复旦精品有机化学第05章

1、1第五章第五章 旋光异构旋光异构2异构体异构体 构造异构构造异构(连接次序、连接次序、方式方式) 碳架异构碳架异构 官能团位置异构官能团位置异构 官能团异构官能团异构 立体异构立体异构(空间排列空间排列)构象异构构象异构 构型异构构型异构顺反异构顺反异构 对映异构对映异构 互变异构互变异构 CH3CH2CH2CH3CH3CHCH3CH3CH3CH2CHCH3CH3CH2CH2CH2ClClCH3CH2OCH3CH3CH2CH2OHHHMeHHMeHHMeHMeHHHMeHHMeHHHMeHMePhOEtOOPhOEtOHO一一. 基本概念介绍基本概念介绍3 对映异构体对映异构体：一对互为镜像且

2、不能互相重合的分子一对互为镜像且不能互相重合的分子 1. 对映异构体对映异构体 (enantiomers)一类特殊的立体异构关系一类特殊的立体异构关系COOHOHH3CHCOOHHOCH3H构型异构体对对映映异异构构体体互互为为镜镜像像转180oCOOHOHHH3C不不能能重重合合AAAAACOOHOHHH3CCOOHOHH3CH左旋乳酸(-)-乳酸右旋乳酸(+)-乳酸42. 旋光异构体（旋光活性物质，光学活性物质）：旋光异构体（旋光活性物质，光学活性物质）：可使平面可使平面偏振光振动方向发生改变的物质偏振光振动方向发生改变的物质3. 手性（手征性）：手性（手征性）：实物与其镜像不能重叠的特性

3、叫手性或实物与其镜像不能重叠的特性叫手性或手征性手征性4. 手性分子：手性分子：凡是与其镜像不能重叠的分子叫手性分子凡是与其镜像不能重叠的分子叫手性分子 对映体之间的差别：对映体之间的差别：物理性质：对物理性质：对偏振光偏振光的作用不同的作用不同（有旋光性）（有旋光性）化学性质：对化学性质：对手性试剂手性试剂的作用不同的作用不同手性化合物手性化合物 = 光学活性化合物光学活性化合物 = 旋光性化合物旋光性化合物5二二. 旋光性的测定旋光性的测定6 手性分子旋光能力的表示方式手性分子旋光能力的表示方式 比旋光比旋光 a at a at =a a t l cat : 实验观察到的旋光度实验观察到的

4、旋光度l : 样品管长度（样品管长度（dm, 分米）分米）c : 样品浓度（样品浓度（g / cm3）t : 测试时温度测试时温度 : 波长波长例：例：COOHHOCH3H左旋乳酸COOHOHH3CH右旋乳酸a aD20= - 3.8o(c=0.1g / mL, H2O)a aD20= + 3.8o(c=0.1g / mL, H2O)(D, 钠光，钠光， =589.3nm)一对对映异构体的比旋光值大小相等，符号相反一对对映异构体的比旋光值大小相等，符号相反7 光学纯光学纯 optically pure和光学纯度和光学纯度 optical purity 光学纯：一个样品中所有分子具有相同手性光学

5、纯：一个样品中所有分子具有相同手性 光学纯度：一个对映体在样品中的含量，又称为对映体过量光学纯度：一个对映体在样品中的含量，又称为对映体过量 percent enantiomeric excess (ee%)已知已知(+)-乳酸的比旋光度为乳酸的比旋光度为+3.8，现有某乳酸样品的比旋光度为，现有某乳酸样品的比旋光度为-1.9， 请问请问 2 个对映体在该样品中的含量。个对映体在该样品中的含量。 (+)-乳酸的含量为乳酸的含量为 25 ， (-)-乳酸的含量为乳酸的含量为 75 。光学纯度光学纯度 =at D样品 100 ee % = S - R 100at D纯品S + R8 外消旋体外消旋

6、体 racemic mixtures 等量的右旋体和左旋体混合物，即各占等量的右旋体和左旋体混合物，即各占50 外消旋体的光学纯度外消旋体的光学纯度(ee值值)为为“0” 外消旋体的旋光度为外消旋体的旋光度为“0” 命名时在名称前加命名时在名称前加“dl”或或“()” 如：外消旋的如：外消旋的2-丁醇标记为丁醇标记为“dl-2-丁醇丁醇”或或 “()-2-丁醇丁醇”9三三. 化合物的旋光性与结构的关系化合物的旋光性与结构的关系CCHClClHCCH3CH3HHCH3CH31. 有无对称面和对称中心有无对称面和对称中心反反-1,2-二氯乙烯二氯乙烯有一个对称面有一个对称面丙烷丙烷有两个对称面有两

