第五章-分子的手性与旋光异构古练权.ppt

1、5.1物质的旋光性5.2对映异构现象与分子结构的关系手性和手性分子5.3手性与对称元素5.4构型的表示和标记5.5含一个手性碳原子的化合物的对映异构5.6含两个或多个手性碳原子的化合物5.7环状化合物的立体异构5.8外消旋体的拆分,第5章分子的手性与旋光异构,异构体的分类,立体异构的概念,构造异构：分子中原子相互连接次序和方式不同产生的异构现象叫做构造异构。立体异构：分子的构造相同，原子或基团在空间的排列不同而产生的异构现象叫做立体异构。构象异构：是由于分子内单键旋转而呈现的异构现象。,普通光是在所有方向振动的电磁波。,5.1物质的旋光性,特点：1.光波前进时电场振幅的周期性变化；2.光波振动

2、的平面；3.普通光束中光波在一切可能的平面内的振动。,一、平面偏振光1808年马露（Malus）发现普通光通过棱镜后产生只能在一个平面振动的光。只能在一个平面振动的光为平面偏振光。,普通光,棱镜,偏光,拜奥特（Biot）发现某些物质可以使得偏光发生旋转，有的左旋，有的右旋。,旋光物质和非旋光性物质,旋光性物质,偏光,盛液管,乳酸、葡萄糖等能使偏光振动平面旋转一定角度的物质称为旋光性物质。水、酒精等与偏光不发生作用的物质，称为非旋光物质。旋光性物质使偏光顺时针旋转称为右旋体，用d-或(+)-表示(来自拉丁语dexter)；使偏光反时针旋转的称为左旋体，用l-或()-表示(来自拉丁语laevus)

3、。,旋光物质和非旋光性物质,在晶轴相互平行的两个棱晶之间放置旋光管，管内盛有不同的液体，将出现两种情况：水或酒精，则偏光顺利通过第二个棱晶；乳酸或葡萄糖等物质，则第二个棱晶必须旋转一定的角度，偏光才能通过。,普通光,起偏振器,偏光,乳酸溶液,检偏振器,观察者,旋光度,影响旋光度的因素：1.被测物质;2.溶液的浓度;3.盛液管长度;4.测定温度;5.所用光的波长。,在旋光仪中被测出的使偏振光旋转的角度称为旋光度。,旋光度(),25,D,=+90.01。,Na:=5869A,Hg:=5461A,(c1.15,C2H5OH),t,D,盛液管为1分米长，被测物浓度为1g/mL时的旋光度。,o,o,比旋

4、光度（Biot规则）,旋光仪中测不出旋光度的化合物不一定是没有旋光性的化合物，也可能是等量右旋体和左旋体的混合物。,5.2对映异构现象与分子结构的关系,1848年巴斯德分离得到两种酒石酸钠铵的晶体，两种晶体互为左手与右手的关系。,19世纪初，发现两种石英晶体，分别使得偏光发生左旋和右旋。,手性和手性分子,左手和右手不能叠合,左右手互为镜像,1874年，VantHolf和LeBel提出碳的四面体结构理论。,酒石酸钠铵两种晶体之间的关系如同左手和右手关系，非常相似但不能相互迭合。物体与其镜像不能迭合的现象，称为手性(Chirality)。具有手性的分子称为手性分子。当碳原子连有四个不同的基团时，分

5、子在空间有两种不同的排列方式，互为实物和镜像的关系，如乳酸。与四个不相同基团相连的碳原子是不对称碳原子，也称手性碳原子，用C*表示。,手性和不对称碳原子,乳酸的四面体模型（实物和镜像的关系）,一对对映体的性质在非手性环境中没有区别，如熔点、沸点、溶解度（在非手性溶剂中）、反应速度（与非手性试剂反应）等一致。,在手性条件下，表现出不同的性质：,1.旋光性不同；2.与手性试剂的反应产物和速度不同；3.在手性催化剂或手性溶剂中反应速度不同；4.在生物体系中的作用不同。,手性化合物的性质,对映异构体与不对称碳原子相连的四个原子或基团距离相等，差别仅是空间的排列不同，除对偏光不同的旋转方向外，它们具有完

