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1、第八章 立体化学,第八章 立体化学 学习要求： 1掌握偏振光、旋光性、比旋光度。 2掌握手性、对映性、非对映性，内消旋体、外消旋体和不对称性等概念。 3掌握fischer投影的规则，和使用该投影式的规定，以及fischer投影式和Newman式，楔形式的转换。 4掌握含有一个和二个手性碳原子的手性分子的R/S标定法。 5理解对称元素和对称操作，识别指定结构的对称元素。 6理解对映异构体理化性质差异及外消旋体的化学拆分原理。 7了解构型的D、L标记法及手性在自然界的意义。 8了解手性合成、环状化合物的立体异构。 9能运用立体化学知识解释烯烃亲电加成反应历程。,立体化学是研究化合物分子在三维空间的

2、立体形象与其物理性质，反应性能以及生理活性之间的关系的科学。,立体化学起源于1848年， 28岁的法国年青化学家巴斯德(Pasteur)将外消旋的酒石酸铵钠的结晶，分离成左旋体和右旋体，从而发现了对映异构现象。立体化学是在研究天然产物的立体结构与生理活性的基础上而发展起来的。立体化学已成为化学学科的一个重要分支，研究分子的立体结构与性能之间的关系已成为化学的一项重要内容。,讨论分子的立体形象及与物理性 质的关系等。,讨论分子的立体形象对化学反应 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。,原子在分子内的空间位置；,在反应中, 分子内或分子间的原子重新组合, 在空间上的 要求条件和变

3、化过程如何，及由此如何决定产物分子中各 原子的空间向位。,手性：实物与其镜影不能重叠的性质就叫手性。 源于人的左右手，相似而不相同。,手性分子：与其镜像不能重迭的化合物分子。 对映异构体：互为镜像的两种分子异构体。,凡是手性分子就一定具有对映异构体, 在绝大多数情况下手性分子具有旋光性。,8.1. 分子的手性和对称因素,1. 手性(Chirality),为什么要研究对映异构呢？ 因为： 1天然有机化合物大多有旋光现象。 2物质的旋光性与药物的疗效有关（如左旋维生素C可治抗坏血病，而右旋的不行）。 3用于研究有机反应机理。 对映异构体的性质: 手性条件下，溶解度，反应速度不同，生理活性 （药性）

4、不同； 其它物性、非手性条件下的化学性质一般相同； 对映体可在手性条件下（手性试剂、手性催化剂等） 拆分。,d- 异构体 有强兴奋作用 l- 异构体 抗兴奋作用,D-(-) 有杀菌作用 L-(+) 无药效,Z-R（有生理活性）,2. 对称因素,1) 平面对称因素(),具有平面对称因素的分子是对称分子。非手性分子。,2) 中心对称因素 (i),具有中心对称因素 的分子是对称分子。 非手性分子。,3) 旋转轴对称因素 (Cn) （360/n，n=正整数）,没有对称面或对称中心，只含旋转轴对称因素的分子是手性分子。 对称轴不能作为判断分子是否具有手性的依据。,手性,含对称面,含对称中心,4) 反射轴

5、对称因素(Sn),具有反射轴对称因素的分子是对称分子。非手性分子。,交替对称轴(或旋转反射轴),结论：凡具有对称面、对称中心或交替对称轴的分子都能与其镜像叠合，都是非手性分子。, 一般情况下, 不具有对称面和对称中心的分子, 其实物 与镜影不能重叠, 该分子称为不对称分子或手性分子 。 没有对称面或对称中心，只有4重交替对称轴的非手性分子很少（见P161图8-8）。, 手性分子具有光学活性。,8.2 旋光性和比旋光度,1. 平面偏振光,光波振动方向与光束前进方向关系示意图,普通光,光具有波动性和粒子性，普通光可在垂直于它传播方向上的任何可能的平面上发生振动.,通过尼克尔棱晶后得到的只在一个平面

