有机化学版配套课件新-第三章

同分异构现象同分异构构造异构异构碳架异构位置异构官能团异构互变异构构型异构构象异构顺反异构旋光异构第一节概述一、平面偏振光及比旋光度(a)(b)平面偏振光：在一个平面上振动的光（一）平面偏振光光源nicolnicol(a)眼睛光源nicolnicol(b)眼睛（二）旋光性物质与非旋光性物质旋光性物质：是指能使偏振光振动平面发生旋转的物质。也称为光学活性物质。（三）旋光度与比旋光度右旋和左旋——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，“-”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“α

”表示-α+α旋光度的大小与溶液的浓度、测定管的长度、温度、入射波长有关。（三）旋光度与比旋光度3.比旋光度在一定温度下，旋光管长度为1dm，样品浓度为1g/ml，入射波长为589.3nm时所测得的旋光度。蔗糖：：

[α]D15

=-166o(甲醇）[α]D20

=

+66.7oDl

ρ

α

t[α

]

=BD---钠光源，波长为589nm；t---测定温度，单位为℃α

---实测的旋光度；l---样品池的长度，单位为dm；ρ

B

---为样品的浓度，单位为g•ml-1（三）旋光度与比旋光度例题：在20oC时，用1分米长得测定管，测得5%得葡萄糖的旋光度为+2.63o，计算葡萄糖的比旋光度。若将浓度减小一倍， 溶液旋光度的大小。解：1*5%=

+2.63

=+52.6oDl

ρB[α

]t

=

α

例题：一个化合物的氯仿溶液的旋光度为+10o，用什麽方法可以证明其旋光度为+10o而不是-350o？解：将溶液稀释一倍，如果其旋光度为+5o，则证明原来溶液的旋光度为+10o。偏振光、光学活性物质、比旋光度普通光光波在各个方向振动普通光变成只在一个平面振动的光，故为偏振光光学活性物质使偏振光的平面发生偏转旋转了α的角度旋光仪的构造二、对映异构和手性（一）手性（chirality)对映体：两个分子互为实物与镜像关系。手性（手征性）：实物与其镜像不能 的特点（一）手性（chirality)左手右手左右手不能完全重合左手左手的镜像左手的镜像右手可以完全重合列举具有手性的例子自然界中性体北马兜铃(

Aristolochia

contorta

)右旋常青油麻藤(

Mucuna

sempervirens

)右旋萝藦科杠柳(

Periploca

sepium

)右旋（二）对映异构体

分子式为CH3X

的化合物只有一种分子式为CH2X2或CH2XY的化合物也只有一种分子式为CHXYZ的化合物有两种samesamedifferent（二）对映异构体动画两个分子的结构互为实物与镜像的关系，彼此不能完全重合，它们互称为对映异构体（或旋光异构体）。任何一个不能与其镜像完全 的分子，称为手性分子。手性分子都具有旋光性。CBrClFHBrFHClBrFHClmirror（三）有机化合物对映异构分子的发现1848年，巴斯德（L.Pasteur）在显微镜下发现酒石酸盐形成两种类型的晶体，并且一种晶体是另一种晶体的镜像，两种晶体的水溶液使偏振光向不同方向偏转。巴斯德推测：构成盐的分子本身是两种不同类型，分子不同因而旋光性质不同。左旋和右旋酒石酸钠铵晶体（三）有机化合物对映异构分子的发现Jacobus

Henricus

van

‘t

Hoff(1852-1911)，第一个Nobel化学奖获得者（1901）1874年，年仅22岁的荷兰科学家

(Herr

van’t

Hoff)了名为“原子的空间排布”一文，正式将有机化合物的结构推到了三维层次——

化学(stereochemistry)，帮助解释了有机化合物的结构不同可以导致它们的性质不同。（四）对映异构现象的实质FClHBrBrClHF（a）以H

原子远离

的眼睛,按照与碳相连的原子的原子序数由大到小顺序进行排列,一个是顺时针方向,一个是逆时针方向。（四）对映异构现象的实质上面的例子说明，对映异构现象实质：是基团在空间的不同排列所引起。（b）交换一个异构体中任何两个原子或原子团，得到其对映异构体，即得到的化合物原子或原子团在空间的排列顺序与以前相反。三、分子的对称性和手性（一）对称因素1、对称面：如果分子中存在一个平面，能将分子分割为互为实物与镜象的两半，此平面就是对称面。HOCOOHHCHO