6、全相同的物理性质。对偏光的作用表现出差别，一个左旋，一个右旋。,物理性质,除对旋光试剂外，对映体具有完全相同的化学性质。因为两种状态下，反应受到完全相同的取代基的影响。但由于对映体之间存在手性关系，在手性条件或手性环境中，如手性试剂、手性溶剂和手性催化剂存在下，则表现出不同的行为。,化学性质,对映体和手性试剂反应时，反应产物和速度表现出差异。在一些生化反应中，在生物体内起重要作用的催化剂酶，具有很高的手性，对映体的生理作用表现了明显差别。(+)-果糖在动物代谢中起独特的作用，具有营养作用，而()-异构体则不被代谢；()-氯霉素具有抗菌作用，(+)-则无；()-麻黄碱具有平喘止咳的生理功能，(+

7、)-则无。,在生物体系中的作用,肾上腺素,在生物体系中的作用,1.对称面假如存在一个平面，把分子分成两个互为对映体的部分，一部分正好是另一部分的镜像，则这个平面就是对称面“”，分子就是非手性分子。,凡是有对称面的分子，都没有手性。内消旋的酒石酸分子有一个对称面，所以是非手性的。有些分子的对称面不止一个，如甲烷。,5.3手性和对称元素,2.对称中心分子中心有一点，分子的任何部分通过它都会得到相对应的结构，这个点称为对称中心（i），如：,有对称中心的分子能与其镜像叠合，故无旋光性。,对称中心,3.n-阶对称轴如果有一直线，当分子绕它旋转(2/n)或其倍数时，能恢复原状，这个直线称为分子的n-阶对称

8、轴，符号为Cn。,对称操作是转动,凡是有对称面或对称中心的分子，能与其镜像叠合，故无手性或旋光性。,但具有n-阶对称轴的化合物也可能具有手性，因此，不能把有无对称轴作为判断分子有无手性的标准。,一般来说，如果一个分子不存在对称面和对称中心，这个分子是手性分子（n-阶对称轴可不必考虑）。,结论,如：取代环丙烷有否旋光性可以通过其对称性来判别：,无旋光（对称面）,有旋光（C2）,手性分子是多种多样的，要判断一个分子是否具有手性，最可靠的方法是做模型，最简便的方法是考虑分子的对称因素，而不是看有无不对称碳原子。,无旋光（对称中心）,有旋光(C2),无旋光(对称面),无旋光（对称面）,1.有手性中心的

9、旋光异构体,中心碳原子不是不对称碳，但却是手性中心,不含手性碳原子的手性分子,2.丙二烯型的旋光异构体,实例：a=苯基，b=萘基，1935年拆分。,一个双键与一个环相连（1909年拆分）,D=81.4o(乙醇),25,3.具有联苯类结构的化合物位阻异构体由于单键旋转受阻形成的手性分子。,螺环形,蒄（无手性）,6-螺苯（有手性）,4.有螺旋型结构的化合物,(1)含氮原子的手性分子胺分子中的氮原子是sp3杂化，与氮相连的三个原子或基团与氮原子上的孤电子对所占据的sp3轨道在空间的排列与四面体构型相接近。,5.含氮、磷和硫原子的手性分子,氮反转（nitrogeninversion）,如果氮原子上相连

10、的三个取代基互不相同时，分子中没有对称面或对称中心，理论上应该有两个对映体，它们之间互为镜象。但在通常情况下，无法进行对映体拆分。这是因为对映体之间能垒很低(25KJ/mol)，相互转化的速率很快。,当氮原子中的孤对电子翻转受阻时，对映体可以拆分：,Trogers碱也已被拆开：,具有不对称氮原子的季铵盐，以及叔胺的N-氧化物，因为无孤对电子，无法进行氮反转。因此甲基乙基异丙基苯铵盐和甲基烯丙基苯基氮氧化物可被拆分。,(2)含硫原子的手性分子,versatilesynthon,(3)含磷原子的手性分子,为了表示对映体分子的两种不同构型，可以用立体式或构型式。但为了书写方便和便于比较，习惯用投影式

11、表示，最常用的是Fischer投影式。,5.4构型的表示方法和标记,1.Fischer投影式,把与手性碳相连的横向的两个键伸向前方，竖向的两个键伸向后方。将含碳的基团放在竖键方向，将编号最小的放在上面，将固定下来的各个基团或原子团投影到纸面上。投影式中，两条正交直键的交点相当于手性碳原子，横向相连的两个基团是向前的基团，竖直相连的两个基团是向后的基团。,Fischer投影式规定,在使用Fischer投影式时必须注意：Fischer投影式是用平面式来表示三度空间的立体构型，必须注意投影式中各个基团的前后关系。分子模型可以在空间任意翻转，而不改变分子的构型；但在投影式中，在纸面上翻转会改变与手性碳

