第二章立体化学基础课件

第二章立体化学基础：手性分子掌握：手性和手性分子以及手性碳原子的概念。对映体、非对映体、外消旋体和内消旋体的概念和主要性质；对映异构体命名方法（R/S）。熟悉：费歇投影式和透视式表示立体异构体的方法；无手性碳原子的对映异构体。

了解：外消旋体的拆分方法和手性分子的生物作用。立体化学：从三维空间揭示分子的结构和性能。分子式相同，结构式不相同的化合物叫同分异构体。分子式相同，结构式也相同，只是分子中原子或原子团在空间的排列顺序不同，这种现象叫立体异构。2020年9月28日12020年9月28日2一．构造异构：分子中原子或原子团互相连接的顺序不同。1．碳链异构（碳骨架异构）：碳链的骨架不同。2．位置异构：取代基或官能团在碳链上的位置不同。CH3CH2－CH＝CH2和CH3CH2－CH＝CH2和CH3CH＝CHCH3

丁烯2－丁烯3．官能团异构：官能团不同。CH3-CH2-OH和CH3-O-CH3

2020年9月28日34．互变异构：

一种官能团异构体改变其结构成为另一种官能团异构体，互相迅速的变换，形成两种异构体的动态平衡，这是官能团异构体的一种特殊表现形式。二．立体异构：1．顺反异构（几何异构）：分子中原子或原子团在空间的排列方式不同。2020年9月28日42．对映异构（旋光异构，光学异构）：分子具有手性。前两者又叫构型异构3．构象异构（旋转异构）：单键的旋转。第一节顺反异构一．顺反异构的概念：丁烯二酸（HOOC—CH=CH—COOH。2020年9月28日5熔点溶解度130℃易溶于水287℃难溶于水分子式相同,结构式也相同，但是它们结构式中原子或原子团在空间的排列方式不同。这样的立体异构称为顺反异构。

二.产生顺反异构的条件：1.分子中存在着限制碳原子（或氮原子）自由旋转的因素，如双键或环结构。2020年9月28日6

2.不能自由旋转的原子上连有不相同的的原子或原子团。三.顺反异构的类型：根据产生的顺反异构现象的不同结构因素，又可分为含碳碳双键化合物；脂环化合物；碳氮双键和氮氮双键化合物的顺反异构。（一）含碳碳双键化合物的顺反异构：1.顺—反构型命名法：顺—丁烯二酸反—丁烯二酸2020年9月28日7

异巴豆酸（顺式）巴豆酸（反式）2.ZE构型命名法（1）：次序规则

（A）原子序数大的，相同原子序数（同位素），原子量大的在前。（B）多原子取代基，由游离价原子依次比较。（C）当与双键碳相连的为不饱和基团时，分别看作2次或3次相连。2020年9月28日8（2）ZE构型命名。如果二个大基团处在双键同侧就称为Z型；若二个大基团处在双键异侧就称为E型。

Z—2—氯—1—溴丙烯E—2—氯—1—溴丙烯2020年9月28日93.当分子中双键数目增加时，顺反异构体的数目也增加。（二）脂环化合物的顺反异构：2020年9月28日10（三）含碳氮双键和氮氮双键化合物的顺反异构:顺—苯甲醛肟反—苯甲醛肟熔点：35℃熔点：130℃

顺—偶氮苯反—偶氮苯2020年9月28日11一、手性

产生对映异构现象的结构依据是手性(Chirality)。这种左右手互为镜像关系，彼此又不能重合的现象称为手性。自然界中有许多手性物。有许多化合物分子具有手性。第二节

手性分子和对映体2020年9月28日12二、手性分子和对映体

2020年9月28日13球棍模型

乳酸分子a和b的关系正如人的左右手的关系：互为镜像又不能重合。因此a和b代表不同的分子，均具有手性，均属手性化合物，互为对映异构体，简称对映体（enantiomers).2020年9月28日14两个乳酸分子中有一个碳原子(C2)所连的四个基团(COOH,OH,CH3,H)均不相同。凡是连有4个不同的原子或基团的碳原子称为手性碳原子(chiralcarbonatom),也可称为手性中心。一个手性碳原子所连的4个不同原子或基团在空间具有2种不同的排列方式，它们是彼此成镜像关系，又不能重叠的一对立体异构体，互为对映体，统称为手性化合物。有一个手性碳的化合物必定是手性化合物，有一对对映体。有多个手性碳的一般有多对对映体，最多可达2n。性质：物理性质几乎相同，化学性质大部分相同。不同：旋光性；生理活性2020年9月28日15三、对称面和非手性分子

