北京大学有机化学课件3-立体化学

1、第三章 立体化学,exit,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,本章提纲,立体异构体的定义：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。,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,构型异构体 构象异构体,几何异构体 旋光异构体,第一节 立体化学的任务 立体异构体的分类和定义,分类,第二节 旋光性和分子结构的对称性因素,不能与其镜象叠合的分子为手性分子； 手性分子有旋光性。,一 手性分子,二 判别手

2、性分子的依据,s1= s2= i,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）手性碳原子 （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）旋光度的表示（偏振光） （7）分子的潜非对称性,1.含一个手性碳原子的化合物,具有镜像与实物关系的一对旋光异构体。,（2）对映体,(s)-(+)-乳酸 (r)-(-)-乳酸 ()-乳酸 mp

3、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),15,15,15,外消旋乳酸,（1）手性碳原子（已讲）,特 点 *1 结构：镜影与实物关系 *2 内能：内能相同。 *3 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。 *4 旋光能力相同，旋光方向相反。,外消旋体与纯对映体的物理性质不同，旋光必然为零。,（i）外消旋混合物 （ii）外消旋化合物 （iii）固体溶液,（3）外消旋体,一对对映体等量混合，得到外消旋体。,立体结构,锲形式,投影式,fischer投影

4、式,（4） fischer投影式,注意事项： *1. 不能在纸面上旋转90o *2. 不能离开纸面翻转180o *3. 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,（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）,与假定的d、l甘油醛相关联而确定的构型。,相对构型,h,o,（6） 旋光的表示,*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。,*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。,*3 旋光度(),影响旋光度的因素

5、 (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,在旋光仪中被测出的使偏振光旋转的角度称为旋光度。,*4 比旋光度,25,d,= + 90.01。,na:= 5869a,hg : = 5461a,(c 1.15, 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,t,100,m,=,t,分子量,*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

6、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”。,被oh取代,or,s-(+)-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,(1) 旋光异构体的数目,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,

7、（2）非对映体,(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，分别根据c原子的位置编号称为cn差向异构体。,()阿

8、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(iiv),(ii)和(viii)是c3差向异构体。 (i)和(vi),(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

9、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,(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),(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 2.98 4.23 (-)-酒石酸 170oc -12.0 13

10、9 2.98 4.23 ()-酒石酸 (dl) 206oc 0 20.6 2.96 4.24 meso-酒石酸 140oc 0 125 3.11 4.80,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,旋转 180o,c3右旋60o,c2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

11、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。,2,2,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，反之则有旋光性。,无旋光（对称面）,有旋光,无旋光（对称中心）,有旋光,无旋光(对称面),无旋光（对称面）,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

12、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。,s,s,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

13、,r,r,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,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）丙二烯型的旋光异构体,（a）两个双键相连,vont hoff（荷兰）bel（法） （1901年诺贝尔奖）,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,d = 81.4

14、o ( 乙醇 ),25,c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 （94145） c-f （94139） c-cl （94163) c-br （94183） c-i （94200）,（2）联苯型的旋光异构体,c-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

15、大小，还要考虑基团的形象,反应温度：118。,x=ch3 no2 cooh och3,消旋化 t1/2,1.50 1.92 1.56 1.45 179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。,n=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=4 m=4 可析解,43oc n=8 半衰期170分。,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

16、 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，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。,h+,-h+,-h+,h+,-h2o,-h2o,h2o,h2o,60-70oc 4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

17、，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。,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,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,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,hcl,hcl,(+)-rcoo-(-)-rnh2,(-)-rc

18、oo-(-)-rnh2,(+)-rcooh + (-)-rnh3 cl -,(-)-rcooh + (-)-rnh3 cl -,+,+,-,（1）析解剂与被析解剂之间易反应合成, 又易被分解。 （2）两个非对映立体异构体在溶解度上 有可观的差别。 （3）析解剂 应当尽可能地达到旋光纯度。 （4）析解剂必须是廉价的，易制备的， 或易定量回收的。,析解试剂的条件,1g r氨基醇,5g s +5g r 氨基醇饱和液（80，100ml）,析出2g r 氨基醇（余下4g r,5g s）,分去晶体，剩下母液,过滤,加水至100ml,冷却至20,80,加2g消旋体,冷却至20,2g s 氨基醇析出,2. 接种结晶析解法,3.微生物或酶作用下的析解 4.色谱分离法 选择光活性