有机化学课件：2014影像－对映异构-2003

1、第四章 对映异构体,主要内容：,1.手性分子和对映异构体 2.旋光性和外消旋体 3.费歇尔投影式 4.非对映异构体、内消旋化合物 5.手性分子的D、L和 R、S构型标记法 6. 无手性碳原子的对映异构体（了解） 7. 外消旋体的拆分（了解） 8.手性分子的形成和生物作用（了解）,第一节 对映异构的基本概念,一、对映异构和手性分子,二、手性与分子的对称因素,三、对映异构体的旋光性,四、对映异构体的表示方法,生活中的手性现象：,乳酸,Questions:,这两个构型 是否一样？,2. 这两个构型 什么关系？,一、对映异构和手性分子,与镜像不能重合,对映异构体（enantiomers）： 彼此不能重

2、合，并且互为镜像关系的一对异构体,手性分子（chiral molecule）： 不能与其镜像重合的分子,1. 为什么乳酸为手性分子？,Questions:,2. 什么样的分子具有手性？,此分子能与其镜像重合吗？,能与其镜像重合,C原子上连接的四个基团均不相同；,两个分子有什么不同？,手性碳原子C*（chiral carbon atom）： 连接4个不同的原子或基团的碳原子(手性中心),*,1.手性分子特征:,（含有手性碳不是唯一的具有手性的因素）,分子与其镜像不能完全重叠，,手性分子的判断：,1）若化合物与其镜像不能重合，必为手性分子,2）化合物只有一个手性中心，必为手性分子,最本质特征,为什

3、么？,3）若化合物含有一个以上的手性中心，可能 为手性分子，也可能是非手性分子。,当化合物含有2个或2个以上的手性中心时，分子内可能含有对称面或对称中心等对称因素。,为什么能与其镜像重合？,对称面,分子对称因素:,1. 对称面,具有对称面的分子无手性。,假设分子中有一平面能把分子切成互为镜象的 两半，该平面就是分子的对称面.,例如:,二、手性与分子的对称因素,2. 对称中心,若分子中有一点P，通过P点画任何直线， 如果在离P等距离直线两端有相同的原子或 基团，则点P称为分子的对称中心。例如：,有对称中心的分子没有手性。,小结：,物质分子在结构上具有对称面或对称 中心的，就无手性，,2. 物质分

4、子在结构上即无对称面，也无对 称中心的，于其镜像（对映异构体） 不能重合的分子, 就具有手性。,手性分子不一定具有手性碳等手性中心； 有手性中心的分子也不一定就具有手性。,练习,（1）物理性质和化学性质一般都相同；,3、对映体,互为镜像, 但与其镜像异构体不重合的一对化合物。,对映体之间的异同点,对映体总是成对的, 它们的熔点、沸点、密度、 折射率 和 在非手性溶剂中的溶解度 以及 光谱 图等都相同, 在与非手性试剂反应时所表现的 化学性质也相同.,（3）对偏振光的旋光性不同，比旋光度值相等， 仅旋光方向相反，对映体又称旋光异构。,（2）在手性环境条件下，对映体会表现出某些 不同的性质，如反应

5、速度有差异，生理作 用的不同等。,旋光性是识别对映异构体的重要方法.,1、平面偏振光和物质的旋光性,光波是一种电磁波，它的振动方向与前进方向垂直。,三、对映异构体的旋光性,（Nicol）棱镜：只允许与棱镜晶轴互相平行的平面上 振动的光线透过棱镜；,平面偏振光,平面偏振光：这种只在一个平面上振动的光， 即为平面偏振光，简称偏振光。,偏振面：偏振光振动的平面。,物质的旋光性,右旋方向用(+) 或“dor” Dextrarotatory表示.,左旋方向用()或“l” Levorotatory表示,光学活性物质：,旋光仪：,光源,检偏镜,盛液管,+刻度盘,起偏镜,目镜,构造,将检偏镜旋转一定的方向和角

