《理学对映异构》PPT课件.ppt

有机化学,Organic Chemistry,旋光异构,第五章 旋光异构 5-1 历史的回顾 5-2 光学异构现象 5-2-1 旋光性与比旋光度 5-2-2 分子的手性与对称性 一、旋光性产生的原因 二、对称因素 三、手性因素 5-2-3 旋光异构的构型标记 一、构型的表示法 二、构型的标记法,三、含多个手性碳原子的构造异构 1、含两个不同手性碳原子化合物的对映异构 2、含两个相同手性碳原子化合物的对映异构 5-2-4 环状化合物的对映异构 一、三元环 二、四元环 三、六元环 5-3 旋光异构体的性质及手性合成 5-3-1 物理性质 5-3-2 化学性质 5-3-3 手性合成,【本章重点】,旋光异构,【必须掌握的内容】,1. 分子的手性、手性碳原子、对称因素、对映体、非对映体、外消旋体和内消旋体。,2. Fischer投影式的书写方法及注意事项。,3. 构型的标记方法（D/L法和R/S法）。,4. 含一个、两个手性碳原子的光学异构。,51 历史的回顾,1797年 法国化学家Proust（普卢斯特）提出定比定 律之后，人们便认为具有相同组成的化合物，便具有相同 的性质，这一错误观点直到18221826年间才被新的发现 所否定。这就是：,Whler（魏勒 德国化学家） Liebig（李比希 德国化 学家）分别证实了异氰酸（HNCO）和雷酸（HONC）；异氰 酸银（AgNCO）和雷酸银（AgONC）。,1828年 Whler试图使氯化铵溶液与氰酸银反应来制 备氰酸铵，但得到的确却是组成相同，性质不同的尿素。,1848年 Pasteur（巴斯德 法国化学家）在显微镜下用 镊子将外消旋酒石酸拆分成右旋和左旋酒石酸。,1861年 Butlerov（布特列洛夫 俄国化学家）在德国 自然科学代表大会上作了论物质化学结构的,报告从而建立了化学结构学说，说明了产生同分异构现象的原因是化学结构的不同。,1874年 Vant Hoff（范特霍夫 荷兰化学家）和Le Bel（法国化学工艺师）独立地提出了“碳原子正四面体假 说”，创立了立体化学的基础。,1931年 Puling（鲍林 美国化学家）和Slater提出了 杂化轨道理论，解决了价键的方向性问题。,岁月流逝，经无数科学家坚苦卓绝的奋斗，揭开了化 合物同分异构的“神秘面纱”。,同分异构的类型：,实验事实：,同为乳酸，为什么会具有不同的光学性质呢？,光学现象,5-2 旋光异构现象,5-2-1 旋光性,一、旋光性产生的原因,光是一种电磁波，光波的振动方向与光的前进方向垂直。,如果让光通过一个象栅栏一样的 Nicol 棱镜 (起偏镜) 就不是所有方向的光都能通过，而只有与棱镜晶轴方向 平行的光才能通过。这样，透过棱晶的光就只能在一个 方向上振动，象这种只在一个平面上振动的光，称为平 面偏振光，简称偏振光或偏光。,如果在两个棱镜之间放一个盛液管，里面装入两种 不同的物质：,那么，偏振光能否透过第二个Nicol 棱镜 (检偏镜) 取 决于两个棱镜的晶轴是否平行，平行则可透过；否则不 能通过。,结论： 物质有两类：,（1）旋光性物质能使偏振光振动面旋转的性质， 叫做旋光性；具有旋光性的物质，叫做旋光性物质。,（2）非旋光性物质不具有旋光性的物质，叫做 非旋光性物质。,旋光性物质使偏振光旋转的角度，称为旋光度，以 “”表示。,但旋光度“”是一个常量，它受温度、光源、浓度、管长等许多因素的影响，为了便于比较，就要使其成为一个常量，故用比旋光度来表示：,式中： 为旋光仪测得试样的旋光度；,为试样的质量浓度，单位 g . mL ; 若试样为纯液体则为密度.,l 为盛液管的长度，单位 dm 。,t 测样时的温度。,为旋光仪使用的光源的波长（通常用钠光，以D表示。,5-2-2 分子的手性与对称性,一、旋光性产生原因,分析有旋光性的乳酸和没有旋光性的丙酸在结构上的 差别：,初步结论：,乳酸所以具有旋光性，可能是因为分子中有一个*C原 子（不对称碳原子或手性碳）。