第八章立体化学v4

1、构型异构、构象异构和本章的构型异构、构象异构和本章的旋光异构旋光异构都是都是涉及分子涉及分子的概念。的概念。HH3CHCH3HH3CHCH3H3CCH3H3CCH3cistransHHHHHHHHHHHHchiral molecules）：）：有手性现象的分子有手性现象的分子FBrClHFBrHClFBrClH手性分子手性分子镜像镜像8.1 手性和对映体手性和对映体CH3CHCHCH3Cl ClCH3CHCHCH2CH3Cl ClFCBrClHFCHClBr非非手性分子手性分子镜像镜像FClClHFClClHFClClHClBrClBrClBrClBrClBrClBr非非手性分子手性分子与分子

2、的对称性与分子的对称性 判断分子有无手性判断分子有无手性 分子的分子的对称因素：对称因素：对称轴、对称面对称轴、对称面、对称中心对称中心，n重更替对称轴。重更替对称轴。考察分子的对称性需考虑考察分子的对称性需考虑分子的对称因素分子的对称因素对称面：对称面：HClClHCClClHH对称面对称面对称面对称面对称轴：对称轴：ClClFF对称中心：对称中心：n重更替对称轴：重更替对称轴：手性与分子的对称性的关系手性与分子的对称性的关系CH3OHHCH3OHHCH3OHHCH3ClHHFHClFHClHHFHClFHClHHFHClFH180o 如果如果一一个分子没有任何个分子没有任何一一种对称因素：

3、种对称因素：，这种分子就有这种分子就有。一般只考察。一般只考察 对称轴不能作为分子有无手性的标准对称轴不能作为分子有无手性的标准. 构型构型FBrClHFBrClH它们的构造相同，立体结构不同，属它们的构造相同，立体结构不同，属构型异构体构型异构体。分子的手性是存在对映异构体的必要和充分条件。分子的手性是存在对映异构体的必要和充分条件。构造异构构造异构constitutional立体异构立体异构Stereo-碳链异构碳链异构官能团异构官能团异构位置异构位置异构构型异构构型异构configurational构象异构构象异构conformational顺反异构顺反异构对映、非对映异构对映、非对映异

4、构同分异构同分异构isomerism单键旋转异构单键旋转异构叔胺翻转异构叔胺翻转异构同分异构现象小结：同分异构现象小结：8.2 旋光性和比旋光度旋光性和比旋光度 偏振光偏振光偏振光偏振光- 普通光在通过尼克尔普通光在通过尼克尔( (Nicol)棱镜后形成的只在棱镜后形成的只在一个方向一个方向振动振动光光普通光普通光 尼可尔棱镜尼可尔棱镜 偏振光偏振光 光学活性光学活性 ( optical activity ) 物质能使偏振光物质能使偏振光振动方向振动方向发生偏转的性质发生偏转的性质叫叫a aa at =a a t l ca at : : 实验观察到的实验观察到的光度光度l : 样品管长度（样品

5、管长度（dm, 分米）分米）c : 样品浓度（样品浓度（g / cm3）t : 测试时温度测试时温度 : 波长波长 一对对映体对偏振光的作用不同，一个使偏振光向顺时针方向偏一对对映体对偏振光的作用不同，一个使偏振光向顺时针方向偏转，另一个使偏振光向逆时针方向偏转，转，另一个使偏振光向逆时针方向偏转，两者偏转数值相同两者偏转数值相同。COOHHOHCOOHOHHCOOHOHHCOOHHOH 旋光仪旋光仪小结：手性，旋光活性，对映体小结：手性，旋光活性，对映体手性手性是具有是具有旋光活性旋光活性的必要条件。的必要条件。手性手性是存在是存在对映体对映体的充分和必要条件。的充分和必要条件。对映体对映体

