3-立体化学基础药学专升本ppt课件

1、一、对映异构体和手性二、结构的表示方法三、对映体构型的命名四、手性和对称性五、对映体的光学活性六、外/内消旋体, 非对映体七、对映体的性质八*、含其它手性中心的化合物九*、脂环化合物的对映异构十*、外消旋体的拆分与光学纯度十一*、立体化学反应第三章 立体化学基础第三章第三章 立体化学基础立体化学基础构造异构构造异构立体异构立体异构构型异构(分子中原子间的排列顺序、结合方式)(构造相同，原子在空间排布方式不同)碳架异构位置异构官能团异构顺反异构对映异构构象异构同分异构同分异构 对映异构又叫光学异构或旋光异构。它是一对映异构又叫光学异构或旋光异构。它是一类与物质的旋光性质有关的立体异构。类与物质的

2、旋光性质有关的立体异构。一、平面偏振光一、平面偏振光(plane-polarized light )和比旋光度和比旋光度光束前进方向(a)前进方向与振动方向垂直(b)普通光线的振动平面 光电磁波，它的振动方向与其前进方向垂直(图a).普通光的光波可在垂直于它前进方向的任何可能的平面上振动(图b). 1、平面偏振光和旋光性第一节第一节 概述概述图 光的偏振 如果将普通光线通过1个nicol棱镜，如图。它好象1个栅栏，只允许与棱晶晶轴相互平行的平面上振动的光线AA透过棱晶，而在其他平面上振动的光线如BB、CC、DD则被阻挡住。这种只在一个平面上振动的光叫平面偏振光。简称偏振光或偏光.(a) 水等不

3、旋光物质(b) 乳酸等旋光物质图 物质的旋光性A为盛液体或溶液的管子 若使偏振光透过一些物质(液体或溶液)，有些物质如水、酒精等对偏振光不发生影响, 偏振光仍维持原来的振动平面(图a)； 但有些物质如乳酸、葡萄糖等，能使偏振光的振动平面旋转一定的角度 a(图b).能旋转偏振光振动方向的性质叫旋光性 (optical activity ) ，具有这种性质的物质称旋光性物质或光学活性物质。2. 旋光仪和比旋光度旋光仪和比旋光度 (1) 旋光仪 在实验室中要测定物质的旋光度，可用旋光仪。常用的旋光仪的横截面示意图如下：A光源；B起偏棱晶；C盛液管；D检偏棱晶；E回转刻度盘；T目镜 面对光源顺时针旋转

4、的叫右旋，以“+”或“d表示；反时针旋转的叫左旋，以“”或“l表示。右右旋旋 比例常数 a 称为比旋光度。它是单位长度和单位浓度下的旋光度。上述公式又称为Biot定律。 旋光度旋光度 a 的大小，不仅与测定溶液的浓度成正比，的大小，不仅与测定溶液的浓度成正比，也与测定溶液的厚度盛液管的长度成正比。也与测定溶液的厚度盛液管的长度成正比。L CaDt =t：测定温度()D：光源(钠D线，589nm)L：旋光管长度(dm) C：溶液浓度(gml-1or kgL-1),纯液体为密度通常还要注明溶剂a = a LC如：aD20 = +98.3o (C, 0.05, CH3OH) Problem 10：将

5、5%葡萄糖水溶液放在10cm长的盛液管中，在20下测得旋光度 +3.2，求葡萄糖在水溶液中的比旋光度？它的对映体的比旋光度又是多少？把同样溶液放在20cm长的盛液管中，测得的旋光度又是多少？+3.2o1 0.05aD20 = +64o (C, 0.05, H2O) 观察自己的双手，左手与右手有什么联系和区别？二、对映异构体和手性二、对映异构体和手性左、右手对映而不能重合，这种性质称为“手性”。左手的镜像是右手左手的镜像是右手对映关系对映关系左手 镜 右手左手和右手不能重合 任何物体都有它的镜像。一个有机分子在镜子内也会出现相应的镜像。实物与镜像相应部位与镜面具有相等的距离。实物与镜像的关系叫对

