手性分子和旋光异构120301课件

1、Some chiral objects in our life自然界的手性在贝类中较普遍的方向是往右旋转，但也有些种类的贝壳，如大西洋海边熠熠发光的海螺一般是往左旋转。 1957年1962年，造成数万名婴儿严重畸形。 进一步研究表明，其致畸作用是由沙利度胺其中的一个异构体（S-异构体）引起的，而R-构型即使大剂量使用，也不会引起致畸作用。手性与人类健康: “反应停”悲剧(R)-thalidomide(S)-thalidomide1. 平面偏振光 ( plane-polarized light ) - 能通过起偏镜（尼克尔棱镜）的平面光。一、旋光活性与分子的对称性2. 光学活性 ( optica

2、l activity ) - 物质能使偏振光发生偏转的性质。一、旋光活性与分子的对称性旋光仪(polarimeter)l3. 右旋和左旋 ( dextrorotatory and levorotatory ) - 使偏振光振动平面向右旋转称右旋，“ + ” - 使偏振光振动平面向左旋转称左旋，“ - ”4. 旋光度（observed rotation) - 旋光活性物质使偏振光振动平面旋转的角度，用“a ”表示一、旋光活性与分子的对称性5. 比旋光度（specific rotation) - 在一定温度和波长（通常为钠光灯，波长为589 nm）条件下，样品管长度为1dm，样品浓度为1g/mL

3、时测得的旋光度。用a表示。 - 是一物理常数。TD - 钠光源，波长为589nmT - 测定温度，单位为a - 实测的旋光度l - 样品池的厚度，单位为dmc - 为样品的浓度，单位为g/mL 一、旋光活性与分子的对称性巴斯顿的贡献1848年，法国化学家巴斯顿（L.Pasteur, 18221895）发现酒石酸两种不同的存在形式：左旋酒石酸右旋酒石酸图：巴斯顿把酒石酸晶体分 开成两个镜像异构体6. 分子的对称性和对称因素一、旋光活性与分子的对称性对称因素对称轴对称中心 对称面象转轴72o（1）对称轴 Cn- 这种轴是通过物体或分子的一条直线，以这条直线为轴旋转一定的角度，得到的物体或分子的形象

4、和原来的形象完全相同，这种轴称为对称轴。n指绕轴一周，有n个形象与原形象相同（n重对称）。一、旋光活性与 分子的对称性（2）对称面 s - 某一平面将分子分为两半，就象一面镜子，实物（一半）与镜象（另一半）彼此可以重叠，则该平面是对称面。 一、旋光活性与 分子的对称性（3）对称中心 i - 分子中有一中心点，通过该点所画的直线都以等距离达到相同的基团，则该中心点是对称中心。一、旋光活性与 分子的对称性请分析甲烷分子的对称因素4个C3对称轴3个C2对称轴一、旋光活性与分子的对称性请分析甲烷分子的对称因素4个C3对称轴3个C2对称轴一、旋光活性与分子的对称性6个对称面7. 手性、手性分子和旋光活性

5、对称分子 - 含有对称面 (s) 、对称中心 (i) 或四重象转轴(S4) 的分子，其实物与镜影相互重叠。手性 - 如果分子中不存在对称面、对称中心和四重象转轴，则这个分子具有手性。其实物与镜影不能完全重叠。手性分子 - 实物与镜影不能完全重叠的分子。手性分子都具有光学活性。一、旋光活性与分子的对称性7. 手性、手性分子和旋光活性Question：判定下列分子是否具有手性一、旋光活性与分子的对称性2 Enantiomer (对映异构体) - a nonidentical (nonsuperimposable) mirror image is called an enantiomer of th

6、e original molecule.二、对映异构与R、S构型判断3 构型的表示方法 (R and S system)二、对映异构与R、S构型判断基团的大小排序遵循“次序规则”A. (R)-2-butanolB. (S)-1-methoxy-2- propanamineC. (S)-5-chloro-6-hepten-2-one使用“左右手法则”是十分方便的3 构型的表示方法 (R and S system)二、对映异构与R、S构型判断ABCABCABC4 Fischer projections上 - 碳链头端下 - 碳链末端横线 - H及取代基ACDBFischer projectionA

7、BCDWedge form二、对映异构与R、S构型判断A. (2S,3S)-3-chloro-2-pentanolB. (2R,3S)-3-amino-4-penten-2-olC. (2S,3R,4R)-2-bromo-4-floro-3-hydroxy-5-phenylpentanoic acid5 Fischer projects的构型判断SSRSSRR二、对映异构与R、S构型判断建议使用纸面分析法D竖线，ABC逆时针，S; ABC顺时针，R;D横线，ABC逆时针，R; ABC顺时针，S;6 外消旋体 (racemic mixture, or racemate)All the physi

8、cal properties of enantiomers are the same except their optical activity.一对对映异构体，其比旋光度数值相等，旋光方向相反。外消旋体 - 一对对映异构体的等量混合物二、对映异构与R、S构型判断7 光学纯度 (Optical Purity) - A mixture of enantiomers in a 75:25 ratio will have an observed rotation that is 50% of that for a single enantiomer. Such a mixture is said t

