有机化学对映异构全面剖析

有机化学对映异构全面剖析第1页，课件共65页，创作于2023年2月8.掌握烯烃亲电加成反应的立体化学。1.掌握平面偏振光、旋光性、比旋光度等概念。2.掌握对映异构现象与分子结构的关系；3.掌握对映体、非对映体、外消旋体、内消旋体、手性、对称因素等概念；4.掌握fischer投影式使用规定，及与Newman式、楔形式、锯架式的转换；5.掌握含有一个和两个手性碳原子化合物的对映异构及R、S命名规则；6.了解环状化合物及不含手性碳原子化合物的对映异构；7.了解外消旋体的拆分原理；教学要点：第2页，课件共65页，创作于2023年2月同分异构现象碳链异构(如:丁烷/异丁烷)官能团异构(如:醚/醇)位置异构(如:辛醇/仲辛醇)互变异构(如：酮与烯醇)顺反异构对映异构构造异构constitutional立体异构stereo-同分异构isomerism构型异构configurational构象异构conformational环，双键的存在不能使碳碳键旋转造成的碳碳键旋转的结果分子式相同、构造式相同，构型不同且互为镜像对映关系的立体异构现象。第3页，课件共65页，创作于2023年2月第一节物质的旋光性一、平面偏振光和旋光性只在一个平面上振动的光称为平面偏振光第4页，课件共65页，创作于2023年2月水、酒精乳酸、葡萄糖物质的旋光性：能使偏光振动平面旋转的性质旋光物质(光学活性物质)：具有旋光性的物质旋光物质能使偏光振动平面向右旋称为右旋体，用“+”表示；能使偏光振动平面向左旋称为左旋体，用“-”表示。旋光物质使偏光振动平面旋转的角度称为旋光度，用a表示第5页，课件共65页，创作于2023年2月二、旋光仪和比旋光度1.旋光仪ABCDEF第6页，课件共65页，创作于2023年2月第7页，课件共65页，创作于2023年2月2.比旋光度t为测时温度，l为测定时光的波长一般采用钠光（波长为589nm，用D表示）。为了能比较物质的旋光性能，通常规定：1mL含1g旋光物质的溶液，放在1dm(10cm)长的盛液管中测得的旋光度为该物质的比旋光度。影响旋光度的因素:(a)被测物质;(b)溶液的浓度;(c)盛液管长度;(d)测定温度;(e)所用光的波长溶剂对比旋光度也有影响,所以也要注明溶剂.例:在20℃时,以钠光灯为光源测得葡萄糖水溶液的比旋光度为右旋52.5°,记为:第8页，课件共65页，创作于2023年2月计算公式：纯液体任一浓度的溶液式中:C--溶液浓度(g/mL);l--管长(dm)例：20℃下用钠光灯测定某葡萄糖水溶液的旋光度，所用管长为1dm，测定的旋光度a为+3.2°。已知葡萄糖在水中的比旋光度为+52.5°，求这个溶液的质量浓度。第9页，课件共65页，创作于2023年2月第二节对映异构现象与分子结构的关系一、对映异构现象的发现1．1808年，E．Malus首次发现偏光。2．1815年，J．B．Biet发现有些石英结晶将偏光向右旋，有些将偏光向左旋。3．1848年，LouisPasteur首次成功地把一个外消旋体分成右旋及左旋体。第10页，课件共65页，创作于2023年2月4．1874年，VantHof和Le.Bel提出，如果一个C原子连有四个不同基团，这四个基团在C原子周围可以有两种不同的排列形式，有两种不同的四面体空间构型，它们互为镜象，和左右手之间的关系一样，外形相似，但不能重合。第11页，课件共65页，创作于2023年2月生活中的镜像第12页，课件共65页，创作于2023年2月左右手互为镜象C*连四个不同基团的中心C原子称不对称C原子，又称手性C原子。用C*表示。第13页，课件共65页，创作于2023年2月二、手性和对称因素左手和右手不能叠合左右手互为镜象第14页，课件共65页，创作于2023年2月一个物体若与自身镜象不能叠合,叫具有手性.在立体化学中,不能与镜象叠合的分子叫手性分子,而能叠合的叫非手性分子.乳酸的两个模型的关系象左手和右手一样,它们不能相互叠合,但却互为镜象.在有机化学中,凡是手性分子都具有旋光性(有些手性分子旋光度很小);而非手性分子则没有旋光性.第15页，课件共65页，创作于2023年2月在生物体内，大量存在手性分子。如D–(+)–葡萄糖在动物代谢中有营养价值，D–(-)–葡萄糖没有。左旋氯霉素有抗菌作用，而其对映异构体无疗效。