立体化学基础药学专升本学习教案

1、会计学1立体化学基础立体化学基础(jch)药学专升本药学专升本第一页，共82页。一、平面一、平面(pngmin)偏振光偏振光(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(chuzh)(图a).普通光的光波可在垂直(chuzh)于它前进方向的任何可能的平面上振动(图b). 1、平面(pngmin)偏振光和旋光性第一节第一节 概述概述第1页/共82页第二页，共82页。图 光的偏振(pin zhn) 如果将普通光线通过(tnggu)1个nicol棱镜，如图。它好象1个栅栏，

2、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.第2页/共82页第三页，共82页。(a) 水等不旋光物质(wzh)(b) 乳酸(r sun)等旋光物质图 物质(wzh)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 a(图b).能旋转偏振光振动方向的性质叫旋光性旋光性 (optical activity )

3、，具有这种性质的物质称旋光性物质或光学活性物质。第3页/共82页第四页，共82页。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(gungd)，可用旋光仪。常用的旋光仪的横截面示意图如下：A光源(gungyun)；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(gungyun)顺时针旋转的叫右旋，以“+”或“d”表示；反时针旋转的叫左旋，以“”或“l”表示。右右旋旋第4页/共82页第五页，共82页。第5页/共82页第六页，共82页。 比例常数 a 称为比旋光度。它是单位长度(chngd)和单位浓度下的旋光度。上述公式又称为Biot定律。

4、旋光度旋光度 a 的大小，不仅的大小，不仅(bjn)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。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。L CaDt =t：测定温度()D：光源(gungyun)(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)第6页/共82页第七页，共82页。 Problem 10：将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

5、？它的对映体的比旋光度又是多少？把同样(tngyng)溶液放在20cm长的盛液管中，测得的旋光度又是多少？+3.2o1 0.05a aD20 = +64o (C, 0.05, H2O)第7页/共82页第八页，共82页。 观察自己的双手，左手(zushu)与右手有什么联系和区别？二、对映异构体和手性二、对映异构体和手性第8页/共82页第九页，共82页。左、右手对映而不能重合(chngh)，这种性质称为“手性”。左手左手(zushu)的镜像是右手的镜像是右手对映关系对映关系左手(zushu) 镜 右手左手和右手不能重合第9页/共82页第十页，共82页。 任何物体都有它的镜像。一个有机分子在镜子内也

6、会出现相应的镜像。实物与镜像相应部位与镜面具有(jyu)相等的距离。实物与镜像的关系叫对映关系。实物(shw)与镜像镜面(jn min)第10页/共82页第十一页，共82页。CH3HHOHCCH3HHOHCCH3HHOHCCH3HHOHC 若实物与其镜像能够完全重合(chngh)，则实物与镜像所代表的两个分子为同一个分子。所有基团(j tun)都重合乙醇分子模型(mxng)的重叠操作第11页/共82页第十二页，共82页。 对于某些(mu xi)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(chn wi)对映异构体（简称对映体）。第12页/共8

7、2页第十三页，共82页。 有对映异构体的分子称为手性分子（Chiral molecule），或称分子具有(jyu)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(fnz)CH3HHOHCCH3HHOCO2HCH3CHOHCO2HC非手性分子非手性分子(fnz)第13页/共82页第十四页，共82页。CCH2OHHCH3H5C2CCH2OHHC2H5H3C对映体对映体 又如：又如：CH3CH2CHCH2OHCH3*第14页/共82页第十五页，共82页。 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

8、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(r sun)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(zhngxn)第15页/共82页第十六页，共82页。Question :下列(xili)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 CH3 CH3 6.7. H CH3*第16页/共82页第十七页，共82页。 一个手性分子必然具有手性中心(zhn

9、gxn)、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）。第17页/共82页第十八页，共82页。 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(rshu)。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、分子三、分子(fnz)的对称性和手性的对称性和手性（一）对称因素（一）对称因素第18页