对称面(planesofsymmetry):指将分子结构剖成互为实物与镜像的两半的面。2020年9月28日16E—1.2—二氯乙烷二氯甲烷内消旋酒石酸有对称面的分子不存在对映体，为非手性分子。2020年9月28日17四、判断对映体（手性分子）的方法

1、直接方法：比较分子和其镜像是否重合2、有没有对称面3、有没有手性碳原子：有一个的肯定是，多个的不一定（有的是内消旋化合物,如内消旋酒石酸）练习：见教材2020年9月28日18第三节费歇尔投影式

★费歇尔投影式：是指将一个三维（立体）手性分子模型作如下规定:与手性碳横向相连的基团朝向纸平面的前方；竖向相连的基团朝向纸平面的后方；手性碳处于纸平面上。将其投影,所得平面投影式称为费歇尔投影式。2020年9月28日19★注意事项

(1)水平线和垂直线的交叉点代表手性碳，位于纸平面上。

(2)横键代表朝向纸平面前方的键，竖键代表朝向纸平面后方的键。

“横前竖后‘’(3)费歇尔投影式只能在纸平面内旋转180°，或其偶数倍，不能离开纸面翻转。

（4）习惯将最长的碳链放在竖线上，同时把编号为1的碳原子放在上端。2020年9月28日20同一个立体异构体可以用几种不同的方法表示。

2020年9月28日21第四节旋光性一、平面偏振光

光的振动方向与前进方向垂直，普通光是在无数个垂直于前进方向的平面内振动。当普通光通过一个偏振的透镜或尼科尔棱镜时，一部分光就被挡住了，只有振动方向与棱镜晶轴平行的光才能通过。这种只在一个平面上振动的光称为平面偏振光。2020年9月28日22二、旋光性

偏振光的振动面化学上习惯称为偏振面。当偏振光通过手性化合物溶液后，偏振面的方向就被旋转了一个角度，这个角度就称为该物质的旋光度。这种能使偏振面旋转的性能称为旋光性。手性化合物都具有旋光性。三、旋光度与比旋光度的测定

㈠旋光度

通常用旋光仪测定化合物的旋光性。2020年9月28日232020年9月28日24

旋光度：偏振面被旋光性物质所旋转的角度，用a表示。

★偏振面被旋转的方向有左旋(逆时针)和右旋(顺时针)的区别。用符号(+)表示右旋，(-)表示左旋。㈡比旋光度

用单位长度（dm）的旋光管，测得物质单位浓度（1g.mL-1）的旋光度，称为比旋光度。比旋光度是化合物的一种物理常数。比旋光度与旋光度的关系2020年9月28日252020年9月28日26★一对对映体，除比旋光度值相等符号相反(即旋光方向相反)外，其它物理性质雷同。★比旋光度可用于鉴定未知的旋光性物质或者判断纯度。2020年9月28日27第五节

外消旋体一、乳酸CH3-CHOH-COOH的旋光现象:

二、外消旋体的定义:

一对对映体的等量混合物称为外消旋体。

外消旋体符号:±肌肉分秘出来的乳酸能使偏振光向右旋转（+3.8。），叫右旋乳酸。

糖发酵得来的乳酸能使偏振光向左旋转（-3.8。），叫左旋乳酸。牛奶变酸得来的乳酸使偏振光不发生旋转，没有旋光性，叫外消旋乳酸。2020年9月28日28三、外消旋体的物理性质:

外消旋体的物理性质与纯的单一对映体有不同：它无旋光性；熔点、密度、溶解度等常有差异。★为什么外消旋体无旋光性呢？

2020年9月28日29第六节

非对映体和内消旋化合物一、非对映体一个手性碳原子的化合物存在着两个立体异构体；含有两个以上手性碳原子（﹡）的化合物存在两个以上的立体异构体，其最大数目是2n(n)代表手性碳原子数。2020年9月28日30非对映体：彼此不成镜像关系的立体异构体。