在药物中，手性化合物占50%以上。一对对映异构体是两种不同的化合物，它们的化学性质、物理性质无差别，差别是对偏振光有不同的反映。一个可以把偏振光向左旋，另一个则把偏振光向右旋。偏振光是检验手性分子的一种最常用的方法。第16页，课件共65页，创作于2023年2月对称因素1.对称面(s)定义：若有一个平面，能将分子切成两部分，一部分正好是另一部分的镜象，这个平面就是这个分子的对称面。HCCClClH第17页，课件共65页，创作于2023年2月平面内翻转一定角度，实物和镜象重叠。它们是一种化合物。分子中有一个对称面。有两个对称面：平面内翻转180度，实物和镜象重叠。第18页，课件共65页，创作于2023年2月结论：有对称面的分子，实物和镜象能重叠，无手性，无对映异构体，无旋光性。无数个σ2个σ1个σ第19页，课件共65页，创作于2023年2月2.对称中心(i)定义：分子中有一点i，以分子任何一点与其连线，都能在延长线上找到自己的镜象，则i点为该分子的对称中心。第20页，课件共65页，创作于2023年2月i有对称中心的分子，实物和镜象能重叠，无手性，无对映异构体，无旋光性。iHCOOHCOOHHCH3CH3HHCOOHHHCOOHHHCH3CH3第21页，课件共65页，创作于2023年2月3.对称轴定义:穿过分子画一直线,以它为轴旋转一定角度后,可以获得于原来分子相同的构型,这一直线叫对称轴.当分子沿轴旋转360°/n，得到的构型与原来的分子相重合，这个轴即为该分子的n重对称轴，用Cn表示。线型分子有C∞对称轴第22页，课件共65页，创作于2023年2月对称轴不能作为分子有无光学活性的判据。HHHClClHHHHClClH第23页，课件共65页，创作于2023年2月判别手性分子的依据A非手性分子--凡具有对称面或对称中心B手性分子--既没有对称面,又没有对称中心的分子,都不能与其镜象叠合,都是手性分子.C对称轴的有无对分子是否具有手性没有决定作用.有σ，无手性无σ，无i有手性有i，无手性第24页，课件共65页，创作于2023年2月第三节含有一个手性碳原子的化合物的对映异构一、对映体含有一个不对称碳原子的化合物有两个互为镜象的对映体。两个对映体都有手性。乳酸第25页，课件共65页，创作于2023年2月通常对映异构体的物理性质和化学性质都相同，差别就是旋光方向不同。20(–)–乳酸m.p53℃[α]D

–3.82pKa3.97例(+)–乳酸m.p53℃[α]D

+3.82pKa3.9720但在特殊条件下，对映异构体的性质有差别，即在手性条件下（手性试剂、手性溶剂、手性催化剂存在下）左旋、右旋的物理性质和化学性质相差特别大。例：右旋葡萄糖在生物体内作用很大。氯霉素左旋可以治病而右旋不能。第26页，课件共65页，创作于2023年2月二、外消旋体定义：对映体中等量左、右旋体的混合物。用(±)表示①外消旋体没有旋光性。②外消旋体和相应的左旋或右旋，除旋光性能不同外，其它物理性质也有差异，化学性质则基本相同。2.性质(±)–乳酸m.p18℃(+)–乳酸m.p53℃(–)–乳酸m.p53℃③在生理作用方面，外消旋体仍各发挥其所含右旋和左旋的相应效能。第27页，课件共65页，创作于2023年2月三、构型表示方法---费歇尔投影式竖线在纸面下，横线在纸面上方。(横前竖后)主碳链竖的排列，氧化最高的C原子放在碳链的顶端。手性碳在纸面上第28页，课件共65页，创作于2023年2月①投影式在纸面上旋转180°，其构型不变。使用E.Fischer投影式注意问题CH3COOHHHOCH3COOHHHO旋转180°ABA=B第29页，课件共65页，创作于2023年2月投影式不能在纸面上旋转90°、270°,变成其对映体。CH3COOHHHOCH3COOHHHO旋转90°AB第30页，课件共65页，创作于2023年2月⑥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。⑤任意两个基团调换奇数次，构型改变。④任意两个基团调换偶数次，构型不变。③投影式不能离开纸面翻转180°。第31页，课件共65页，创作于2023年2月透视式这种表示方法比较生动形象，缺点是书写不方便。

