ch8_立体化学_20081203.ppt

1、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。,作业 P176 1，4，6，7，8，9,同分异构： 化合物具有相同的

2、分子式，但其结构不同。,构造异构： 分子中原子或原子团相互连结的次序和方式不同,第一节 分子模型的平面表示方法,一 Fischer投影式,Note: 严格的Fischer投影式要求碳链据编号由小到大竖直排，横前竖后投影到平面上。,横前竖后,投影式相互转化规则： *投影式不可离开平面翻转。 *可在平面内旋转180度；不可在平面内旋转90度； *允许保持一个原子（团）不动，其余三个依次换位； *允许偶次交换同碳上的原子（团）。,二 锯架投影式,第二节 对映异构,又称旋光异构或光学异构。,从动物肌肉中提取出的乳酸和糖发酵所得的乳酸，具有相同的结构式CH3CH(OH) COOH。 但前者能使平面偏振光

3、向右旋转，叫右旋乳酸； 后者却能使平面偏振光向左旋转，叫左旋乳酸。,旋光性不同的异构体，对人和机体的生理效应和药理效应常常是不同的。,Thalidomide (反应停）,(R)-异构体：镇静剂，止吐剂，无致畸性 (S)-异构体： 强致畸性,Around 12,000 children were born with some kind of disability due to damage caused by thalidomide.,一 偏振光和旋光性,光电磁波，它的振动方向与其前进方向垂直(图a).普通光的光波可在垂直于它前进方向的任何可能的平面上振动(图b).,(a) 水等不旋光物质,(b

4、) 乳酸等旋光物质,A为盛液体 或溶液的管子,a,Nicol,右旋：面对光源顺时针旋转，以“+”或“d”表示 左旋：反时针旋转，以“”或“l”表示,旋光度(),在旋光仪中被测出的使偏振光旋转的角度,25,D,= + 90.01。,(C 1.15, C2H5OH),Na:= 5869A,Hg : = 5461A,o,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。,二 产生原因,1 手性碳原子和手性分子,任何物体都有它的镜像。一个有机分子在镜子内也会出现相应的镜像。,观察自己的双手，左手与右手有什么联系和区别？,手性：左、右手对映而不能重

5、合性质； 手性碳：sp3杂化的碳原子连有四个不同的原子（团）。,左手 镜 右手,若实物与其镜像能够完全重合，则实物与镜像所代表的两个分子为同一个分子。,所有基团都重合,2 手性分子的判断,（1）对称因素,对称面 对称中心 其它（对称轴、交替对称轴等）,对称面：假如有一个平面可以把分子切开成两部分，而一部分正好是另一部分的镜像，这个平面就是分子的对称面。 具有对称面的分子与其镜像能够重合，因而无手性。,分子的对称面,具有对称面的分子为非手性分子,Cl,F,F,H,H,H,H,Cl,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点等距离的直线两端有相同的原子或基团，则点P称为分子的对称

6、中心。,具有对称心的化合物和它的镜象能够重合，因此不具有手性.,P,（2）判据,*要判断一个分子是否具有手性，最可靠的方法是将这个分子本身以及它的镜像都作成模型，再来比较实物和镜像是否能完全重合。 *也可以从考察这个分子有无对称因素（symmetry of elements）入手。如果分子中没有对称面或对称心，则该分子是手性分子，存在对映异构体。 *现阶段找手性碳及有无对称面和对称中心。,判别手性分子的依据,S1= S2= i,CO2H CO2H CO2H CO2H HO H HOHHO H HOH H OH HOHHO H HOH CO2H CO2H CO2H CO2H（1） （2） （3）

7、（4）,判断下列化合物是否有手性,三 对映体和外消旋体,具有镜像与实物关系的一对旋光异构体。,（1）对映体,(S)-(+)-乳酸 (R)-(-)-乳酸 ()-乳酸 mp 53oC mp 53oC mp 18oC D=+3.82 D=-3.82 D=0 pKa=3.79(25oC) pKa=3.83(25oC) pKa=3.86(25oC),15,15,15,外消旋乳酸,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。,(2) 外消旋体 一对对映体的等量混合物。是一种特殊的混合物。常

8、用()或 dl 表示,（i）外消旋混合物 （ii）外消旋化合物 （iii）固体溶液,外消旋体的三种类型及熔点变化曲线,四 旋光异构体的构型表示方法,1、构型的D/L命名法：选择甘油醛作为标准，并人为地规定它的构型。,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,D-(+)-甘油醛,L-(-)-甘油醛,D-(-)-乳酸,H,O,规则：在严格的Fischer投影式中，C*上取代基处于右侧为D-构型；处于左侧为L-构型。,C,O,O,H,H,C,H,3,H2N,L-2-氨基丙酸,首先把手性碳上所连的四个原子或基团根据顺序规则排出大、中、小、