6、旋光方向相反，旋光能力相同。旋光方向相反，旋光能力相同。手性，手性分子手性，手性分子对映体对映体 ，非对映体，非对映体旋光活性旋光活性8.3 构型的表示法，构型的确定和构型的标记构型的表示法，构型的确定和构型的标记1. 构型的表示法构型的表示法菲舍尔投影式菲舍尔投影式, 锲形式锲形式 透视式透视式(用透视式表示基团在空间的排列顺序用透视式表示基团在空间的排列顺序) ) COOHCOOHOHOHHHCH3CH3 锲形实线锲形实线表示伸向平面前方的键表示伸向平面前方的键。 锲形虚线锲形虚线表示伸向平面后方的键表示伸向平面后方的键COOHCH3OHH费歇尔投影式国际命名原则：费歇尔投影式国际命名原则

7、：将碳链放在垂直线上，氧化态较高的碳将碳链放在垂直线上，氧化态较高的碳原子或主链上第一号碳原子在上以垂直线相连的基团表示伸向纸后，原子或主链上第一号碳原子在上以垂直线相连的基团表示伸向纸后，即远离读者；以水平线相连的基团表示伸出纸前即伸向读者即远离读者；以水平线相连的基团表示伸出纸前即伸向读者 注意：注意：投影式是用平面式来代表三度空间的立体结构不能任意翻转投影式是用平面式来代表三度空间的立体结构不能任意翻转 费歇尔费歇尔(Fischer)投影式投影式 实例：乳酸分子实例：乳酸分子楔形透视式楔形透视式转换为转换为费歇尔费歇尔(Fischer)投影式投影式 横向基团位于平面的前方横向基团位于平面

8、的前方 竖向基团位于平面的后方竖向基团位于平面的后方OHHCOOHCH3HHOCOOHCH3COOHCOOHOHOHHHCH3CH3 锲形实线锲形实线表示伸向平面表示伸向平面前方的键前方的键。 锲形虚线锲形虚线表示伸向平面表示伸向平面后方的键后方的键CH3C2H5HOHCH3CC2H5OHHCH3C2H5OHHCH3OHHHOHCH3CH3HOHCH3OHH2332CH3HOHCH3OHH23键的方向？键的方向？ 复习构象的表示复习构象的表示：纽曼投影式：纽曼投影式 透视式透视式HHHHHHHHHHHHStaggeredNewman projection sawhorse projection

9、 600纽曼式纽曼式Newman）透视式（锯架式）透视式（锯架式）CCHO2CHO2CHHOHOHHOHCOOHBrHOHR1HXHYR2OHHCH3COOHCH3ClHCOOH锯架式楔型式Fisher 投影式Newman投影式 实例：纽曼投影式实例：纽曼投影式和和锯架透视式锯架透视式HOHCHOCH2OHOHHCHOCH2OHD-L标记标记)() ()D-（+）-甘油醛甘油醛 L-（-）-甘油醛甘油醛 人为地规定人为地规定右旋右旋甘油醛的构型以甘油醛的构型以()式表示式表示(即手性碳原子上的即手性碳原子上的羟基的羟基的投影在右边投影在右边)，叫做，叫做D型型；左旋左旋甘油醛的构型就是甘油醛的

10、构型就是()式，式，羟基的投影在左羟基的投影在左边边，叫做，叫做L型型。 1951年以前，还没有实验方法可以测定分子中基团在空间的排列状况，年以前，还没有实验方法可以测定分子中基团在空间的排列状况，便以甘油醛为标准做了便以甘油醛为标准做了人为的规定人为的规定。 旋光方向旋光方向与与D, L (构型构型)之间没有固定的关系，一个之间没有固定的关系，一个D型的化合物，可以是左旋的，型的化合物，可以是左旋的，也可以是右旋的。也可以是右旋的。D：人为规定人为规定 - ：仪器测定仪器测定COOHOHHCH2OHCHOOHHCH2OHOHCOOHOHHCH3D-（+）-甘油醛甘油醛D-（-）-乳酸乳酸 用

