立体化学名师优质课赛课一等奖市公开课获奖课件

第八章立体化学8.1手性和对映体8.2旋光性和比旋光度8.3含有一个手性碳原子化合物对映异构8.4构型表示法，构型确实定和构型标识8.5含有多个手性碳原子化合物立体异构8.7手性合成8.6外消旋体拆分8.9*不含手性碳原子化合物对映异构8.8环状化合物立体异构第1页第八章立体化学（Stereochemistry）立体化学是有机化学主要组成部分.它主要内容是研究有机化合物分子三度空间结构(立体结构),及其对化合物物理性质和化学反应影响.立体异构体定义：分子中原子或原子团相互连接次序相同，但在空间排列方向不一样而引发异构体。本章主要讨论立体化学中对映异构.第2页结构异构constitutional立体异构Stereo-碳链异构(如:丁烷/异丁烷)官能团异构(如:醚/醇)位置异构(如:辛醇/仲辛醇)构型异构configurational构象异构conformational顺反,Z、E异构对映非对映异构同分异构isomerism同分异构现象第3页20世纪60年代“反应停”事件，是一个经典药品造成胎儿畸形例子。当初一家西德药厂生产了一个治疗早期妊娠反应新药，有很好止吐作用。许多有呕吐反应早期妊娠妇女，服用此药后，可快速把妊娠反应性呕吐停住，因而取名为“反应停”。因为止吐效果显著，颇受早孕妇女欢迎。在很短时间里便风靡全世界。尤其是在十几个经济比较发达国家内，成为非常畅销药。不过随即很快，这些国家内不停出生了许多没有胳膊也没有腿海豹样新生婴儿。仅在生产此药西德，10个月中，就有5500多个这么怪胎出生。在英国也在短时间内，登记到这种怪胎就有8000多个。日本也发觉300多个。引言第4页镇静作用强烈致畸作用

反应停（halidomide，α-苯肽茂二酰亚胺，塞利多米）第5页以后经研究发觉，反应停是消旋体，其右旋体有镇静作用，而左旋体对胚胎有很强致畸作用。手性药品疗效极大差异促进了手性药品研究开发与及分离分析发展。当前普遍使用各种合成药品中有600余种为手性药品，而活性单一对映体药品不足100种，其余500余种都是左右旋混在一起消旋体药品。1997年，全世界100个热销药中，有50个是单一对映体（手性药品），手性药品已占世界医药市场半壁江山。从市场前景来看，手性药品研制大有可为。第6页8.1手性和对映体镜象与手性概念一个物体若与本身镜象不能叠合,叫含有手性.在立体化学中,不能与镜象叠合分子叫手性分子,而能叠合叫非手性分子.第7页生活中一些手性物体第8页例:乳酸(2-羟基丙酸CH3-CHOH-COOH)立体结构：乳酸两个模型关系象左手和右手一样,它们不能相互叠合,但却互为镜象.第9页分子对称性与手性关系考查分子对称性就能判断它是否含有手性。(1)对称轴(旋转轴)构想分子中有一条直线,当分子以此直线为轴旋转360º/n后,(n=正整数),得到分子与原来分子相同,这条直线就是n重对称轴.有2重对称轴分子(2-丁烯)第10页(2)对称面(镜面)有对称面分子构想分子中有一平面,它能够把分子分成互为镜象两半,这个平面就是对称面.第11页(3)对称中心构想分子中有一个点,从分子中任何一个原子出发,向这个点作一直线,再从这个点将直线延长出去,则在与该点前一线段等距离处,能够碰到一个一样原子,这个点就是对称中心.第12页(4)交替对称轴(旋转反应轴)构想分子中有一条直线,当分子以此直线为轴旋转360º/n后,再用一个与此直线垂直平面进行反应(即作出镜象),假如得到镜象与原来分子完全相同,这条直线就是交替对称轴.4(Ⅰ)旋转90º后得(Ⅱ),(Ⅱ)作镜象得(Ⅲ),(Ⅲ)等于(Ⅰ)有4重交替对称轴分子第13页对称性与手性关系:非手性分子—凡含有对称面、对称中心或交替对称轴分子.手性分子——既没有对称面,又没有对称中心,也没有4重交替对称轴分子,都不能与其镜象叠合,都是手性分子.对称轴有没有对分子是否含有手性没有决定作用.在有机化学中,绝大多数非手性分子都含有对称面或对称中心,或者同时还含有4重对称轴.没有对称面或对称中心,只有4重交替对称轴非手性分子是个别.手性分子普通判断:只要一个分子既没有对称面,又没有对称中心,就能够初步判断它是手性分子.第14页对映异构体互为镜象两种构型异构体叫做对映体.一对对映体结构相同,只是立体结构不一样,这种立体异构就叫对映异构.如乳酸是手性分子,故有对映体存在:凡是手性分子,必有互为镜象构型.分子手性是存在对映体必要和充分条件。第15页8.2旋光性和比旋光度8.2.1旋光性旋光性——一些物质能使偏振光振动方向旋转一定角度性质。右旋——(+)；左旋——(－)对映体普通物理性质(熔点,沸点,相对密度...,以及光谱)都相同,只有对偏振光作用不一样.第16页旋光性物质(或叫光活性物质)--含有旋光性物质.右旋物质（dextrorotatory）--能使偏正光振动方向向右旋物质.通惯用“d”或“+”表示右旋.

