李艳梅有机化学

1、 Nicol Plane-polarized light 平面偏振光（偏振光） Nicol Light source Non-chiral compounds, like water 该化合物“无旋光性” “无光学活性” Nicol Light source Chiral compounds, like lactic acid 该化合物具有“旋光性” 为“旋光物质”或“光活性物质” 偏转角 旋光度 物质的旋光性：物质使偏振光振动平 面发生旋转的性质 Specific rotation 比旋光度 = 100/(cl) D25 = 100/(cl) D: the D line of a sodiu

2、m lamp (=589.6nm) ：旋光度 c： 样品的浓度（100mL溶液中样品的克数） l： 盛液管的长度（单位：cm） 5.1.2 Asymmetric carbon atom In the 19th century, several asymmetric crystals were discovered. Also, the solutions obtained from the asymmetric crystals were asymmetric. Louis Pasteur COOH COOH HO HO COOH COOH HO HO 什么样的化合物具有旋光性？ Chiral

3、ity 手性手性 晶体结构中缺少某种对晶体结构中缺少某种对 称因素，导致实物与镜称因素，导致实物与镜 像互不重合像互不重合 从而推测具有手性的分子，其结构中也因缺少某种对称因素，导致实从而推测具有手性的分子，其结构中也因缺少某种对称因素，导致实 物与镜像互不重合物与镜像互不重合 1874 Newzealand Vant Hoff The carbon atom linking four different groups or atoms is called an “asymmetric carbon”. Asymmetric carbon 不对称碳原子：与四个互不相同不对称碳原子：与四个互不相

4、同 的一价基团相连接的碳原子。的一价基团相连接的碳原子。 加加“ * ”表示表示 If an symmetric carbon can be substituted and becomes asymmetric, it is called a “prochiral carbon”. Prochiral carbon Any molecule with such a carbon molecule, which is linked to four different groups or atoms, shows some chirality. Stereocenter Vant Hoff 认为含

5、有不对称碳的分子具有旋光性。认为含有不对称碳的分子具有旋光性。 优点：使用方便优点：使用方便 缺点：很多例外缺点：很多例外 有些分子中存在不对称碳，但却无手性：有些分子中存在不对称碳，但却无手性： 有些分子中没有不对称碳，但却有手性：有些分子中没有不对称碳，但却有手性： P a b c P a b c A B B A HH H3CCH3 ClCl HH H3CCH3 ClCl 5.1.3 Symmetric element How to judge chirality of a molecule lA molecule is not tally with its enantiomorphism

6、. lBut molecules with two asymmetric carbons may be symmetric. l A molecule without asymmetric carbon may be chiral. lIf a molecule lacks some specialized symmetric element, the molecule shows chirality. 结构中缺少某种对称因素是该分子具结构中缺少某种对称因素是该分子具 有旋光性的原因。有旋光性的原因。 C2C3 C3 分子中的对称因素： C2 C3 HH HH H H H H HH HH H

7、H H H C 8 C H H H H Four planes of symmetric in the molecule ：假如有一个平面可以将分子分割成两部分，而其中一部分正：假如有一个平面可以将分子分割成两部分，而其中一部分正 好是另一部分的镜象，这个平面就是分子的对称面。好是另一部分的镜象，这个平面就是分子的对称面。 Br Br H H HCl symmetric plane: the paper plane an infinitude of symmetric planes Cl HCl H Cl Cl i：若分子中有一点：若分子中有一点i，通过，通过i点画直线，如果在离点画直线，如果

8、在离i等距离的直线等距离的直线 两端有相同的原子或原子团，则点两端有相同的原子或原子团，则点i称为分子的对称中心。称为分子的对称中心。 has symmetric plane has no symmetric centre has no symmetric plane has no symmetric centre no chirality no optical activity chirality does not mach its enantiomorphous form optical activity 如果一个分子既没有对称面，又没有对称中心，那么该分子如果一个分子既没有对称面，又没有

9、对称中心，那么该分子 具有手性。具有手性。 有对称面 无手性 既无对称面，又无对称中心 有手性 5.2.1 R/S system and Fischer projection formulas 5.2.2 Enantiomer 5.2.3 Racemate 5.2.1 R/S system and Fischer projection formulas 1, D/L system H H3C HO HOOC H CH3 OH COOH H H3C HO OHC H CH3 OH CHO Defined as L configuration Defined as D configuration