6、映关系。实物与镜像镜面CH3HHOHCCH3HHOHCCH3HHOHCCH3HHOHC 若实物与其镜像能够完全重合，则实物与镜像所代表的两个分子为同一个分子。所有基团都重合乙醇分子模型的重叠操作 对于某些分子，两个互为实物与镜像关系的分子不能重合，如乳酸。 具有对映而不能重合关系的立体异构体，互称为对映异构体简称对映体）。 有对映异构体的分子称为手性分子Chiral molecule），或称分子具有手性(chirality).乙醇没有对映体，因此是非手性分子。*手性分子手性分子CH3HHOHCCH3HHOCO2HCH3CHOHCO2HC非手性分子非手性分子CCH2OHHCH3H5C2CCH2O

7、HHC2H5H3C对映体对映体 又如：又如：CH3CH2CHCH2OHCH3* 能引起分子具有手性的一个特定原子或分子骨架的中心称为手性中心，最常见的手性中心为手性碳原子。与4个不同基团相连的碳原子称为手性碳原子(常用*C表示),正是这种碳原子使乳酸分子产生了手性。*C只是手性原子(又称手性中心)的一种，其他多价杂原子如N、P等也可形成手性中心。手性中心Question :下列化合物哪些是手性的？指出它们所含的手性碳原子。1. CH2Cl2 2. CHCl33.CH3-CHCl-CH2CH3 4. CH3-CH-CH2CH35. CH3-CH-CH-CH2CH3 CH2CH3 OH OHH C

8、H3 CH3 6.7. H CH3* * 一个手性分子必然具有手性中心、手性轴或手性面，最常见的是具有手性碳原子的化合物。但是具有手性碳原子的化合物，不一定都是手性分子和具有旋光性如内消旋体）。 要判断一个分子是否具有手性，最可靠的方法是将这个分子本身以及它的镜像都作成模型，再来比较实物和镜像是否能完全重合。若不能完全重合，则该分子有手性，存在对映异构体。 也可以从考察这个分子有无对称因素symmetry of elements入手。如果分子中没有对称面、对称轴或对称中心，则该分子是手性分子，存在对映异构体。 三、分子的对称性和手性三、分子的对称性和手性（一对称因素（一对称因素 1、对称面、对

9、称面(m)：假如有一个平面可以把分子切开成：假如有一个平面可以把分子切开成两部分，而一部分正好是另一部分的镜像，这个平面两部分，而一部分正好是另一部分的镜像，这个平面就是分子的对称面。具有对称面的分子与其镜像能够就是分子的对称面。具有对称面的分子与其镜像能够重合，因而无手性。重合，因而无手性。丙酸分子丙酸分子的对称面的对称面 分子的对称面具有对称面的分子为非手性分子具有对称面的分子为非手性分子ClFFHHHHCl 2.对称中心 若分子中有一点P，通过P点画任何直线，如果在离P点等距离的直线两端有相同的原子或基团，则点P称为分子的对称中心。 具有对称中心的化合物和它的镜象能够重合，因此也是非手性

10、分子.P3.对称轴对称轴当分子环绕通过该分子中心的轴旋转一定的角度，当分子环绕通过该分子中心的轴旋转一定的角度，得到的分子形象与原来的完全重合时，此轴即为得到的分子形象与原来的完全重合时，此轴即为对称轴。当旋转对称轴。当旋转360/n360/n角度后，此轴即称为角度后，此轴即称为n n重对重对称轴符号称轴符号CnCn）。）。一个三重对称轴CHClClClC3一个六重对称轴，六个二重对称轴C6C2Problem 8:下列化合物哪些有什么对称因素？下列化合物哪些有什么对称因素？CH3 CH3 C C HH1CH3CH3BrBrHHHH2ClFFHHHHCl34练习题3.31、反1，2-二甲基环丙烷

11、2、环己烷的船式构象3、乙烷的交叉式构象CH3CH3HHHHHH没有对称因素有对称轴、对称面有对称中心4、丁烷的对位交叉式构象CH3CH3HHHH5、乙烷的重叠式构象HHHHHH有对称中心有对称面（三旋光性的产生 平面偏振光可看作是由两个周期和振幅相同而自旋方向相反的圆偏振光叠加左旋及右旋圆偏振光组成。 当平面偏振光通过一个具有对称性的物质时，两种圆偏振光以同一速度前进，在时间t内，弧AB=AC，所以得到平面AA,结果振动面不改变。若平面偏振光通过一个具有手性的物质，此时两种圆偏振光以不同速度前进，假设右旋圆偏振光的速度较快， AB AC，结果引起振动面向右旋转 角度。AACBAACB一、含一