12、相连的原子或基团的空间关系（即违反前面的规定）。,(1)(I)翻转后似与构型(III)的投影式重合，因原子的关系发生了改变，(II)不等于(III)。两个投影式是否能够重叠，只能使它在纸平面上移动或转动180。因为投影式中以横的实线相连的两个原子或基团严格规定在纸平面的前方。上式(II)的写法是不符合规定的。只有旋转180（或其倍数），才不改变原子团的前后关系。,(2)在纸平面上旋转180（或其倍数）分子构型不变，但如果旋转90则构型改变，将变成其对映体。,不改变基团的相对位置,对映体（空间关系改变）,(3)基团可以互换偶数次，构型不变；但互换基数次，构型改变。,互为对映体,相同构型,竖向后，

13、横向前，含碳基团上下连，转半圈，不能翻，奇次互换构型变。,Fischer投影式规定总结,构型的其它表示方法：,构型也可以用伞架式表示。这种方法可概括为：楔前虚后实平面，基团互换构型变。其特点是形象、生动，但书写不便。,伞架式,透视式,构型的其它表示方法,相对构型是选定某一物质（甘油醛）作为标准物质，人为的规定其构型。其他物质的构型通过化学转变方法，使其与标准物质相关联来确定。即一个物质的构型是相对于标准物质而言，故称为相对构型。,2.相对构型和绝对构型,与假定的D、L甘油醛相关联而确定的构型。,相对构型,绝对构型,能真实代表某一光活性化合物手性碳的构型（R、S）。,注意：(+)-和()-表示旋

14、光的方向，D和L表示不同的构型。旋光和构型没有必然的联系。,第一条规则：将各种取代基的连接原子，按原子序数大小排列，原子序数大的顺序在前。若为同位素，则质量数高的顺序在前。,不同原子按原子序数排列,同位素按质量数由高到低的顺序排列,各种原子或取代基按先后次序排列的规则称为顺序规则。,3.顺序规则,1234,第二条规则：若多原子基团的第一个连接原子相同，则比较与它相连的其它原子，先比较原子序数最大的原子，再比较第二大的，依次类推。若第二层次的原子仍相同，则沿取代链依次相比，直至比出大小为至。,第三条规则：含不饱和键时排列顺序大小的规则连有双键或叁键的原子可以认为连有两个或三个相同的原子。,第四条

15、规则：Z构型优于E构型。R构型优于S构型。,看的方向,将与手性碳原子相连的四个基团按顺序规则排列大小，将最小的基团放在离眼睛最远的地方，其它三个基团按由大到小的方向旋转，旋转方向顺时针的，手性碳为R构型；旋转方向逆时针的，手性碳为S构型。,R,4.R,S构型的确定,R-,方向盘判断法,(S)-(+)-乳酸；逆时针方向运转(sinister,拉丁文),(R)-(-)-乳酸；顺时针方向运转(rectus,拉丁文),实例,(R)-3-氰基环戊酮,(R)-2,3-二溴丙醛,(R)-2-氘代丙酸,(S)-3-乙基-1-庚烯-5-炔,实例,以乳酸为例介绍几个基本概念,(S)-(+)-乳酸(R)-(-)-乳

16、酸()-乳酸mp53oCmp53oCmp18oCD=+3.82D=-3.82D=0pKa=3.79(25oC)pKa=3.83(25oC)pKa=3.86(25oC),15,15,15,外消旋乳酸,5.5含一个不对称碳原子的化合物,1.对映体：右旋和左旋两种异构体互成实物和镜像的对映关系，互称对映异构体，简称对映体。,2.外消旋体,一对对映体等量混合，得到外消旋体。,外消旋体的性质：外消旋体和单个的对映体，除旋光性不同外，其他的物理性质也表现出明显差别。外消旋体可以拆分为单一异构体。化学性质：在非手性环境中基本相同。生理功能：左旋体和右旋体分别发挥各自作用。,外消旋体：由等量的左旋体和右旋体组

