第七章_立体化学

1、第七章立体化学任课教师：曾向潮生科院 化学系CH3CH2CH2CH3D-异构体L-异构体有强兴奋作用抗兴奋作用CH3NOHOHD-(-)有杀菌作用OHL-(+) 无药效NHCOCHCl2NO2H OOZ-R（有生理活性）第七章对映异构（一）手性和对称性（二）具有一个手性中心的对映异构（三）构型和命名法（四）具有两个手性中心的对映异构（五）不含手性中心化合物的对映异构（六）对映异构在研究反应机理中的应用本章重点：手性、手性分子与手性碳、旋光度与比旋光度、对映体与非对映体、差向异构体、内消旋体、外消旋体等的概念； 对称因素与分子的手性间的关系； Fischer投影式的写法、R/S标记法。同分异构分

2、子的结构就包括分子的构造、构型和构象。碳架异构官能团异构位置异构互变异构构造异构同分异构顺反异构对映异构构型异构立体异构构象异构本章主要讨论对映异构。讨论分子的立体形象及与物理性静态立体化学质的关系等。立体化学讨论分子的立体形象对化学反应动态立体化学性的影响及产物分子和反应物分子在立体结构上的关系等。（一）手性和对称性（1） 偏振光（偏光）（2） 旋光物质与比旋光度（3） 手性的概念（4） 对称性（1）偏振光光是一种电磁波，光波的振动方向与其前进方向垂直。普通光在所有垂直于其前进方向的平面上振动。 偏振光只在一个平面上振动。强度为 I0 的偏振光在通过检偏镜后的强度 I 为：I I0Cos2其

3、中为两 Nicol 棱镜晶轴的夹角。可见，当两Nicol晶轴平行时( = 0)，观察到的光强度最大。（2）旋光物质与比旋光度起偏镜检偏镜 I0 I 观察盛液管旋转后的偏振光偏振光光源Nicol棱棱Nicol棱棱旋光性物质能使偏振光的振动方向旋转一定角度的性质。右旋（+）；左旋 （-）旋光度旋光性物质使偏振光的振动平面所旋转的角度， 用表示。显然，溶液的旋光度与浓度、单位盛液管长度成正比。比旋光度单位浓度、单位盛液管长度下测得的旋光度， 用表示。实际测量时，可用溶液测量其旋光度，再用下式计算其比旋光度： aat=lClt式中： 比旋光度；测量时所采用的光波波长； t 测量时的温度；由仪器测得的溶

4、液的旋光度；l 盛液管的长度,单位为dm(1dm=10cm)； C 溶液的浓度,单位为g.mL-1。表示比旋光度时，需要标明测量时的温度、光源的波长以及所使用的溶剂。例如，在温度为20C时，用钠光灯为光源测得的 葡萄糖水溶液的比旋光度为右旋52.2，应记为：D20= + 52.2（水）“D”代表钠光波长。钠光波长589nm相当于太阳 光谱中的D线。比旋光度是旋光性物质的一个物理常数。旋光仪(polarimeter)(动画)（3）手性的概念手左、右手互为实物与镜像的关系，不能完全重合。手性像左右手一样，实物与其镜象不能叠合的性质。例如，两种不同的乳酸分子都具有手性：左旋乳酸，由蔗糖发酵得到COO

5、H右旋乳酸，由肌肉运动产生COOHCCHHOH H3COHCH3镜象实物镜子其中心碳原子上连有四个不同的原子或原子团，在空间有两种不同的排列方式，不能完全重合，互为实物与镜像的关 系，是两种不同的化合物。手性碳原子与四个不同的原子或原子团相连的碳原子，用“ * ”号标出。例如：CH3CH -C* H-CH-CHCH -C* H-CH -CHCH -C* H-COOH333233OHBrOH（4）对称性考察分子的对称性就能判断它是否具有手性。（甲）对称轴（Cn）C3C2CCH32C2ClHH3CCH3CH3 HCCCH3CH HHH C3Cn的对称操作是旋转， Cn代表有n重对称轴（见P138-

6、）。（乙）对称面（）CH3CH3HH3CCH3 HH CCC3H3C无对称面对称面对称面COOHClOCCHHHOHHHHH二个s三个s一个s多个s对称面的对称操作是反映（即照镜子）。（丙）对称中心（i）COOHCH3iiHCH3HH3CHCH3COOH（丁）交替对称轴H对称因素与分子的手性在绝大多数情况下，分子中没有对称面和对称中心，与其镜象就不能叠合，分子就会有手性。分子中是否存在对称轴对分子是否具有手性没有决定作用。所以，判断分子中有无对称面和对称中心在立体化学中有重要意义。（二）具有一个手性中心的对映异构（1）对映体（2）构型表示方法（1）对映体凡是手性分子，必定有一个与之不能完全叠合