7、个对称面顺顺-1,2-二甲基环丙烷二甲基环丙烷有一个对称面有一个对称面(1) 对称面对称面有对称面的分子没有手性，没有旋光活性有对称面的分子没有手性，没有旋光活性10(2) 对称中心对称中心有对称中心的分子没有手性，没有旋光活性有对称中心的分子没有手性，没有旋光活性ClClFFClClFFClClFF180o有对称面或对称中心的分子都可以和其镜有对称面或对称中心的分子都可以和其镜像重叠，都是非手性分子像重叠，都是非手性分子112. 有无手性碳原子有无手性碳原子手性碳原子：手性碳原子：和四个不同的原子或基团相连的碳原子叫手性碳原和四个不同的原子或基团相连的碳原子叫手性碳原子，也叫不对称碳原子子，

8、也叫不对称碳原子CH3CH CH2BrCH3CH3CH COOHOHCH3CH CHOHCH3CH3CH3CH COOHNH2CH COOHCl含手性碳原子的分子一般是手性分子（含一个手性碳原子的分子必含手性碳原子的分子一般是手性分子（含一个手性碳原子的分子必定是手性分子定是手性分子 ，含两个或两个以上手性碳原子则需看情况而定），含两个或两个以上手性碳原子则需看情况而定）12四四. 构型的表示方法构型的表示方法1. 球棍式球棍式右旋乳酸右旋乳酸 左旋乳酸左旋乳酸(+)-乳酸乳酸 (-)-乳酸乳酸COOHHOHCH3COOHCH3HOH132. 透视式（伞形式）透视式（伞形式）COOHHCH3O

9、HCOOHHH3CHO右旋乳酸右旋乳酸 左旋乳酸左旋乳酸(+)-乳酸乳酸 (-)-乳酸乳酸14COOHCCH3OHHCOOHCH3OHH伞伞形形式式Fischer 投投影影式式主主链链放放在在垂垂直直方方向向上上, ,伸伸向向后后方方一一般般氧氧化化态态高高的的碳碳原原子子或或主主链链上上1 1号号碳碳原原子子放放在在上上方方COOHCH3HOH十字式COOHCCH3OHH不不正正确确的的表表达达式式3. Fisher 投影式投影式以垂直线相连的基团表示伸向纸后，以垂直线相连的基团表示伸向纸后，以水平线相连的基团表示伸出纸前以水平线相连的基团表示伸出纸前(C不应写出不应写出)15注意点：注意点

10、：(1) Fisher投影式在纸面上顺时针或逆时针旋转投影式在纸面上顺时针或逆时针旋转180o或其整数倍，表示的分子或其整数倍，表示的分子 构型不变构型不变COOHCH3HHOCOOHCH3HOH180oa b a=b(2) Fisher投影式不能在纸面上旋转投影式不能在纸面上旋转90o或其奇数倍，否则其表示的分子构或其奇数倍，否则其表示的分子构型发生改变型发生改变aba b a, b互为对映体互为对映体COOHCH3HHO90oCOOHH3CHOH16(3) Fisher投影式不能离开纸面旋转，否则其表示的分子构型发生改变投影式不能离开纸面旋转，否则其表示的分子构型发生改变COOHCH3HH

11、OCOOHCH3HOHa b a, b互为对映体互为对映体ab(4) 与手性碳相连的四个基团中任意两个交换奇数次，分子构型改变，交与手性碳相连的四个基团中任意两个交换奇数次，分子构型改变，交换偶数次，构型保持不变换偶数次，构型保持不变COOHCH3HHOCH3, H交换COOHHCH3HOCH3, OH交换COOHHH3COHa b ca b a, b互为对映体互为对映体 a = c17五五. 手性碳构型的命名手性碳构型的命名 手性碳的绝对构型手性碳的绝对构型 R/S 方法方法例：例： 2-丁醇丁醇 选择选择优先顺序优先顺序最小的原子或基团远离观察者（在观察者对面），最小的原子或基团远离观察者