C

COOHHH3CCH31、对称面plane

1plane

2FClBr哪个平面是对称面？1、对称面Propanoic

acid有对称面非手性Lactic

acid无对称面手性CH3CCOOHHHCOOHOHCH3CH1、对称面A

B

C

D

E甲烷分子有四个对称面（只画了其中一个）；一氯甲烷有类似的三个对称面（只画了其中一个）；二氯甲烷只有两个对称面；氯溴取代甲烷只有唯一的一个对称面；氟氯溴取代甲烷没有对称面。具有对称面的分子是非手性分子。2、对称轴：当分子环绕通过该分子中心的轴旋转一定的角度，得到与原来分子完全重合的构型，此轴称为对称轴(符号C)。当旋转360/n角度后，此轴即称为n重对称轴(Cn)。水分子有C2

对称轴氨分子有C3

对称轴3、对称中心中心PHBrHClBrClHH如果从分子中的任一原子或原子团出发，经中心

P等距离延长得到具有相同的另一原子或原子团，则称该分子具有对称中心。具有对称中心的分子为非手性分子。（二）手性因素1、手性中心：能引起分子具有手性的特定原子或分子骨架的中心。COOHHCH3OHC

*CH2CH33H

CC

H6

5N

*OPCH3C

H6

5*C2H5手性碳原子（chiral

carbon

atom)OHH3

*C

CH

COOHCCOOHHOH3CHCCOOHHH3COHCOOHC3HOH

CHCOOHHCCH3OH乳酸2、手性面分子 性由于某些基团对分子中某一个平面的不同分布而引起的，此平面称为手性面。OOCOOH(CH2)8OOHOOC(CH2)83、手性轴分子中由若干原子组成的轴状化合物由于分子中的原子或原子团在此轴周围的空间排列情况不同而产生手性，此轴称为手性轴。联苯型化合物NO2COOHCOOHO2NHOOCHOOCNO2O2N联苯型化合物位阻异构体（atropisomer）——由于单键旋转受阻而形成性分子，化合物既没有对称轴也没有对称中心。丙二烯的衍生物丙二烯的结构aaC

C

CbbC

C

Cbaab丙二烯的衍生物C

C

CClBrClBrC

C

CClBrClBr产生对映体的条件：C1与C3各连基团不相同丙二烯的衍生物与镜像无法重合，是手性分子比较：C

C

CHClHClC

C

CHClHClC

C

CHClHHC

C

CHClHH有对称面，为非手性分子手性与手性分子对称分子——含有对称面、对称中心等对称因素的分子，其实物与镜影相互

。手性——

如果分子中不存在对称面、对称中心等对称因素

，则这个分子具有手性。其实物与镜影不能完全

。手性分子——

实物与镜影不能完全

的分子。——手性分子都具有光学活性。判断对映体的方法分子中有两个或两个以上手性碳原子，则有例外。1、无对称面

2、无对称中心

3

、手性碳原子分子中只有一个手性碳原子，则分子存在对映体。例题××√√

√√一、判断下列说法是否正确：1、分子中有手性碳原子则分子是手性分子。2、不具有任何对称因素的分子都有对映体存在。3、具有手性的分子必定存在对映体。4、没有手性碳原子的化合物不是手性分子。二、下列物体哪些是手性的？钉子，螺丝钉，篮球，你