12、个手性碳原子的化合物 含有1个手性碳原子的化合物具有1对对映体(21个)COOH COOHHOHHOHCH3 CH3 D-(-)-乳酸 L-(+)-乳酸 一对对映体具有相同的熔点、沸点、密度，两者的比旋光度大小相等，方向相反。熔点： 5353比旋光度：-3.82 +3.82第二节第二节 对映异构和非对映异构对映异构和非对映异构 手性分子的立体结构与受体的立体结构手性分子的立体结构与受体的立体结构(受受体靶位体靶位)有互补关系时，其活性部位才能进入受有互补关系时，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

13、靶位，体只有其中一个适合进入一个特定受体靶位，产生生理效应。产生生理效应。 如：(1R,2R)-(-)-氯霉素有效，而其他对映体几乎无效，它们的抗菌活性为100:0.4。生物学性质生物学性质如：如： HOHONH2COOHHOHOHH2NHOOCH (+)-多巴多巴（无生理效应）（无生理效应） (-)-多巴多巴（抗帕金森病）（抗帕金森病） 手性分子与手性生物受体之间的相互作用手性分子与手性生物受体之间的相互作用 a. 对映体的构型完全适合与受体靶位作用b. 对映体不能合适地进入相同的受体靶位（二外消旋体 外消旋体外消旋体 一对对映体的等量混合物。是一种一对对映体的等量混合物。是一种特殊的混合物

14、。常用特殊的混合物。常用()或或 dl 表示。表示。 （如实验室（如实验室中合成乳酸）中合成乳酸）Question ：外消旋体是否显旋光性？为什么？：外消旋体是否显旋光性？为什么？ COOHCOOHHOHHOHCH3 CH3 D-(-)-乳酸乳酸 L-(+)-乳酸乳酸熔点： 5353比旋光度：-3.82 +3.82外消旋乳酸外消旋乳酸dl-乳酸乳酸-乳酸乳酸180 答：不显旋光性。因为一对对映体的等量混答：不显旋光性。因为一对对映体的等量混合物其旋光性正好相互抵消。合物其旋光性正好相互抵消。外消旋体的化学性质一般与旋光对映体相外消旋体的化学性质一般与旋光对映体相同，而物理性质则有差异。同，而物

15、理性质则有差异。COOHCH3OHHCOOHCH3HOH（三）、对映异构体的表示方法（三）、对映异构体的表示方法COOHCH3OHHCOOHCH3HHO或： 1、立体结构式COOHHHHOOHHOOCCOOHHOHCOOHHHO锯架式锯架式 Newman投影式投影式 CO2HCO2HNO2NO2CH3CH3透视式透视式2、Fischer投影式投影式 （1）“横前竖后横前竖后”：与：与*C结合的两个横键代表朝向纸结合的两个横键代表朝向纸平面的前方平面的前方,两个竖键代表朝向纸平面的后方。（这一两个竖键代表朝向纸平面的后方。（这一条必须遵守！）条必须遵守！）Fischer投影式书写规则投影规则）（

16、2） 一般将主碳链放在竖直线上，把命名时编号最一般将主碳链放在竖直线上，把命名时编号最小的碳原子放在上端。小的碳原子放在上端。 然后然后, 将这样固定下来的分子模型中各个原子或基将这样固定下来的分子模型中各个原子或基团投影到纸面上。这样，在投影式中，两条直线的垂团投影到纸面上。这样，在投影式中，两条直线的垂直交点直交点(“十字交叉点十字交叉点)相当于相当于*C，它位于纸面上。，它位于纸面上。 按此方式得到的Fischer投影式为最严格的Fischer式，用D/L法命名时必须用这种Fischer式。C OHCOOHHCH3COOH HCH3HO Fischer投影式C CH3CHOHNH2CHO

17、 NH2CH3H Fischer投影式HNH2CH3CHOCOOHCH2OHHOH HO HCH2OHCOOH12COOHOHHO H HOCH2COOHCH2OHH34Problem : 下列Fischer式是否表示同一化合物？ （1）、）、 Fischer投影式不能离开纸面进行翻转。投影式不能离开纸面进行翻转。 （2）、若要知道两个投影式是否能重合，只能使）、若要知道两个投影式是否能重合，只能使它在纸面上转动它在纸面上转动180, 而不能旋转而不能旋转90或或270。比较投影式时必须遵守下列规则：比较投影式时必须遵守下列规则：C O O HC H3O HHC H3C O O HHO HO