10、以“乳酸为基准，衍生化的方 法 n采用衍生化方法而推出 n与旋光性无关 n衍生过程中可能会产生歧义 n目前主要应用于氨基酸、糖等分子中 a d c b 2, R/S system lowest priority Highest priority Third priority Second priority R(rectus) a d b c S(sinister) 基团大小？基团大小？ 顺序规则！顺序规则！ 特点：特点：R/S与构型一一对应，不必找基准与构型一一对应，不必找基准 物进行衍生物进行衍生 顺时针逆时针 观察方向观察方向 观察方向观察方向 H H3C HO OHC H CH3 OH

11、CHO L-D- S-R- Try to decide the R/S configuration in these molecules. ? 3, Fischer projection formula 画法：画法： COOH H CH3 OH H COOH OH CH3 H H3C HO HOOC H CH3 OH COOH HO CH3 H COOH H CH3 OH COOH HO CH3 H COOH H CH3 OH COOH 指向纸内指向纸内 指向纸外指向纸外 H HOOC Cl Br H COOH OH Br Cl COOH H Br H COOH OH Br Cl COOH H

12、 Br H COOH OH Br 利用利用Fischer投影式判断投影式判断R/S构型：构型： HOOC H Br OH 1 2 3 4最小的基团远离观察者，最小的基团远离观察者， 与与R/S构型判断的要求一致构型判断的要求一致 逆时针逆时针 S构型构型 HOOC Br H OH 1 2 34 最小的基团指向观察者，最小的基团指向观察者， 与与R/S构型判断的要求不一致构型判断的要求不一致 逆时针逆时针 R构型构型 两个规定：两个规定： 规定之一：规定之一：Fischer投影式不可在纸面上翻转投影式不可在纸面上翻转1800。 COOH HHO CH3 COOH OHH CH3 翻转翻转1800

13、 SR 相当于发生一次基团交换相当于发生一次基团交换 结果：构型改变结果：构型改变 规定之二：规定之二：Fischer投影式可以在纸面上旋转投影式可以在纸面上旋转1800。 COOH HHO CH3 旋转旋转1800 SS 相当于发生两次基团交换相当于发生两次基团交换 结果：构型不变结果：构型不变 CH3 OHH COOH 结论：基团交换偶数次结论：基团交换偶数次 构型不变构型不变 基团交换奇数次基团交换奇数次 构型改变构型改变 应用：复杂情况下的应用：复杂情况下的R/S构型判断构型判断 HOOC Br H OH 最小的基团指向观察者，最小的基团指向观察者， 与与R/S构型判断的要求不一致构型

14、判断的要求不一致 COOH HHO CH3 COOH H HO CH3 COOH HHO CH3 HOOC H OH CH3 COOH HHO CH3 COOH HOH CH3COOH HOH CH3 COOH HHO CH3 5.2.2 Enantiomer 含一个不对称碳的分子：对映体及其性质 COOH HOH CH3 COOH OHH CH3 S- L- (+) R- D- (-) n 含一个不对称碳原子的分子，其分子内既无对称面，又无对 称中心，因此具有手性。 n 必定存在一个与该分子互为实物与镜像关系的分子，二者均 有手性，二者互为对映异构体对映异构体。 p 互为实物与镜像的关系，因

15、此旋光度大小相等， 符号相反。 p 分子中任何两个原子之间的距离及相对位置都 相同，因此分子的内能相同。 p 在非手性环境下无区别（除旋光性） 对映体的性质： In symmetric environment In asymmetric environment The enantiomer shows no difference. Melting point, boiling point, even reaction rate in asymmetric solution are the same. 在手性环境中二者性质不同！在手性环境中二者性质不同！ When in asymmetric s

16、olution, reacting with asymmetric reagent or reacting with asymmetric catalysts, the reaction rates are different. 生命体形成手性环境生命体形成手性环境 可识别不同的手性分子！可识别不同的手性分子！ 5.2.3 Racemate 外消旋体外消旋体 1 mol 左旋体左旋体 1 mol 右旋体右旋体外消旋体外消旋体 p 混合物 p 旋光度为零 p 性质与相应的左、 右旋体不同 外消旋化：旋光化合物在物理或化学因素作用下变成两个对映外消旋化：旋光化合物在物理或化学因素作用下变成两个对映