，你的脚，你的耳朵。思考题NO2

HOOC下列化合物哪些是手性分子？NO2

HOOCaCC

HHH3C

CHbCH3C

C

C

HH

CH3cH3CH

COOHCHd解：c、d是手性分子。CH3OHeH3CH2C

CHCH2CH3OHf第二节对映异构和非对映异构一、含有一个手性碳原子的化合物对映异构体：一对分子互为对映体，但又不能完全重合，互称为对映异构体。只具有一个手性碳的分子一定具有手性！mirror（一）对映异构体的理化性质一对对映体的物理性质（+）-2-丁醇（-）-2-丁醇沸点99.5oC99.5oC密度0.80800.8080折光率1.3951.395比旋光度+13.9o-13.9o1、物理性质：对映体除旋光性不同，其它相同；2、化学性质：非手性条件下相同；手性条件下不相同。3、生物活性：对映体的生物活性不同。（一）对映体的理化性质Ibuprofen直接止痛在体内转化成左式发挥止痛作用由上可知，Ibuproven

尽管原子组成相同，但互为对映异构体，构型不同，药效不同，说明生命体对异构体具有偏爱，这是一种不对称行为。HCCH2H3C

CHH3CCH3SHOOCCH2CHH3CR

CCOOHHCH3CH3（一）对映体的理化性质沙利度胺（Thalidomide)——又名反应停剂

无 作用无致畸作用

致畸变1957年～1962年，反应停的服用造成数万名婴儿严重畸形。

研究发现，其致畸作用是由右式所代表的S异构体引起，而左式所代表的R异构体不引起致畸作用。NHO

OOHNRNHHO

O

N

O

OOS手性分子的生物作用生物体中

性分子酶（enzyme）：生物催化剂，具有较多 性中心。底物（substrate）：被酶催化而发生反应的化合物，大多数底物为手性化合物。受体靶位（

site）：在细胞上特定接受化学物质引起或改变细胞反应的部位。异构只有与特定受体之间的与锁），才能进入受体靶位，特异性手性分子的

结构有互补关系（象产生生理活性。手性分子的生物作用手性分子的生物作用手性分子的生物作用（二）外消旋体关于乳酸：人出汗时肌肉出来的乳酸和由蔗糖发酵得到的酸加氢还原得到的乳酸没有乳酸是一对对映异构体，但由旋光性。蔗糖发酵得到[

α

]

D

=

(-)

3.82出汗时肌肉[

α

]

D

=

(+)

3.82C

H

3C

HO

HC

O

O

H（二）外消旋体

H

2Pt3H

OH

+

HO

HCH3

CH50%

50%3CH

CCOOHO

COOH

COOH外消旋体——等量的左旋体和右旋体的混合物例：（旋光性相互抵消——消旋）产物无旋光性外消旋体性(racemic

mixture)()-2-羟基丙酸外消旋体表示方式OH（）

CH3CHCOOH（二）外消旋体（+）-乳酸26+3.8o3.76（-）-乳酸26-3.8o3.76（+-）-乳酸180o3.76名称[α

]tDpKa乳酸的一些物理常数（三）对映异构体的表示方法构型表示法1、模型

夕夕)投影式2、3、费歇尔(投影法：12主链竖立，横前竖后小的一端朝上3CH31C

OOHHOH2C*（三）对映异构体的表示方法HH3C

C*

COOHOHCOOHCH3HCOOHCH3HOH

HO(-)-乳酸(+)-乳酸投影式使用规则（1）

投影式只能在纸面上旋转1800的整数倍，不能旋转900的奇数倍。COOHCH3H

OH180oCH3COOHHHO90oCOOH3H

COHH投影式使用规则COOHCH3OHH翻转180oCOOHCH3HHO（2）投影式不能离开纸面进行翻转。翻转180o表达的构型改变。投影式使用规则（3）将手性碳原子上的一个取代基保持不变，另外三个基团按顺时针或逆时针方向旋转时，分子的构型不变。COOHCOOHOHCH3HHOHH3CCOOHCH3HHO(四）对映异构体构型名CHOH