11、这种旋光化合物之间相互转化的方法确定构型时，必须不发生与手用这种旋光化合物之间相互转化的方法确定构型时，必须不发生与手性碳原于相连的键的断裂。性碳原于相连的键的断裂。 构型的确定构型的确定 相对构型相对构型 (Relative configuration) the configuration of a compound relative to the configuration of another compound 人为规定人为规定, 并不是实际测出来的。并不是实际测出来的。 化学关联法：化学关联法：以人为规定的甘油醛构型为基础，以人为规定的甘油醛构型为基础，用一定的用一定的化学方法化学方法

12、，将其它旋光化合物构型与甘油醛联系起来，以确定其它旋光化合物的将其它旋光化合物构型与甘油醛联系起来，以确定其它旋光化合物的构型，即构型，即相对构型相对构型。实例：实例： 用用D，L表示构型，对于表示构型，对于碳水化合物碳水化合物及及氨基酸氨基酸非常方便，因此这两非常方便，因此这两类化合物的构型仍用类化合物的构型仍用D，L表示。表示。 CHOHHOOHHOHHCH2OHOHHHCOOHCH3OHHCOOHCH3HOOHHCH2OHCHOHOHCH2OHCHO绝对构型绝对构型 (Absolute Configuration) the actual three-dimensional structu

13、re of a chiral compound绝对构型的测定绝对构型的测定 X-射线单晶衍射射线单晶衍射(1950年）。年）。1951年，用年，用x射线衍射的方射线衍射的方法可以测定分子中基团在空间的排列状况，法可以测定分子中基团在空间的排列状况，R、S标定，标定， 化学关联法化学关联法相对构型相对构型 (Relative configuration) the configuration of a compound relative to the configuration of another compound 人为规定人为规定, 并不是实际测出来的。并不是实际测出来的。（+）和（）和（-）

14、并不对应于（）并不对应于（R）和（）和（S） 相对构型和绝对构型相对构型和绝对构型 选择选择优先顺序优先顺序最小的原子或基团最小的原子或基团远离观察者，其余远离观察者，其余原子或基团依优先原子或基团依优先顺序排列顺序排列(S)- -2- -丁醇丁醇(R)- -2- -丁醇丁醇CH3C2H5HOHCH3C2H5OHHCH3CHC2H5OH*有一个手性碳有一个手性碳（1） 如：如： I Br Cl S P F O N C D H（2） 如：如：-CH2CH3 -CH3 -CH2Cl -CH2F -CH2OCH3 -CH2OH -CH(CH3)2 -CH2CH(CH3)2BrClIHH 最小R 型C

15、HCH2CHCH2CCCHOCHOOCCNCNNNCCCHOCH2OHHOHCHCH2OHHOHOCO123(R)- -甘甘油油醛醛（构构型型？）甘甘油油醛醛CHCH2CHCH2CCCHCH2CH2CH2CH3与CHCH2CH3H与CCH3CH3CH3CCCCH3CH3CH3CH3HOHCH3OHH23IICH3OHHCH3HOH23IIIICH3OHHCH3OHH23CH3OHHCH3HOH23ICH3HOHH3COHH23CH3HOHH3COHH23CH3HOHCH3OHH23IICH3OHHCH3HOH23IIIICH3OHHCH3OHH23R/S 标记方法也可直标记方法也可直接用于接用

16、于Fischer投影式投影式CH3HCH3HCH3HCH3HH3CCH3H3CCH3HHH3CCH3 烯烃烯烃：Z, ECH3C2H5HClCH3ClHC2H5Z-型E-型cis 环烷的环烷的trans 复习烯烃、环烷顺反构型的标记法复习烯烃、环烷顺反构型的标记法要求：要求：R,S命名、楔形式、纽曼式、费歇尔式相互转换命名、楔形式、纽曼式、费歇尔式相互转换化合物名称(R、S)楔形透视式或锯架透视式纽曼投影式费歇尔式 能直接从纽曼投影式、楔形透视式、锯架透视式或费歇尔式能直接从纽曼投影式、楔形透视式、锯架透视式或费歇尔式标定标定R、S构型。构型。HOHCOOHBrHOHBrHOHHOHCOOHB

