有机化学：6-立体化学

1、立体化学立体化学的观点和方法用于研究有机化合物的分子结构和反应的观点和方法用于研究有机化合物的分子结构和反应性能，还在性能，还在天然产物化学、天然产物化学、生物化学生物化学、药物化学药物化学、高分子化学高分子化学中中发挥重要的作用。在探索生命奥秘方面，特别是在对发挥重要的作用。在探索生命奥秘方面，特别是在对生物大分子生物大分子，包括包括蛋白质蛋白质、酶和核酸分子的认识和人工合成方面，立体化学尤、酶和核酸分子的认识和人工合成方面，立体化学尤为重要。为重要。 第六章第六章立立 体体 化化 学学P229231： （一）；（五）；（七）；（十）；（十四）；（十九）。（一）；（五）；（七）；（十）；（十

2、四）；（十九）。 本章作业：本章作业：异构体的分类异构体的分类手性和对称性手性和对称性手性分子的性质手性分子的性质-光学活性光学活性外消旋体的拆分外消旋体的拆分具有一个手性中心的对映异构具有一个手性中心的对映异构第六章第六章脂环化合物的立体异构脂环化合物的立体异构不含手性中心化合物的对映异构不含手性中心化合物的对映异构立立 体体 化化 学学具有两个手性中心的对映异构具有两个手性中心的对映异构一、异构体的分类一、异构体的分类异异构构体体构构造造异异构构：分分子子式式相相同同，连连接接顺顺序序不不同同立立体体异异构构：原原子子空空间间排排列列方方式式不不同同顺顺反反异异构构构构象象异异构构对对映映

3、异异构构体体非非对对映映异异构构体体碳碳链链异异构构位位置置异异构构The Disaster of Thalidomide -NOONHHOONHOONOOH沙利度胺沙利度胺（Thalidomide) 又名反应停又名反应停反应停是具有反应停是具有手性分子手性分子，有两种，有两种对映异构体对映异构体。其中的。其中的一种一种 R 异构体具有中枢镇静作用，不引起致畸作用。异构体具有中枢镇静作用，不引起致畸作用。另一种另一种 S 异构体则会引起致畸作用。异构体则会引起致畸作用。异构体的分类异构体的分类手性和对称性手性和对称性手性分子的性质手性分子的性质-光学活性光学活性外消旋体的拆分外消旋体的拆分具有

4、一个手性中心的对映异构具有一个手性中心的对映异构第六章第六章脂环化合物的立体异构脂环化合物的立体异构不含手性中心化合物的对映异构不含手性中心化合物的对映异构立立 体体 化化 学学具有两个手性中心的对映异构具有两个手性中心的对映异构二、手性和对称性二、手性和对称性左手与其镜像不能完全重合左手与其镜像不能完全重合1. 手性手性 (Chirality)：物体与其镜像不重合的性质。物体与其镜像不重合的性质。法国化学家法国化学家 、细菌学家、细菌学家Louis Pasteur (1822(18221895)1895)COONaOHHCOONH4HOHCOONaHOHCOONH4OHH二、手性和对称性二、

5、手性和对称性2. 手性分子和手性碳原子手性分子和手性碳原子手性碳原子手性碳原子( (Chiral Carbon): 与四个不相同的原与四个不相同的原子或基团相连的碳原子。子或基团相连的碳原子。 C*Rotate 180 Rotate 180 手性分子手性分子(Chiral Molecule) ：与其镜像不能重叠的化与其镜像不能重叠的化合物分子合物分子。二、手性和对称性二、手性和对称性二、手性和对称性二、手性和对称性*乳酸乳酸 ( Lactic acid )CH3OHHCOOHCCOOHHOHCH3C-C对映异构体对映异构体(enantiomers) ：两种构型不同的化合物两种构型不同的化合物

