第五章-立体化学名师优质课赛课一等奖市公开课获奖课件

第五章立体化学（Stereochemistry）第1页主要内容立体异构体、旋光性手性分子和非手性分子、手性碳对映异构体和非对映异构体立体结构表示方法、命名第2页二.立体异构

由原子或基团空间排列或取向不一样所产生异构现象。一.立体化学(Stereochemistry)立体化学——以三维空间研究分子结构和性质科学研究内容：构象异构体（可相互转化）构型异构体（顺反异构）（不能相互转化）第一节立体化学和立体异构现象第3页构型异构体构象异构体几何异构体(顺反异构）旋光异构体交叉式构象重合式构象结构异构体

同分异构体（结构异构体）立体异构体碳架异构体官能团位置异构体官能团异构体互变异构体第4页自然界中对映体镜象沙漠胡杨第5页在立体化学中,不能与镜象叠合分子叫手性分子,而能叠合叫非手性分子.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.左手和右手不能叠合左右手互为镜象第6页例:乳酸(2-羟基丙酸CH3-CHOH-COOH)立体结构：乳酸分子模型图两个乳酸模型不能叠合

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7页手性(chirality)：实物和其镜像不能重合现象

ChiralisderivedfromtheGreekwordcheiros,meaning“hand”.手性分子（chiral

molecules）：有手性现象分子二者不能重合手性分子镜像转180o第8页第二节对映异构（enantiotropy)一.偏振光、旋光仪和旋光度1.偏振光普通光经过尼可尔棱镜后产生只能在一个平面振动光。这种只能在一个平面振动光为偏振光3.旋光物质能使平面偏振光旋转一定角度物质称为旋光性物质。2.

旋光仪：用于测定偏振光旋转角度仪器第9页*4.旋光度()影响旋光度原因(a)被测物质;(b)溶液浓度;(c)盛液管长度;(d)测定温度;(e)所用光波长在旋光仪中被测出使偏振光旋转角度称为旋光度。第10页*5比旋光度25D=+90.01。Na:λ=5869AHg:λ=5461A(C1.15,C2H5OH)[][]tD盛液管为1分米长，被测物浓度为1g/ml时旋光度。oo第11页手性碳——手性分子特征连有四个不一样基团碳原子手性碳(chiralcarbon)手性中心(Chiralcenter)手性碳标识****例：*.二旋光性和分子结构关系三.手性碳、手性分子和对映异构体1.手性碳巴斯德，L.LouisPasteur(1822～1895)分子手性是产生对映异构体原因第12页

2.手性分子

3.对映异构体互为镜象两种构型异构体叫做对映异构体－－含有旋光性分子凡是手性分子,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.一对对映体结构相同,只是立体结构不一样,且呈镜像关系，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:乳酸对映体第13页非手性分子二者相互重合非手性分子镜像转60o非手性分子：与镜像相重合（非手性分子不含有手性碳）转180o二者完全重合非手性分子第14页4.对映体性质差异物理性质:除旋光方向不一样外，其余性质都相同化学性质：对映体在非旋光性试剂中，其化学性质相同；但当碰到本身含有旋光试剂，则其反应速率、有否效果则完全不一样。第15页(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第16页(R)型,有效，不致畸形(S)型，致畸形Thalidomide(反应停)——镇静和止吐药品(-)-L-DOPA

治疗帕金森氏病(+)-D-DOPA在体内集聚，不能被代谢第17页因为旋光性试剂加入，使对映体化学性质改变条件

使对映体表现出相同化学性质条件手性条件：非手性条件：第18页四.旋光产生原因和外消旋体有旋光性物质产生旋光非旋光性物质无旋光对映体等量混合，无旋光。外消旋体：对映体等量混合物称外消旋体。第19页五.手性分子判断方法最直接法:画其对映体，看是否重合2.观察有没有手性碳：若分子只含有一个手性碳，即为手性分子分子含有二个以上手性碳，情况较为复杂第20页对称原因包含：3.寻找分子中有否对称原因(1)对称轴(旋转轴)(2)对称面(镜面)(3)对称中心(4)交替对称轴(旋转反应轴)含有（2），（3），（4）其中之一，便是非手性分子第21页——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)(1)对称轴(旋转轴)含有对称轴分子并不一定为非手性分子第22页——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.有对称面分子(氯乙烷)(2)对称面(镜面)含有对称面分子一定是非手性分子第23页——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.有对称中心分子(3)对称中心含有对称中心分子一定是非手性分子第24页——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.(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(4)交替对称轴(旋转反应轴)4含有交替对称轴分子一定是非手性分子第25页A:非手性分子——凡含有对称面、对称中心或交替对称轴分子.B:手性分子——既没有对称面,又没有对称中心,也没有交替对称轴分子,都不能与其镜象叠合,都是手性分子.C: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,或者同时还含有交替对称轴.没有对称面或对称中心,只有交替对称轴非手性分子是个别.对称性与手性关系: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26页1.含有手性碳化合物一个手性碳原子能够有两种构型（21）。含有手性物质和分子中有没有手性碳原子无关.

