第八章立体化学

1、第1页，共54页。 立体化学立体化学 stereochemistry 从立体观点研究分子的结构以及分子的立从立体观点研究分子的结构以及分子的立体结构对其物理性质和化学反应的影响。体结构对其物理性质和化学反应的影响。 第2页，共54页。 立体化学的两个方面：立体化学的两个方面： 静态立体化学静态立体化学 涉及涉及分子结构分子结构即即 原子在空间的原子在空间的 相对位置（构型，构象）。相对位置（构型，构象）。 动态立体化学动态立体化学 涉及分子的涉及分子的反应能力反应能力 即了解反应的即了解反应的 立体过程和过渡态的几何形状立体过程和过渡态的几何形状 、产物、产物 的立体化学。的立体化学。 第3页

2、，共54页。 Lois Pastuer (1822-1895)J.H. van t Hoff (1852-1911) F.A.Kekule (1829-1896) 立体化学的重要奠基人立体化学的重要奠基人第4页，共54页。 有机化合物的立体异构现象有机化合物的立体异构现象： 构型异构构型异构configuration顺反异构顺反异构 对映异构对映异构（旋光异构）（旋光异构）构象异构构象异构conformation第5页，共54页。COOHHOOCCOOHHOOC顺丁烯二酸顺丁烯二酸反丁烯二酸反丁烯二酸 马来酸马来酸 （maleic acid） mp. 138oC 富马酸富马酸（fumaric

3、acid） mp. 287oC例例1例例2. 视紫红素视紫红素N-视视蛋蛋白白第6页，共54页。 一、旋一、旋 光光 性、对性、对 映映 异异 构构 和和 手手 性性 optical activity , enantiomerism chirality第7页，共54页。1 1、平面偏振光、平面偏振光普通光Nicol棱镜偏振光第8页，共54页。 2 2、旋光性（光活性）、旋光性（光活性） 右旋右旋 (+），），d 左旋左旋 ( - ) , l 旋光性的测定旋光性的测定 旋光仪旋光仪 3 3、旋光度、旋光度和比旋光度和比旋光度 第9页，共54页。 1848 1848年年 Pastuer 酒石酸钠铵

4、酒石酸钠铵 两个异构体的性质区别仅为两个异构体的性质区别仅为旋光方向相反旋光方向相反 4 4、手性和对映异构（旋光异构）、手性和对映异构（旋光异构） 分子中原子的非对称排列，使它同它的分子中原子的非对称排列，使它同它的镜像不能互相迭合，是产生对映异构的根本镜像不能互相迭合，是产生对映异构的根本原因。原因。 分子中原子的非对称排列分子中原子的非对称排列第10页，共54页。肌肉乳酸、乳糖发酵乳酸：肌肉乳酸、乳糖发酵乳酸： CH3CHOHCOOHCCOOHOHCH3HCCOOHCH3HHO（）乳酸（）乳酸 ：+3.8o -3.8o第11页，共54页。手性手性 (chirality): 物体或分子与其

5、镜像相似而物体或分子与其镜像相似而 不重合，有左右之分的性质。不重合，有左右之分的性质。手性只能在手性条件下识别。手性只能在手性条件下识别。第12页，共54页。 对映异构（对映异构（enantiomerism）: 一对立体异构体一对立体异构体互为实物和镜像对映关系，互为实物和镜像对映关系，相似而不重合的现象。相似而不重合的现象。旋光方向相反旋光方向相反物性、化性一般相同物性、化性一般相同不同物质，不同物质，可分离可分离 对映异构体对映异构体（对映体）（对映体）第13页，共54页。 对映异构研究的重要意义：对映异构研究的重要意义： 与生命活动密切相关与生命活动密切相关 “锁钥关系锁钥关系”镶嵌诱

6、导镶嵌诱导第14页，共54页。 镇静剂镇静剂 强畸胎剂强畸胎剂 (+)-thalidomide (-)-thalidomide NHOONHOONHOOHOON Thalidomide ( 反应停反应停)第15页，共54页。 Thalidomide致畸病例致畸病例第16页，共54页。手性药物手性药物（chiral drugs）Penicillin V:(S)-Ibuprofen:CCOOHCH3HOONHNSCH3CH3COOHHH H6R5R2S第17页，共54页。第18页，共54页。CH3 C CH2CH3HClCH3 C COOHHOH* 有一个手性碳原子的分子具有手性，有一个手性碳原子