12、（在观察者对面）， 其余原子或基团依优先顺序排列其余原子或基团依优先顺序排列CH3C2H5HOH沿沿 C- -H 方方向向S型型（逆逆时时针针方方向向）CH3C2H5OHHR型型（顺顺时时针针方方向向）(S)-2-丁醇丁醇(R)-2-丁醇丁醇-OH -C2H5 -CH3 -H18COOHHCH3OHCOOHHH3CHOHOHCH3COOHHOHCH3COOH(S)-(+)-乳酸乳酸(R)-(-)-乳酸乳酸R / S是可以判断的，而左旋是可以判断的，而左旋(-) / 右旋右旋(+)是无法判断是无法判断或预测的，只能通过旋光仪测定或预测的，只能通过旋光仪测定-OH -COOH -CH3 -H19六

13、六. 含两个不同手性碳原子的化合物含两个不同手性碳原子的化合物COOHHOHCH2OHHOH1234COOHHOHCH2OHHOH1234COOHHOHCH2OHHOH1234COOHHOHCH2OHHOH1234(2S, 3S)(2R, 3R)(2S, 3R)(2R, 3S)对映体对映体非对映体2,3,4-三羟基丁酸三羟基丁酸 含含 2 个手性碳原子的有机分子最多有个手性碳原子的有机分子最多有4 (22)个构型异构体个构型异构体 含含 n 个手性碳原子的有机分子最多有个手性碳原子的有机分子最多有 2n 个构型异构体个构型异构体20COOHHOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHOHCOO

14、HHOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHOH(2R, 3R)(2S, 3S)(2R, 3S)(2S, 3R)对映体同一个分子COOHHOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHOH(2R, 3R)(2S, 3S)(2R, 3S)对映体非对映体七七. 含两个相同手性碳原子的化合物含两个相同手性碳原子的化合物酒石酸酒石酸21COOHHOHCOOHHOH(2R, 3S)HOOCHOHCOOHHOH内消旋体内消旋体 meso forms 命名时在名称前加命名时在名称前加“meso” 有手性碳原子的有手性碳原子的非手性分子非手性分子，旋光度为，旋光度为“0”有对称面有对

15、称面有对称中心有对称中心(2R, 3S)-酒石酸酒石酸22例例: cis-1, 2-二甲基环己烷二甲基环己烷HCH3HCH3有有对对称称面面非非手手性性（内内消消旋旋体体）平平面面结结构构式式椅椅式式构构象象式式CH3CH3无无对对称称面面手手性性ICH3CH3II无无对对称称面面手手性性转转120o1122H3CCH312IICH3CH3I12一一对对构构象象对对映映体体( (构构象象外外消消旋旋体体) )两种分析结果一致两种分析结果一致, 但原因不同。但原因不同。八八. 环状化合物的立体异构环状化合物的立体异构23例例: trans-1, 2-二甲基环己烷二甲基环己烷HCH3HCH3平平面

16、面结结构构式式椅椅式式构构象象式式CH3CH3ICH3CH3II对对映映体体HCH3HCH3CH3CH3H3CH3CII (a, a)I (e, e)I (a, a)II (e, e)平面式和构象式分析平面式和构象式分析均存在一对对映体。均存在一对对映体。构构象象非非对对映映异异构构体体24九九. 不含手性碳原子的手性分子不含手性碳原子的手性分子丙二烯型丙二烯型右旋右旋左旋左旋CCCHClHClCCCHClHCl非手性分子非手性分子CCCHClClCl25螺环型螺环型CHCOOHHHOOCCHHOOCHCOOH26联苯型联苯型 (位阻异构体、阻转异构体位阻异构体、阻转异构体 atropisom

17、ers)O2NCO2HNO2HO2CNO2HO2CO2NCO2H非手性分子非手性分子O2NCO2HCO2HHO2C27OHOHHOHO(R)-1,1-联联-2-萘酚萘酚 (S)-1,1-联联-2-萘酚萘酚 28螺旋型螺旋型29 立体立体专一性专一性反应：反应： 只生成一种类型的立体异构体的反应只生成一种类型的立体异构体的反应 （ Stereospecific Reaction ） 立体立体有择性有择性反应：反应： 主要生成某种类型立体异构体的反应主要生成某种类型立体异构体的反应 （Stereoselective Reaction）RRHH+RRHHBrBrRRHHBrBr+立立体体专专一一RR