6、上振动的光叫平面偏振光简称偏光,Nicol棱晶好象一个栅栏，只允许与棱晶晶轴相平行的平面内振动的光通过，而在其它平面内振动的光线则被阻挡。,2. 旋光仪、旋光度、比旋光度,平面偏振光,通过Nicol棱镜, 仅在一 个平面上振动的光。,旋光性：使偏振光偏振面旋转的能力。,旋光度：使偏振光偏振面旋转的角度。用表示。 旋光方向：右旋（+）、d- ; 左旋（-）、l-,如何确定一个活性物质是+60o的右旋体还是-300o的左旋体？,3. 比旋光度,旋光度()不是物质的特征常数，它受光源波长() 、温度(t) 、溶液浓度(c) 和盛液管长度（L）的影响，也就是说同一物质在不同的条件下测得的旋光度不同。,

7、将可变因素固定后测得的旋光度才是物质的特征常数，叫比旋光度。,t =,(物理常数),比旋光度,D20= +3.8o(水) D20= -3.8o(水),例:从粥样硬化动脉中分离出来的胆甾醇0.5g溶解于20ml 氯仿, 并放入1dm的测量管中, 测得旋光度-0.76o. 求其比 旋光度。,(-30.4o),t =,对映异构现象的发现 早在十九世纪就发现许多天然的有机化合物如樟脑、酒石酸等晶体有旋光性，而且即使溶解成溶液仍具有旋光性，这说明它们的旋光性不仅与晶体有关，而且与分子结构有关。 1848年巴斯德L.Pasteur (1822-1895)在研究酒石酸钠铵的晶体时，发现无旋光性的酒石酸钠铵是

8、两种互为镜象不同的晶体的混合物。他用一只放大镜和一把镊子，细心地、辛苦地、把混合物分成两小堆：一小堆是右旋的晶体，另一小堆是左旋的晶体，很象是在柜台上分开乱堆在一起的右手套和左手套一样。虽然原先的混合物是没有旋光性的，现在各堆晶体溶于水以后都是有旋光性的！还有，两个溶液的比旋光度完全相等，但旋光方向相反。就是说，一个溶液使平面偏振光向右旋转，而另一个溶液以相同的度数使平面偏振光向左旋转。这两个物质的其他性质都是相同的。,由于旋光度的差异是在溶液中观察到的，Pasteur推断这不是晶体的特性而是分子的特性。他提出，构成晶体的分子是互为镜象的，正像这两种晶体本身一样。他提议，存在着这样的异构体，即

9、其结构的不同仅仅是在于互为镜象，性质的不同也仅仅是在于旋转偏振光的方向不同。他指出，对映异构现象是由于分子中的原子在空间的不同排列所引起的。Pasteur的这些观点，为对映异构现象的研究奠定了理论基础。,1848年法国巴黎师范大学化学家、微生物学家 Pasteur(18221895）在研究酒石酸铵钠晶体 时发现有两种不同的晶体：,化学给人以知识, 化学史给人以智慧。 付鹰,8.3 含一个手性碳原子的分子的立体化学,1) 手性碳原子的概念,与四个不相同的原子或基团相连的碳原子。,含一个手性碳的分子是手性分子，具有一对对映体。,D20= +3.8o(水) D20= -3.8o(水),对 映 体,互

10、为实物与镜 影关系, 不能 相互重叠的两 个立体异构体,2) 左旋体、右旋体及外消旋体,一对对映体中：,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。,右旋体 左旋体 外消旋体,(S)-(+)-乳酸 (R)-(-)-乳酸 ()-乳酸 mp 53oC mp 53oC mp 18oC D=+3.82 D=-3.82 D=0 pKa=3.