非对映体具有不同的物理性质。用重结晶或蒸馏等方法可以将非对映体分开。

2020年9月28日31二.、内消旋化合物2020年9月28日322020年9月28日33★为什么内消旋化合物无旋光性？内消旋化合物有对称面。对称面的上半部分是下半部分的镜像。分子的上下两部分对偏振光的影响相互抵消，使整个分子无旋光性。2020年9月28日34第七节

构型标记法构型：是指分子结构中的原子或基团在空间排列的顺序。

对映异构和顺反异构都属于构型异构。

一、D/L构型标记法

一个化合物的绝对构型通常指键合在手性中心的四个原子或基团在空间的真实排列方式。费歇尔(Fischer)人为地选定(＋)-甘油醛为标准物，并规定其碳链处于垂直方向，醛基在碳链上端的投影式中，C2上的羟基处于右侧的为D-构型。其对映体-羟基在左边的为L-构型。2020年9月28日35D-（+）-甘油醛L-（+）-甘油醛以甘油醛为标准物，通过合适的化学反应转化成其它旋光性化合物，所得的化合物的构型与原甘油醛的构型相同。2020年9月28日36化合物的构型与旋光方向没有直接的对应关系。D/L命名法的局限性，它只适用与甘油醛结构类似的化合物。一般用于糖类和氨基酸的构型命名。

2020年9月28日37二、R/S构型命名法

R/S构型命名法广泛应用于各种类型手性化合物构型命名。R/S构型命名规则

1、首先确定与手性碳相连的四个原子或基团的优先次序。2、将手性碳上的四个原子或基团中最小的置于远离我们视线的位置(即放在最远的位置)，然后观察另外三个基团的优先次序（由大到小）。

如为顺时针方向排列为R构型；反时针方向排列为S构型。

2020年9月28日38a﹥b﹥c﹥d

R或S构型，它标志着手性分子的绝对构型。化合物的旋光方向与构型也没有直接关系。

2020年9月28日39命名氯溴碘甲烷（A和B）的构型。

利用Fischer式可以直接确定R/S构型，但要注意：(1)当次序最低基团竖直方向（伸向纸平面后，远离观察者）时，可直接按其余三个基团的优先次序（大中小）确定R/S，与规定相符，即顺时针为R，逆时针为S。(2)当次序最低基团在左右方向（伸向纸平面前，离观察者近）时，判断R/S时，与规定相反，必须“顺时针为S，逆时针为R”，即反方向判断。2020年9月28日40

R-（-）-乳酸S-（+）-乳酸(S)-1-氘代-1-溴乙烷(R)-2-氨基丁烷R/S构型与系统命名法2020年9月28日41带括号的R/S标明其构型，置于化合物名称之前，含多个C的化合物，则按其编号由小到大逐个标明(R)-2-氨基丙酸(2S,3R)-2-氯-3-溴戊烷(2S,3S,4S)-2-羟基(2S,3S,4R)-2-羟基-3,4-二氯己酸-3,4-二氯己酸2020年9月28日42第八节无手性碳原子的对映体有些化合物虽不含手性碳原子，却包含了手性因素，使其与它的镜像不能重合，导致产生一对对映体。一、联苯型分子的对映异构

2020年9月28日43

二、丙二烯类化合物的对映异构

丙二烯类化合物(>C=C=C<)的结构特点是两个π键的平面相互垂直(中心碳原子为SP杂化)。

2020年9月28日442020年9月28日45(3)螺环化合物与丙二烯型化合物相似，螺环化合物由于螺原子所在的两个环处于两个不同的平面内，也可能存在对映异构。2,6-二甲基螺[3.3]庚烷是手性分子2020年9月28日46第九节

外消旋体的拆分

常用的化学拆分法是把一对对映体设法转变为非对映体。一旦形成一对非对映体，就可以用分步结晶或蒸馏等方法分开（为什么？）。1、如果要拆分的外消体是一种酸，例如(±)-乳酸，就用光学纯的碱。如(+)-奎宁、(-)-马钱子碱和(+)-辛可宁等处理，所形成的盐就是非对映体。2、如果要拆分的外消旋体是一个碱，通常就采用光学纯的酸，例如，酒石酸，樟脑磺酸等来拆分。

