2024年度有机化学第三章立体化学基础

有机化学第三章立体化学基础12024/3/24CONTENTS立体化学基本概念手性分子与手性中心对称性与对称操作立体异构体分类与命名立体化学在有机合成中应用立体化学在药物设计中的重要性22024/3/24立体化学基本概念0132024/3/24具有相同的分子式、相同的连接顺序，但在三维空间中具有不同的排列方式的化合物。根据异构体之间在三维空间中的差异，可分为构型异构和构象异构。立体异构体在生物活性、药物设计、材料科学等领域具有广泛的应用。立体异构体的定义立体异构体的分类立体异构现象的重要性立体异构现象42024/3/24一个物体不能通过旋转和平移操作与其镜像完全重合的性质。一个物体可以通过旋转和平移操作与其镜像完全重合的性质。手性是对称性的一个特例，即没有对称中心或对称面的物体具有手性。手性化合物在生命体系中具有重要的作用，如氨基酸、糖类等。手性的定义对称性的定义手性与对称性的关系手性在化学中的应用手性与对称性52024/3/24分子中原子或基团在空间的相对位置关系。构型的定义分子中原子或基团围绕单键旋转而产生的不同空间排列方式。构象的定义构型是分子中原子或基团的固定排列方式，而构象是分子在不同条件下的动态变化。构型与构象的关系不同的构型和构象会影响化学反应的速率和选择性。构型与构象在化学反应中的应用构型与构象62024/3/24手性分子与手性中心0272024/3/24具有旋光性手性分子特点手性分子定义：不能与其镜像重合的分子称为手性分子。存在手性中心对映异构体具有不同的物理和化学性质手性分子定义及特点010302040582024/3/24020401手性中心定义：连接四个不同基团或原子的碳原子称为手性中心。手性中心判断方法使用Cahn-Ingold-Prelog规则（CIP规则）进行判断。03观察碳原子连接的四个基团或原子是否相同，若不相同则为手性中心。手性中心识别与判断777792024/3/2403Newman投影式沿碳-碳键的键轴方向观察，将碳原子和与之相连的基团放在纸平面上，其他基团则竖立在纸平面上。01Fischer投影式将碳链竖直表示，横前竖后，横向基团朝右，纵向基团朝上。02透视式将碳链放平，基团朝向观察者方向。手性分子表示方法102024/3/24对称性与对称操作03112024/3/24对称中心（C）对称面（σ）对称轴（i）旋转反演轴（Sₙ）对称元素及类型一个点，通过该点的任意直线两端等距离处，有相同但不重合的两个点或图形。一条直线，分子绕此轴旋转180°后与原分子重合。一个平面，将分子分为互为镜像的两个部分。一条直线和一个点，分子绕此轴旋转360°/n后，再通过该点进行反演，所得分子与原分子重合。122024/3/24对称操作定义及实例对称面操作（σ）将分子沿对称面进行反射，得到与原分子重合的镜像。对称中心操作（C）通过对称中心的任意点或图形，找到其对称点或图形。恒等操作（E）不改变分子的任何操作，即分子本身。对称轴操作（i）将分子绕对称轴旋转180°，得到与原分子重合的图形。旋转反演轴操作（Sₙ）将分子绕旋转反演轴旋转360°/n后，再通过反演点进行反演，得到与原分子重合的图形。132024/3/24具有对称面或对称中心的分子是非手性的，而不具有这些对称元素的分子可能是手性的。判断分子的手性预测分子的物理和化学性质分析分子的构型和构象推导反应机理对称性可以影响分子的偶极矩、极化率、光谱性质等物理性质，以及反应活性、选择性等化学性质。通过对称性可以判断分子的构型和构象是否稳定，以及不同构型和构象之间的能量差异。对称性可以帮助推导某些反应的机理，例如周环反应中的对称性允许和对称性禁阻规则。对称性在立体化学中应用142024/3/24立体异构体分类与命名04152024/3/24由于原子或基团在空间排列方式不同而产生的异构现象。包括顺反异构、对映异构等。构型异构构象异构光学异构由于单键旋转而产生的不同空间排列的异构现象。如乙烷的交叉式与重叠式构象。具有旋光性的手性分子，由于与其镜像不能重合而产生的异构现象。如对映异构体。030201立体异构体分类方法162024/3/24