7、的分子具有手性， 有对映异构体，有旋光性。有对映异构体，有旋光性。 手性碳原子手性碳原子：与四个不同原子或基团相连：与四个不同原子或基团相连第19页，共54页。NO2COOHCOOHNO2NH2NH2HHCH3HCO OHBrOO(CH2)8COOHPH6H5CH3CH2CH3CH2CH2N+CH3PhCH2PhC2H5OH-没有手性碳的手性化合物没有手性碳的手性化合物第20页，共54页。第21页，共54页。2 2、分子对称性的判断、分子对称性的判断 对称因素对称因素 简单对称轴简单对称轴 （Cn ）第22页，共54页。 对称面对称面 (m)CH3CH3HHHOCOOHHHHOCOOH第23页

8、，共54页。 下列分子下列分子有无对称面，有几个？有无对称面，有几个？BrBrHHC = CHOClHClClHHHHHCCHHCH3CH3ClCl*第24页，共54页。 对称中心对称中心(i) HHHHFFClClC CCH3ClCH3Cl第25页，共54页。交替对称轴（交替对称轴（Sn ）FClHHHHFClS2FClHHFHHCl180oHClFHHClFH第26页，共54页。 分子结构中分子结构中不具有不具有对称面对称面和和对称中心对称中心， 就有手性，即有旋光性就有手性，即有旋光性, , 有对映异构现有对映异构现 象。象。 第27页，共54页。C = C = CCH3CH3HH 对映

9、体对映体例：试判断下列化合物有无手性例：试判断下列化合物有无手性第28页，共54页。第29页，共54页。 纽曼（纽曼（Newmann）投影式）投影式 ClClCH3CH3HHHHHHCH3CH32氯丁烷的一对对映体CCCH3CH3ClClC2H5C2H5HH第30页，共54页。 Fischer 投影式投影式 例：例：2 2羟基丙酸羟基丙酸 a. 横键向前，竖键向后横键向前，竖键向后 CH3CH3HH( dl )HOOHCOOHCOOH第31页，共54页。练习：练习： 用用Fischer投影式写出投影式写出 CH3C*HOHCH2CH3的立体异构体的立体异构体, ,并指出哪些相同，哪些是对并指出

10、哪些相同，哪些是对映体。映体。 第32页，共54页。HCH3OHC2H5HOCH3C2H5HHOHCH3C2H5CH3OHC2H5HHOC2H5CH3H对映体对映体同一化合物同一化合物对映体对映体同一化合物同一化合物二基对换一基不动，三基依次轮换平面旋转90o平面旋转180o b.投影式轮换规则：投影式轮换规则：第33页，共54页。 各种立体构型式之间的转换各种立体构型式之间的转换 CCOOHNH2CH3HFischer 投影式CH3HCOOHNH2COOHHC2H5HClHFischer 投影式ClCH3COOHC2H5第34页，共54页。 3 3、构型的确定和标记、构型的确定和标记 相对构

11、型相对构型( D, L 标记标记) CHOOHHCH2OHHOCHOCH2OHHD-L-甘油醛甘油醛CHOOHHCH2OHHOD- 葡萄糖HHHOHOH第35页，共54页。 绝对构型绝对构型 （ R , S 标记标记） a. 按按次序规则次序规则确定手性碳上确定手性碳上4基团的优先顺序基团的优先顺序 例、例、CH3C*HOHCOOH 优先顺序：优先顺序：OH COOH CH3 H 第36页，共54页。 b. b. 远离次序最后基团，其余三基按远离次序最后基团，其余三基按 大、中、小大、中、小排列：排列： 顺时针顺时针 R( retus ,right) 逆时针逆时针 S( sinister ,l