6、度：,产生偏振光,使偏振面旋转,功能：,检测旋转角度,(单色光）,原 理,旋光度与比旋光度,为使旋光度成为物质的特征性质，使测量条件标准化.,钠光（D），=589.3nm,影响因素？,比旋光度：,当浓度为1g/mL(纯液体:密度)，测定管的长度为1dm (10cm) ，光源为 钠灯（D)时测定的旋光度,称比旋光度,浓度c 6g/ 40mL=0.15 g/mL,测定管长度L 20mm=2dm,注：当不用水为溶剂时，需注明溶剂的名称； 例如右旋的酒石酸在5%的乙醇中其比旋光度为：,问题：另一个2丁醇对映体的比旋光度为多少？,另一个比旋光度与此相比，数值相等，方向相反。,测定比旋光度的意义：,描述手

7、性化合物的旋光方向和旋光能力，为一特征物理常数。,2. 确证已知手性化合物的光学纯度,（旋光度受手性物质浓度的影响）,1. 鉴定手性化合物,外消旋体,2.外消旋体的性质特征：,a. 无 旋光性,Why?,表示“”,b. 熔点、密度和溶解度等与纯的单一对映体有差异；,沸点与纯的对映体相同（了解）,四、 对映异构体的表示方法 Fischer投影式,1891年，Emil Fischer(德）提出：,立体结构式的表示：,优点：生动形象,缺点：书写不便,1. Fischer投影式,使用于手性分子的书写,将含有碳原子的基团写在竖线上，氧化态最高的碳原子(编号最小)写在竖线上端。,横竖两条直线的交叉点代表手

8、性碳原子，位于纸平面;,2. 横线表示与C*相连的两个键指向纸平面的前面，,竖线表示指向纸平面的后面;,投影原则：,（ 基团的位置关系:“横前竖后”）,2. 投影式不能离开纸面旋转。 结构离开纸平面翻转180,结构变为其对映异构体,费歇尔投影式写法注意点：,4. 任意固定一个基团，其他三个基团依次旋转， 构型不变。,3. 投影式在纸面旋转90和270，结构变成它的 对映体。,1. 投影式在纸面旋转180和360，结构保持不变,投影式在 纸平面上 旋180,立体构型在纸平面上旋转 180,立体构型在纸平面内旋转，基团前后位置不变,立体构型无论如何旋转，构型不变。,构型不变,构型不变,?,投 影式

9、离开纸平面翻转 180,对映异构体,在纸平 面上旋 转90,对映异构体,?,在纸 平 面 上旋 转90（逆）,立体构型在纸平面内旋转，基团前后位置不变,（4）任意固定一个基团不动，依次顺时针或反时针 调换另三个基团的位置，不会改变原构型。,为什么？,真实的立体构型,Fischer投影式的理论规则,2.判断不同投影式是否同一构型的方法：,调换任意两个基团的位置， 对调偶数次构型不变,为同一物质 对调奇数次则为原构型的对映体,在Fischer 投影式中，,Fischer 投影式,离开纸平面 旋转180度,基团对调 次数,基团对调 结果,在纸平面 旋转180度,在纸平面 旋转90度,固定一个，顺次旋

10、转其他的,1,2,3,2,其对映体,同种分子,其对映体,同种分子,练习,第二节 手性分子的构型标记法,一、 D / L构型(相对构型）标记法,二、 R / S构型（绝对构型）标记法,相对构型与 绝对构型 ？,( D / L标记法）,(R / S 标记法),一、,构型(相对构型)表示法,1951年 Fischer选定：,(+) 甘油醛,D ,依据Fischer投影规则书写，当C2上的羟基 （OH）处于右侧时，命名为D-构型,构型可能为右旋，也可能为左旋。,注：,(-) 甘油 酸,D ,D (-) 乳酸,构型与旋光方向之间没有简单的联系。,D or L?,D-(-)-苏阿糖,命名原则：,将编号最大

11、的一个手性碳的构型 与D-甘油醛相比，,如果构型与D-甘油醛相同，构型为D-构型 否则，为L-构型。,D-(-)-赤藓糖,L -(+)-赤藓糖,只适用于与甘油醛构型相似的化合物。 如糖类和氨基酸的构型标记。,D/L标记法的局限性：,？,二、 /构型标记法,（. . Cahn -. . Ingold-V. Prelog Rules）,2. 再让次序最小的原子或基团（）远离观察者， （向最小基团方向观察）若的排列次序是顺时针排列就称为型，相反，称为型。,观察,逆时针排列,构型,如何表示这种方向盘？,实例：,OH COOH CH3 H,按次序规则:,型,型,练 习,从外侧看：,基团由大到小顺时针排列