18、HHC H3C O O H旋 转 1 8 0 度同 一 化 合 物旋转9 0度对 映 异 构 体纸 面 上 （3）、 Fischer式中*C上所连原子或基团可以两-两交换偶数次。若交换奇数次，将会使构型变为它的对映体。COOHCH3OHHHCH3OHCOOHHOHCH3COOH基 团 两 两 交 换 奇 数 次基 团两 两交 换偶 数次（4）、三基团轮换操作，不改变其构型。HNH2CO2HCH3CO2HNH2HCH3CO2HNH2HCH3CO2HNH2HCH3Problem : 下列Fischer式是否表示同一化合物？COOHCH2OHHOHHOHCH2OHCOOH1 2 COOHOHHOH

19、HOCH2COOH CH2OHH34旋转180后可重叠镜像关系-对映体交换偶数次后与1同CHOCHOH OH HO HCH2OHCH2OH D-(+)-甘油醛 L-(-)-甘油醛 命名具有立体特征的化合物时，应标出分子中连命名具有立体特征的化合物时，应标出分子中连在手性碳上各个基团在空间的排布方式即构型）。在手性碳上各个基团在空间的排布方式即构型）。 1、构型的、构型的D/L命名法相对构型）：选择甘油醛作为命名法相对构型）：选择甘油醛作为标准，并人为地规定它的构型。标准，并人为地规定它的构型。 （碳链竖直，醛基在上（碳链竖直，醛基在上端）端）（四）、对映异构体构型的命名（四）、对映异构体构型的

20、命名 规则：在严格的规则：在严格的Fischer投影式中，投影式中，C*上上取代基处于右侧为取代基处于右侧为D-构型；处于左侧为构型；处于左侧为L-构型。构型。 COOHHCH3H2NL-2-氨基丙酸CHOCHOH OH HO HCH2OHCH2OH D-(+)-甘油醛 L-(-)-甘油醛D/L标记法一般用于糖类和氨基酸的构型标记。标记法一般用于糖类和氨基酸的构型标记。 1970年，国际上根据IUPAC的建议采用了R/S构型系统命名法，这种命名法的适应性更广。直接根据化合物的实际构型或投影式命名，不需要与其他化合物联系比较。2、构型的、构型的R/S命名法命名法 首先把手性碳上所连的四个原子或基

21、团根据顺序规则排出大、中、小、最小。然后把最小的基放在方向盘的连杆上，其它三个基就在方向盘上。然后再观察这三个基的大、中、小走向，顺时针为R，反时针为S。方法：次序规则排次序，方向盘上定构型。abc顺时顺时针针: R构型构型abc反时反时针：针：S构型构型顺序规则(sequence rule)的主要原则： (1) 先大后小，先重后轻：按原子序数的大小，大者优先；同位素则按原子量大小，重者优先。（此为顺序规则的核心）-I-BrCl-SH-OH-NH2-CH3-D-H : (2) 当与碳原子直接相连的原子相同时，就延伸下去，逐个比较次接原子，若还是相同，则继续顺着原子链找下去，直到找到优先基团为止

22、。（顺藤摸瓜）-CH2CH2CH3 -CH2CH3 -CH3 -CH2CH2CH3 -CH-CH3 CH3 C C H CH CCHBr Cl SO3H SH F OCR OR OOH NO2 NR2 NHR NH2 CCl3 CO2H C NH2 CH CH2OH CN O OCCH C(CH3)3 CH=CH2 CH(CH3)2 CH2CH2CH3 CH2CH3 CH3 D H （孤对电子）；（4取代基互为对映异构体时，Z-型双键 E-型双键；取代基互为几何异构体时，R 构型 S 构型 n下列几个基团根据次序规则判断最优基团(最大基团)是( )。n A. -COOH B. CHO C. -

23、CH2SH D. -CH2OH E. -CH3 直接利用Fischer投影式命名：ClC2H5 CH3HClHCH3C2H5还原为立体式还原为立体式S-2-氯丁烷氯丁烷COOHCOOHHOHHOHCH3CH3 CH2ClH HOCH2Cl HOCH2 ClHCH2Cl直接根据直接根据Fischer投影式命名的简便方法介绍：投影式命名的简便方法介绍：R-(-)-乳酸S-(+)-乳酸S-2,3-二氯丙醇Problem : 用用R/S法命名下列化合物。法命名下列化合物。R-2,3-二氯丙醇中大小中大小最小基在横键上，纸面走向与实际走向相反，顺时针为S型，逆时针为R型。最小基在竖键上，纸面走向与实际走