12、eft)第37页，共54页。CCOOHOHCH3HS- 乳酸乳酸CH3HOHCOOHR-乳酸乳酸第38页，共54页。左右手法左右手法第39页，共54页。 左右手法：左右手法： 拇指指向最小基团所指方向；拇指指向最小基团所指方向； 其余三基：大其余三基：大( (指根指根) )中中小（指尖）排列小（指尖）排列 与左手相符与左手相符：S 与右手相符与右手相符：R第40页，共54页。 练习：改写成练习：改写成Fischer投影式，投影式，R,SR,S标记，命名标记，命名S 3，3二溴二溴2丁醇丁醇R- 2氯丁烷氯丁烷CH3CH3BrBrHOHCH3HOHCBr2CH3CH3HClC2H5CH3CH3H

13、HHCl第41页，共54页。O例例: 指出香芹酮的一个异构体中的手性碳原子指出香芹酮的一个异构体中的手性碳原子,并进并进行行R,S标记标记*HS-香芹酮香芹酮第42页，共54页。第43页，共54页。CH3CHCOOHNH2*COOHHCH3NH2CH3HCOOHNH2 R- R-氨基丙酸氨基丙酸S-氨基丙酸氨基丙酸 外消旋体外消旋体（dl- 或或 ） 一对对映体的等量混合物一对对映体的等量混合物第44页，共54页。 五、具五、具 有有 多多 个个 手手 性性 中中 心心 的的 对对 映映 异异 构构 CH3CHCHCH2CH3Cl Cl*CH3CHCHCH3OH OH*两个不同手性中心两个不同

14、手性中心 两个相同手性中心两个相同手性中心 第45页，共54页。* * 1 1、含两个不同手性碳的对映异构、含两个不同手性碳的对映异构CH3C2H5HHClClC2H5CH3HHClClC2H5CH3HHClClC2H5CH3HHClCl(2S , 3R )(2R , 3S )( 2S , 3S )对映体对映体(2R , 3R )23非对映体写出写出2，3二氯戊烷的所有立体异构体二氯戊烷的所有立体异构体第46页，共54页。非对映体非对映体 (diastereomer)物性不同， 化性同例：麻黄碱例：麻黄碱CH3 - CH - CHC6H5CH3NH OH mp(oC) 盐酸盐盐酸盐 20D (

15、) 34 +35 () 34 -35 () 118 -26.5 () 118 +26.5四个立体异构体：四个立体异构体：对映体对映体对映体对映体非非对对映映体体具有相同构造式具有相同构造式第47页，共54页。 化合物立体异构体的数目与分子中化合物立体异构体的数目与分子中手性碳原子数的关系：手性碳原子数的关系： 2 2 n n （ n : 手性碳的个数）手性碳的个数） 第48页，共54页。 2 2、含两个相同手性碳的对映异构、含两个相同手性碳的对映异构CH3HHCH3OHOHCH3HHCH3HOHOCH3HHCH3OHHOCH3HHCH3OHHO(2S , 3R )(2R , 3S )( 2S

16、, 3S )(2R , 3R )对映体mesomer 写出写出2，3丁二醇的所有立体异构体丁二醇的所有立体异构体非对映体分子内有对称面分子内有对称面纯物质纯物质无旋光性无旋光性内消旋体内消旋体第49页，共54页。 含有相同手性中心的立体异构体数目含有相同手性中心的立体异构体数目 2n例：酒石酸（例：酒石酸（2，3二羟基丁二酸）的物理性质二羟基丁二酸）的物理性质酒石酸酒石酸 mp/oC 25D 溶解度溶解度 pka1 pka2 (20%水溶液水溶液) /g.(100g水水)1 (+) 170 +12 139 2.93 4.23 (- ) 170 -12 139 2.93 4.23 () 206 0 20.6 2.96 4.24 (m) 140 0 125 3.11 4.80第50页，共54页。六、环六、环 状状 化化 合合 物物 的的 立立 体体 异异 构构顺反异构；顺反异构；对映异构对映异构第51页，共54页。 练习：练习： 试写出试写出1 1，2 2 二甲基环戊烷的立体异构体：二甲基环戊烷的立体异构体： CH3CH3CH