18、RR+RRHHRR+立立体体有有择择H2 / Pdmeso主主要要产产物物外外消消旋旋体体Br2十十. 立体选择反应和立体专一反应立体选择反应和立体专一反应30例例1CH3CH2CH2CH3Cl2hvCH3CHCH2CH3ClCH3ClHC2H5CH3ClHC2H52-氯丁烷(R) 50%(S) 50%*CH3CHCHCH3Cl*Cl2hvCl*2,3-二氯丁烷CH3CH2CH2CH3Cl2hv+31CC2H5H3CHCl2abCC2H5H3CHCC2H5H3CHClClCH3ClHC2H5CH3ClHC2H5(R) 50%(S) 50%32ClHCH2CH3CH3Cl2hv+(S)- -2-

19、 -氯氯丁丁烷烷ClHCH3ClHCH3ClHCH3ClHCH3(2S, 3S)( (2S, 3R) (内内消消旋旋体体)29%71%ClHCH2CH3CH3机机理理：ClHCHCH3CH3ClClHCHCH3CH3关关键键中中间间体体，有有多多种种构构象象立体有择性反应立体有择性反应33CH3HHClCH3H3CHHClCH3H3CHHClCH3IIIIIIH3CHHClCH3CH3HHClCH3CH3HHClCH3较较不不稳稳定定IVVVI自由基中间体构象分析自由基中间体构象分析:ClHCHCH3CH3优势构象优势构象34若由若由构象构象 I 反应反应若由若由构象构象 II 反应反应CH3

20、HHClCH3IClClCH3HHClCH3ClCl CH3HHClCH3Clmeso过过渡渡态态为为对对位位交交叉叉对对位位交交叉叉H3CHHClCH3IIClClCH3HHClCH3ClCl 过过渡渡态态为为邻邻位位交交叉叉CH3HHClCH3ClS, S邻邻位位交交叉叉35若由若由构象构象 III 反应反应H3CHHClCH3IIIClCl 过过渡渡态态为为邻邻位位交交叉叉甲甲基基靠靠近近，不不稳稳定定ClCl H3CHHClCH3此此过过程程可可不不必必考考虑虑36例例2CH3CH CH CH3+ Br2CH3CHCHBrCH3Br*HCH3CH3H+ Br2CH3HBrCH3BrHC

21、H3BrHCH3HBr+(2S, 3S) 50%(2R, 3R) 50%外消旋体HCH3HH3C+ Br2CH3HBrCH3HBr(2S, 3R) (内消旋体)立体专一性反应立体专一性反应37HCH3CH3HHCH3CH3HBr+Br-abBrBrCH3HCH3HBrCH3HBrCH3HCH3HBrCH3BrHCH3BrHCH3HBr(2S, 3S) 50%(2R, 3R) 50%ba对映异构体外消旋体38HCH3HH3CHCH3HH3CBr+Br-abBrBrCH3HHH3CBrHH3CBrCH3HCH3HBrCH3HBrCH3BrHCH3BrH(2S, 3R)(2R, 3S)ba内消旋体m

22、eso39十一十一. 手性分子的性质手性分子的性质 物理性质物理性质 对映体：除旋光度以外，性质相同对映体：除旋光度以外，性质相同 非对映体：性质不同非对映体：性质不同 (+)-酒石酸酒石酸(-)-酒石酸酒石酸meso-酒石酒石酸酸()-酒石酸酒石酸a25D+ 12 - 12 0 0 m.p.170 C170 C140 C206 C溶解度溶解度(H2O)139 g139 g125 g20.6 g比重比重1.701.701.661.68pKa12.932.933.112.9640化学性质化学性质对映体：在一定条件下对映体：在一定条件下(试剂、溶剂、助剂等试剂、溶剂、助剂等)性质相同性质相同对映体