3、要拆分的外消旋体既不是酸又不是碱，可以设法将化合物接上一个羧基，然后再进行拆分。

2020年9月28日472020年9月28日48第十节手性分子的形成和生物作用一、手性分子的形成

（一）生物体中的手性分子生物体内存在着许多手性化合物，而且几乎都是以单一的对映体存在。（二）非手性分子转化成手性分子

非手性分子通过化学反应也可转化成手性分子。

2-氯丁烷是手性化合物，但实际上却不具有旋光性。这是由于这种氯化一取代产物包含两个等量的对映体。对于每一个单一的对映体，当然是具有旋光性，但对整体产物是无旋光性，因为它是外消旋体。

2020年9月28日49为什么会形成外消旋体呢？

正丁烷在光的作用下发生氯取代反应生成外消旋化合物的反应机制：2020年9月28日50从一个手性化合物通过化学反应再形成一个新的手性中心时，则生成不等量非对映体混合产物。S-2-氯丁烷在高温条件下氯化则得到2S,3S-2,3-二氯丁烷（A）和2S，3R-2,3-二氯丁烷（B内消旋化合物）。（A）和（B）互为非对映体，产率比例为29:71。2020年9月28日51为什么生成不等量的非对映体呢？

因为Cl2与S-2-氯丁烷发生取代反应，形成的中间体-3-氯-2-丁基自由基，已经有一个手性中心了，缺乏对称性。因此Cl2从手性自由基两侧进攻的机会就不会完全相等，那么得到的两个互为非对映体的产物比例也就不会相等。

2020年9月28日52二、手性分子的生物作用

一对对映体构型上的微小差异，在生理活性上往往会产生截然不同的作用。为什么一对对映体之间，在生理活性上会有如此大的差别？

一个特异性手性分子的立体结构只有与特定的受体的立体结构有互补关系，其活性部位才能适合进入受体的靶位，产生应有的生理作用。一对对映体最多只有其中的一个对映体适合进入一个特定受体靶位，产生生理效应。2020年9月28日53手性分子与手性生物受体之间的相互作用：

（a）一对映体容易进入手性的受体靶位，发挥它的生物效应；（b）另一对映体不能合适地进入相同受体靶位，因此它没有同样的生物效应。2020年9月28日54第十节构象异构由单键旋转而产生分子中的原子或原子团在空间的不同排布形式叫构象异构，简称构象。构象是通过单键的旋转而互变为多种立体异构的，并且在互变过程中化学键并不断裂；构型表示某一立体结构的型态，在互变过程中化学键需发生断裂，重新排布原子或原子团在空间的位置。一.乙烷的构象：重迭式和交叉式。2020年9月28日55二.丁烷的构象：2020年9月28日56丁烷不同构象之间的能量变化可由下图表示。2020年9月28日57三.环己烷的构象：

1.椅式：

2.船式：

在椅式构象中十二个C—H键分为两类。2020年9月28日58

6个C—H键与通过分子的中心对称轴（如果分子中有一条直线，以此直线为轴旋转360/n（n为整数）后，得到的图形与原分子完全重合，此直线就是该分子的n重对称轴）接近平行，称为竖键或

a键，其中C1、C3、C5上的3个C—H键方向朝上，C2、C4、C6上的3个C—H键方向朝下。另6个C—H键与通过分子的中心轴成+109o28，的角度，称为横键或e键。

对称轴2020年9月28日59

四.环己烷衍生物的构象：

e键取代比a键取代稳定。2020年9月28日60十氢萘的构象十氢萘可以看成是由两个环己烷稠合而成的。按稠合处两个H原子的空间情况不同，可有顺—十氢萘和反—十氢萘两种异构体。两种十氢萘的两个环己烷都是椅式的。2020年9月28日61反—十氢萘顺—十氢萘反—十氢萘的构象是顺—十氢萘的构象是两个椅式的环己烷以两个椅式的环己烷以