将手性碳原子表示在纸面上，用实线表示在纸面上的键，虚线表示伸向纸后方的键，用锲形实线表示伸向纸前方的键。第32页，课件共65页，创作于2023年2月第四节含两个手性碳原子的化合物的对映异构一、含有两个不同手性C原子的化合物两个手性碳原子所连的四个基团是不完全相同。第33页，课件共65页，创作于2023年2月其中:Ⅰ和Ⅱ,Ⅲ和Ⅳ是对映体；Ⅰ和Ⅲ，Ⅰ和Ⅳ，Ⅱ和Ⅲ，Ⅱ和Ⅳ为非对映异构体。非对映异构体：不呈镜象对映关系的立体异构。简称非对映体a.物理性质不同。b.比旋光度也不同,旋光方向可能一样,也可能不一样.c.化学性质相似.性质：第34页，课件共65页，创作于2023年2月随手性C原子数目增多，其对映异构体的数目也增多。分子中有n个不相同的手性C原子时，就可有2n个对映异构。可组成2n-1个外消旋体。二、含有两个相同手性C原子的化合物第35页，课件共65页，创作于2023年2月(Ⅲ)=(Ⅳ)内消旋体:由于分子中含有两个相同的手性C原子,分子的两半部分互为物体与镜象关系,从而使分子内部旋光性相互抵消的光学活性化合物为内消旋体。用meso表示。第36页，课件共65页，创作于2023年2月凡是含有两个相同的不对称C原子的化合物,都有三种立体异构体:一个是左旋的,一个是右旋的,一个是内消旋的。内消旋体和外消旋体③外消旋体是混合物，可分离出具有旋光性的两种物质。①都不具有光学活性。②内消旋体是一种纯物质，不能分离成具有旋光性的化合物。

mp[]D(水)溶解度(g/100ml)pKa1pKa(+)-酒石酸170oc+12.01392.984.23(-)-酒石酸170oc-12.01392.984.23()-酒石酸(dl)206oc020.62.964.24meso-酒石酸140oc01253.114.80第37页，课件共65页，创作于2023年2月第五节构型的R、S命名规则R-S标记法—是根据手性碳原子所连接的四个基团在空间的排列来标记的：(1)先把手性碳原子所连接的四个基团设为：a,b,c,d。并将它们按次序排队。a>b>c>d(2)方向盘法：最小基团d放在操作杆上，从d的对面看，a→b→c，顺时针为R,反时针为S.第38页，课件共65页，创作于2023年2月RS顺时针反时针基团次序为：a>b>c>d第39页，课件共65页，创作于2023年2月次序规则a.原子序数大小规则,序数大的原子优先。b.同位素规则:原子量大优先。c.外推规则:层层外推，先比较第一个原子，若第一个原子相同，则顺次比较与第一个原子相连的原子。如果第二个原子相同，则比较第三个原子，依次类推。-OR>-OH,-CH2Cl>-CH3,-NR2>-NHR>-NH2d.相当规则:含有双键或三键时，认为连有两个或三个相同原子(O)－C－OH(C)－C－HO－C＝CH2H(C)－C－CH2H(C)－C－RO>－C－HO>CH2OH第40页，课件共65页，创作于2023年2月S构型R构型S构型R构型S构型CHOHCOOH=S构型第41页，课件共65页，创作于2023年2月三角形法按大小顺序画三角形，最小基团在竖线上，顺R反S最小基团在横线上，顺S反RC-2所连接的四个基团的次序:OH>CHOHCH2CH3>CH3>HC-3所连接的四个基团的次序:OH>CHOHCH3>CH2CH3>HSR(2S,3R)-2,3-戊二醇第42页，课件共65页，创作于2023年2月COOHHHOCOOHHOHSR第43页，课件共65页，创作于2023年2月①R/S构型与物质的旋光性之间没有必然的联系。②R构型的对映体一定是S构型。③内消旋体中两个手性C原子,其中一个是R构型,另一个S构型。④一个手性C原子的构型为R或S,与所连的原子或基团在空间的相对位置次序有关。第44页，课件共65页，创作于2023年2月第六节环状化合物的立体异构一、环丙烷衍生物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。环状化合物手性碳原子的判断：看考察的碳原子所在的环：左右是否具有对称性，若无对称性则相当于两个不一样的官能团，则该碳原子是手性碳原子。有的环状化合物虽有手性碳原子，但分子可能是非手性的！（如内消旋体）第45页，课件共65页，创作于2023年2月对映体对映体例1：2-羟甲基环丙烷-1-羧酸（四种立体异构体）第46页，课件共65页，创作于2023年2月例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）。