17、rHOHHOHCOOH锯架式12交叉式交叉式 重叠式重叠式Newman投影式投影式 锯架式到锯架式到Newman投影式转化投影式转化 锯架式到锯架式到Fisher投影式的转化投影式的转化HOHCOOHBrHCH3CH3BrHHOHCOOHCH3COOHHOHBrH锯架式1212Fisher投影式投影式实例：实例： (1) (2)CH3CH2OHHCH3OHHCH3CH3CH2ClClCH3C2H5HH (3)CH3CH3HClOHH写出下列化合物的费歇尔投影式。写出下列化合物的费歇尔投影式。 HClClHH3CC2H5楔形透视式CH3C2H5ClHHCl锯架透视式顺旋180CH3C2H5ClH

18、HClFisher投影C2H5HClCH3HCl顺旋180C2H5HClCH3HCl (2) (3)CH3HOHCH3HCl纽曼投影式CH3CH3ClHHOH锯架透视式CH3CH3ClHHOH顺旋180CH3HOHCH3HClFisher投影C2H5CHCHCH3BrBr2R3SBrC2H5HCH3HBr锯架透视式3S2RFisher投影C2H5HBrCH3HBr顺旋180C2H5HBrCH3HBr 用费歇尔投影式画出下列化合物的构型用费歇尔投影式画出下列化合物的构型 (1) (2)2-氯（氯（4S）2-（E）2-戊烯戊烯 ClBrE4SHHCCBrCH3BrHCCCH3楔形透视式4SClCH

19、3ECH3ClCH3HCHBrCCH3ClFisher投影 将下列化合物的费歇尔投影式画成扭曼投影式将下列化合物的费歇尔投影式画成扭曼投影式( (顺叠和反叠顺叠和反叠) )，并画出它们的对映体的相应式子。并画出它们的对映体的相应式子。 CH3C6H5HCH3OHH锯架透视式CH3C6H5HCH3OHHCH3CH3C6H5HHOHCH3HOHHC6H5CH3CH3HOHC6H5HCH3HOCH3HC6H5CH3HHCH3OHHCH3C6H5纽曼投影式(重叠式)纽曼投影式(反叠)8.4 有机化合物的对映异构体有机化合物的对映异构体 含有一个手性碳原子的化合物即含有一个手性碳原子的化合物即Cabcd

20、型的化合物都有两个对映异构型的化合物都有两个对映异构体体 ，其中一个是右旋体，一个是左旋体。，其中一个是右旋体，一个是左旋体。 外消旋体：外消旋体：例：例：Br2hv,CH3HBrC2H5CH3HBrC2H5+CH3CH2CH2CH350%50%外消旋体性外消旋体性(racemic mixture)CH3CHCH2CH3Br如何拆分？如何拆分？ p164 分子含有二个手性碳分子含有二个手性碳二个不同手性碳原子二个不同手性碳原子CH3HOHC2H5OHH23CH3OHHC2H5HOH23CH3OHHC2H5OHH23(2S, 3S)-2, 3-戊二醇(2R, 3R)-2, 3-戊二醇(2S, 3

21、R)-2, 3-戊二醇CH3HOHC2H5HOH23(2R, 3S)-2, 3-戊二醇非对映异构体：非对映异构体： p169 非对映异构体可以用一般的物理方法将它们分离开来。非对映异构体可以用一般的物理方法将它们分离开来。(3) 分子含有二个手性碳分子含有二个手性碳二个相同手性碳原子：二个相同手性碳原子： HO2CCHCHCO2HOHOH酒石酸酒石酸只有三种异构体，右旋体，左旋体和酒石酸只有三种异构体，右旋体，左旋体和内消旋体内消旋体 HOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHEnantioners 对映异构内消旋体(mes