7、的镜象。 互为实物与镜象的两个构型异构体称为对映体。例如，乳酸是手性分子，就有一对对映体存在：COOHCOOHCCCH3 HHOH3COHH实物镜象镜子2-溴丁烷也是手性分子，也有一对对映体存在：CH3CCH3CCH3CH2BrBrCH2CH3HH实物镜子镜象一般情况下，除旋光方向外，一对对映体的理化性质基本相同。在手性环境中，一对对映体表现出不同的性质。 手性环境偏振光、手性溶剂、手性试剂等。（2）构型表示方法式：直观，但书写麻烦，不适用于复杂化合物两种方法Fischer投影式：使用方便，适用于简单和复杂化合物Fischer投影式的写法：碳链竖置，且编号小者置于上端；上下朝里，左右朝外。例如

8、：COOHCOOHCOOHOHCHCHOHH COH3HCHCH3Fischer 投影式3式COOH观察HOHCH3注意事项： Fischer投影式只能在纸面上平移或旋转180，但不能旋转90或270，也不能将其脱离纸面翻身，否则构型翻转。如：COOHCOOHHCH3。180 。90HOHHOHCH3COOHHOH构型改变构型不变COOH(b)CH3(b)OH（与(b) 不同）CH3(b)COOHCOOHCOOHOH270。脱离纸面旋转180 。HHOHHOHHOOCCH3HO构型改变构型改变CH3(b)CH3与(b) 不同CH3(b)H（与(b) 不同） 将手性碳上的四个基团中的任意三个轮转

9、（顺时针或反时针），构型不变：OHCOOHCOOHHOOCH3CHHOH=H=CH3(S)CH3(S)OH(S)将手性碳上的四个基团中的任意两个对调，构型改变：HCOOHCH3COOHCH3HCOOHHOOCOHHOHHOH构型改变构型改变CH3(S)CH3(R)COOH(S)（三）构型和命名法（1）D/L构型标记法（2）R/S构型标记法（1）D/L构型标记法D/L标记法是以甘油醛的构型为标准来进行的。D/L构型是相对构型。CHOCHOHOHHOH标准：CH2OH(+)-甘油醛D-型CH2OH(-)-甘油醛L-型COOHCOOHCOOHCOOHHOHHOHH2NHH2NHCH2OHD甘油酸CH

10、3D乳酸CH3L丙氨酸CH2OHL丝氨酸构型与旋光方向是两个不同的概念，无必然联系。例如：CHOCOOHCOOHCOOHCOOHHgONaNO2+HBrHNO2Na-HgHOHHOHHOHHOHHOHCH2OHD-(+)- 甘油醛CH2OHCH3D-(-)- 乳酸CH2NH2CH2BrD/L标记法经典、方便，但它只能标出一个手性碳的构型。目前， D/L标记法主要用于糖和蛋白质的构型标记。左旋体、右旋体及外消旋体使平面偏振光向左旋的为左旋体，用“（）”或“ l”表示。使平面偏振光向右旋的为右旋体，用“（+）”或“d”表示。左旋体与右旋体，旋光度相同、旋光方向相反。外消旋体等量的左旋体与右旋体的混

11、合物，无旋光性。外消旋体用 （）、或（RS）、或（dl）、或 DL表示。外消旋体可分离(拆分)成左旋体与右旋体。( + ) CH3CHCOOH() CH3CHCOOH( + ) CH3CHCOOH OHOHOH（2）R/S 构型标记法R拉丁字Rectus（右）；S 拉丁字Sinister（左）。R/S 标记法是根据手性碳原子上所连的四个原子或原子团在空间的排列方式来标记的。R/S 构型是绝对构型。用R/S 标记构型的步骤为：按照大小次序规则（复习P40-41），确定大小次序；将最小的原子或原子团置于距观察者最远处；观察其余三个原子或原子团由大到小的排列方式。顺时针 R；逆时针 S。COOHCO

12、OHCC和例1：的构型标记。HOH CH3HOH3CH(b)(a)根据次序规则：OH COOH CH3 H观察观察COOHCOOHCCHOH CH3HOH3CH(b)COOH(a)COOHOHCH3OHCH3 为 顺时针方向R型为逆时针方向S型Br例2 ：观察BrClCOOHC 为 顺时针方向HCl COOHR型Cl观察例3 ：ClCH OHCH23CCH3CH2OHH为逆时针方向S型例4 ：观察OHOHCHOCH2OHCCHOCH2OHH 为 顺时针方向R型R/S标记法也可直接应用于Fischer投影式：COOHCOOHCHOCHOHOHHHOHHOHHOCH3R乳酸CH3S乳酸CH2OHR