10、/共82页第十九页，共82页。 1、对称面、对称面(m)：假如有一个平面可以把分子切开成两部分：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，这个平面就是分子的，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重合对称面。具有对称面的分子与其镜像能够重合(chngh)，因而无手性。因而无手性。丙酸分子丙酸分子(fnz)的的对称面对称面 第19页/共82页第二十页，共82页。分子(fnz)的对称面具有对称具有对称(duchn)面的分子为非手性分子面的分子为非手性分子第20页/共82页第二十一页，共82页。ClFFHHHHCl 2.对称中心

11、 若分子中有一点P，通过P点画任何直线，如果(rgu)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(jn xin)能够重合，因此也是非手性分子.P第21页/共82页第二十二页，共82页。3.对称轴对称轴当分子环绕当分子环绕(hunro)(hunro)通过该分子中心的轴旋转一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，定的角度，得到的分子形象与原来的完全重合时，此轴即为对称轴。当旋转此轴即为对称轴。当旋转360/n360/n角度后，此轴即称角度后，此轴即称为为n n重对称轴（符号重对称轴（符号CnCn）。）。一个(

12、y )三重对称轴CHClClClC3一个(y )六重对称轴，六个二重对称轴C6C2第22页/共82页第二十三页，共82页。Problem 8:下列下列(xili)化合物哪些有什么对称因素？化合物哪些有什么对称因素？CH3 CH3 C C HH1CH3CH3BrBrHHHH2ClFFHHHHCl34第23页/共82页第二十四页，共82页。练习题3.31、反1，2-二甲基环丙烷(bn wn)2、环己烷的船式构象(u xin)3、乙烷的交叉(jioch)式构象CH3CH3HHHHHH没有对称因素有对称轴、对称面有对称中心第24页/共82页第二十五页，共82页。4、丁烷的对位交叉(jioch)式构象C

13、H3CH3HHHH5、乙烷(y wn)的重叠式构象HHHHHH有对称中心有对称(duchn)面第25页/共82页第二十六页，共82页。（三）旋光性的产生(chnshng) 平面(pngmin)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(d do)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第26页/共82页

14、第二十七页，共82页。一、含一个(y )手性碳原子的化合物 含有含有1个手性碳原子的化合物具有个手性碳原子的化合物具有1对对映体对对映体(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(xingdng)，方向相反。熔点(rngdin)： 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第27页/共82页第二十八页，共82页。 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(受体靶受体靶位位)有互补关系时，其活性部位才能进入受

15、体的靶位，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。而一对对映体只有产生应有的生理作用。而一对对映体只有(zhyu)其其中一个适合进入一个特定受体靶位，产生生理效应。中一个适合进入一个特定受体靶位，产生生理效应。 如：(1R,2R)-(-)-氯霉素有效，而其他对映体几乎无效(wxio)，它们的抗菌活性为100:0.4。生物学性质生物学性质(xngzh)第28页/共82页第二十九页，共82页。如：如： HOHONH2COOHHOHOHH2NHOOCH (+)-多巴多巴（无生理（无生理(shngl)效应）效应） (-)-多巴多巴（抗帕金森病）（抗帕金森病） 第29页/共82页

16、第三十页，共82页。手性分子手性分子(fnz)与手性生物受体之间的相与手性生物受体之间的相互作用互作用 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(jnr)相同的受体靶位第30页/共82页第三十一页，共82页。（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(y zhn)特殊的混合物。常用特殊的混合物。常用()或或 dl 表示。表示。 （如实验室中合成乳酸）（如实验室中合成乳酸）Question ：外消旋体是否：外消旋体是否(sh fu)显旋光性？为什么？显旋光性？为什么？ COOHCOOHHOHHOHCH3 CH3 D-(

17、-)-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(dxio)。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，而物理性质则有差异。第31页/共82页第三十二页，共82页。COOHCH3OHHCOOHCH3HOH（三）、对映异构体的表示（三）、对映异构体的表示(biosh)方法方法COOHCH3OHHCOOHCH3HHO或： 1、立体(lt)结

18、构式第32页/共82页第三十三页，共82页。COOHHHHOOHHOOCCOOHHOHCOOHHHO锯架式锯架式 Newman投影式投影式 CO2HCO2HNO2NO2CH3CH3透视透视(tush)式式第33页/共82页第三十四页，共82页。2、Fischer投影投影(tuyng)式式第34页/共82页第三十五页，共82页。 （1）“横前竖后横前竖后”：与：与*C结合的两个横键代表朝向纸平面的结合的两个横键代表朝向纸平面的前方前方(qinfng),两个竖键代表朝向纸平面的后方。（这一条两个竖键代表朝向纸平面的后方。（这一条必须遵守！）必须遵守！）Fischer投影(tuyng)式书写规则（投