6、不能重合，但互为镜像不能重合，但互为镜像.CH3COOHOHHCCH3HOHCH2CH3COHCH3HH3CH2C2. 组成相同；组成相同；3. 对映体之间互为对映体之间互为实物和镜像；实物和镜像；4. 不重合不重合对映体的特点：对映体的特点：二、手性和对称性二、手性和对称性对映异构体对映异构体-1. 凡手性分子都存在对映异构体，也称旋光异构体凡手性分子都存在对映异构体，也称旋光异构体二、手性和对称性二、手性和对称性3. 对称因素对称因素1). 对称面对称面 ()() a. 分子中有一平面，它可以把分子分成互为镜象的两半。分子中有一平面，它可以把分子分成互为镜象的两半。二、手性和对称性二、手性

7、和对称性b. 分子中所有原子共平面分子中所有原子共平面2) 对称中心对称中心: : 设想分子中有一个点，从分子中任何一个原子出设想分子中有一个点，从分子中任何一个原子出 发，向这个点做一直线，再从这个点将直线延长发，向这个点做一直线，再从这个点将直线延长 出去，则在与该点前一线段等离处可以遇到一个出去，则在与该点前一线段等离处可以遇到一个 同样的原子，这个点就是同样的原子，这个点就是对称中心对称中心 。 二、手性和对称性二、手性和对称性CH3HHHCH3HHCIHHCIHCOOHHHHOOC分子有手性的条件是：分子有手性的条件是：分子没有对称面，也没对称中心分子没有对称面，也没对称中心 异构体

8、的分类异构体的分类手性和对称性手性和对称性手性分子的性质手性分子的性质-光学活性光学活性外消旋体的拆分外消旋体的拆分具有一个手性中心的对映异构具有一个手性中心的对映异构第六章第六章脂环化合物的立体异构脂环化合物的立体异构不含手性中心化合物的对映异构不含手性中心化合物的对映异构立立 体体 化化 学学具有两个手性中心的对映异构具有两个手性中心的对映异构三、手性分子的性质三、手性分子的性质-光学活性光学活性1. 旋光性旋光性旋光性：旋光性：能旋转偏振光振动方向的性质。能旋转偏振光振动方向的性质。旋光性物质或光活性物质：旋光性物质或光活性物质： 具有旋光性的物质。具有旋光性的物质。右旋物质右旋物质(

9、(右旋体右旋体):):能使偏振光的振动方向向右旋转的物质，能使偏振光的振动方向向右旋转的物质， 通常通常 “十十”表示右旋。表示右旋。左旋物质左旋物质( (左旋体左旋体):):能使偏振光的振动方向向左旋转的物质能使偏振光的振动方向向左旋转的物质, , “一一”表示左旋。表示左旋。2. 旋光仪和比旋光度旋光仪和比旋光度三、手性分子的性质三、手性分子的性质-光学活性光学活性 由旋光仪测定的旋光度由旋光仪测定的旋光度() ，不仅取决于不仅取决于物质结构，物质结构，而且与测而且与测定条件有关。如偏振光的定条件有关。如偏振光的波长、波长、被测定液的被测定液的浓度、温度浓度、温度等。等。C溶溶液液浓浓度度

10、, g/mlL管管长长, dmD=+ 52.5 （水）020=LCSpecific rotation( (比旋光度比旋光度) ): wavelength (D,589nm) Na异构体的分类异构体的分类手性和对称性手性和对称性手性分子的性质手性分子的性质-光学活性光学活性外消旋体的拆分外消旋体的拆分具有一个手性中心的对映异构具有一个手性中心的对映异构第六章第六章脂环化合物的立体异构脂环化合物的立体异构不含手性中心化合物的对映异构不含手性中心化合物的对映异构立立 体体 化化 学学具有两个手性中心的对映异构具有两个手性中心的对映异构四、具有一个手性中心的对映异构四、具有一个手性中心的对映异构 1.