9、o have an optical purity (o.p.) of 50%. a 100% a c lo.p.=二、对映异构与R、S构型判断8 对映体过量值 enantiomeric excess (e.e.) Example: (S)-(+)-2-bromobutane a = + 23.1 sample a = +9.2o.p. = 9.2/23.1 = 0.40 or e.e. = 40% Means: 70% S, 30% R; 40% is excess S, 60% is racemice.e.= major enantiomer% - minor enantiomer%测定方法

10、：主要是色谱法，包括GC（气相色谱），HPLC（液相色谱）二、对映异构与R、S构型判断8 对映体过量值 enantiomeric excess (e.e.) 二、对映异构与R、S构型判断o.p.值理论上等于e.e.，但实际上由于测定方法不同，两者可能不同。随着色谱技术的发展，目前e.e.值更常用，也更准确。(2S,3R)-3-chloro-2-pentanol四、 立体构型的表达式及相互转化ClHHOHHClOHH练习请给出化合物的中英文系统名，并将其表示为锯架式和Fischer投影式。 RSClHHOH五、 不含手性碳的手性分子1 具有丙二烯结构的分子五、 不含手性碳的手性分子2 具有联苯类

11、结构的化合物- 位阻异构体（atropisomer） - 由于单键旋转受阻而形成的手性分子。 3 具有螺旋型结构的化合物五、不含手性碳的手性分子4. 含有其它不对称原子的手性分子季铵阳离子和季鏻阳离子五、不含手性碳的手性分子叔胺和叔膦注意：叔胺的异构体转化十分迅速，有的书中将它们归于构象异构体。NH3CH2CCH3C6H5NC6H5CH3H3CH2CP(H3C)2HCCH3PC6H5H3CCH(CH3)2C6H5H3CH2CNCH3C6H5五、不含手性碳的手性分子思考题 试写出二取代环戊烷的所有可能的结构（按两个取代基相同和不同时的情况分别说明）。六、环烷烃的构型异构七、同分异构现象小结构造异

12、构constitutional立体异构Stereo-碳链异构官能团异构位置异构构型异构configurational构象异构conformational顺反异构对映-非对映异构同分异构isomerism单键旋转异构叔胺翻转异构构造异构体Constitutional isomers- 由于分子中原子或基团的排列顺序及性质不同而产生的同分异构体。1. 构造异构体Constitutional isomersEnantiomers and Diastereomers 对映异构与非对映异构（旋光异构）构型异构体Configurational isomersHHHHHHHHMirrorHHOCH3CH2C

13、lHOHClH2CH3CMirror构象异构体 Conformational isomers- they can be interconverted by rotation about one or more sigma-bonds- the interconversion are so rapid that we cannot separate them1) Rotation about single bonds构象异构体 Conformational isomers2) Amine inversion Nonbonding electron pair is required Inversi

14、on energy 25 kJ/mol, can rapidly interconvert at RT3. 同分异构的多层次性构造异构、构型异构和构象异构是不同层次上的异构。低层次异构形式通常包含有较高层次的异构形式。构造异构构型异构构象异构较低层次较高层次 Prochiralprochiral center: carbon, hydrogenprochiral plane - symmetry plane八、潜手性中心、潜手性面与手性识别ACOOHHOHBCH3(S)-BCOOHAHOHCH3(R)-COOHAHHBCH3八、潜手性中心、潜手性面与手性识别CH3H3CH2COHHBCH3H3

15、CH2CHOHAOH3CH 3 CH 2 CABCH2H2CH2CCH2HBHA手性环境对手性中心、潜手性中心的识别八、潜手性中心、潜手性面与手性识别CH2COOHHOOCH2CCOO -OH对潜手性中心的识别Table. Some properties of the stereoisomers of tartaric acid（酒石酸）isomers m.p. (0C) 20 Density Solubility in H2O (+) 168-170 +12 1.7598 139.0g/100ml (- ) 168-170 - 12 1.7598 139.0g/100ml meso 146-

16、148 0 1.6660 125.0g/100ml () 206 0 1.7880 20.6g/100ml Tartaric acid: HOOCCH(OH)CH(OH)COOH九、对映异构体性质与手性拆分1 手性化合物的物理性质Enantiomers have identical melting points, solubility, and density, only differ in the sign of specific rotation.Meso compound is diasteromeric with (+)-isomer or (-)-isomer, and it has different physical properties. The racemic mixture is different from the meso compound and either of the enantiomers. 1 手性化合物的物理性质九、对映异构体性质与手性拆分2. 对映异构体的拆分主要方法（参阅教材）：化学法：与光学活性胺成盐、或与光学活性醇成酯使之转化为物理性质不同的非对映异构体 (+)-羧酸 + (+)胺 (+)(+)盐 (- )-羧酸 + (+)胺 (- )(+)盐晶种结晶法（crystallization）色谱法（chromatogr