2019年第五章对映异构

1、第五章 对映异构(enantiomerism)教学要求：掌握：手性和手性分子以及手性碳原子的概念。对映体、非对映体、外消旋体和内消旋体的概念和主要性质；对映异构体命名方法(R.S )。熟悉：费歇投影式和透视式表示立体异构体的方法。了解：无手性碳原子的对映异构体和环状化合物的对映异构；对映体的拆分方法和手性子在生物中的作用，以及前手性原子和前手性化合物的概念。对映异构主要是从三维 空间揭示对映存在的立体异构体，在结构上差别甚微，而在生物活性上却有着天壤之别。本章将着重学习怎样区分手性分子和非手性分子；怎样判断对映体、非 对映体、夕卜消旋体和内消旋体的存在，以及怎样表示和命名它们的立体结构；比较它

2、们之间 性质上的异同点； 了解对映体的拆分方法和手性分子在生物中的作用，以及前手性原子和前手性化合物的概念。学习 对映异构为学习糖类、脂类、氨基酸、蛋白质、核酸、酶、和激素 等各种活性分子的结构和功能奠定必要的立体化学基础。第一节手性和对映体同分异构在有机化学中是极为普遍的现象。在第二章已经学习了构造异构和顺反异构以及构 象异构。后两者均属于立体异构。即分子中的原子或原子基团在 空间的排列方式不同产生的 异构现象。通常构象异构体是不能分离的。本章要介绍另外一种立体异构现象：即对映异构。图示如下：二 / A工|樹页辰寻林I|对映导构一、手性产生对映异构现象的结构依据是手性 (Chirality)

3、。什么叫手性呢？人们都有这样的感受，： 当你将一只左手套戴在右手上就会觉得很不舒服。这就说明左右手看上去似乎是相同， 实际 是不同的。那么左右手到底是什么关系呢？让我们看看手性关系图。图3-1手性关系图这种左右手互为镜像与实物关系， 彼此又不能重合的现象称为手性。自然界中有许多手性物,例如：足球、剪刀、螺丝钉等都是手性物。微观世界的分子中同样存在着手性现象。有许多 化合物分子具有手性。二、手性分子和对映体图3-2是一对互为镜像关系的 孚L酸分子 的立体结构式（透视式）：COOH黄球H0HCH哪个为上述结构詐 哪个为上述结构b?冬匚hiz于垂氏円zfm Le勺 虚边T帝冋m氏千曲肓聞S就閣 3n

4、 锻倍竽匚四农分于”壬:详结=勾共a和b两个立体结构式之间有何种关系？它们代表相同的分子？还是代表不同的分子？不妨观察上述孚L酸分子的两个立体结构式的球棍模型图示（见图3-3）图3-3-1孚L酸球棍模型图示由團3-3-1和图3-3-2可女帆酸分子a和b的关丟正象人的左右手关系:互为巍像和实物，又不能重合.因此违和b代表不同的分子”均員有手也A与b互为对映异构 悴（简称对映体Enantioiumer）-图3-3-2孚L酸球棍模型为什么乳酸存在一对对映体？仔细观察图3-2的两个乳酸分子的结构，可发现分子中有一个碳原子（C0所连的四个基团（COOH,OH,CH 3,H）均不相同。凡是连有4个不同的原

5、子或基团的 碳原子称为手性碳原子 （chiral carbon atom）,也可称为手性中心（chiral center）。一个手性碳原子 所连的4个不同原子或基团在 空间具有2种不同的排列方式也称两种构型，它们是彼此成镜像关系，又不能重叠的一对立体异构体，互为对映体。含有一个手性碳原子的化合物只有一对对映体。图3-2中的 和（b）就是乳酸的一对对映体。小结：手性分子：不能与其镜像重合的分子。对映体：彼此成镜像关系，又不能重合的一对立体异构体互为 对映体。手性碳原子：连有四个不同原子或基团的碳原子。三、对称面和非手性分了图3-4丙酸分子的对称面四、判断对映体（手性分子）的方法第一建造一个分子和

6、它的镜像的模型。如果两者不能重合，就是手性分子。第二 寻找有无对称面。有对称面，它就不存在对映体，为非手性分子。第三 寻找手性碳原子（或手性中心）。只要有一个手性碳原子，就是手性分子，有一对对映 体（两个以上C 有例外。见内消旋体）a CHsCHaCHjCHaCHc Le c氏cci%冬廷ob CH3CH2CHC吒OHd ch3ch=chch2ch3 f C隊企CHdi耳o 卑问题3-2化合物a和b哪个有对称面？哪个为非手性分子？哪个有对映体a CH2ClBrb CH3CH2CHCH3Ah氯涼甲烷2丁醇化合物b （2-丁醇）有一对对体映体CICH3子、H3COOHHOHHOHCOOH 平面投影

7、式第二节费歇尔投影式费歇尔投影式是指将一个三维（立体）手性分子模型作如下规定：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COOHHO J jil1CO2HCOaHIHOC =HH 亠-OHICOHCOsH(70田hJvOH _HSH HoJwHCO2H沦0祖(c)(d)-对对映体内消罐化合物(亠与3八施光性 相同化劭HOOdHCOOH有两乎相同的手性碳6h 6h酒右釀三个立体异构思考：与(c)、(b)与(c)是何种关系呢(对映体？非对映体？)？为什么内消旋化合物无旋光性？内消旋化合物有对称面。对称面