23、之间在对映体之间在非手性条件下非手性条件下性质相同。性质相同。对映体之间在对映体之间在手性条件下手性条件下性质不同。性质不同。非对映体：化学性质相似，但不完全相同。非对映体：化学性质相似，但不完全相同。41十二十二. 手性分子的获得手性分子的获得1.获得手性分子的重要意义获得手性分子的重要意义药物与人类的关系药物与人类的关系构成生命体系的生物大分子的主要部分大多数是以一种对映构成生命体系的生物大分子的主要部分大多数是以一种对映体形式存在的。故药物与其作用也是以手性的方式进行的，体形式存在的。故药物与其作用也是以手性的方式进行的，生物体的酶和细胞表面受体是手性的生物体的酶和细胞表面受体是手性的,

24、 故对外消旋药物的识别、故对外消旋药物的识别、消化和降解过程也是不同的。消化和降解过程也是不同的。例：例：H2NCOOHNH2O(S)- -天天冬冬酰酰胺胺苦苦味味(R)- -天天冬冬酰酰胺胺甜甜味味NNOOOPhn-BuH3CHNNOOOPhn-BuCH3H巴巴比比吐吐酸酸衍衍生生物物麻麻醉醉剂剂致致痉痉挛挛H2NCOOHNH2O42HOHOCOOHNH2(-)-L-DOPA 治治疗疗帕帕金金森森氏氏病病HOHOCOOHNH2(+)-D-DOPA在在体体内内集集聚聚，不不能能被被代代谢谢NOONHOONOOHNOO致致畸畸形形( (R R) )型型, ,有有效效，不不致致畸畸形形Thalid

25、omide(反反应应停停) 镇镇静静和和止止吐吐药药物物(S)型型，(-)-L-DOPA432. 获得手性分子的方法获得手性分子的方法 从天然界提取从天然界提取（糖类、氨基酸、生物碱、萜类化合物、甾体化合物）（糖类、氨基酸、生物碱、萜类化合物、甾体化合物） 外消旋体的拆分（外消旋体的拆分（Resolution）巴斯德，巴斯德，L.Louis Pasteur (18221895) Louis Pasteur于于1848年，借助放大镜，用年，借助放大镜，用镊子成功地将镊子成功地将外消旋的酒石酸钠铵外消旋的酒石酸钠铵进行拆分，这进行拆分，这一发现为其后的立体化学打下了基础。一发现为其后的立体化学打下

26、了基础。COONaOHHCOONH4HOHCOONaHOHCOONH4OHH44(a) 化学法拆分化学法拆分外外消消旋旋体体（对对映映体体）手手性性试试剂剂一一对对非非对对映映体体1 1. .利利用用性性质质不不同同分分离离2 2. .去去除除手手性性试试剂剂分分别别得得到到左左旋旋和和右右旋旋体体拆拆分分思思路路：() A(+) B*(+) A(+) B*(-) A(+) B*一一对对非非对对映映体体拆拆分分(+) A(+) B*(-) A(+) B*去去除除( (+ +) )B*去去除除( (+ +) )B*(+) A(-) A如如:拆分试剂拆分试剂天然手性生物碱（拆分外消旋酸）天然手性酸

27、（如酒石酸）（拆分外消旋碱）45例例: 外消旋外消旋a a-苯乙胺的化学拆分苯乙胺的化学拆分HCH3PhNH2HCH3PhH2N+COOHOHHCOOHHOH(R, R)-(+)-酒酒石石酸酸+HCH2PhNH3COOOHHCOOHHOH+HCH3PhH3NCOOOHHCOOHHOH非非对对映映体体（盐盐）甲甲醇醇冷冷却却加加热热在在甲甲醇醇中中溶溶解解性性差差接下页接下页46接上页接上页抽抽滤滤晶晶体体HCH2PhNH3COOOHHCOOHHOHNaOHHCH3PhNH2(S)-(-)-苯苯乙乙胺胺滤滤液液浓浓缩缩HCH3PhH3NCOOOHHCOOHHOH得得晶晶体体NaOH(R)-(+)-苯苯乙乙胺胺HCH3PhH2N47(b) 酶解法酶解法（利用酶的选择性反应进行拆分）（利用酶的选择性反应进行拆分）H2NCOOHCH3HNH2COOHCH3HL-丙丙氨氨酸酸D-丙丙氨氨酸酸()-丙丙氨氨酸酸Ac2OAcHNCOOHCH3HNHAcCOOHCH3H+外外消消旋旋体体酰酰基基转转移移酶酶（取取自自猪猪肾肾）H2NCOOHCH3HNHAcCOOHCH3H+L-丙丙氨氨