Chapter3立体化学

1、立体化学本章提纲第一节 立体化学的任务，立体异构体的分类和定义第二节 旋光性和分子结构的对称性因素第三节 手性分子的分类及情况分析第四节 消旋、拆分和不对称合成第一节 立体化学的任务，立体异构体的分类和定义任务：研究分子的立体形象及与立体形象相联系的特殊物理性质和化学性质的科学。立体异构体定义：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。分类：立体异构体 构型异构体：几何异构体、旋光异构体 构象异构体第二节 旋光性和分子结构的对称性因素一、手性分子定义：不能与其镜象叠合的分子为手性分子；手性分子有旋光性。有更迭对称轴无手性旋转+反射更迭对称轴(Sn)（或旋转反

2、射轴）有对称中心无手性倒反对称中心(i)（或反演中心）不能作为区别手性的依据旋转对称轴(Cn）有对称面无手性反映（射）对称面（ ）判别手性的依据对称操作对称元素n2n2S1=S2= i二、判别手性分子的依据第三节 手性分子的分类及情况分析一、含手性碳原子的手性分子二、不含手性碳原子的手性分子一、含手性碳原子的手性分子1.含一个手性碳原子的化合物2.含两个或多个不对称碳原子的化合物3.含两个或多个相同（相象）手性碳原子的化合物4.含手性碳原子的单环化合物1.含一个手性碳原子的化合物（1）手性碳原子（已讲） （2）对映体 （3）外消旋体 （4）Fischer投影式 （5）相对构型和绝对构型（6）旋

3、光度的表示（偏振光） （7）分子的潜非对称性CCOOHCH3HOHCCOOHCH3HOH (S)-(+)-乳酸 (R)-(-)-乳酸 ()-乳酸 mp 53oC mp 53oC mp 18oC D=+3.82 D=-3.82 D=0 pKa=3.79(25oC) pKa=3.83(25oC) pKa=3.86(25oC)151515外消旋乳酸（2）对映体具有镜像与实物关系的一对旋光异构体。（2）对映体 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。（i）外消旋混合物（ii）外消旋化合物（iii）固体溶液（3）外消

4、旋体一对对映体等量混合，得到外消旋体。外消旋体与纯对映体的物理性质不同，旋光必然为零。立体结构锲形式投影式Fischer投影式HOOCH3CHOHCHOHCOOHCH3COHHCOOHCH3OHHCOOHCH3（4）Fischer投影式（4）Fischer投影式注意事项不能在纸面上旋转90不能离开纸面翻转180基团两两交换次数不能为奇数次，但可以是偶数次。D-(+)-甘油醛L-(-)-甘油醛D-(-)-乳酸HOHCHOCH2OHHOHCHOCH2OHHOHCOOHCH3（5）相对构型和绝对构型HO（5）相对构型和绝对构型绝对构型能真实代表某一光活性化合物的构型（R、S）相对构型与假定的D、L甘

5、油醛相关联而确定的构型。（6）旋光的表示(6)*1 平面偏振光普通光通过尼可尔棱镜后产生只能在一个平面振动的光。这种只能在一个平面振动的光为平面偏振光。(6)*2 旋光物质能使平面偏振光旋转一定角度的物质称为旋光性物质。（6）*3 旋光度()在旋光仪中被测出的使偏振光旋转的角度称为旋光度。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25D= + 90.01。Na:= 5869AHg : = 5461A(C 1.15, C2H5OH)cLtD（6）*4 比旋光度盛液管为1分米长，被测物浓度为1g/ml时的旋光度。 t100

6、M=t分子量（6）*5 分子比旋光度比旋光度分子量/100旋光仪中测不出旋光度的化合物不一定是一个没有旋光性的化合物，也可能是一种等量的右旋体和左旋体的混合物。（7）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”。HSHRCOOHCH3被OH取代HOHCOOHCH3HOHCOOHCH3orS-(+)-乳酸R-(-)-乳酸潜不对称碳原子（原手性碳原子）潜非对称分子（原手性