各类立体异构体命名规则顺反异构体命名根据基团在双键或环上的相对位置进行命名，顺式异构体中相同基团位于同侧，反式异构体中相同基团位于异侧。对映异构体命名采用Cahn-Ingold-Prelog（CIP）规则进行命名，确定手性碳上各基团的优先顺序，然后根据基团在空间中的排列方式进行命名。构象异构体命名根据分子中原子或基团的空间排列方式进行命名，如交叉式构象、重叠式构象等。172024/3/24实例分析：命名练习1.（Z）-2-丁烯表示2-丁烯的顺式异构体，其中两个甲基位于双键的同侧。2.（E）-2-丁烯表示2-丁烯的反式异构体，其中两个甲基位于双键的异侧。3.（R）-2-羟基丙酸表示2-羟基丙酸的右旋对映异构体，其中羟基、羧基和甲基按照CIP规则确定的优先顺序排列。4.（S）-2-羟基丙酸表示2-羟基丙酸的左旋对映异构体，其中羟基、羧基和甲基按照CIP规则确定的优先顺序排列。182024/3/24立体化学在有机合成中应用05192024/3/24通过引入手性辅剂，在反应中形成手性环境，从而控制产物的立体构型。利用手性催化剂，在反应中实现对底物的不对称活化，进而控制产物的立体构型。通过动力学拆分外消旋体，得到单一构型的产物。利用手性辅剂利用不对称催化利用动力学拆分立体选择性合成策略202024/3/24立体专一性反应定义立体专一性反应是指在反应过程中，底物的立体构型在产物中得到保持的反应。立体专一性反应原理立体专一性反应通常涉及到底物中特定官能团的空间排列，这种排列在反应过程中保持不变，从而保证了产物的立体构型。立体专一性反应应用立体专一性反应在有机合成中具有广泛的应用，如烯烃的顺反异构化、羰基化合物的还原等。立体专一性反应原理及应用212024/3/24实例一烯烃的顺反异构化。在烯烃的顺反异构化反应中，通过控制反应条件，可以选择性地得到顺式或反式产物。例如，利用特定的催化剂和溶剂，可以实现烯烃的高效顺反异构化。实例二羰基化合物的还原。在羰基化合物的还原反应中，通过选择合适的还原剂和反应条件，可以控制产物的立体构型。例如，利用手性还原剂可以实现羰基化合物的不对称还原，得到具有特定立体构型的醇类产物。实例三手性药物的合成。手性药物是指具有手性中心的药物分子。在合成手性药物时，需要利用立体化学原理来控制产物的立体构型。例如，通过引入手性辅剂或利用不对称催化等方法，可以实现手性药物的高效合成。实例分析：有机合成中立体化学问题222024/3/24立体化学在药物设计中的重要性06232024/3/24手性药物的两个对映异构体可能具有不同的生物活性，其中一个可能具有治疗效果，而另一个可能无效或有毒。手性药物通过与生物体内的靶标分子（如受体、酶等）发生立体选择性相互作用，从而产生药理作用。药物活性与手性关系手性药物的药理作用手性对药物活性的影响242024/3/24预测对映异构体的活性通过理论计算或实验手段，预测两个对映异构体的生物活性，以选择具有潜在治疗效果的对映异构体进行后续研究。合成与分离手性药物在药物合成过程中，需要采取适当的合成策略和分离技术，以获得所需的对映异构体的纯品。确定手性中心在药物设计中，首先需要确定分子的手性中心，即存在不对称碳原子的位置。药物设计中手性考虑因素252024/3/24沙利度胺（Thalidomide）沙利度胺是一种具有免疫调节和抗炎作用的药物，其分子中存在一个手性中心。研究表明，沙利度胺的（R）-对映异构体具有治疗效果，而（S）-对映异构体则具有致畸作用。因此，在药物合成和质量控制过程中，需要严格控制（R）-对映异构体的纯度和含量。