24、向相同，顺时针为R型，逆时针为S型。COOH HHHOHC=C CH3HClH CH3 COOHCHC H CH3(2R,3S)-2-羟基-3-氯丁二酸大中4R-(2Z,5E)-4-甲基-2,5-庚二烯Problem : Give the names of the following compounds。(by R/S nomenclature)2331234572COOHCOOH HNH2 HNH2CH3CH2SHQuestion ：D/L 法和法和 R/S 有什么联系吗？有什么联系吗？ D/L 法和 R/S 是两种不同的构型表示方法，二者间无直接逻辑联系，D和R以及L和S有时一致，有时不一

25、致。D-，R- D-，S-QUESTION ：物质的旋光方向与物质的构型：物质的旋光方向与物质的构型有联系吗？是否右旋体的构型就一定为有联系吗？是否右旋体的构型就一定为D-或或R-构型，左旋体的构型一定为构型，左旋体的构型一定为L-或或S-构构型？型？ R-或或S-构型标志着手性分子的绝对构型，构型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至今尚不知道化合物的旋光方向与构型的关系。关系。 CO2H CO2H CO2H CO2H HO H HOHH OH HOH Cl H HClCl H HCl CO2H CO2H CO2H CO2H（1） （2） （3）（4）aD-7.1

26、aD+7.1 aD+9.3 aD-9.3 当分子中有n个不相同C*，则有2n个旋光异构体。C2：-OH -CHClCO2H -CO2H -H C3: -Cl -CO2H -CHOHCO2H -H非对映异构体(彼此不成镜像关系的立体异构体)对映体对映体RRSSSRRS二、含两个手性碳的化合物二、含两个手性碳的化合物1 、含两个不同手性碳的化合物、含两个不同手性碳的化合物 具有对映而不能重合关系的一对分子彼此互称为具有对映而不能重合关系的一对分子彼此互称为对映异构体，简称为对映体；对映异构体，简称为对映体； 没有对映关系，构造没有对映关系，构造相同、只是手性碳原子的构型不完全相同的光学异构相同、只

27、是手性碳原子的构型不完全相同的光学异构体之间互称为非对映异构体。一个对映体和一个非对体之间互称为非对映异构体。一个对映体和一个非对映体不能组成外消旋体，其物理性质也不同。映体不能组成外消旋体，其物理性质也不同。对映体与非对映体的区别对映体与非对映体的区别下列化合物哪对是互为对映体，哪对是互为非对映体？BrCH3HCH3HOH23CH3OHHBrCH3H23CH3OHBrHHCH323CH3HHBrCH3OH23（42S，3S（1和4） ，（2和3互为对映体（1和2）（3）， （4和2） （3互为非对映体（12R，3R（22R，3S（32S，3R 当分子其中RC*abC*ad结构的化合物时通常将

28、其与丁醛糖作比较来表示其构型。a、a两个相同基团在费歇尔投影式处于同侧而与赤藓糖构型相似者，称为赤型或赤式，a、a处于异侧而与苏阿糖构型相似者，称为苏型或苏式，CRCRabad赤式CRCRabda苏式2、含两个相同手性碳的化合物、含两个相同手性碳的化合物CO2H CO2H CO2H CO2H HO H HOHHO H HOH H OH HOHHO H HOH CO2H CO2H CO2H CO2H（1） （2） （3）（4）D-12 D+12 D 0 D0 mp: 170 170 140 （3分子中具有对称面，分子上下两部分对偏振光分子中具有对称面，分子上下两部分对偏振光的影响相互抵消，整个分子不表现旋光性。的影响相互抵消，整个分子不表现旋光性。对映体对映体对映体 ?非对映异构体(光学异构体数目光学异构体数目 99.9% 0.1%ea空间张力2. 二取代环己烷二取代环己烷HHCH3CH3HHCH3CH3HHHeeaa反-1,2-二甲基环己烷HCH3CH3HCH3CH3HHeaae顺-1,2-二甲基环己烷实验测定, 反式异构体比顺式异构