19、影(tuyng)规则）（2） 一般一般(ybn)将主碳链放在竖直线上，把命名时编号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。最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团投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，两条直线的垂直交点影到纸面上。这样，在投影式中，两条直线的垂直交点(“十十”字交叉点字交叉点)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。第35页/共82页第三十六页，共82页。C OHCOOHHCH

20、3COOH HCH3HO Fischer投影式C CH3CHOHNH2CHO NH2CH3H Fischer投影式HNH2CH3CHO第36页/共82页第三十七页，共82页。COOHCH2OHHOH HO HCH2OHCOOH12COOHOHHO H HOCH2COOHCH2OHH34Problem : 下列(xili)Fischer式是否表示同一化合物？第37页/共82页第三十八页，共82页。 （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）、若要知道两个投影式是否能重合，只能(zh nn)使它在纸面上转动使它

21、在纸面上转动180, 而不能旋转而不能旋转90或或270。比较比较(bjio)投影式时必须遵守下列规则投影式时必须遵守下列规则：第38页/共82页第三十九页，共82页。C O O HC H3O HHC H3C O O HHO HO 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 上第39页/共82页第四十页，共82页。 （3）、 Fischer式中*C上所连原子或基团(j tun)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第

22、40页/共82页第四十一页，共82页。（4）、三基团轮换(lnhun)操作，不改变其构型。HNH2CO2HCH3CO2HNH2HCH3CO2HNH2HCH3CO2HNH2HCH3第41页/共82页第四十二页，共82页。Problem : 下列Fischer式是否表示同一化合物？COOHCH2OHHOHHOHCH2OHCOOH1 2 COOHOHHOH HOCH2COOH CH2OHH34旋转180后可重叠镜像关系-对映体交换(jiohun)偶数次后与1同第42页/共82页第四十三页，共82页。CHOCHOH OH HO HCH2OHCH2OH D-(+)-甘油醛 L-(-)-甘油醛 命名具有立

23、体特征的化合物时，应标出分子命名具有立体特征的化合物时，应标出分子(fnz)中连在中连在手性碳上各个基团在空间的排布方式（即构型）。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）：选择甘油醛作为标准命名法（相对构型）：选择甘油醛作为标准(biozhn)，并人为地规定它的构型。，并人为地规定它的构型。 （碳链竖直，醛基在上端（碳链竖直，醛基在上端）（四）、对映异构体构型的命名（四）、对映异构体构型的命名(mng mng)第43页/共82页第四十四页，共82页。 规则规则(guz)：在严格的：在严格的Fischer投影式中，投影式中，C*上取代基处于右侧为

24、上取代基处于右侧为D-构型；处于左侧为构型；处于左侧为L-构型。构型。 COOHHCH3H2NL-2-氨基(nj)丙酸CHOCHOH OH HO HCH2OHCH2OH D-(+)-甘油醛 L-(-)-甘油醛D/L标记法一般标记法一般(ybn)用于糖类和氨基酸的构型标记。用于糖类和氨基酸的构型标记。第44页/共82页第四十五页，共82页。 1970年，国际上根据IUPAC的建议采用了R/S构型系统命名(mng mng)法，这种命名(mng mng)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(mng mng)，不需要与其他化合物联系比较。2、构型的、构型的R/S命名命名(mng mng

25、)法法第45页/共82页第四十六页，共82页。 首先把手性碳上所连的四个原子(yunz)或基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(fngf)：次序规则排次序，方向盘上定构型。第46页/共82页第四十七页，共82页。abc顺时针顺时针: R构型构型abc反时反时针针(shzhn)：S构型构型第47页/共82页第四十八页，共82页。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(yunz xsh)的大小，大者优先；同位素则按原子量大小

26、，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(xin lin)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。（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 CH2CH

