南开大学高等有机化学课件-第二章立体化学原理

立体化学原理本章将探讨分子中原子空间排列的几何结构及其与分子性质的关系。通过对立体化学基本概念和定律的系统阐述，帮助同学们深入理解有机分子的构型,为后续的有机化学学习奠定基础。ＯabyＯＯＯＯＯＯＯＯＯ手性分子的概念手性定义手性分子是无法和其镜像重合的分子,具有非对称性结构。它们没有内平面或内心对称性,是一种非对称的分子。镜像异构体手性分子的两个镜像异构体具有相同的化学式和连接关系,但空间构型不同,无法重合。它们被称为对映异构体。手性中心手性分子通常含有一个或多个手性中心,即碳原子周围连接着四个不同的取代基,具有四面体几何构型。2.1.1手性分子的定义手性分子是指在镜像中无法重合的分子。这种分子具有非重合的镜像异构体，即镜像关系中的一对对映异构体。手性分子可以通过其三维空间结构来定义，通常由一个具有四个不同取代基的手性中心原子来决定。镜像异构体镜像异构体是具有相同分子式和连接关系,但空间构型不同的化合物。它们就像一个物体和它在镜中的反射,无法重合。镜像异构体具有相同的化学和物理性质,但在光学性质上有所差异,如旋光性等。手性中心手性中心是指构成手性分子的一个或多个碳原子上的四个不同原子基团。这个碳原子上的四个键是非对称排列的,从而形成了左右手向镜像关系的对映异构体。例如,乳酸中羟基旁的碳原子就是一个典型的手性中心。手性分子的表示方法有机化合物的立体结构可以通过多种方式表示,包括Fischer投影、球棍模型、流形等。这些表示手性分子结构的方法各有优缺点,适用于不同的场合。通过理解这些表示方法,我们可以更好地分析和预测有机反应的立体化学。2.2.1R/S命名法R/S命名法是描述手性分子构型的一种重要方法。根据分子中手性中心上取代基的优先级顺序，可以将其标记为R(来自拉丁语rectus右)或S(来自拉丁语sinister左)。这种命名方法为表示分子的三维构型提供了一种简洁有效的方式，被广泛应用于有机化学及生命科学领域。D/L命名法D/L命名法是描述手性分子的一种方法。D和L代表分子在三维空间中的构型:D代表手性碳原子上的取代基按顺时针排列,L代表逆时针排列。这种方法常用于描述生物大分子,如氨基酸和糖类化合物,反映了它们在生命过程中的重要角色。Fischer投影公式Fischer投影公式是一种表示手性分子立体结构的方法。使用这种方法可以直观地表示分子中各原子的空间排列关系。投影图中的交叉线表示位于观察者后方的原子,直线表示位于观察者前方的原子。这种表达方式简单直观,便于理解和应用。分子的对映异构1定义对映异构体指分子具有相同的化学式,但其空间结构镜像关系的两个构型异构体。这种异构现象被称为对映异构。2性质对映异构体具有相同的物理化学性质,但对偏振光的旋转方向相反,生物活性通常不同。3分离采用色谱、结晶、酶催化等方法可以分离和获得纯的对映异构体。这对于手性药物的研发非常重要。2.3.1对映异构体的性质对映异构体具有相同的化学结构和分子式,但空间构型不同对映异构体在无偏振光下具有相同的物理性质,如熔点、沸点、密度等对映异构体在偏振光下具有相反的光学性质,如旋光度对映异构体在生物环境中通常具有不同的生物活性和药理效应对映异构体的分离由于对映异构体具有相同的化学性质,很难通过一般的分离手段将其分离。常见的分离方法包括：手性色谱分离、结晶分离、酶催化动力学拆分等。这些方法利用对映异构体微妙的物理化学差异,如分子形状、旋光性、溶解度等,从而实现有效的分离。通过精心设计的手性分离方法,可以高选择性地获得纯度高达99.9%的单一对映异构体。