11、 对映体和外消旋体对映体和外消旋体COOHH3CHOHCOOHCH3HHO右右旋旋乳乳酸酸左左旋旋乳乳酸酸熔熔点点 = 5315D15D= + 2.6= -2.6CH3CHCOOHOH熔熔点点 = 53-外消旋体外消旋体(Racemate)： 是等量右旋体和左旋体混合而成，外是等量右旋体和左旋体混合而成，外消旋体与右旋体或左旋体的旋光性不同的，外消旋体无旋光性。消旋体与右旋体或左旋体的旋光性不同的，外消旋体无旋光性。另外，它们的物理性质也不一样。另外，它们的物理性质也不一样。+乳酸m.p. = 182. 构型的表示构型的表示四、具有一个手性中心的对映异构四、具有一个手性中心的对映异构(1).楔

12、形式楔形式( (wedge drawing):):COOHCH3HHOCOOHH3CHOH(2). Fischer 投影式投影式(Fischer projections)a. 垂直的和水平的线的交点代表一个手性炭垂直的和水平的线的交点代表一个手性炭C*；b. 主碳链在竖直方向；主碳链在竖直方向；四、具有一个手性中心的对映异构四、具有一个手性中心的对映异构c. 编号最小的碳原子放在上端。编号最小的碳原子放在上端。d. 竖立的键代表模型中向纸面背后伸过去的键竖立的键代表模型中向纸面背后伸过去的键; ; 横在两边的键则横在两边的键则 表示模型中向纸的前方伸出的键表示模型中向纸的前方伸出的键) )。C

13、H3CHCOOHOHCOOHCH3OHHCOOHCH3HHOFischer投影式的特点：投影式的特点：四、具有一个手性中心的对映异构四、具有一个手性中心的对映异构 固定一个基团，依次轮转其它三个基团，构型不变；固定一个基团，依次轮转其它三个基团，构型不变；CH3CH2CH3BrHCH3BrHCH3CH2 纸面上旋转纸面上旋转 180，构型不变；构型不变；CH3CH2CH3BrHCH2CH3CH3HBr 任意两个基团互换，任意两个基团互换，构型变化构型变化, , 得其对映体。得其对映体。 CH3CH2CH3BrHCH3CH2CH3BrHBrHCH2CH3CH3四、具有一个手性中心的对映异构四、具

14、有一个手性中心的对映异构 纸面上旋转纸面上旋转 90 或或270 构型变构型变，得其对映体；得其对映体；CH3CH2CH3BrHCH3CH2CH3BrHCH3HBrCH2CH3Roate 90四、具有一个手性中心的对映异构四、具有一个手性中心的对映异构四、具有一个手性中心的对映异构四、具有一个手性中心的对映异构3. 构型的标记法构型的标记法(1) (1) DL 命名法命名法CHOCH2OHHHOCHOCH2OHHOHD-(+) 甘油醛甘油醛L-(-) 甘油醛甘油醛以甘油醛为原料出发，通过化学方法合成其它化合物，如果与以甘油醛为原料出发，通过化学方法合成其它化合物，如果与手性原子相连的化学键没有

15、断裂，则仍保持甘油醛的原有构型。手性原子相连的化学键没有断裂，则仍保持甘油醛的原有构型。CHOCH2OHHOH氧化COOHCH2OHHOH还还原原COOHCH3HOHD-(-) 乳酸乳酸D-(+) 甘油醛甘油醛相对构型相对构型四、具有一个手性中心的对映异构四、具有一个手性中心的对映异构3. 构型的标记法构型的标记法(1) (1) DL 命名法命名法CHOCH2OHHHOCHOCH2OHHOHD-(+) 甘油醛甘油醛L-(-) 甘油醛甘油醛以甘油醛为原料出发，通过化学方法合成其它化合物，如果与以甘油醛为原料出发，通过化学方法合成其它化合物，如果与手性原子相连的化学键没有断裂，则仍保持甘油醛的原有

16、构型。手性原子相连的化学键没有断裂，则仍保持甘油醛的原有构型。CHOCH2OHHOH氧化COOHCH2OHHOH还还原原COOHCH3HOHD-(-) 乳酸乳酸D-(+) 甘油醛甘油醛相对构型相对构型NSCH3NC2H5C2H5NOOOOCH3OOHOCH3*找找手性碳原子找找手性碳原子课课 前前 练练 习习*课课 前前 练练 习习COOHHOHCH3CH3HOHCOOHOHHCOOHCH3CH3HOOCOHHCOOHHOCH3H下面各结构式，哪些同下面各结构式，哪些同 是同一化合物是同一化合物比较左旋仲丁醇和右旋仲丁醇的下列各项：比较左旋仲丁醇和右旋仲丁醇的下列各项：(1)(1)沸点沸点 (