左旋物质（levorotatory）

--能使偏正光振动方向向左旋物质.通惯用“”或“-”表示左旋.

旋光度（observedrotation)--偏正光振动方向旋转角度.用“”表示.凡是手性分子都含有旋光性而非手性分子则没有旋光性8.2.2比旋光度（specificrotation）由旋光仪测得旋光度,甚至旋光方向,不但与物质结构相关,而且与测定条件(样品浓度,盛放样品管长度,偏正光波长及测定温度等)相关.第17页比旋光度--通常把溶液浓度要求为1g/mL,盛液管长度要求为1dm,并把这种条件下测得旋光度叫比旋光度.普通用[]表示.比旋光度只决定于物质结构.各种化合物比旋光度是它们各自特有物理常数.比旋光度测定与换算用任一浓度溶液,在任一长度盛液管中进行测定,然后将实际测得旋光度,按下式换算成比旋光度[]:式中:C--溶液浓度(g/mL);--管长(dm)第18页

表示比旋光度时，需要标明测量时温度、光源波长以及所使用溶剂。比如，在温度为20°C时，用钠光灯为光源测得葡萄糖水溶液比旋光度为右旋52.2°,应记为：[α]D20=+52.2°（水）“D”代表钠光波长。钠光波长589nm相当于太阳光谱中D线。比旋光度是旋光性物质一个物理常数。第19页8.3含有一个手性碳原子化合物对映异构手性碳原子概念—在有机化合物中，手性分子大都含有与四个互不相同基团相连碳原子。

这种碳原子没有任何对称原因,故叫不对称碳原子,或叫手性碳原子,在结构式中通惯用*标出手性碳原子。含有一个手性碳原子分子一定是手性分子第20页第21页例：乳酸CH3CHOHCOOH*右旋乳酸左旋乳酸熔点=53℃熔点=53℃外消旋体—由等量对映体相混合而成混合物.外消旋体不但没有旋光性，且其它物理性质也往往与单纯旋光体不一样。比如：外消旋体乳酸熔点为18℃.第22页乳酸分子模型和投影式8.4构型表示法，构型确实定和构型标识8.4.1构型表示法菲舍尔投影式菲舍尔投影式:两个竖立键—向纸面背后伸去键;两个横在两边键—向纸面前方伸出键.在纸面上旋转180º—不变；旋转90º或270º或翻身—镜象第23页不能离开纸面翻转。翻转180。，变成其对映体。在纸面上转动90。,270。，变成其对映体。在纸面上转动180。构型不变。保持1个基团固定，而把其它三个基团顺时针或逆时针地调换位置，构型不变。任意两个基团调换偶数次，构型不变。任意两个基团调换奇数次，构型改变。Fischer投影式转换规则能够结合后面R,S命名法验证上面规则第24页8.4.2构型确定—菲舍尔投影式、锲形式看不出左、右旋；旋光仪可测，但不能判断构型。甘油醛指定(Ⅰ)为右旋甘油醛构型，(Ⅱ)则为左旋甘油醛构型。以甘油醛这种人为构型为标准，再确定其它化合物相对构型——关联比较法。利用反应过程中与手性碳原子直接相连键不发生断裂，以确保手性碳原子在构型不发生改变。第25页构型与旋光方向是两个不一样概念，无必定联络。比如：指定右旋甘油醛为此构型。得出此相对构型乳酸为左旋（测）右旋酒石酸铷钠绝对构型：关联比较法得出此构型，测得结果为右旋。X光衍射直接确定右旋酒石酸铷钠与此推出构型一致。所以人为指定甘油醛构型也是其绝对构型。以此为标准确定其它相对构型也是绝对构型。第26页结构相同，构型不一样异构体在命名时，有必要对它们构型给以一定标识。如乳酸：CH3CHOHCOOH有两种构型。构型标识方法有两种：