2.4手性分子的光学活性手性分子具有光学活性,即能够旋转偏振光的性质。这是由于手性分子的空间结构不同于其镜像异构体,导致其对左旋光和右旋光的吸收不同。通过测量旋光度,可以确定手性分子的绝对构型。2.4.1旋光仪的原理旋光仪是用于测量光学活性物质旋转平面偏振光角度的仪器。它的原理是基于这样一个事实：当平面偏振光通过光学活性物质时,光的偏振平面会发生旋转。旋转角度的大小与物质的浓度、层厚和比旋光度有关。通过测量旋转角度,就可以推算出物质的光学纯度和浓度。旋光仪通常由光源、偏振器、样品池、检偏器和检测器等部分组成。利用旋光仪可以方便地测定手性分子的光学活性,从而反映其立体构型。这在生命科学研究、药物研发等领域应用广泛。2.4.2旋光度的测定要测量旋光度,需要使用一种称为旋光仪的精密仪器。该仪器利用偏振光的性质,通过测量样品对偏振光的旋转角度来得出样品的旋光度。旋光度测量过程需要考虑样品的浓度、温度、溶剂等因素。仪器会自动计算出样品的摩尔旋光度,为后续研究提供重要数据。2.4.3摩尔旋光度旋光度常用来表示一个光学活性化合物的手性特性。摩尔旋光度是指溶液浓度为1mol/L时的旋光度。它可以用来定量描述手性分子的光学活性,是一个更标准的光学活性参数。通过测量摩尔旋光度,可以准确地比较不同手性分子的光学性质,为手性分子的分析和应用提供依据。2.5手性分子的手性来源手性分子可以由多种因素产生,主要包括以下三种形式:手性碳原子是最常见的手性来源,具有四个不同取代基的碳原子即可形成手性中心。手性轴存在于一些具有刚性的分子中,如联苯等,它们在旋转时没有镜像对称面。手性平面出现在一些含有螺旋或椎体结构的分子中,缺乏镜像对称平面。不同的手性来源决定了分子的立体结构,从而产生特异的光学活性。手性碳原子手性碳原子是具有四个不同取代基的碳原子。由于四个取代基的空间排列是不对称的,因此这种碳原子是手性中心。手性碳原子可以形成镜像异构体,拥有两种相互镜像对称的空间构型。手性碳原子在有机化学及生命科学中扮演着重要角色,是立体化学的基础。手性轴手性轴指分子中没有对称中心但有一个旋转轴使分子结构呈现不同的空间构型。这种手性来源于分子上特定的取代基团按顺时针或逆时针顺序排列。手性轴在许多自然界和合成有机分子中都可以观察到,例如2-丁烯、2,2'-联联苯和许多螺环状分子。2.5.3手性平面手性平面是指分子中存在一个平面并且存在两种对映异构体的情况。这种平面上的不对称会使分子呈现手性。典型的例子包括二苯并环丁烯和联菜甲基二茂铁等。这些分子通过在平面上的取代基差异而产生不同的对映异构体。手性平面是一种重要的手性类型,在几种药物和天然产物中都有体现。手性分子在生命科学中的重要性手性分子在生命科学中扮演着至关重要的角色。许多生物大分子,如蛋白质和核酸,都具有手性结构。这些手性分子可以识别和特异性地结合到其他手性分子,是生命活动得以进行的基础。手性错配会导致严重的药物副作用,因此手性药物研发至关重要。2.6.1药物的手性许多药物都是手性分子,也就是存在镜像异构体。这些手性异构体通常具有不同的药理活性和毒性。对于许多药物来说,只有一种手性异构体是有效的,而另一种则可能产生严重副作用甚至毒性。因此,了解手性药物的立体化学性质对于药物设计和评估至关重要。生物大分子的手性生物体内存在大量具有手性的生物大分子,如氨基酸、糖类和核酸等。这些手性分子在生物体内起着关键的作用,其立体结构直接影响着生物体的生理功能。例如,蛋白质中的氨基酸以及核酸中的碱基都是手性分子,它们的特定构型是生命活动的基础。手性分子在生命活动中的作用手性分子在生命活动中扮演着重要的角色