13、甘油醛CH2OHS甘油醛OHCOOHCH3OHCHOCH2OHCH2OHCH2CH3CH3HOCOOHC6H5OHCHCH2CH3CH3COOHCH3HOHHOHHCH2OHC6H5SCHCH2SCH2CH3S河豚毒素（Tetrodotoxin）其毒性与C9的立体构型有关：C9为S构型（天然得到的化合物）是极毒的，C9为R构型 则毒性很小。试判断天然极毒的河豚毒素是（A）还是（B）?O-O-HOHOOOOHOHOOHH NH NHHO+HO+NH2NH2OHHONHOHHONH(A) (B)注意：R/S 标记法与 D/L 标记法的依据不同。R/S 法依据与C相连的四个原子或原子团的大小顺序；D

14、/L 法依据与 D-甘油醛的构型是否相同。（四）具有两个手性中心的对映异构（1）具有两个不同手性碳原子的对映异构（2）具有两个相同手性碳原子的对映异构（1）具有两个不同手性碳原子的对映异构2-羟基-3-氯丁二酸总共有四种旋光异构体：COOHCOOHCOOHCOOH（I）和（II）的等量混合物是外消旋体；（III）和（IV）的等量混合物也是外消旋体。HHHClHOHHOHClHOHHOHHClClCOOH( I ) (2R,3R)COOHCOOHI )COOH( IV)( I)(2R,3S)(2S,3R)(2S,3S)（I）与 （III）或（IV）、（II）与（III）或（IV）、（III）与（

15、I）或（II）、（IV）与（I） 或（II）分别构成非对映体。外消旋体等量对映体的混合物。非对映体不对映的立体异构体。对映体的物理性质相同，旋光度数相同，方向相反。在手性条件下，对映体的性质不同。非对映体的物理性质不相同，旋光度数和方向都有可能不同。对含有n个C的化合物：光学异构体数目 = 2n外消旋体数目 = 2n-1(n为不同手性碳的数目)例如：含3个C，最多有23 8个旋光异构体。含4个C，最多有24 16个旋光异构体。（如己醛糖）（2）具有两个相同手性碳原子的对映异构酒石酸分子中含有2个C，可能的异构体有：COOHCOOHCOOHCOOHHOHHHOHOHHOHHHOHHOHHOHHO

16、COOHCOOHCOOHI(2R,3S)COOHIV(2S,3R)I(2R,3R)I (2S,3S)（III）与（IV）是同一种分子内消旋酒石酸，其分子内有一对称面。（I）与（II）是对映体；（I）与（III）、（II）与（III）是非对映体；注意外消旋体与内消旋体都没有旋光性，但它们有本质的不同：外消旋体是等量左旋体和右旋体的混合物，可拆 分；内消旋体是分子内有对称面的单一化合物，不可拆分。 手性药物与生物活性对映异构体在手性条件下进行反应，其反应速率不同。生物体内的酶、各种底物具手性。对映异构体进入生物体内 手性环境后，引起不同分子识别，使其生理活性相差很大。例：抗妊娠反应的镇静药(R)-

17、酞胺哌啶酮 (“反应停”)OHRNNOO1）对映异构体具有不同的生物活性强度HCOOHH3CCH3O(S)-萘普森非麻醉性的消炎镇痛药：(S)-酮咯酸COOHNHO2) 对映异构体具有完全相反的生物活性。H利尿药：(S)-(-)-依托唑啉OCOOC H25NNOCH33) 对映异构体具有完全不同的药理作用(S)-治疗心脏病（心得安）*OCH2CHCH2NHCH(CH3)2(R)-避孕药4) 对映异构体的毒性或严重副作用减肥药：(S)-(+)-氟HCH3CH2NHCF3（五）不含手性中心化合物的对映异构（1） 丙二烯型化合物（2） 联苯型化合物（3） 碳环化合物的对映异构（1）丙二烯型化合物丙二烯分子中的两个键是相互垂直的：aaaaCCCCCCbbbb(动画)CH3HH3CHH3CHCH3H例1：CCCCCC无对称面无对称面对映体两个相互垂直的四元环也可构成手性轴!例2： 2,6-二甲基螺3,3庚烷的对映异构：CH3HCH3HCH3HCH3H（2）联苯型化合物COOH O2NHOOC NO2 COOHO2NHOOC NO2(动画) 判断一个分子是否有手性，须考察其是否有对称面和对称中心！（3）碳环化合物的对映异构例1： 2-羟甲基-1-环丙烷羧酸的立体异构HOH2CHOH2CHCH2OHCOOHHOOCCH2OHHHHHH(