8.4.3构型标识例：左旋乳酸：D-(-)-乳酸;右旋乳酸:L-(+)-乳酸D—L法（以甘油醛为对照标准）：右旋甘油醛构型定为D型，左旋甘油醛构型定为L型。凡经过试验证实其构型与D-相同化合物，都叫D型，在命名时标以“D”。而构型与L-甘油醛相同，都叫L型，在命名时标以“L”。D、L只表示构型，而不表示旋光方向。旋光方向以“+”(右旋)、“-”(左旋)表示。D／L标识法经典、方便，但它只能标出一个手性碳构型。当前，D／L标识法主要用于糖和蛋白质构型标识。第27页R-S标识法—是依据手性碳原子所连接四个基团在空间排列来标识：(1)先把手性碳原子所连接四个基团设为：a,b,c,d。并将它们按次序（3.3节次序规则）排队。(2)若a,b,c,d四个基团次序是a在先，b其次，c再次，d最终。将该手性碳原子在空间作以下安排：R-S标识法把排在最终基团d放在离观察者最远位置，然后按先后次序观察其它三个基团。几即从最先a开始，经过b，再到c轮转看。若轮转方向是顺时针，则该手性碳原子构型标识为“R”-（“右”意思）；反之，标识为“S”顺时针R反时针S基团次序为：a>b>c>d第28页(1)先将次序排在最终基团d放在一个竖立（即指向后方）键上。然后依次轮看a、b、c。(2)假如是顺时针方向轮转，则该投影式代表构型为R型；假如是逆时针方向轮转，则为S型。c顺时针逆时针

菲舍尔投影式中R-S标识法：若标识分子菲舍尔投影式中d是在竖键上基团次序为：a>b>c>d第29页顺时针方向轮转，则该投影式代表构型为S型；假如是逆时针方向轮转，则为R型。顺时针逆时针若标识分子菲舍尔投影式中d是在横键上基团次序为：a>b>c>d第30页比如：乳酸CH3CHOHCOOH手性碳原子四个基团排队：OH>COOH>CH3>H.所以乳酸两种构型可分别以下识别和标识：

(右旋):S-(+)-乳酸(左旋):R-(-)-乳酸第31页分子中有多个手性碳原子化合物,命名时可用R-S标识法将每个手性碳原子构型一一标出。左边C-2所连接四个基团次序:OH>CHOHCH2CH3>CH3>H左边C-3所连接四个基团次序:

OH>CHOHCH3>CH2CH3>H比如：(2S,3R)-2,3-戊二醇(2R,3S)-2,3-戊二醇第32页注意:R和S是手性碳原子构型依据所连基团排列次序所作标识.在一个化学反应中,假如手性碳原子构型保持不变,产物构型与反应物相同,但它R或S标识却不一定与反应物相同.反之,假如反应后手性碳原子构型发生了转化,产物构型R或S标识也不一定与反应物不一样.比如：第33页含有一个手性碳原子化合物有一对对映体。分子中若有多个手性碳原子，立体异构数目就要多些：若含有n个手性碳原子化合物，最多能够有2n种立体异构。有些分子立体异构数目少于2n这个最大数。8.5含有多个手性碳原子化合物立体异构例:2-羟基-3-氯丁二酸立体异构