17、2) (2) 熔点熔点 (3) (3) 相对密度相对密度 (4) (4) 比旋光度比旋光度 (5)(5)折射率折射率 (6)(6)溶解度溶解度 (7) (7) 构型构型课课 前前 练练 习习四、具有一个手性中心的对映异构四、具有一个手性中心的对映异构(2) (2) RS 标记法标记法(1) 次序规则将四个基团排序；次序规则将四个基团排序；CHOHCOOHCH3(2) 次序最小的基团放在观察者的远方，其余的三个放在离观察者次序最小的基团放在观察者的远方，其余的三个放在离观察者 较近的平面上；较近的平面上；CHOHCOOHCH3(3). “最优先最优先 第二优先第二优先 次后次后” ” 对基团排序

18、对基团排序，顺时针为顺时针为 R 型；型； 逆时针则为逆时针则为S 构型。构型。RSCHOCOOHCH3HR四、具有一个手性中心的对映异构四、具有一个手性中心的对映异构NOONHHOONHOONOOH2134*1234沙利度胺沙利度胺（Thalidomide) 又名反应停又名反应停反应停是具有反应停是具有手性分子手性分子，有两种，有两种对映异构体对映异构体。其中。其中的一种的一种 R 异构体具有中枢镇静作用，不引起致畸异构体具有中枢镇静作用，不引起致畸作用。另一种作用。另一种 S 异构体则会引起致畸作用。异构体则会引起致畸作用。RS四、具有一个手性中心的对映异构四、具有一个手性中心的对映异构手

19、性药物研究与开发手性药物研究与开发 手性药物是指含单一对映体的药物。手性药物是指含单一对映体的药物。 生物大分子如蛋白质、多糖、核酸等都有手性特征，它们在生生物大分子如蛋白质、多糖、核酸等都有手性特征，它们在生物体内造成的这种手性环境，当手性药物进入体内时，其药理作物体内造成的这种手性环境，当手性药物进入体内时，其药理作用多与体内靶分子之间的手性匹配及分子识别能力相关，这种特用多与体内靶分子之间的手性匹配及分子识别能力相关，这种特性即手性药物的立体选择性。性即手性药物的立体选择性。 手性药物按其作用可分为三类：手性药物按其作用可分为三类： NSCH3NC2H5C2H5NOOOO沙利度胺沙利度胺

20、异丙嗪异丙嗪 CH3OOHOCH3萘普生萘普生 *CClHH3CC2H5CClH3CHC2H5甲基与氢互换甲基与氢互换S构型互换构型互换RCHOCH2OHHOHCHOCH2OHOHHRS四、具有一个手性中心的对映异构四、具有一个手性中心的对映异构比较：比较：(A) 与与 (B)，(C)，(D) 之间的关系之间的关系 对映体或同一化合物对映体或同一化合物 四、具有一个手性中心的对映异构四、具有一个手性中心的对映异构HOHHOHHOHHOH(A)(B)(C)(D)SRSR对映体对映体对映体对映体同一化合物同一化合物123RS 标记法可直接用于菲舍尔投影式标记法可直接用于菲舍尔投影式 若若最小最小基

21、团在基团在横键横键上，则上，则逆时针为逆时针为 R 型型，顺时针为，顺时针为S型；若型；若最小最小基团在基团在竖键竖键上，则上，则顺时针为顺时针为 R 型型，逆时针为，逆时针为 S型。型。四、具有一个手性中心的对映异构四、具有一个手性中心的对映异构CHOCH2OHOHHCHOHOHHOH2CRSCCH3IC2H5HSCH3IC2H5H把下列楔形式转换成把下列楔形式转换成Fischer投影式，并标记出构型投影式，并标记出构型四、具有一个手性中心的对映异构四、具有一个手性中心的对映异构异构体的分类异构体的分类手性和对称性手性和对称性手性分子的性质手性分子的性质-光学活性光学活性外消旋体的拆分外消旋