,为什么有*C原子就可能具有旋光性？这是因为：,(1)一个*C就有两种不同的构型：,(2)二者的关系：互为镜象（实物与镜象关系，或者 说左、右手关系）。二者无论如何也不能完全重叠。,与镜象不能重叠的分子，称为手性分子。,分子的构造相同，但构型不同，形成实物与镜象的两种分子，称为对映异构体（简称：对映体）。,对映体：成对存在，旋光能力相同，但旋光方向相反。二者能量相同（分子中任何两原子的距离相同）。,外消旋体：等量对映体的混合物。,二、手性与对称因素：,1、手性分子,不能与其镜象重叠的分子，称为手性分子,非手性分子,与其镜象重叠的分子，称为非手性分子,1） 对称面,2、对称因素,3. 对称轴,以设想直线为轴旋转360。/ n，得到与原分子相同的分子，该直线称为n重对称轴（又称n阶对称轴）。,2）对称中心,4. 交替对称轴（旋转反映轴）,分子中有一条直线，当分子以此直线为轴旋转360/n后，再用一个与此直线垂直的平面作为镜面，若得到的镜像与原来的化合物相同，则该直线就是交替对称轴。,既无对称面也没有对称中心的，一般可判定为是手性分子。,故：分子的手性是对映体存在的必要和充分条件。,结论：,A.有对称面、对称中心、交替对称轴的分子均可与 其镜象重叠，是非手性分子；反之，为手性分子。,至于对称轴并不能作为分子是否具有手性的判据。,B.大多数非手性分子都有对称轴或对称中心，只有 交替对称轴而无对称面或对称中心的化合物是少数。,三、手性因素,1、手性中心（chiral center） ：分子中的不对称中心。,手性原子（Chiral atom）：凡是连有4个不同原子 或基团的原子,常见手性原子：C 、Si、N、P、S、As,ABDE,*,*,ABD,*,*,含有一个手性碳原子（Chiral carbot atom）的化合物只有一对对映体。,例如：,对映体,（1） 丙二烯型化合物,含手性轴及手性面化合物的对映异构,2、手性轴,（2）联苯型化合物,某些原子或基团的半径如下：,3、手性面,四、对称性、手性和手性分子的关系,1、具有对称面、对称中心或交替对称轴的分子，都是非手 性分子。,2、具有手性中心（或手性原子）的化合物：,内消旋体,（2）有多个手性中心的分子，不一定的手性分子，若具有对称性则为非手性分子（内消旋），若无对称性则为手性分子，有对映异构。,（1）只有一个手性中心的分子是手性分子，有一对对映体,对映异构体间关系,D-葡萄糖,L-葡萄糖,D-甘露糖,D-半乳糖,对映体,非对映体,差向异构体间：含有多个手性碳原子的立体异构中，若仅 一个手性碳的构型不同，其它手性碳的构型完全相同，则 互称为差向异构体。,5-2-3 旋光异构体构型标记,一、构型的表示法：,1. 透视式（三维结构）：,2.Fischer 投影式：,碳链竖写，氧化态较高的基团写在顶端；,水平线与垂直线交叉点代表C*；,原则：横前竖后,使用Fischer 投影式的注意事项：,(1)可以沿纸面旋转，但不能离开纸面翻转。,(2) 可以旋转180。，但不能旋转90。或270。,二、构型标记法：,1. D / L标记法,D-(+)-甘油醛 L-(-)-甘油醛,*D、L与 “+、-” 没有必然的联系,2. R / S标记法,A. 三维结构：,B. Fischer 投影式：,结论：当最小基团处于横键位置时，其余三个基团从 大到小的顺序若为逆时针，其构型为R；反之，构型为S。,结论：当最小基团处于竖键位置时，其余三个基团从 大到小的顺序若为顺时针，其构型为R；反之，构型为S。,含多个手性碳原子化合物的对映异构,1.含两个不同手性碳原子化合物的对映异构,结论： 异构体数目 2n = 22 = 4 （n：手性碳原子数目）,对映体数目 2n 1 = 2（2 1）= 2（对）,2. 含两个相同手性碳原子化合物的对映异构,结论：异构体数目,旋光异构体的数目 = 2 n - 1,n为偶数： 内消旋体的数目 = 2 n / 2 - 1,立体异构体总数 = 2 n 1 + 2 n / 2 1,立体异构体总数 = 2 n 1,n为奇数：,内消旋体的数目 = 2 ( n 1 ) / 2,外消旋体与内消旋体：,外消旋体：是混合物，可拆分出一对对映体。 