这四种异构体中(I)和(II)是对映体;(III)和(IV)是对映体.(I)和(II)等量混合物是外消旋体；(III)和(IV)等量混合物也是外消旋体。第34页非对映体—(I)和(III)或(IV)以及(II)和(III)或(IV)也是立体异构，但它们不是互为镜象，不是对映体，这种不对映立体异构体叫做非对映体.非对映体旋光度不相同,而旋光方向则可能相同,也可能不一样,其它物理性质都不相同:2-羟基-3-氯丁二酸物理性质非对映体混合在一起,能够用普通物理方法将它们分离出来.第35页例:酒石酸立体异构有些分子立体异构数目少于2n这个最大数这四种异构体中(I)和(II)是对映体;(III)和(IV)是同一个物质(它们能够相互叠合).第36页(III)经过C(2)-C(3)键中心点垂直线为轴旋转180°,就能够看出它能够与(IV)是叠合:以黑点为中心在纸面上旋转180°在它全重合式构象中能够找到一个对称面。在它对位交叉式构象中能够找到一个对称中心。第37页所以,(III)和(IV)是同一个分子。(III)既然能与其镜象叠合，它就不是手性分子。所以也没有旋光性。—这种物质叫内消旋体（mesocompound）。内消旋体与外消旋体均无旋光性，但它们本质不一样.第38页比如：戊醛糖（2,3,4,5-四羟基戊醛）:含有三个手性碳原子化合物最多可能有23=8种立体异构。第39页假如把戊醛糖两端氧化成羧基,就只有四种立体异构体了：像(III)、(IV)即使有手性碳原子，却非手性分子:所以C-3这么不能对分子手性起作用手性碳原子，叫做假手性碳原子.(III)、(IV)中C-3是手性原子（C-2和C-4所连基团虽结构相同，但构型不一样）。第40页—在立体化学中，含有多个手性碳原子立体异构体中，只有一个手性碳原子构型不相同，其余构型都相同非对映体，又叫差向异构体。例1：内消旋酒石酸与有旋光性酒石酸只有一个碳原子构型相同，所以它们是差向异构体：IIIIIIIV

(2R,3R)(2S,3S)(2R,3S)(2S,3R)差向异构体内消旋第41页

例2：(I)和(II)、(I)和(III)、(I)和(IV)也都是差向异构体第42页在ToMarket数据库中收载了1983-大多数获准手性转换。1983～间按照手性特征分类世界同意药品中，非手性体占38%、消旋体占23%和单一对映体占39%(其中多个手性中心占33%,单个手性中心占6%)。1991～美国FDA同意药品其对应百分比为42%、14%和44%(36%,8%)。总体来看，全世界同意药品中单一对映体超出非手性体，而消旋体仅占小部分。8.6外消旋体拆分引言第43页

外消旋体是由一对对映体等量混合而成，对映体除旋光方向外，其它物理性质均相同。用普通物理方法（分馏、分步结晶等）不能把一对对映体分离开来。必须用特殊方法。拆分—将外消旋体分离成旋光体过程叫“拆分”。拆分方法普通有以下几个：（1）机械拆分法：利用外消旋体中对映体结晶形态上差异，借肉眼直接识别，或经过放大镜进行识别，而把两种结晶体挑捡分开。(当前极少用)如巴斯德（Pasteur，1848年法国化学家），拆分酒石酸钠铵。8.6外消旋体拆分第44页（2）微生物拆分法：利用一些微生物或它们所产生酶，对对映体中一个异构体有选择分解作用。第45页（3）选择吸附拆分法：用某种旋光性物质作为吸附剂，使之选择性地吸附外消旋体中一个异构体（形成两个非对映吸附物）。（4）诱导结晶拆分法（晶种结晶法）：在外消旋体过饱和溶液中，加入一定量一个旋光体纯晶体作为晶种，于是溶液中该旋光体含量多，在晶种诱导下优先结晶析出。第46页（5）化学拆分法：将外消旋体与旋光性物质作用，得到非对映体混合物，依据非对映体不一样物理性质，用普通分离方法将它们分离。如酸：第47页对于酸，拆分步骤可用以下通式表示：拆分酸时，惯用旋光性碱主要是生物碱，如：（-）-奎宁、（-）-马钱子碱、（-）-番木鳖碱；拆分碱时，惯用旋光性酸是酒石酸、樟脑--磺酸等。第48页*对非酸非碱外消旋体，能够设法在分子中引入酸性基团，然后按拆分酸方法拆分；也能够选适当旋光性物质与外消旋体作用而生成非对映体混合物，然后分离。比如：拆分醇时（方法1）先使醇与丁二酸酐或邻苯二甲酸酐作用生成酸性酯：