OHCH2OHD-(+)甘油醛CHOHO

HCH2OHL-(-)甘油醛1、D、L命名法以甘油醛为例：在没有

R

,

S

命名系统之前,人们规定甘油醛分子中

OH基团在

式右边的为D型甘油醛，反之为

L型甘油醛。相对构型与绝对构型OHHCHOOHHCOOH[O][H]CH2OHD-(+)-甘油醛CH2OHD-(-)-甘油酸相对构型:当进行化学反应时，如果与手性中心相连的键不断裂,则化合物的构型不会改变,由此演变而来的一系列化合物的构型与其原来的化合物相同。这样得来的化合物的构型称为相对构型。绝对构型：分子真实的三 构型CH3D-(-)-乳酸OHHCOOH2、R.S构型命名法R符合右手规则、S符合左手规则。A---B---D---ESR逆时针顺时针ABCBAC基团的顺序规则（1）若取代基的第一个原子不相同，比较原子序数，序数大的为优先基团（大基团）；同位素，则质量大的为优先基团。Br

Cl

CH3

HSR基团的顺序规则（2）若取代基的第一个原子相同，则比较与该原子相连的后面原子，直到比较出大小为止。RSHHC

H

CHCH3HC

H

CCH2CH3HHCH3CH3Br

CH2CH3

CH3基团的顺序规则（3）若第一个原子以双键或三键与其它原子相连，则把它看作与两个或三个其它原子相连。CHO

CH2OHCOOH（4）取代基互为对映异构体时，R-构型先于S-构型；取代基互为几何异构时，顺（Z）式先于反(E)式。CHCCCOOOC

OHC

CH2HHC

CH2

CH(CH3)2CH2CH3O基团的顺序规则HCCOOHH3CHCCH3HOOCCHOSCOOHCHORCOOHH3CHHCH3CHOSCHORR/S命名在投影式中的应用AEBDRBAEDSClCH3C2H5SBr

BrCH3C2H5RCl（1）最小基团处于竖键上时顺时针旋转为R，逆时针旋转为S。(S)-2-氯-2-溴丁烷R/S命名在投影式中的应用EABRD

DEABSHCOOHCH3ROH

HOCOOHHCH3S（2）最小基团处于横键上时顺时针旋转为S，逆时针旋转为R。二、含有两个手性碳原子的化合物HH23（一）含有两个不同性碳原子COOH

COOHOH

HOCl

ClCOOHHClHHHOHHClCOOHOHHCOOH(2S,3R)(4)C2:

OH---CHClCOOH---COOHC3:

Cl---COOH---CHOHCOOHCOOH(2S,3S)(1)COOH(2R,3R)(2)COOH(2R,3S)(3)对映异构体数目22紫杉醇性碳原子，一般说来，含有n个不同理论上有（2n）个

异构体。C47H51NO14界认为紫杉醇是近10年来发现的最有希望的抗癌药物。紫杉醇（taxol）紫杉醇是一种全新的光谱抗癌药，副作用小，国际医疗赤式，苏式表示法HCHOHCH2OHHOHOCH2OHCHOHOHHOHHCHOHOHCH2OHHOOHHCHOHOHCH2OH碳水化合物赤藓糖（erythrose）和苏阿糖（threose）具有如下结构式：D-赤藓糖L-赤藓糖D-苏阿糖L-苏阿糖赤式，苏式表示法赤式苏式aabbxyaabbxyabbaxyababxy人们规定：对于两个手性中心上分别连有两组相同基团的