7、分子）2.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）非对映体 （3）赤式和苏式 （4）差向异构体2nn个C*16D+D- D+D-D+D-D+D-D+D- D+D-D+D-D+D-四个C*8C+ C- C+ C-C+ C- C+ C-三个C*4B+ B-B+ B-两个C*2A-A+一个C*(1) 旋光异构体的数目不呈镜影关系的旋光异构体为非对映体。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CHOCH2OHOHOHHHRRCHOCH

8、2OHHHHOHOSSCHOCH2OHHHOOHHSRCHOCH2OHOHHHHOSR(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(i)(ii)对映体，(iii)(iv)对映体。(i)(iii),(i)(v),(ii)(iii),(ii)(v)为非对映体。（4）差向异构体两个含多个不对称碳原子的异构体，如果，只有一个不对称碳原子的构型不同，则这两个旋光异构体称为差向异构体。如果构型不同的不对称碳原子在链端，称为端基差向异构体。其它情况，

9、分别根据C原子的位置编号称为Cn差向异构体。()阿拉伯糖()耒苏糖()木糖HOCH2CHCHCHCH2OHOHHOOHCH2OHOHHOHHHOHCHOCH2OHHHOHHOHOHCHO(i)(ii)CH2OHOHHOHHHOHCHOCH2OHHHOHHOHOHCHO(iii)(iv)()核糖CH2OHOHHHHOHOHCHOCH2OHHHOOHHHOHCHO(v)(vi)CH2OHOHHHHOHOHCHOCH2OHHHOOHHHOHCHO(vii)(viii)(i)和(iii),(ii)和(iv)是 C2差向异构体。(i)和(iiv),(ii)和(viii)是C3差向异构体。(i)和(vi)

10、,(ii)和(v)是C4差向异构体。3.含两个或多个相同（相象）手性碳原子的化合物（1）假不对称碳原子（2）内消旋体一个碳原子（A）若和两个相同取代的不对称碳原子相连而且当这两个取代基构型相同时。该碳原子为对称碳原子，而若这两个取代基构型不同时，则该碳原子为不对称碳原子，则（A）为假不对称碳原子。假不对称碳原子的构型用小r, 小s表示。在判别构型时，R S，顺反。(1) 假不对称碳原子对称碳原子不对称碳原子(2R,4R)-2,3,4- 三羟基戊二酸(2S,4S)-2,3,4- 三羟基戊二酸(2R,3s,4S)-2,3,4-三羟基戊二酸(2R,3r,4S)-2,3,4-三羟基戊二酸三羟基戊二酸H

11、OOCCHCHCHCOOHOHOHOHCOOHHHOHHOHOHCOOHRRCOOHHHOHHOHOHCOOHSSCOOHOHHHHOHOHCOOHRSCOOHOHHOHHHOHCOOHRS(2) 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。(meso)COOHCOOHOHOHHHCOOHCOOHHOHOHHCOOHCOOHOHHOHHCOOHCOOHOHHOHH(I)(I)(2)(3)(+)-酒石酸(-)-酒石酸(R)(R)(R)(R)(S)(S)(S)(S) mp D(水) 溶解度(g/100ml) pKa1 pKa(+)-酒石酸 170oc +12.0 139

12、2.98 4.23(-)-酒石酸 170oc -12.0 139 2.98 4.23()-酒石酸 (dl) 206oc 0 20.6 2.96 4.24meso-酒石酸 140oc 0 125 3.11 4.80HOCH2CHCHCH2OHOHHO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。内消旋酒石酸的对称性分析HOOCCOOHHOHHHOHOOCHOHCOOHHOHHOOCHOHOHCOOHHCOOHHHOHOOCHHO旋转180oC3右旋60oC2左旋60o交叉式(I)有对称中