内消旋体：是化合物，不能拆分。,外消旋体与内消旋体的共同之处是：二者均无旋光性，但本质不同。,结论：多手性原子化合物中，异构体数目 2n,对映体对数2n-1。（n：手性原子数目）,三、 对映异构与构象关系,1、各个对映异构体有其自已的构象异构体。,内消旋体,多手性因素的对映异构体,内消旋体,2、Fischer投影式与Newman投影式的交换,5-2-4 环状化合物的对映异构,一、三元环,1. A、A型二取代：有三个异构体。,2.A、B型二取代：有 2 2 = 4 个异构体，两对对映体。,练习：,试写出三元环A、A、A型；A、A、B型；A、B、 C型三取代化合物的立体异构体。,思考：若为A、B型取代？,二、四元环,三、六元环,1、1、2取代,e、a取代（顺式）,结论：不论是AA还是AB均有对映异构，且是不能拆分的外消旋体。,e、e取代（反式）,结果：不论是AA还是AB均有对映异构,2、1、3取代,e、a取代（反式）,结论：不论是AA还是AB均有对映异构,e、e取代（反式）,AA取代,AB取代,结论：AA取代是内消旋体，AB为对映体,3、1、4取代,结论：不论是AA还是AB取代，均为非手性分子，无对映体,e、a取代（顺式）,e、e取代（反式）,多个不同手性碳存在于环分子中，立体异构体数目 2n,5-3 对映异构体的性质及手性合成,5-3-1 物理性质,5-3-2 化学性质,一、非手性条件下,对映体的化学性质相同 (产物、速率等)。,二、手性条件下，对映体的反应速率等性质有差异。,S- -甲基多巴胺,(1R,2S)- -甲基去甲肾上腺素,三、生物作用,手性分子的立体结构与受体的立体结构(受体靶位)有互 补关系时，其活性部位才能进入受体的靶位，产生应有的 生理作用。而一对对映体只有其中一个适合进入一个特定 受体靶位，产生生理效应。,例如：,(+)-多巴（无生理效应）,(-)-多巴（抗帕金森病）,手性分子与手性生物受体之间的相互作用,四、外消旋体拆分,1、机械拆分法:利用对映体结晶形态上差异分离,4、诱导结晶拆分法:在外消旋体的饱和溶液中,加入一定量的一种旋光体的纯晶体为晶种,诱导相同旋光方向的晶体大量析出.,3、选择吸附拆分法:利用具有选择吸附对映体的旋光性物质 作为吸附剂,选择吸附其中之一对映体.,2、微生物拆分法:利用微生物或酶对对映体选择的分解作用,5、化学拆分法:,原则:设法将一对对映体转成一对非对映体,分离,再转回 原来对映体.,拆分剂:光学纯度为100%的单一光学活性物质。人工合成或 天然产物经酶催化的生物合成制剂。,拆分碱时一般用旋光性酸，(+)-酒石酸、(-)-二乙酰酒石酸、(-)-二苯甲酰酒石酸、(+)-樟脑酸、(-)-苹果酸等。,拆分酸时一般用旋光性碱，主要为生物碱。例： -苯基乙胺、(-)-番木鳖碱、(-)-马钱子碱、(-)-咖啡碱、(-)-喹啉碱、(-)-麻黄碱等。,5-3-3 手性合成,1、非手性分子转化成手性分子,正丁烷 2-氯丁烷,（非手性分子） （手性分子）,机理：,一、手性中心的产生,前手性氢：Hpro-R Hpro-S,仲丁基自由基 （平面结构）,Cl2从碳自由基平面两侧进攻机率均等，生成等量对映体的混合物（外消旋体），不显旋光性。,2、不对称合成,S-2-氯丁烷 2S,3S-2,3-二氯丁烷 2S,3R,-2,3-二氯丁烷,29% 71%,例1,左旋性混合物,例2,二、对映异构体与非手性试剂及手性试剂的反应,1、与非手性试剂反应（活化能相当，速度相同）,2、与手性试剂反应（活化能不同，速度不同）,三、手性分子在反应中的立体化学,1、不断裂与手性碳相连的键的反应,（1）不产生新的手性碳：产物与反应物构型相同，光学纯度相同（构型不是符号）,2、产生新的手性碳：产物是不等量的非对映异构体。,S-2-氯