Cabx—Caby化合物，如果用Fisher式表示，相同基团在同边的为赤式，不在同边的为苏式：（二）含有两个相同性碳原子COOH

COOHH

C

OH

HO

C

HH

C

OHCOOH(2R,3S)HO

C

HCOOH(2S,3R)COOHH

C

OHHO

C

HCOOH(2R,3R)COOHHO

C

HH

C

OHCOOH(2S,3S)对映异构体数目小于2n内消旋体：对映体分子中存在对称因素，没有旋光性的分子。用符号

“meso”表示。例：·

内消旋体——有手性碳，但分子有对称面内消旋体表示方法分子有对称面，无旋光性。一个手性碳的旋光性正好被分子内另一构型相反 性碳所抵消内消旋体(meso

compounds)COOHHCOOH(R,S)-meso-酒石酸OHOHH旋光纯、外消旋体和内消旋体性质的比较：（20o）水中溶解度pK1pK2COOHH

OHHO

HCOOH+171-174oC1.76g

/

cm3139g

/

100ml2.984.34COOH

COOHH

OH

HO

HHO

H

H

OHCOOH

COOH±210-212oC1.70g

/

cm321g

/

100ml2.964.24COOHH

OHH

OHCOOHmeso146-148oC1.66g

/

cm3125g

/

100ml3.234.82内消旋体思考题OHHH

OH

H

OHOHHCH3

BrHBrH

CH3(3)(1)(2)下列化合物中，哪几个是内消旋化合物？解：（1）与（3）存在内消旋化合物习题及下列各对化合物属于对映体，非对映体，还是同一化合物？CH3CH3CH3

CH3(1)H

Br

H

ClH

Cl

H

BrH

Cl

Cl

HCH3

CH3(2)

CH3

CH3H

Br

H

BrBrClCH3FCH3Br(4)BrHCH3HCH3BrCHO

CHO

F

Cl(1)(4)对映异构体(2)非对映异构体(3)同一化合物(3)习题及例题：用R或S标记下列化合物名。

哪些是有旋光性的。性碳原子，并给以命ClClHBrBr(2)HCHO2CH

OHHOH(3)2CH(CH3)2H

Cl(4)CH=CHCH3ClCH3H

Br(1)H(1)(2S，3R)-2-氯-3-溴丁烷（光学活性）

(2)(1R，2S)-1，2-二溴-1，2-二氯乙烷（内消旋）(3)(R)-2，3-二羟基丙醛（光学活性）(4)(R)-3-氯-4-甲基-1-戊烯（光学活性）习题及CH3OHHHClHOCH2CH3

CH=CH2A.

(2S,3S)-3-chloro-2-pentanolCH3HH2H

NBrHHCOOHHOHFCH2C6H5SSRSSRRB.

(2R,3S)-3-amino-4-penten-2-olC.

(2S,3R,4R)-2-bromo-4-floro-3-hydroxy-5-phenylpentanoic

acid三、外消旋体的拆分1.手性分子的来源自然界:

糖类、氨基酸、生物碱、萜类、甾体化合物外消旋体的拆分不对称有机

反应获得手性分子的重要意义——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,

故对外消旋药物的识别、消化和降解过程也是不同的。三、外消旋体的拆分H2NCOOHNH2OH2NCOOHNH2ONNOOPhOn-BuH3CHNOOPhOn-BuCH3NH(S)-天冬酰胺苦味(R)-天冬酰胺甜味麻醉剂致痉挛巴比吐酸衍生物（一）晶种结晶法巴斯德，L.Louis

Pasteur(1822～1895)HHOCOONaOHHCOONH4COONaHO

HH

OHCOONH41848年，巴斯德借助放大镜拆分外消旋的酒石酸钠铵（二）化学法()

A(+)

B*(+)

A(-)

A(+)

B*(+)

B*拆分(+)

A(+)

B*(-)

A(+)

B*一对非对映体去除(+)B*去除(+)B*(+)

A(-)