11、79(25oC) pKa=3.83(25oC) pKa=3.86(25oC),15,15,15,一对对映异构体: 它们使平面偏振光旋转的角度相同，方向相反。除了旋光方向外, 其它物理性质都相同；除了在手性条件下外,通常条件下的化学性质都相同。,纽曼投影式,锲形式,Fischer投影式,8.4 构型的表示法，构型的确定和构型的标记,Fischer投影式由碳水化合物之父E.Fischer在研究碳水化合物时创立的.,1. Fischer投影式,规定 投影时, 与手性碳相连横向两个键朝前, 竖向两个 键向后, 交叉点为手性碳.,辅助规定： 1. 碳链写在竖键上，其它的原子或基团在横键上。 2. 编号小

12、的碳原子写在竖键上端。,右旋乳酸的Fischer投影式,2. 相对构型与绝对构型,标定化合物的构型可以有效地区别立体异构, 尤其是对映异构体.,1906年美国纽约州立大学的M.A.Rosanoff提议:,将右旋甘油醛的OH写在Fischer投影式的右边，定为D-构型；将左旋甘油醛的OH写在Fischer投影式的左边，定为L-构型。其它的化合物与甘油醛相联系或相比较来确定自己的构型.,（1）相对构型（D-L标记法）,在1951年以前人们还无法测定化合物分子的真实构型，为了区别一对对映异构体.只好人为地指定一个标准，用人为指定的标准来确定的化合物的构型的方法就叫相对构型。,相联系:,相比较:,反应

13、过程中与C直接相连的的键不发生断裂的反应，以保证C的构型不发生改变。见P166,（2）绝对构型（R-S标记法）,当化合物分子的空间构型可以测定后，利用次序规则给C*标定构型（次序规则1956年由Cahn-Ingold-Prelog提出，1970年IUPAC接受了这一建议) ，因为它反映的是分子中的原子或基团在空间的真实排列状况，所以叫绝对构型。,3. 构型的 R-S 表示方法,手性碳的构型与手性碳相连的四个不同基团的空间排列顺序有关。,（S）- （R）- （R）-, 顺序最小的原子(或基团)在竖线上, 顺时针排列为R构型， 逆时针排列为S构型。 顺序最小的原子(或基团)在横线上, 顺时针排列为

14、S构型， 逆时针排列为R构型。, 如果固定某一个基团, 而依次改变另三个基团的位置, 则分子构型不变。,（S）- （S）- （S）- （S）-,试判断下列Fischer投影式中与(s)-2-甲基丁酸成对映 关系的有哪几个？, 将投影式在纸平面上旋转90o, 则成它的对映体。,（R）- （S ）-,将投影式中与手性碳相连的任意两个基团对调, 对调一次(或奇数次)则转变成它的对映体; 对调二次则为原化合物。 投影式不能离开纸面翻转。,将下列化合物改写成 Fischer 投影式, 并标出手性碳构型。,8.5 含多个手性碳原子的分子,1) 含两个不同手性碳原子的分子, ,对映关系： 与； 与 非对映关

15、系： 与、与、与、与,非对映体: 构造相同, 构型不同, 相互间不是实物与镜影 关系的立体异构体。,非对映异构体其旋光性不同, 物理、化学性质都不同。,光活异构体数目 2n ; (n=不同手性碳原子数) 外消旋体数目= 2n-1,2) 含两个相同手性碳原子的分子, ,（见P169表8-1）,(S),(S),(R),(R),对映体,内消旋体,内消旋体(meso)：分子内部形成对映两半的化合物(有平面对称因数)，为非手性分子 具有两个手性中心的内消旋结构一定是 (RS) 构型 内消旋体无旋光性 (两个相同取代、构型相反的手性碳原子, 处于同一分子中, 旋光性抵消) 内消旋体不能分离(不能拆分)成光

16、活性化合物,试指出下列(A)与(B)、(A)与(C)的关系(即对映体或非对映体关系)。,A与C为对映体； A，C与B为非对映体；B为内消旋体。,（S）,（S）,(R),(R),(R),（S）,含一个手性碳原子的分子必有手性，但是含有多个手性碳原子的分子不一定都有手性。,(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 -12.0 139 2.98 4.23 ()-