17、 体的平衡混合物，因而失去旋光性的过程。体的平衡混合物，因而失去旋光性的过程。 A equimolar mixture of two enantiomers l Using reactants and solvents with no chirality, racement is always obtained. 利用非手性原料，在非手性条件下只能得到外消旋体利用非手性原料，在非手性条件下只能得到外消旋体 l Racement show different properties, e.g. melting point, to pure enantiomers. l Racemization i

18、s such a process in which an chiral compound is converted into two enantiomers, and thus loses its optical reactivity. 5.3.1 Molecule with two same asymmetric carbons 5.3.2 Optical activity and conformation 5.3.3 Molecule with two different asymmetric carbons p 当一个分子含有当一个分子含有n个不对称碳原子，其异构体数最多为个不对称碳原子

19、，其异构体数最多为2n个。个。 p 含有多个不对称碳原子的含有多个不对称碳原子的Fischer投影式的画法：投影式的画法： C C COOH HOOC OHH HOH COOH COOH HOH HOH COOH HHO OHH COOH COOH HOH HOH COOH 5.3.1 Molecule with two same asymmetric carbons COOH HHO HOH COOH COOH HOH OHH COOH Enantiomer 对映异构体对映异构体 Diastereomers 非对映异构体非对映异构体 共有共有3 3个异构体个异构体 COOH CHOH CHO

20、H COOH * * meso compound 内消旋体内消旋体 非对映异构体的性质不同！非对映异构体的性质不同！ COOH COOH HOH HOH meso compound 内消旋体内消旋体 p 单一化合物 p 旋光度为零 p 性质与那一对对 映异构体均不同 symmetric, but unstable. stable, still symmetric? 问题问题 ？ COOH COOH HOH HOH COOH HOOC H H OH HO 全重叠式，不优势！全重叠式，不优势！ 5.3.2 Optical activity and conformation 旋光性与构象旋光性与构象

21、 1, meso compound COOH COOH HOH HOH 利用利用Fischer投影式投影式 模型分析，分子具有模型分析，分子具有 对称面，无手性。对称面，无手性。 平面分析平面分析 COOH HOOC H H OH HO 利用立体分析，分子利用立体分析，分子 应有手性。应有手性。 立体分析立体分析 COOH HOOC OH OHH H OH COOH HOOC OHH H COOH H COOH OHH OHCOOH COOH H OHH HO COOH HO H OHH COOH H COOH HO OHH HOOC 2, enantiomers H COOH OH HOH

22、COOH H COOH HO OHH COOH COOH H OH OHH COOH COOH HOH HHO COOH COOH HCOOH HHO OH COOH HOOCOH HHO H COOH HOOC H OHH OH COOH HO COOH OHH H 5.3.3 Molecule with two different asymmetric carbons H CH3 Cl ClH C2H5 H CH3 Cl ClH C2H5 H CH3 Cl HCl C2H5 H CH3 Cl HCl C2H5 (i)(ii) (iii)(iv) Stereoisomer Diastereo

23、mer 5.4.1 Epimer 5.4.2 Pseudoasymmetric carbon 5.4.1 Epimer 差向异构体差向异构体 Epimer H COOH OH HCl H COOH HO ClH ClH C2H5 ClH C2H5 如果两个光学异构体仅有一个不对称碳原子的构型相反， 其它不对称碳原子的构型都相同，这两个光活异构体则 互为差向异构体。 5.4.2 Pseudoasymmetric carbon 假不对称碳原子假不对称碳原子 COOH CHOH CHOH CHOH COOH 有几个不对称碳原子？ * * ？ 是否不对称碳是否不对称碳 取决于取决于2C和和4C的构型的

24、构型 COOH OHH OHH OHH COOH COOH HOH HOH HOH COOH COOH HOH OHH HOH COOH COOH OHH HOH OHH COOH COOH HOH OHH OHH COOH COOH OHH HOH HOH COOH COOH HOH HOH OHH COOH COOH OHH OHH HOH COOH meso meso The third carbons of these four isomers are asymmetric. COOH OHH OHH HOH COOH 共四个异构体：共四个异构体： COOH HOH HOH OHH C