A常用拆分试剂天然手性生物碱：(-)-

碱、(-)-奎宁、(-)-番木鳖碱、(+)-辛可宁手性酸：酒石酸、樟脑磺酸例:外消旋a-苯乙胺的化学拆分接下页在甲醇中溶解性差CH3

CH3H NH2

+

H2N

HPh

Ph外消旋体COOHHHOOHHCOOH(R,R)-(+)-酒石酸+CH2

COOH

NH3

H

OHPh

HO

HCOOH+HCH3PhH3NCOOHCOOHHOOHH非对映体（盐）甲醇冷却加热例:外消旋α

-苯乙胺的化学拆分接上页抽滤晶体CH3H

NH3PhCOOH

OHHO

HCOOHNaOHCH3H

NH2Ph(S)-(-)-苯乙胺滤液浓缩CH3H3N

HPhCOOH

OHHO

HCOOH得晶体NaOHCH3H2N

HPh(R)-(+)-苯乙胺分离（三）酶解法拆分例:DL-丙氨酸的酶解拆分COOHH2N

HCH3L-丙氨酸2COOHH

NHCH3D-丙氨酸(±)-丙氨酸Ac2OAcHNCOOHCH3NHAcCOOHCH3H

+

H+外消旋体（取自猪肾）选择性去乙酰基酰基转移酶COOHH2N

HCH3L-丙氨酸+溶于乙醇不溶于乙醇COOHH

NHAcCH3D-乙酰丙氨酸（四）色谱分离法HPLC用手性柱GC用手性柱第三节环烷烃的 异构顺式，内消旋体反式，1R,2R反式，1S,2S一、取代环烷烃的

异构（一）顺反异构和对映异构HOOCCOOHHHHHOOCHCOOHCOOH

HOOCH

H（二）环状化合物的对映异构分析（1）奇数环的情况ABBA

ABBAIII

IIIIVI-IV四个化合物中各有两个手性碳当A、B相同时，I和II为内消旋体当A、B不同时，I和II为对映异构体对于III和IV，则无论A、B是否相同，III和IV均为一对对映异构体（二）环状化合物的对映异构分析ClCl**ClClClCl****（二）环状化合物的对映异构分析（2）偶数环的情况BAA

BAAIIIIIIIVBBAABBBBA

BBAAA

AAB

B思考：A=B

和A

≠B两种情况有何不同？（三）取代环己烷的构象分析1、单取代环己烷HCHHHH123456HHCH1234565%95%甲基环己烷的构象HHHCH3HH

HH3CH

H

HCH3HHCH3H3C

H

HH

HHHHHHHCH3HHHHH丁烷的 取代基在a键的邻位交叉式构象

单取代环己烷构象丁烷的

取代基在e

键的对位交叉式构象

单取代环己烷构象叔丁基环己烷的构象C12345662345HHHHH

HHHHHH1HHHHHHHCCHCHHH

HCH

HHHH

H

HH3CH3C3H

C1.3-竖键作用非常大优势构象室温：100％2、二取代环烷烃CH3CH3eeCH3CH3CH3CH3aeea优势构象CH3aacis-1,2-二甲基环己烷trans-1,2-二甲基环己烷CH3能量相等2、二取代环烷烃cis-1,3-二甲基环己烷CH3CH3aaeeCH3H3C优势构象能量相等trans-1,3-二甲基环己烷aeeaCH3CH3CH3H3C2、二取代环烷烃aaeeH3CCH3CH3CH3优势构象cis-1,4-二甲基环己烷trans-1,4-二甲基环己烷能量相等aeeaCH3H3CCH3CH3不同基团二取代环己烷大基团总是占据e键1,

2-cis优势构象1,3-竖键作用较大2C(CH3)3H1

CH3HC2CH3H3CC(CH3)3112HHH3CCH3CH3HH取代烷烃的优势构象①椅式构象为稳定构象。②取代基占横键多的为优势构象。③体积大的基团处于横键是为优势构象。（四）二环环烷烃的构象HHHeeHee沸点oC

燃烧热187.3

5286195.7

5277反式较稳定例题H(H3C)3CC(CH3)3(1)(H3C)3CHH

(2)

CH3HO

OHHHH(3)Cl(4)Cl写出下列化合物最稳定的构象：（1）顺-1，3-二叔丁基环己烷（2）顺-1-甲基-4-叔丁基环己烷（3）顺-1，3环己二醇