27、3 CH3 D H （孤对电子）；（4）取代(qdi)基互为对映异构体时，Z-型双键 E-型双键；取代(qdi)基互为几何异构体时，R 构型 S 构型 第50页/共82页第五十一页，共82页。第51页/共82页第五十二页，共82页。直接(zhji)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(dn wn)第52页/共82页第五十三页，共82页。COOHCOOHHOHHOHCH3CH3 CH2ClH HOCH2Cl HOCH2 ClHCH2Cl直接根据直接根据(gnj)Fischer投影式命名的简便方法介绍：投影式命名的简便

28、方法介绍：R-(-)-乳酸(r sun)S-(+)-乳酸(r sun)S-2,3-二氯丙醇Problem : 用R/S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，纸面走向与实际走向相同，顺时针为R型，逆时针为S型。第53页/共82页第五十四页，共82页。COOH HHHOHC=C CH3HClH CH3 COOHCHC H CH3(2R,3S)-2-羟基(qingj)-3-氯丁二酸大中4R-(2Z,5E)-4-甲基-2,5-庚二烯Problem : Give the names of the follow

29、ing c o m p o u n d s。( b y R / S nomenclature)2331234572第54页/共82页第五十五页，共82页。COOHCOOH HNH2 HNH2CH3CH2SHQuestion ：D/L 法和法和 R/S 有什么有什么(shn me)联系吗？联系吗？ D/L 法和 R/S 是两种不同的构型表示(biosh)方法，二者间无直接逻辑联系，D和R以及L和S有时一致，有时不一致。D-，R- D-，S-第55页/共82页第五十六页，共82页。 R-或或S-构型标志着手性分子的绝对构型标志着手性分子的绝对(judu)构构型，至今尚不知道化合物的旋光方向与构型的

30、关型，至今尚不知道化合物的旋光方向与构型的关系。系。第56页/共82页第五十七页，共82页。 CO2H CO2H CO2H CO2H HO H HOHH OH HOH Cl H HClCl H HCl CO2H CO2H CO2H CO2H（1） （2） （3）（4）a aD-7.1 a aD+7.1 a aD+9.3 a aD-9.3 当分子(fnz)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(gun x)的立体异构体)对映体对映体RRSSSRRS二、含两个二

31、、含两个(lin )手性碳的化合物手性碳的化合物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第57页/共82页第五十八页，共82页。 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；体，简称为对映体； 没有对映关系，构造相同没有对映关系，构造相同(xin tn)、只是手性碳原子的构型不完全相同、只是手性碳原子的构型不完全相同(xin tn)的光学异构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映体不能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。组成外消旋体，其

32、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(qbi)第58页/共82页第五十九页，共82页。下列(xili)化合物哪对是互为对映体，哪对是互为非对映体？BrCH3HCH3HOH23CH3OHHBrCH3H23CH3OHBrHHCH323CH3HHBrCH3OH23（4）2S，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（1）2R，3R（2）2R，3S（3）2S，3R第59页/共82页第六十页，共82页。 当分子其中RC*abC*ad结构的化合物时通常将其与丁醛糖作比较(bjio)来表示其构型。a、a两个相同基团在费歇

33、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苏式第60页/共82页第六十一页，共82页。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）分子中具有对称面，分子上下(shngxi)两部分对两部分对偏振光的影响相互抵消，整个分

34、子不表现旋光性。偏振光的影响相互抵消，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(光学光学(gungxu)异构体数目异构体数目 99.9% 0.1%ea空间(kngjin)张力第70页/共82页第七十一页，共82页。2. 二取代二取代(qdi)环己烷环己烷HHCH3CH3HHCH3CH3HHHeeaa反-1,2-二甲基环己烷HCH3CH3HCH3CH3HHeaae顺-1,2-二甲基环己烷实验测定(cdng), 反式异构体比顺式异构体稳定7.8kJmol-1。(优势(yush)构象)第71页/共82页第七十二页，共82页。CH3C(CH3)3大基团(j tun)在e键 (优势构象)顺-1-甲基-4-叔丁基环己烷CH3(CH3)3C取代(qdi)环己烷的优势构象为：(1)椅式构象是最稳定(wndng)的构象。(2) e键取代基最多的构象。(3) 有不同取代基时，大基团处于e键的构象。