13、心交叉式(II)交叉式(III)交叉式(II)与(III)是一对对映体，其内能相等，在构象平衡中所占的百分含量相等研究表明： 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。12n21n22有内旋体时旋光异构体的计算4. 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

14、旋光性。AAAA无旋光（对称面）有旋光AAAAAAAA无旋光（对称中心）有旋光无旋光(对称面)无旋光（对称面）AAAAAAAA无旋光（对称面）有旋光无旋光（对称面）有旋光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。SS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

15、环己烷或(1S,2S)-1,2-二甲基 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）-1,2-二甲基环己烷例二：（1R，2R）-1,2-二甲基环己烷RR二 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NRRRNRRRC6H5H3CNCH2C6H5C H2CHCH2+未拆分出光活异构体（未分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

16、构体（A）两个双键相连Vont Hoff（荷兰）Bel（法）（1901年诺贝尔奖）CCCababSPSP2SP2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HH3CHCOOHHH3CHCOOHD = 81.4o ( 乙醇 )25X1X2X3X4C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。C-H （94104） C-CH3（94150） C-COOH（94156） C-NO2（94192） C-NH2（94156） C-OH （9414

17、5） C-F （94139） C-Cl （94163) C-Br （94183） C-I （94200）（2）联苯型的旋光异构体NO2NO2CH3C-NO2 与 C-NO2 384pm C-NO2 与 C-CH3 365pm由于位阻太大引起的旋光异构体称为位阻异构体。除了考虑基团的大小，还要考虑基团的形象反应温度：118。X=CH3 NO2 COOH OCH3消旋化 t1/21.50 1.92 1.56 1.45179分 125分 91分 9.4分半衰期越短，说明旋转的阻力越小。IBrCH3ClNO2COOHNH2OCH3OHFH阻转能力下降旋光异构体在适当的条件下会发生消旋。(CH2)nHO

18、OCn=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n=4m=4可析解43oCn=8半衰期170分。CH3CH3H3CCH2COOH蒄（无手性）六螺并苯（有手性）3.有手性面的旋光异构体第四节 消旋、拆分和不对称合成一、外消旋化 二、差向异构化三、外消旋体的拆分 四、不对称合成一 外消旋化 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。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

19、，常会发生外消旋化。经形成正碳离子、负碳离子、自由基等中间体发生外消旋化。OHOHCH2NHCH3HOHOHOHCH2NHCH3H2O+HOHOHCH2NHCH3H+OHOHCH2NHCH3OH2+HOHOHOHCH2NHCH3HH+-H+-H+H+-H2O-H2OH2OH2O60-70oC4小时（+）-肾上线素（无药效）（-）-肾上线素（有药效）H+ 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。经烯醇化发生外消旋化。CCH3OHHOHOCCH3OHHOHHOCH3COHOHHOCCH3HOHOHOCCH3HHOOHHO-H+H+H+O

20、H-H+H+-H+H+烯醇化+D-(-)-乳酸L-(+)-乳酸含多个C*的化合物，使其中一个C*发生构型转化的过程称为差向异构化。如果是端基的C*发生构型转化，则称为端基差向异构化。二 差 向 异 构 化-H+H+-H+H+H+*HCH3H3CH*HCH3H3CHOOHOHCH3HCH3OHCH3HCH3HHCH3HCH3OH+-H+-H+烯醇化 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OHC6H5HCH3NHCH3HH+H2OH2OH+HC6H5HOCH3NHCH3HHC6H5CH3NHCH3H将外消旋体拆分成左旋体和右旋体，称为外消旋体的拆分。三 外消旋的拆分1.化学析解法形成和分离非对映体异构体的析解法(+)RCOOH + (-)-RNH2成盐分级结晶HClHCl(+)-RCOO-(-)-RNH2(-)-RCOO-(-)-RNH2(+)-RCOOH + (-)-RNH3 Cl -(-)-RCOOH + (-)-RNH3 Cl -+-（1）析解剂与被析