体,消旋、拆分和不对称合成,外消旋化 外消旋体的拆分 不对称合成,消

19、旋化,一个纯的光活性物质，如果体系中的一半量发生构型转化，就得外消旋体，这种由纯的光活性物质转变为外消旋体的过程称为外消旋化。如果构型转化未达到半量，就叫部分外消旋化。,经烯醇化发生外消旋化。,含手性碳的化合物，若手性碳上的氢在酸或碱的催化作用下，易发生烯醇化，在烯醇化的过程中常会发生外消旋化。,D-(-)-麻黄素有生理活性，易结晶,L-(+)-假麻黄素生理活性只有麻黄素的1/5。,碳正离子,经形成正碳离子、负碳离子、自由基等中间体发生外消旋化。,含有手性碳原子的化合物，若手性碳很容易形成正碳离子、负碳离子、自由基等中间体时，常会发生外消旋化。,外消旋体的拆分（Resolution）,巴斯德，

20、L. Louis Pasteur (18221895),1848年，巴斯德借助放大镜拆分,外消旋的酒石酸钠铵,仪器拆分（GC, HPLC）,HPLC用手性柱,GC用手性柱,外消旋的拆分,外消旋体是由一对对映体等量混合而成，对映体除旋光方向外，其它物理性质均相同。 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。 拆分将外消旋体分离成旋光体的过程叫“拆分”。 拆分的方法一般有以下几种： （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

21、产生的酶，对对映体中的一种异构体有选择的分解作用。,（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。如酸：,化学法拆分,常用拆分试剂 天然手性生物碱：(-)-马钱子碱、(-)-奎宁、(-)-番木鳖碱、 (+)- 辛可宁 手性酸：酒石酸、樟脑磺酸

22、,例: 外消旋a-苯乙胺的化学拆分,接下页,在甲醇中溶解性差,接上页,酶解法拆分（利用酶的选择性反应进行拆分）,例: DL-丙氨酸的酶解拆分,选择性去乙酰基,接种结晶析解法,通过反应把分子中的一个对称的结构单元转化为不对称的结构单元，称之为不对称合成。,不对称合成,（1）光学纯度百分率（%O.P）,反应物1+反应物2,产物1(R)+产物2(S),若(R) (S),若 (R) (S),关于不对称合成的几个基本概念,若产物是一对对映体，当R构型的产物大于S构型 的产物时，%ee 为,当S构型的产物大于R构型的产物时，%ee 为,（2）对映体过量百分率(%ee); 简称ee值,手性分子的获得,获得手

23、性分子的重要意义药物与人类的关系 构成生命体系的生物大分子的主要部分大多数是以一种对映体形式存在的。故药物与其作用也是以手性的方式进行的， 生物体的酶和细胞表面受体是手性的, 故对外消旋药物的识别、消化和降解过程也是不同的。,手性分子的来源 自然界: 糖类、氨基酸、生物碱、萜类、甾体化合物 外消旋体的拆分 不对称有机合成反应,(S)-天冬酰胺 苦味,(R)-天冬酰胺 甜味,麻醉剂,致痉挛,巴比吐酸衍生物,(R)型,有效，不致畸形,(S)型，致畸形,Thalidomide(反应停) 镇静和止吐药物,(-)-L-DOPA 治疗帕金森氏病,(+)-D-DOPA 在体内集聚，不能被代谢,反应物 +试剂

24、,*1.手性反应物 *2.手性试剂 *3.手性溶剂 *4.手性催化剂 *5.在反应物中引入手性,产物,催化剂,溶剂,不对称合成常采用的方法,（少）,（多）,反应物有一个手性中心,产物有二个手性中心，非对映体。,大量的实验事实证明： 一个非手性分子在反应过程中产生一个手性中心时，产物为外消旋体；但一个手性分子在反应过程中产生第二个手性中心时，将会产生二个不等量的非对映体。,不对称合成(Asymmetric Synthsis) 选择性地生成立体异构体,选择性地生成非对映异构体,例1：,手性底物控制选择性,衡量标准：非对映体过量, d.e. ( diastereomeric excess),例 2：

25、,手性底物,选择性地生成对映异构体,例 1：,手性试剂控制选择性,衡量标准：对映体过量，e.e. (enantiomeric excess),前手性分子 (prochiral),例 2：,前手性分子,手性试剂(催化剂)控制选择性,William S. Knowles,Ryoji Noyori,K. Barry Sharpless,The Nobel Prize in Chemistry 2001,for their work on chirally catalysed hydrogenation reactions,for his work on chirally catalysed oxidation reaction