然后再将这种含有羧基酯与旋光性碱作用生成非对映体后分离。第49页（方法2）：或者使醇与以下旋光性酰氯作用，形成非对映体酯混合物，然后分离：拆分醛、酮时，可使醛、酮与以下旋光性肼作用，然后分离：(-)第50页（6）柱层析法（±）-A洗脱液手性物质第51页经过化学反应,能够在非手性分子中形成手性碳原子:例1:烷烃氯化例2:丙酮酸还原2-氯丁烷2-羟基丙酸这两个反应产物并不含有旋光性。——外消旋体。8.7手性合成由非手性分子合成手性分子时，产物是外消旋体。若在反应时存在某种手性条件，则新手性碳原子形成时，两种构型生成机会不一定相等（对映体之一含量稍多些）。——这种不经过拆分直接合成出含有旋光性物质方法，叫手性合成（或不对称合成）。第52页例：-酮酸直接还原，只能得到外消旋-羟基酸；若将酮酸先与旋光性醇作用，生成旋光性酮酸酯后再还原，最终水解，则得到含有旋光性羟基酸：在手性基团影响下，新手性碳原子两种构型生成机会不是均等。而是左旋体含量多于右旋体混合物。第53页——不对称合成方法：利用各种手性化学试剂合成。利用一些微生物或酶高度选择性来进行不对称合成。——起使原料为非手性分子，但在合成过程中有手性分子参加反应，所以叫部分手性合成。

假如在整个反应中没有手性分子参加，只是在某物理原因影响下进行手性合成，叫绝对手性合成。第54页【实例】左旋多巴合成（+）多巴没有活性。第55页据报道，美国NeutraSweet企业利用左旋天冬氨酸与左旋苯丙氨酸两种手性中间体为原料，合成出一个新型高甜度甜味剂，其甜度比当前畅销国际市场甜味剂天冬甜肽还要高40倍，为蔗糖8000倍，食品或饮料中只要添加一点点这种新型手性甜味剂，即可产生纯粹甜味且食后不会使人发胖。类似这么产品一旦投放市场，其前景难以估量。

例：诺贝尔化学奖美国科学家威廉·诺尔斯与日本科学家野依良治以及美国科学家巴里·夏普莱斯，以表彰他们在“手性催化氢化反应”和“手性催化氧化反应”领域所作出贡献，这正表明不对称合成正在发展成为当前最热门研究课题之一。

第56页例

CH3CH2CH=CH2+HBr补充：立体化学在反应历程研究中应用第57页例：

Z-2-戊烯+Br2第58页环烷烃只要在环上有两个碳原子各连有一个取代基,就有顺反异构。如环上有手性碳原子,则还有对映异构现象；可把环看成是平面多边形，其结果与实际情况一致。看要考查碳原子所在环：左右是否含有对称性，若无对称性则相当于两个不一样官能团，则该碳原子是手性碳原子。环状化合物手性碳原子判断：有环状化合物虽有手性碳原子，但分子可能是非手性！（如内消旋体）8.8环状化合物立体异构第59页例1：2-羟甲基环丙烷-1-羧酸（四种立体异构体）对映体对映体第60页例2：将2-羟甲基环丙烷-1-羧酸氧化成环丙烷二羧酸，（三种立体异构体，有一个内消旋体）。(II)和(III)是一对对映体,(I)和(II)或(III)是非对映体.对映体内消旋体第61页例3:二元取代环丁烷立体异构数目与取代基位置相关:环丁烷-1,3-二羧酸环丁烷-1,2-二羧酸第62页在有机化合物中,也有一些手性分子并不含有手性碳原子.这些手性分子都有对映体存在.例1:丙二烯中间C为sp杂化:当第一和第三个碳原子分别连有不一样基团时,整个分子就是一个手性分子,因而有对映体存在:C8.9*不含手性碳原子化合物对映异构第63页（补充）.两个相互垂直四元环也可组成手性轴!螺环化合物类似于丙二烯型化合物2,6-二甲基螺[3,3]庚烷第64页例2:联苯(邻位上有较大取代基时):对映体两个苯环不在一个平面