含有一个手性碳原子分子一定是手性分子；（1）.含有一个手性碳原子化合物六.手性分子类型第27页例：乳酸CH3CHOHCOOH*右旋乳酸-熔点=53℃左旋乳酸-熔点=53℃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℃.外消旋体—由等量对映体相混合而成混合物.乳酸第28页菲舍尔投影式: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.构型表示法，构型确实定和构型标识手性分子构型表示法（1）Fischer投影式伞形式Fischer投影式Fischer投影式不是立体结构式第29页不能离开纸面翻转。翻转180。，变成其对映体。不能在纸面上转动90，270。，不然变成其对映体。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。Fischer投影式书写时几点注意事项第30页含有一个手性碳原子化合物有一对对映体(21)。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。（2）含有多个手性碳原子化合物立体异构A.含有两个不一样手性碳化合物和非对映异构体第31页例:2-羟基-3-氯丁二酸HOOC-CH-CH-COOH立体异构OHCl**

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32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: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.2-羟基-3-氯丁二酸物理性质第33页例:酒石酸HOOC-CH-CH-COOH立体异构OHOH**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).立体异构体数目为3<22

IIIIIIIV

(2R,3R)(2S,3S)(2R,3S)(2S,3R)B.含有两个相同手性碳化合物和内消旋体这些分子立体异构数目少于2n这个最大数第34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°第35页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。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。因此也没有旋光性。—这种物质叫。内消旋体内消旋体与外消旋体均无旋光性，但它们本质不一样.第36页酒石酸之所以有内消旋体，是因为它两个手性碳原子所连接基团结构完全相同。当这两个手性碳原子构型相反时，它们在分子内能够相互对映，所以，整个分子不再含有手性。含有多个手性碳原子分子却不一定都有手性.所以:不能说凡是含有手性碳原子分子都是手性分子.内消旋酒石酸(III)和有旋光性酒石酸(I)或(II)是非对映体,它不但没有旋光性,而且物理性质也相差很大：小结酒石酸物理性质酒石酸熔点/℃[α]（Ⅰ）右旋（Ⅱ）左旋（Ⅲ）内消旋170170146+12°-12°0°外消旋体206第37页比如：戊醛糖（2,3,4,5-四羟基戊醛）:C.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38页除碳外,还有一些元素(如Si、N、S、P、As等)共价键化合物也是四面体结构，当所连基团互不相同时，该原子也是手性原子。含有这些手性原子分子也可能是手性分子。比如：都是手性分子，都有对映体存在。和*含有其它手性原子化合物对映异构第39页2.一些不含手性碳手性分子丙二烯型（含有两个相互垂直平面）比较：与镜像无法重合，是手性分子有对称面，为非手性分子第40页螺环型与镜像无法重合，是手性分子联苯型(位阻型)大基团使单键旋转受阻第41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：（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”。

例：左旋乳酸：D-(-)-乳酸;右旋乳酸:L-(+)-乳酸二.手性碳构型表示方法1.过去惯用D—L法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。第42页甘油醛现指定（Ⅰ）为右旋甘油醛构型（D型），（Ⅱ）则为左旋甘油醛构型（L）型。

第43页D-L标识法只表示出分子中只有一个手性碳原子构型，对含有多个手性碳原子化合物，这种标识不适当，有时甚至会产生名称上混乱。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：2.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”第44页比如：R-S标识法RS顺时针反时针基团次序为：a>b>c>d第45页（3）.手性碳绝对构型——R/S方法，手性化合物命名例：2-丁醇选择优先次序最小原子或基团远离观察者，其余原子或基团依优先次序排列(S)-2-丁醇(R)-2-丁醇有一个手性碳沿C-H方向S型（逆时针方向）R型（顺时针方向）第46页（4）.基团优先次序（Cohn-Ingold-Prelog定序规则）（第二章p39）（a）原子序数大者优先，同位素质量大者优先如：I>Br>Cl>S>P>F>O>N>C>D>H（b）基团第一个原子相同时，比较与其相连下一个原子如：-CH2CH3>-CH3-CH2Cl>-CH2F

-CH2OCH3>-CH2OH

-CH(CH3)2>-CH2CH(CH3)2第47页（c）对不饱和基团，可认为与同一原子连接2或3次如：例:第48页例:比较以下基团优先次序12第49页比如：乳酸CH3CHCOOH手性碳原子四个基团排队：OHOH>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50页例:2,3-丁二醇三个立体异构体命名非手性分子S型S型(2S,3S)-2,3-丁二醇第51页R型R型S型S型(2S,3R)-2,3-丁二醇或(2R,3S)-2,3-丁二醇(2R,3R)-2,3-丁二醇非手性分子第52页三.手性分子取得取得手性分子主要意义——药品与人类关系组成生命体系生物大分子主要部分大多数是以一个对映体形式存在。故药品与其作用也是以手性方式进行，生物体酶和细胞表面受体是手性,故对外消旋药品识别、消化和降解过程也是不一样。手性分子起源自然界:糖类、氨基酸、生物碱、萜类、甾体化合物外消旋体拆分不对称有机合成反应第53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。3.外消旋体取得第54页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）。4.手性合成第55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）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)（2）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。四.外消旋体拆分机械拆分法：微生物拆分法：第56页外消旋体拆分（Resolution）巴斯德，L.LouisPasteur(1822～1895)1848年，巴斯德借助放大镜拆分外消旋酒石酸钠铵第57页（3）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）（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。（5）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：选择吸附拆分法：诱导结晶拆分法化学拆分法：第58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59页仪器拆分（GC,HPLC…）HPLC用手性柱GC用手性柱第60页例:外消旋a-苯乙胺化学拆分接下页在甲醇中溶解性差第61页接上页第62页酶解法拆分（利用酶选择性反应进行拆分）例:DL-丙氨酸酶解拆分选择性去乙酰基第63页不对称合成(AsymmetricSynthsis)——选择性地生成立体异构体选择性地生成非对映异构体例1：手性底物控制选择性衡量标准：非对映体过量,％d.e.(diastereomericexcess)第64页WilliamS.KnowlesRyojiNoyoriK.BarrySharplessTheNobelPrizeinChemistry"fortheirworkonchirallycatalysedhydrogenationreactions""forhisworkonchirallycatalysedoxidationreactions"第65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。六.环状化合物立体异构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：薄荷醇平面式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）几个*？几个光学异构体?8个第66页1.平面小环化合物例1：2