对映体内消旋体(II)和(III)是一对对映体,(I)和(II)或(III)是非对映体.第47页，课件共65页，创作于2023年2月二、环己烷衍生物例：最稳定的构象是：既无σ又无i，有对映异构体①②③①既无σ又无i，有对映异构体②，但由于单键的旋转，①可转为③，而③与②是相同的。所以①无对映异构体。由构象引起的对映异构体可不考虑，将环作为一个平面对待。第48页，课件共65页，创作于2023年2月只要找出一个构象有对称面或有对称中心，可认为它无手性。有σ无手性有i无手性无σ、i有手性无σ、i有手性第49页，课件共65页，创作于2023年2月第七节不含手性碳原子化合物的对映异构一、丙二烯化合物由于所连的四个取代基两两各在相互垂直的平面，整个分子就没有对称面和对称中心，而且有手性。两个π平面相互垂直。第50页，课件共65页，创作于2023年2月如在任何一端的碳原子上连有相同的取代基，因分子中就有对称面，而不具有旋光性（即分子中就有一个平面的对称因素，光活性异构体就不存在。CCCABAA第51页，课件共65页，创作于2023年2月二、键旋转受阻碍的联苯型化合物邻位上有较大取代基时如果两个苯环上的取代基分布不对称,整个分子就具有手性.(6,6’-二硝基-2,2’-联苯二甲酸)第52页，课件共65页，创作于2023年2月三、含有其他手性中心的化合物若在一个或两个苯环上所连的两个取代基是相同的，这个分子就有对称面，而没有旋光性。1.其它手性原子：N、P、S、Si等H3CPC6H5C2H5第53页，课件共65页，创作于2023年2月2.类似丙二烯的螺环化合物。即两个环来代替二个双键，有旋光性。例：2,6-二羧基螺[3,3]庚烷就有两个对映异构体。3.还有一种扭曲型的化合物虽不具有手性C原子，但由于分子不具有对称面和对称中心。也有对映异构体存在。第54页，课件共65页，创作于2023年2月第八节外消旋体的拆分正丁烷氯代反应得到的2-氯丁烷为外消旋体。CHCH3C2H5Cl2(1)(2)CHCH3C2H5ClCHCH3C2H5Cl(1)(2)第55页，课件共65页，创作于2023年2月将外消旋体分离成旋光体的过程称为外消旋体的拆分。(2)微生物拆分法：利用某些微生物或它们所产生的酶，对对映体中的一种异构体有选择的分解作用。拆分的方法一般有以下几种：(1)机械拆分法：利用外消旋体中对映体的结晶形态上的差异，借肉眼直接辨认，或通过放大镜进行辨认，而把两种结晶体挑捡分开。(目前很少用)(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的一种异构体(形成两个非对映的吸附物)。第56页，课件共65页，创作于2023年2月(5)化学拆分法：将外消旋体与旋光性物质作用，得到非对映体的混合物，根据非对映体不同的物理性质，用一般的分离方法将它们分离。如酸：(4)诱导结晶拆分法(晶种结晶法)：在外消旋体的过饱和溶液中，加入一定量的一种旋光体的纯晶体作为晶种，于是溶液中该旋光体含量多，在晶种的诱导下优先结晶析出。第57页，课件共65页，创作于2023年2月RS-酸+S-碱——>SS-盐+RS-盐溶解度不同，分步结晶法分离S-酸+S-碱·HClSS-盐 RS-盐HClR-酸+S-碱·HClHCl拆分酸时，常用的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，常用的旋光性酸是酒石酸、樟脑--磺酸等。第58页，课件共65页，创作于2023年2月对非酸非碱的外消旋体，可以设法在分子中引入酸性基团，然后按拆分酸的方法拆分；也可以选适当的旋光性物质与外消旋体作用而生成非对映体的混合物，然后分离。外消旋体拆分后可获得其组成的右旋体或左旋体。经拆分后得到某一旋光体的纯度一般用对映体过量百分数(即一个对映体超过另一个对映体的百分数)ee来表示。[R]：过量对映体的量[S]：其对映体的量如果[R]=50,[S]=50ee＝0%，产物为外消旋体[R]=100,[S]=0ee＝100%，产物为纯光学活性第59页，课件共65页，创作于2023年2月第九节亲电加成反应的立体化学H3BrHCH3CHBr外消旋体