22、o)(2R,3R)(2S,3S)(2R,3S)(2S,3R)Identical相同的分子COOHOHHCOOHOHH内消旋体表示方法内消旋体表示方法一个手性碳的旋光性正好一个手性碳的旋光性正好被分子内另一构型相反的被分子内另一构型相反的手性碳所抵消手性碳所抵消内消旋体内消旋体(meso compounds)不能说凡是含有不能说凡是含有手性碳与立体异构体数目的关系：手性碳与立体异构体数目的关系： 若分子有若分子有 n 个手性碳，个手性碳，理论上理论上有有 2n 个立体异构体（个立体异构体（2n / 2对对 对映体。若手性碳组成相同，数目有所减少。对映体。若手性碳组成相同，数目有所减少。COOHH

23、HOHHO23HOHCOOH4COOHHHOHOH23HOHCOOH4COOHHHOHHO23OHHCOOH4COOHHOHHOH23HOHCOOH4SRrSRsSSRR差向异构体差向异构体: (p171)小结：小结：外消旋体外消旋体非对映异构体非对映异构体内消旋体内消旋体差向异构体差向异构体l连二烯型连二烯型（含有两个互相垂直的平面）（含有两个互相垂直的平面）CCCHClHClCCCHClHClCCCHClHHCCCHClHHNO2CO2HNO2CO2HNO2CO2HNO2CO2Hl 螺环等其它不含手性碳化合物的对映异构螺环等其它不含手性碳化合物的对映异构(6) 环状化合物的立体异构现象环状

24、化合物的立体异构现象 比链状化合物复杂，往往顺、反异构和对映异构同时存在。比链状化合物复杂，往往顺、反异构和对映异构同时存在。 在研究环己烷衍生物的立体异构时，对构象引起的手性现象可以不予在研究环己烷衍生物的立体异构时，对构象引起的手性现象可以不予考虑，而只要考虑考虑，而只要考虑顺、反异构和对映异构顺、反异构和对映异构，并，并可以直接用平面六角形来观可以直接用平面六角形来观察察，这样仍可得到同样正确的。，这样仍可得到同样正确的。HHCLCLCLCLHHHCLt BuHHCLt Bu 分子在不断热运动中，由于构象转变如此迅速，且它不是以造成分子在不断热运动中，由于构象转变如此迅速，且它不是以造成

25、化学键的断裂，化学键的断裂，不影响分子的不影响分子的R、S构型。构型。(7) 季铵阳离子和季鏻阳离子季铵阳离子和季鏻阳离子NCH2CH3CH3C6H5NC6H5CH3CH2CH3CH2CH3NCH3C6H5CH2CH3NCH(CH3)2CH3C6H5CH2CH3NC6H5CH3CH(CH3)2CH2CH=CH2PCH(CH3)2CH3C6H5CH2CH=CH2PC6H5CH3CH(CH3)28.5 对映异构体的性质对映异构体的性质 外消旋体的拆分外消旋体的拆分 旋光方向相反，其他物理性质如：熔点、沸点、相对密度、比旋光旋光方向相反，其他物理性质如：熔点、沸点、相对密度、比旋光度以及在非手性试剂

26、的作用是完全相同的。度以及在非手性试剂的作用是完全相同的。 生物生理性质生物生理性质 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 一对对映体只有其中一个一对对映体只有其中一个适合进入一个特定受体靶位，适合进入一个特定受体靶位，产生生理效应。产生生理效应。 对于生物体，一对对映异对于生物体，一对对映异构体的作用可能正好相反构体的作用可能正好相反 。1. 对映异构体的性质对映异构体的性质 例如：例如： H2NCOOHNH2OH2NCOOHNH2ONNOOOPhn-BuH3CHNNOOOPhn-BuCH3HHOHOCOOHNH2HOHOCOOHNH2NOONHOONOO