12、；,从后方看：,基团由大到小逆时针排列；,？,应从后方观察,逆时针排列,构型,哪一个正确？,观察方向正确吗？,快速判断Fischer投影式构型的方法：,1. 当最小基团位于竖线时，若其余三个基团 由大中小为顺时针方向，则此投影式 的构型为R，反之为S。,含两个以上C*化合物的构型或投影式，也用 同样方法对每一个C*进行R、S标记，然后注明各标记的是哪一个手性碳原子。,2. 当最小基团位于横线时，若其余三个基团 由大中小为顺时针方向，则此投影式 的构型为S，反之为R。（与处于竖线上相反）,透视式,顺时针排列,R-甘油醛,S-甘油醛,R (-) 乳酸,对映异构体 的构型相反,例如：,S,S,R,R

13、,基团次序,三、 R/S 与 D/L标记法比较,D/L以最后一个不对称碳原子的构型来定，,1. 均表示构型,R/S绝对构型， D/L相对构型,3. D/L表示法与/表示法没有对应关系,2. 含有多个不对称碳原子时：,R/S则每一个都需标明。,D/L法只适于含多羟基的糖类、氨基酸等、 /应用于一切含手性碳的手性分子,(2R,3R)-(-)-赤藓糖,D-(-),(2S,3S)-(+)-赤藓糖,L-(+)-,(2S,3R)-(-)-苏阿糖,D-(-)-,(2R,3S)-(+)-苏阿糖,L-(+)-,第三节 具有手性中心的分子,一、 非对映体（含有两个不同手性C）,二、 内消旋化合物（含有两个相同手性

14、C）,含两个手性碳原子化合物的对映异构,3. 推测能写出几个立体异构？,一、非对映体（含两个不同手性碳原子）,一个含有n个手性碳原子的化合物最多 有2n个立体异构,2n规则：,当其中有2个手性碳含有相同取代基时，少于 2n个立体异构,（镜像：只有所有不对称C原子都互为镜像时， 两化合物才互为镜像。）,非对映体：,含有两个或多个手性中心，呈非镜像关系的 立体异构体,总结：,1. 分子的立体异构中，每对对映体中的任一个与另一对对映体中的任一个互为非对映异构体；,2.非对映异构体之间的物理性质有较大差异！,非对映异构体的特征：,1 物理性质不同（熔点、沸点、溶解度等）。 2 比旋光度不同。 3 旋光

15、方向可能相同也可能不同。 4 化学性质相似，但反应速度有差异。,据1、2、3点，可以应用于外消旋体的拆分,二、内消旋体（含两个相同手性碳原子）,立体异构体：,立体异构：3个，少于2n个,?,内消旋体： 含有手性中心的非手性化合物；,特征：无旋光性,练习：判断下列化合物哪些为内消旋体？,答案：（b) (d),内消旋体与外消旋体的异同,外消旋体是两个对映体的等量混合物， 可拆分开来。,含手性碳原子的分子一定有手性吗?,内消旋体是一种纯物质，,Questions:,不一定,都无旋光性；,外消旋体和内消旋体分子都没有旋光性 的说法是否正确？,错误,第七节 无手性碳原子的对映异构体,2. 取代的丙二烯型

16、化合物,1. 取代的联苯型化合物,（了解）,1.取代的联苯型化合物,由于取代基的空间斥力，导致两个苯环之间的C-C发生扭转，非共平面，因而无对称面也无对称中心等对称因素，具有手性。,2. 取代的丙二烯型化合物,第八节 对映异构与生物活性,生物体是一个手性环境；几乎所有的生化反应都在手性环境中进行, 如 酶和细胞表面受体是手性的； 酶的催化作用具有立体专一性, 能够识别(区分)一个分子和它的对映体. 对映异构体在生物体内具有不同的生物活性.,化学方法合成药物往往得到外消旋混合物, 外消旋体的拆分费时费力, 因此不对称合成(又称手性合成)日益受到重视, 即利用不对称催化、生物酶和微生物等方法只含单一旋光体的有机物.,具有生物活性的药物的对映体, 也以手性的方式与受体部位相互作用, 因此外消旋药物的两个对映体在人体内具有不同的药效, 其中一种对映体可能无效甚至有毒.,总结；,1. 基本概念,2. 手性分子、对映体、非对映体、,外消旋体和