17、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,3）含三个手性碳原子的分子,八个旋光异构体、四对对映体。例如，其中一对非对映异构体：,C-2差向异构体,差向异构体: 含多个手性碳的两个光活异构体, 仅有一个 手性碳原子的构型相反, 其余的手性碳构型相同，这两个光活异构体称为差向异构体。,C-2差向异构：由C-2引起的差向异构。,2R3S4S 2S3S4S,（238, n=3）,*8.6 外消旋体的拆分 P172,1. 化学分离法,将对映体与旋光性的物质作用而转变成非对映体，利用其物理性质的不同，然后

18、用一般的方法分离。,a. 酸或碱的外消旋体的拆分,b.既非酸又非碱的外消旋体的拆分 分子中引入酸性基团，然后按拆分酸的方法进行拆分。或选用适当的旋光性物质与外消旋体形成非对映的分子复合物进行拆分。（P173）,2. 生物分离法,微生物或外消旋体作用时，具有极强的选择性，只消耗外消旋体中的一种组分，而将另一种保留。例:,1858年. Pastuer用外消旋的酒石酸培养青霉素，右旋体被消耗掉了，剩下了左旋体。近年来一些抗生素药物就是用该法进行生产。,消旋化的动态拆分,拆分的理论收率 50%,3. 晶种法,4. 色谱分离法(选择性吸附),1) 柱色谱法 2) 配位竞争法 3) 纸色谱法 4) 气相色

19、谱法,5. 机械分离法 利用外消旋体中对映体的结晶形态的不同，借肉眼或放大镜辨认，而把两种晶体挑拣分开。要求结晶大小适宜，结晶形态有明显的不对称性，易于辨认。,*8.7 手性分子的形成(手性合成、不对称合成),1. 非手性条件下生成外消旋体。,为什么总得外消旋体,一个分子在对称环境下反应, 不可能有选择性。（左旋体与右旋体过渡态能量相同、反应活化能相同，反应速率相同) 。非手性分子合成手性分子时，产物是外消旋体。,手性分子的形成在于反应过程具有不对称性,2. 手性分子与手性中心的形成,1) 反应底物具有手性,手性底物中间体,结果：产物为不等量的对映体，且内消旋体meso-占优势。,构象分析 中

20、间体自由基(构象能),2). 引入手性基团,反应物分子的构象决定了某一试剂进攻的方向。,(R)-(-)-乳酸,直接还原得外消旋的-羟基丙酸,3). 引入手性催化剂,手性配体：(R)-BINAP,非手性分子,4). 选择性生物催化,（条件温和、高效、立体专一）,3. 立体选择性反应与立体专一性反应,*8.8 不含手性碳原子的光活性异构体,1. 丙二烯型分子,中心碳原子sp杂化, 两个 键 平面正交, 两端碳原子上四个 基团, 两两处于互为垂直的平 面上。,当AB ，分子有手性。,类似物：,（有手性 AB）,（无手性 A=B）,2. 联苯型分子,苯环间碳碳键旋转受阻，产生位阻构象异构。,当同一环上

21、邻位有不对称取代时(取代基或原子体积较大) 整个分子无对称面、无对称中心, 分子有手性。,基团的阻转能力大致如下： IBrCH3ClNO2COOHNH2OCH3OHFH,由于位阻太大引起的旋光异构体称为位阻异构体。,两个平面互相垂直,当一个苯环对称取代时（即邻位两个取代基相同时）， 分子无手性。,联萘衍生物：2,2-联萘二酚是手性分子。,3. 螺旋型分子,(-)-六螺駢苯 手性分子,末端两苯环不在同平面上。,两个平面互相垂直有对称面,蒄（无手性）,（有手性）,-猜猜看-,1. 内消旋 2, 3-二甲基-1, 4-丁二醇经氧化后得 到 2, 3-二甲基-4-羟基丁酸，问产物有没有 旋光性？,2. 胆甾醇分子中有多少个不对称碳原子？,4. 含其