22、体的拆分具有一个手性中心的对映异构具有一个手性中心的对映异构第六章第六章脂环化合物的立体异构脂环化合物的立体异构不含手性中心化合物的对映异构不含手性中心化合物的对映异构立立 体体 化化 学学具有两个手性中心的对映异构具有两个手性中心的对映异构含有含有 n 个手性碳原子的化合物，个手性碳原子的化合物，最多最多可以有可以有 2n 立体异构体立体异构体五、具有两个手性中心的对映异构五、具有两个手性中心的对映异构1. 具有两个具有两个不同不同手性碳原子的对映异构手性碳原子的对映异构 HOOCCHCHOHCOOHCI*2羟基3氯丁二酸五、具有两个手性中心的对映异构五、具有两个手性中心的对映异构COOHH

23、OHCOOHCIHCOOHHOHCOOHHCICOOHHOHCOOHHCICOOHHOHCOOHCIH11114444(2R,3R)HOOC CH CHOHCOOHCI*异构体的关系异构体的关系: :(1)(2)(3)(4)对映体：对映体：非对映异构体：非对映异构体：(1)(3)(4)(2)(2S,3S)(2R,3S)(2S,3R)1234 对映体对映体除旋光方向相反外，其它除旋光方向相反外，其它物理性质都相同物理性质都相同。非对映非对映体体旋光度不相同，而旋光方向则可能相同，也可能不同，旋光度不相同，而旋光方向则可能相同，也可能不同，其其它物理性质都不相同它物理性质都不相同。因此非对映体混合

24、在一起，可以用一。因此非对映体混合在一起，可以用一般的物理方法将它们分离开来。般的物理方法将它们分离开来。 五、具有两个手性中心的对映异构五、具有两个手性中心的对映异构2. 具有两个具有两个相同相同手性碳原子的对映异构手性碳原子的对映异构 五、具有两个手性中心的对映异构五、具有两个手性中心的对映异构HOOC CHCHOHCOOHOH*1234COOHHOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHOH(2R,3S)(2S,3R)(2R,3R)(2S,3S)11114444 有有 22-1 =3 种种同同分分异异构构体体内消旋体：内消旋体：虽然

25、含有手性碳原子，但却不是手性分子，因而没虽然含有手性碳原子，但却不是手性分子，因而没有旋光性的化合物，有旋光性的化合物，用用“meso”或或“m”表示表示. . 酒石酸酒石酸 mp D(水水) 溶解度溶解度(g/100ml) pKa1 pKa(+)-酒石酸酒石酸 170oc +12.0 139 2.98 4.23(-)-酒石酸酒石酸 170oc -12.0 139 2.98 4.23( )-酒石酸酒石酸 206oc 0 20.6 2.96 4.24meso-酒石酸酒石酸 140oc 0 125 3.11 4.80五、具有两个手性中心的对映异构五、具有两个手性中心的对映异构内消旋体和外消旋体都没

26、有旋光性，但本质不同内消旋体和外消旋体都没有旋光性，但本质不同: :（1 1）内消旋体是一个）内消旋体是一个非手性分子非手性分子，是一种分子。是一种分子。而外消旋体而外消旋体 是两种互为对映体的手性分子的是两种互为对映体的手性分子的等量混合物等量混合物。（2 2）外消旋体可以通过一定的方法分离，得到两种化合物。）外消旋体可以通过一定的方法分离，得到两种化合物。五、具有两个手性中心的对映异构五、具有两个手性中心的对映异构异构体的分类异构体的分类手性和对称性手性和对称性手性分子的性质手性分子的性质-光学活性光学活性外消旋体的拆分外消旋体的拆分具有一个手性中心的对应异构具有一个手性中心的对应异构第六