8、的上半部分是下半部分的镜COOH压二匚OH/-/I/上f对称面像。團3訂內消龍酒石尉COOH分子的上下两部分对偏振光的影响相互抵消，使整个分子无旋光性(见图3-7 )。由于内消旋体的存在，酒石酸只有三种立体异构体，其数目少于按照2n规则所预测的数目。表3-3为酒石酸的三种立体异构体的一些物理性质。题3-3如果将(-)、(+)和内消旋酒石酸三者等量的混合物进行分步结晶，将得到两部分均无 旋光性的结晶。哪两部分？酒石酸的一对对映体和内消旋酒石酸。 问题3-4 2,3-二溴丁烷的立体异构体中有内消旋体吗？ 解答:有因为有两个相同的手性碳,有对称面。ch3CH3对称面小结:彼此不成镜像关系的立体异构体

9、叫非对映体。非对映体间具有不同的物理性质。例如，熔点、沸点和溶解度等物理性质都不相同。用重结晶或蒸馏等方法可以将非对映体分开。内消旋化合物有对称面，无旋光性。第六节构型命名构型是指分子结构中的原子或基团在空间排列的顺序。对映异构和顺反异构都属于构型异构。不过两者略有差异： 对映异构体的构型一般指手性中心（或手性碳原子）所连的四个不同 原子或原子团在空间排列的顺序。而顺反异构体的构型是指分子中某些共价键的旋转受阻而 导致分子中的原子或原子团在空间排列的顺序。顺反异构体构型的命名已在第二章作了初步学习，在第四章还要继续学习。这儿只介绍对映异构体的两种构型命名方法。一、D.L命名法一个化合物的 绝对

10、构型 通常指键合在手性中心的四个原子或基团在空间的真实排列方式。1951年前，人们还无法确定化合物的绝对构型。费歇尔（Fischer）人为地选定（+）-甘油醛为标准物，并规定其碳链处于垂直方向，醛基在碳链上端的投影式中，C2上的羟基处于右侧的为D-构型。其对映体，（-）-甘油醛为L-构型。两者结构分别如下：CHOCHOHOHH0HB- C -卜甘油翳ch2ohch2oh0-(+)-甘油醛D*( * )-gJyreraldehyies以甘油醛为标准物，通过合适的化学反应转化成其它旋光性化合物，只要在反应过程中不断裂与手性中心直接相连的化学键，那么所得的化合物的构型就与原甘油醛的构型相同例如：CH

11、OHOhCH2CHCOOHHiOI右H0HCH2OHD（十卜甘油匯甘油展glyccRliteiytfcs卿 朮 kHdD-（ + ）-甘油醛与氧化汞（HgO）反应，醛基被氧化成羧基（-COOH），生成甘油酸。由于与手性 中心（C2）直接相连的键没有发生断裂 ，因此甘油酸的构型应与 D-甘油醛相同，也是 D构型。但甘油酸的旋光方向却为左旋。这一事实说明化合物的构型与旋光方向没有直接的对应关系。化合物的旋光方向只是通过旋光仪直接测定的。1951年，拜捷沃特（J.M.Bijvoet）用X-衍射技术测定了（ + ）-酒石酸铷钾盐的绝对构型之后，确定了原来人为规定的 D-（ + ）-甘油醛的构型刚巧就是

12、它的真实构型。当然以甘油醛为标准物，确定的其它化合物的构型，自然也是绝对构型了。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，一般用于 糖类和氨基酸的构型命名（见第15章和第17章）。二 R. S构型命名法R.S构型命名法广泛应用于各种类型手性化合物构型命名。它遵循凯恩-英戈德-普雷洛格规则（R. S.Cahn-R. S. Ingold-V. Prelog Rules），命名手性化合物的构型。 1979 年 IUPAC 建议采 用R. S构型命名法。R.S构型命名规则：1、 按原子序数大小为序，排列与手性碳相连的四个原子或基团的大小顺序（或称优先级）, 具体方法按照

13、次序法则（例题1和例题2中的叙述内容）。2、 将手性碳上的四个原子或基团中最小的（大多数情况下是氢原子）置于远离我们视线的位置（即放在最远的位置），然后观察朝向我们的另外三个基团由大到小的顺序。如为顺时针方向为R构型；反时针方向为 S构型。若 a b c d汕卜卜d_广卜卜ti图3-8 R.S构型命名法图示： 次序法则（确定c上连的四个基团优先顺序）：次序法则1：与手性碳原子直接相连的四个不相同的原子，先后顺序取决于原子序数的大小，原子序数较大的原子较优先（也就是较大基团）。例如：Cl、Br、I、H四个原子，连在同一个手性碳上其原子序数大 小顺序为lBrCIH。因此其优先顺序也是lBrCIH。

14、次序法则2：当手性碳所连的四个原子或基团中，有些基团的第一个原子相同时，则要依次看第二个甚至 第三个原子，直到遇有差别时，将其中原子序号大的仍然排列在前。例如，-CH3和-CH2CH3比较，第一个原子均为碳，两者相同，于是比较该碳所连的原子或基团，前者为H，H，H，后者为H，H，C，相比之下后者的碳原子序号比前者大。因此-CH2CH3应排在-CH3的前面。即优先顺序为：-CH2CH3-CH3次序法则3:若手性碳上连有的基团含有 双键或三键，则可看成连接两个或三个相同的原子。例如，醛基-CHO可看作C原子上直接连着2个0和1个H原子，当有-CHO和-CH2OH基同时连在一个手性碳上，那么这两个基团由大到小的顺序应该是：-CHO -CH 2OH。同样，羧基（-COOH）可看作碳原子上直接连着 3个氧原子，当-COOH和-CHO比较时，这两个基团的 优 先顺序是-COOH -CHO。R或S构型，它标志着手性分子的绝对构型。至今尚不知道化合物的旋光方向与构型的