25、OOH R R S S COOH OHH OHH OHH COOH COOH OHH HOH OHH COOH R S R S 3 3 33 3C 为非不对称碳 为非不对称碳 均有旋光性均有旋光性 互为对映异构体互为对映异构体 3C 为不对称碳 为不对称碳 均无旋光性均无旋光性 为内消旋体为内消旋体 互为非对映异构体互为非对映异构体 假不对称碳假不对称碳 COOH OHH OHH HOH COOH (R) (R) COOH HOH HOH OHH COOH (S) (S) (i)(ii) Optical Stereomer C3 is symmetric COOH OHH OHH OHH CO

26、OH (R) (S) COOH OHH HOH OHH COOH (R) (S) (iii)(iv) (r)(s) Not optical Meso C3 is asymmetric 5.5.1 Cyclopropane, cyclobutane, and cyclopentane 5.5.2 derivatives of Cyclohexane 关键：平面分析 构象分析 5.5.1 Cyclopropane, cyclobutane, and cyclopentane 1, Cyclopropane A A A A A A A Trans- Cis- ABBA A BB A Cis- Tra

27、ns- A A AA A A 2, Cyclobutane 3, Cyclopentane Learn on your own 5.5.2 Derivatives of Cyclohexane 顺顺-1,2-二取代二取代 平面分析：平面分析： 构象分析：构象分析： Rotation Conformation transition (i) (i) (i) (i) Rotation Conformation transition (ii)aa (ii)ee (iii)ee Conformation transition (iii)aa (iv)(iv) (v) (v) (vi) (vi) 结论：就

28、环己烷而言，平面分 析与构象分析的结论相同。 5.6.1 Allene type compounds 5.6.2 Diphenyl compounds 5.6.3 Spiro compounds 5.6.2 Compounds with stereocenters other than carbon 5.6.1 Allene type compounds C C C a bd c CCC a bd c CCC CH3 CH3 H H 如果任何一端或两端的碳原子上连有相同取代基，则分子中存在如果任何一端或两端的碳原子上连有相同取代基，则分子中存在 对称面，该分子无手性。对称面，该分子无手性。 C

29、CC D C A A CCC A A A A CCC B B A A 反之，则该分子有手性。反之，则该分子有手性。 CCC D C A B CCC D C A B 5.6.2 Diphenyl compounds If on 2,2,6,6 sites there are large groups which block the rotation of the benzene rings, the two phenol rings are not on the same plane. A B B A 5.6.3 Spiro compounds 5.6.2 Compounds with ster

30、eocenters other than carbon P a b c P a b c Also, molecules with N, S, Si, As show this property. 5.7.1 Measure of polarity (Learn on your own) 5.7.2 Reslution of racemic compounds 5.7.3 Enantiomer excess percentage 5.7.4 Configuration and bio-activities 5.7.1 Measure of polarity (Learn on your own)

31、 D25 = 100/(cl) 5.7.2 Reslution of racemic compounds 1, Chemical methods 50% D-Acid 50% L-Acid 50% D-Acid 50% D-Acid-D-Base 50% L-Acid-D-Base 2, Enzymatic methods 50% D-Compound 50% L-compound Enzyme Enzyme Used up NR 3, Crystal seeds L-compoundD-compound L-Crystal 4, Column chromatography 5.7.3 Ena

32、ntiomer excess percentage %ee = R + S R - S %R - %S = If R=S=50 %ee=0% If R=100, S=0 %ee=100% Meso Pure chiral compound 5.7.4 Configuration and bio-activities 构型与生理活性 抗疟药有氯喹啉有(+)、(-)之分，但二者的抗活性、强 度的均相同。 氯霉素：氯霉素：(-) 氯霉素：有生理活性氯霉素：有生理活性 (+)氯霉素：无生理活性氯霉素：无生理活性 多巴：多巴：(-) 多巴：抗镇颤麻痹作用，多巴：抗镇颤麻痹作用， 用于治疗帕金森病用于治疗帕金森病 (+)多巴：无生理活性多巴：无生理活性 H3CO H3CCO O H2 CH H3COCHN COOH S-(-)多巴多巴 1 1、有