17、成的混合物称为外消旋体，一般用（）表示。外消旋化：旋光化合物在物理因素或化学试剂作用下，变成两个对映体的平衡混合物，失去旋光性的过程称作外消旋化。,外消旋体的性质,旋光纯度：单一对映体所组成的样品称为旋光性化合物。对映体等量的混合物称为外消旋体。如果对映体非等量组合，则有一个旋光纯度问题，即某一对映体占优势的问题。,3.旋光纯度（光学纯度）,4.ee值（enantiomersexcess）,如：某一旋光化合物，其光学纯度为90%，在此混合物中，其中一个对映体含量为多少？另一个对映体含量多少？（95%+5%）,(ee值),光学纯度%=对映体过量%=R%-S%,5.6.1含两个相同的不对称碳原子的

18、化合物,以酒石酸为例：,5.6含两个或多个手性碳原子的化合物,(1),(1),(2),(3),(+)-酒石酸,(-)-酒石酸,(R),(R),(R),(R),(S),(S),(S),(S),mpD(水)溶解度(g/100ml)pKa1pKa2(+)-酒石酸170oc+12.01392.984.23(2)(-)-酒石酸170oc-12.01392.984.23(3)()-酒石酸(dl)206oc020.62.964.24(2+3)meso-酒石酸140oc01253.114.80(1),酒石酸的情况分析,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-)。,1.内消旋体,

19、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。,2.非对映体,基本概念,含两个不对称碳原子的分子，若在Fischer投影式中，两个H在同一侧，称为赤式（如1），在不同侧，称为苏式（如2或3）。,3.赤式和苏式,(1),(2),(3),(+)-酒石酸,(-)-酒石酸,赤式,苏式,内消旋酒石酸的对称性分析,旋转180o,C3右旋60o,C3左旋60o,交叉式(I)有对称中心,交叉式(II),交叉式(III),交叉式(II)与(III)是对映体，内能相等，在构象平衡中所占百分含量相等。同理，其他有手性的构象也总是成对出现，且份额相同。因此，它们对偏光

20、的影响互相抵消。,4.旋光性与构象的关系,只要分子的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出现，其结果是化合物无手性。因此，根据重叠式构象判断分子有无手性即可代表分子的整体性质。,化合物的旋光性与熔点、沸点一样，是许许多多分子所组成的集体的性质，而不是其中某一构象分子的性质。,结论,注意,5.6.2含两个不相同手性碳的化合物（A-B型）,(I)(II),(I)和(II)，(III)和(IV)为对映体关系。(I)与(III)或(IV)以及(II)与(III)或(IV)为非对映体关系。,(III)(IV),当分子含有n个不相同的不对称碳原子时，对映异构体的数目是2n，它们分别组成

21、2n-1个外消旋体。如分子中所含的不对称碳原子是相同的，对映体的数目小于2n。,含三个不同的不对称碳原子的化合物,()-阿拉伯糖,()-耒苏糖,()-木糖,()-核糖,(i)和(iii),(ii)和(iv)是C2差向异构体。(i)和(vii),(ii)和(viii)是C3差向异构体。(i)和(vi),(ii)和(v)是C4差向异构体。,异构体数目=2n,含三个不同的不对称碳原子的化合物,差向异构体,含两个或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，称它们为差向异构体。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，分别根据C原子的位置编号称为Cn差向异构体。

22、,潜不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，变成一个不对称分子，那么原来的对称分子称为“潜不对称分子”。分子所具有的这种性质称为“潜不对称性”，发生变化的碳原子称为“潜不对称碳原子”。,被OH取代,or,S-(+)-乳酸,R-(-)-乳酸,潜不对称碳原子,潜不对称分子,5.7环状化合物的立体异构,顺式反式,顺式反式,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1：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，构象分布为(1):(2)=1:1

23、。,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，构象集合的结果是分子无手性。,有对称面,R,R,例2：（1R,2R）-1,2-二甲基环己烷,S,S,例3:（1S,2S）-1,2-二甲基环己烷,综上，考虑环己烷衍生物有无手性时，用平面结构式更方便。,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成的混合物，因此，构象的集合仍有旋光性。,5.8外消旋体的拆分,将外消旋体拆分成左旋体和右旋体，称为外消旋体的拆分。,1.化学法,形成和分离非对映异构体的方法：,(+)RCOOH+(-)-RNH2,成盐,分级结晶,HCl,HCl,(+)-RCOO-()-RNH3,