27、HNOOLouis Pasteur (18221895)COONaOHHCOONH4HOHCOONaHOHCOONH4OHH1848年，年，( ) A(+) B*(+) A(+) B*(-) A(+) B*一一对对非非对对映映体体拆拆分分(+) A(+) B*(-) A(+) B*去去除除(+)B*去去除除(+)B*(+) A(-) A接下页接下页HCH3PhNH2HCH3PhH2N+COOHOHHCOOHHOH( (R, R) )- -( (+ +) )- -酒酒石石酸酸+HCH2PhNH3COOOHHCOOHHOH+HCH3PhH3NCOOOHHCOOHHOH非非对对映映体体（盐盐）甲甲醇

28、醇冷冷却却加加热热外外消消旋旋体体接上页接上页抽抽滤滤晶晶体体HCH3PhNH3COOOHHCOOHHOHNaOHHCH3PhNH2(S)- - - - - -苯苯乙乙胺胺滤滤液液浓浓缩缩HCH3PhH3NCOOOHHCOOHHOH得得晶晶体体NaOH(R)- - - -苯苯乙乙胺胺HCH3PhH2N分分离离外消旋体的拆分外消旋体的拆分。H2NCOOHCH3HNH2COOHCH3HL- -丙丙氨氨酸酸D- -丙丙氨氨酸酸()-丙丙氨氨酸酸Ac2OAcHNCOOHCH3HNHAcCOOHCH3H+外外消消旋旋体体酰基转移酶（取自猪肾）H2NCOOHCH3H+L- -丙丙氨氨酸酸D- -乙乙酰酰丙

29、丙氨氨酸酸溶溶于于乙乙醇醇不不溶溶于于乙乙醇醇NHAcCOOHCH3H选择性去乙酰基选择性去乙酰基8.6 不对称合成，立体选择反应与立体专一反应不对称合成，立体选择反应与立体专一反应一卤代物为等量的对一卤代物为等量的对映体混合物映体混合物CH3CH2CH2CH3Cl2CH3CHCH2CH3Clh无光学活性无光学活性 ？ 由非手性化合物合成手性化合物时产物是外消旋体由非手性化合物合成手性化合物时产物是外消旋体 p173CH3CHC2H5Cl2ababCH3CClHC2H5CH3CClC2H5H50%50%Cl2hv2ClCH3CH2CH2CH3 ClCH3CHCH2CH3 + HCl用自由基反应

30、的立体化学解释用自由基反应的立体化学解释 OMeOHMeMeHH(1)MeMgI主主要要HOMeMeH+次次要要两两者者为为非对映异构体(2)H2O 若若在反应时存在某种手性条件在反应时存在某种手性条件，则，则手性碳原子形成时，两种构型手性碳原子形成时，两种构型的生成机会不一定相等，即该的生成机会不一定相等，即该手性中心的形成有手性中心的形成有立体选择性立体选择性 。p173 在已有一个手性中心的分子中引入第二个手性中心时，得到不等在已有一个手性中心的分子中引入第二个手性中心时，得到不等量的非对映异构体量的非对映异构体 ，第二个手性中心形成有，第二个手性中心形成有立体选择性立体选择性。OH2N

31、OMeHH2NOMeHNOMeH1.2. MeINOMeHMeHOMeH+H2OH+主主要要产产物物碱碱回回收收, ,可可重重复复使使用用手手性性助助剂剂PhPhPhPh手性底物手性底物PhNHCOCH3CO2HH2, RhR,R-DIPAMPPhNHCOCH3CO2HH不不对对称称催催化化氢氢化化e.e. = 96 %R,R-DIPAMPPPOCH3H3CO手手性性双双膦膦配配体体William S. Knowles The Nobel Prize in Chemistry 2001 for their work on chirally catalysed hydrogenation reactions for his work on chirally c