27、章第六章脂环化合物的立体异构脂环化合物的立体异构不含手性中心化合物的对映异构不含手性中心化合物的对映异构立立 体体 化化 学学具有两个手性中心的对应异构具有两个手性中心的对应异构六、外消旋体的拆分六、外消旋体的拆分1. 化学方法化学方法 （ ） RCOOH（ ） RCOOH（ ）RNH2（ ） RNH2RSSS非对映体混合物HCIHCI（ ）（ ）RCOOHRCOOHRS外消旋体（ ）（ ）RCOOHRCOOHRS+旋光性物质（ ） RNH2S（ ） RCOOH（ ）RNH2（ S ）RCOOH（ ）RNH2重结晶RSS2. 接种晶种拆解法；接种晶种拆解法；3. 微生物或酶作用下的析解；微生物

28、或酶作用下的析解；4. 色谱分离法色谱分离法-选择光活性物质作柱色谱的吸附剂；选择光活性物质作柱色谱的吸附剂；5. 机械分离法机械分离法对映体过量值对映体过量值:Percent enantiomeric excess (% ee)Exp: ee = 50%两个对映体在样品中的含量分别为：两个对映体在样品中的含量分别为：75%和和25%。六、外消旋体的拆分六、外消旋体的拆分异构体的分类异构体的分类手性和对称性手性和对称性手性分子的性质手性分子的性质-光学活性光学活性外消旋体的拆分外消旋体的拆分具有一个手性中心的对应异构具有一个手性中心的对应异构第六章第六章脂环化合物的立体异构脂环化合物的立体异构

29、不含手性中心化合物的对映异构不含手性中心化合物的对映异构立立 体体 化化 学学具有两个手性中心的对应异构具有两个手性中心的对应异构七、脂环化合物的立体异构七、脂环化合物的立体异构(1) 顺反异构顺反异构H3CHH3CHH3CHHCH3顺顺-1,3-二二甲甲基基环环丁丁烷烷反反-1,3-二二甲甲基基环环丁丁烷烷CH3CH3顺顺-1,4-二二甲甲基基环环己己烷烷More StableCH3H3C反反-1,4-二二甲甲基基环环己己烷烷七、脂环化合物的立体异构七、脂环化合物的立体异构写出写出顺顺-1-甲基甲基-4-叔丁基环己烷最稳定的构象叔丁基环己烷最稳定的构象(CH3)3CCH3(CH3)3C大的取

30、代基放在大的取代基放在e键上键上根据顺反确定另外取代基的位置根据顺反确定另外取代基的位置七、脂环化合物的立体异构七、脂环化合物的立体异构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，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，凡是有凡是有对称中心对称中心和和对称平面对称平面的单环化合物的单环化合物无旋光性无旋光性，反之则有旋，反之则有旋光性。光性。无旋光无旋光 有旋光有旋光AAAAAAAAAAAA无旋光无旋光 有旋光有旋光 无旋光无旋光 有旋光有旋光AAAAAAAA无旋光无旋光 无旋光无旋光 无旋光无旋光 有旋光有旋光顺式和反式之间是非对映体顺式和反式之间是非对映体七、脂环化合物

31、的立体异构七、脂环化合物的立体异构有两个不同的手性碳原子有两个不同的手性碳原子(2) 对映异构对映异构CH2OHHCOOHHCOOHHCH2OHH顺顺式式对对映映体体CH2OHHHCOOHHCOOHCH2OHH反反式式对对映映体体七、脂环化合物的立体异构七、脂环化合物的立体异构有两个相同的手性碳原子有两个相同的手性碳原子COOHHCOOHH顺顺式式HCOOHHCOOHHHCOOH反反式式对对映映体体HOOC 对于具有手性的环状化合物，仅用顺、反标记不能表明其对于具有手性的环状化合物，仅用顺、反标记不能表明其构型，必须采用构型，必须采用R,S标记。例如：标记。例如：七、脂环化合物的立体异构七、脂环化合物的立体异构HCOOHCOOHHCOOHHHCOOH(1R,2R)-反反-1,2-环丙烷二甲酸环丙烷二甲酸(1S,2S)-反反-1,2-环丙烷二甲酸环丙烷二甲酸异构体的分类异构体的分类手性和对称性手性和对称性手性分子的性质手性分子的性质-光学活性光学活性外消旋体的拆分外消旋体的拆分具有一个手性中心的对应异构具有一个手性