9、最小。 然后把最小的基放在方向盘的连杆上，其它三个基就在方向盘上。然后再观察这三个基的大、中、小走向，顺时针为R，反时针为S。,方法：次序规则排次序，方向盘上定构型。,abc顺时针: R构型,abc反时针：S构型,直接利用Fischer投影式命名：,R-(-)-乳酸,S-(+)-乳酸,S-2,3-二氯丙醇,R-2,3-二氯丙醇,最小基在横键上，纸面走向与实际走向相反。,最小基在竖键上，纸面走向与实际走向相同。,COOH,小横反，竖不变,D/L 法和 R/S 有什么联系吗？,D/L 法和 R/S 是两种不同的构型表示方法，二者间无直接逻辑联系，D和R以及L和S有时一致，有时不一致。,D-，R-

10、D-，S-,五 旋光异构体的数目和非对映体,一对对映体具有相同的熔点、沸点、密度；两者的比旋光度大小相等，方向相反；内能相同。 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。,熔点： 5353 比旋光度：-3.82 +3.82,当分子中有n个不相同C*，则有2n个旋光异构体。,含两个不同手性碳的化合物,（3）为具有手性中心的非手性分子，称为内消旋体。,对映体,对映体 ?,非对映异构体,(光学异构体数目2n),酒石酸,含有n个不相同手性碳原子的化合物： 旋光异构体的数目=2n； 对映体的成对数目=2n/2； 外消旋体数目=2n/2； n为不相同的手性碳原子数。 含有n个相同手性碳原子

11、的化合物： 数目少于2n。,第三节 消旋、拆分和不对称合成 p172,一 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。,H+,-H+,-H+,H+,-H2O,-H2O,H2O,H2O,60-70oC 4小时,（+）-肾上腺素（无药效）,（-）-肾上腺素（有药效）,H+,经形成正碳离子、负碳离子、自由基等中间体发生外消旋化,含手性碳的化合物，若手性碳上的氢在酸或碱的催化

12、作用下，易发生烯醇化，在烯醇化的过程中常会发生外消旋化。,D-(-)-乳酸,L-(+)-乳酸,经烯醇化发生外消旋化,二 差向异构化,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。,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,三 外消旋的拆分,将外消旋体拆分成左旋体和右旋体,1. 化学拆分法 形成和分离非对映体异构体的拆分法,(+)RCOOH + (-)-RNH2,成盐,分级结晶,HCl,HCl,(+)-RCOO-(-)-RNH2,(-)-RCOO-(-)-RNH2

13、,(+)-RCOOH + (-)-RNH3 Cl -,(-)-RCOOH + (-)-RNH3 Cl -,+,+,-,拆分试剂的条件,（1）拆分剂与被拆分剂之间易反应合成, 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）拆分剂 应当尽可能地达到旋光纯度。 （4）拆分剂必须是廉价的，易制备的， 或易定量回收的。,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. 接种结晶拆分法,3.微生

14、物或酶作用下的拆分 4.色谱分离法 选择光活性物质作柱色谱的吸附剂 5. 机械分离法,四 不对称合成,不对称合成,对称的反应（选向率为0）,不对称的反应,立体选向性反应0选向率100%,立体专一性反应选向率100%,通过反应把分子中的一个对称的结构单元转化为不对称的结构单元，称之为不对称合成。,（1）光学纯度百分率（%O.P）,反应物1+反应物2,产物1(R)+产物2(S),若(R) (S),若 (R) (S),关于不对称合成的几个基本概念,若产物是一对对映体，当R构型的产物大于S构型 的产物时，%ee 为,（2）对映体过量百分率(%ee); 简称ee值,（3）立体选向百分率（简称选向率）,如

15、果产物 A 和 B 是非对映异构体， 当 A B 时，立体选向百分率 为,反应物 +试剂,*1.手性反应物 *2.手性试剂 *3.手性溶剂 *4.手性催化剂 *5.在反应物中引入手性,产物,催化剂,溶剂,不对称合成常采用的方法,（少）,（多）,反应物有一个手性中心,产物有二个手性中心，非对映体。,大量的实验事实证明： 一个非手性分子在反应过程中产生一个手性 中心时，产物为外消旋体；但一个手性分子 在反应过程中产生第二个手性中心时，将会 产生二个不等量的非对映体。,不对称催化：,手性催化剂：手性配体中心金属 手性有机催化剂,第四节 环状化合物的立体异构 p174,含手性碳原子的单环化合物 判别单

16、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）,有旋光,无旋光（对称面）,有旋光,无旋光(对称面),无旋光（对称面）,(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。,取代环己烷旋光性的情况分析,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。

17、 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。,第五节 不含手性碳化合物的立体异构 p175,1. 有手性中心的旋光异构体,除了碳原子外，其他许多原子如S、P、N、As、B、Pt 等与不同基团相连, 也能形成手性中心，因而能够拆分为光活性的异构体。已得到下列对映异构体。,未拆分出光活异构体 （未分电子对起不到一个键的作用。）,（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 = 81.4o ( 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