有机化学 课件 第五章14-03-23

第五章手性分子与旋光异构ChiralMoleculesandOpticalIsomers讲授提纲一、旋光活性二、手性分子与手性碳原子三、对映异构与R、S构型判断四、多个手性碳分子的对映异构与非对映异构五、不含手性碳的手性分子(*)六、环烷烃的构型异构七、同分异构现象小结八、潜手性中心、潜手性面与手性识别(*)九、对映异构体性质与手性拆分(*)21.平面偏振光(plane-polarizedlight)

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普通光在通过尼克尔棱镜后形成的只在一个方向传播的平面光一、旋光活性32.光学活性(opticalactivity)---物质能使偏振光发生偏转的性质。一、旋光活性4旋光仪(polarimeter)l53.右旋和左旋(dextrorotatoryandlevorotatory)

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使偏振光振动平面向右旋转称右旋，“+”

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使偏振光振动平面向左旋转称左旋，“-”4.旋光度（observedrotation)

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旋光活性物质使偏振光振动平面旋转的角度，用“α

”表示一、旋光活性65.比旋光度（specificrotation)

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在一定温度和波长（通常为钠光灯，波长为589nm）条件下，样品管长度为1dm，样品浓度为1g/mL时测得的旋光度。用[α]表示。

---是一物理常数。TD---

钠光源，波长为589nmT---

测定温度，单位为℃a---

实测的旋光度l---样品池的厚度，单位为dmc---为样品的浓度，单位为g/mL

一、旋光活性78手性：一个物体与其镜像不能完全重合的性质。二、手性分子与手性碳原子1、什么是手性?

9自然界中手性现象:二、手性分子与手性碳原子10微观分子的手性现象:

1849年，pasteurL拆分酒石酸盐，得到两种晶体。外形完全相似却不能重合；有旋光活性，一为右旋，一为左旋，旋光度相等，方向相反。111874年，范特霍夫VantHoff.J.H和勒贝尔LeBelJ.A分别提出碳的正四面体模型，发现当一个碳原子与四个不同的原子或基团相连时，分子在空间有两种不同的排列方式。例如：2-溴丁烷手性碳：与四个不同原子或基团相连的碳原子。2-溴丁烷分子模型示意图手性碳通常用“*”标出。122.为什么会有手性？

一个分子有没有手性，与分子中是否存在对称元素有关。大量研究表明，手性与不对称性有关。（1）对称轴Cn---

这种轴是通过物体或分子的一条直线，以这条直线为轴旋转一定的角度，得到的物体或分子的形象和原来的形象完全相同，这种轴称为对称轴。n指绕轴一周，有n个形象与原形象相同。二、手性分子与手性碳原子131414（2）对称面s（有两种对称面）

(b)一个平面把分子分成两部分，一部分是另一部分的镜象。(a)组成分子的所有原子都在一个平面上,例如(E)-1,2-二氯乙烯（3）对称中心i

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分子中有一中心点，通过该点所画的直线都以等距离达到相同的基团，则该中心点是对称中心。15请分析甲烷分子的对称因素4个C3对称轴3个C2对称轴6个对称面二、手性分子与手性碳原子1617（4）象转轴

Sn=Cn+σ（垂直于Cn）S4I=IVII=III1956年首次合成了一个有四重象转轴的分子非手性分子

18非手性碳：与两个或两个以上相同基团相连的碳原子。1-氟-1-氯甲烷分子模型示意图对称分子（非手性分子）——

含有对称面、对称中心或四重象转轴的分子，其实物与镜像可完全重叠。

19手性碳：连接了四个不同基团的碳原子6个对称面3个对称面1个对称面无对称面非手性碳：与两个或两个以上相同基团相连的碳原子20对称分子（非手性分子）——

含有对称面、对称中心或四重象转轴的分子，其实物与镜像可完全重叠。

2121不对称分子（手性分子）如果分子中不存在对称面、对称中心和四重象转轴，则这个分子具有手性，其实物与镜影不能完全重叠。手性现象产生的根本原因——不对称性

注意：简单对称轴并不能作为分子是否具有手性的判据。223.手性的重要性

生命体系的大部分基本单元都是手性分子，如蛋白质是由手性氨基酸组成的，DNA和RNA是由手性核苷酸组成的。L.Pasteur指出：“如果没有生命，就不可能产生不对称分子”。生命过程及相互作用也大多以手性方式进行，如人类的新陈代谢过程是就是在高度立体专一性的手性催化剂—酶的催化下进行的。(1)

手性与生命密切相关23(2)手性分子在生理活性上存在差异

反应停事件:20世纪60年代，名为“反应停”的药物在欧洲用作治疗孕妇的妊娠反应，它的副作用曾经使一些服用此药物的孕妇产下了1.2万名畸型婴儿。惨痛的教训!24小资料：

经过34年的慎重研究，1998年FDA批准“反应停”作为治疗麻风结节性红斑的药物在美国上市。美国成为第一个将“反应停”重新上市的国家。“反应停”还被发现有可能用于治疗多种癌症。现在90％“反应停”被用于治疗癌症病人，在美国的销售额每年约两亿美元。

活性更强且没有致畸性的“反应停”衍生物也已被批准上市。252001年，Nobel化学奖授予Knowles,Noyori和Sharpless，既是表彰他们对不对称氢化和氧化反应所作出的卓越贡献，同时也是肯定不对称催化对人类社会的重要意义。(3)不对称催化已成为当今有机化学的研究热点261.对映异构体（Enantiomer）

不能与实物重叠的镜像称为原分子的对映异构体。三、对映异构与R、S构型判断27主要用于生物分子氨基酸和糖类化合物中2.构型的表示方法(DandLsystem)三、对映异构与R、S构型判断3构型的表示方法(RandSsystem)三、对映异构与R、S构型判断基团的大小排序遵循“次序规则”28A.(R)-2-butanolB.(S)-1-methoxy-2-propanamineC.(S)-5-chloro-6-hepten-2-one使用“左右手法则”是十分方便的3构型的表示方法(RandSsystem)29三、对映异构与R、S构型判断4Fischerprojections上

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碳链头端下---

碳链末端横线---H及取代基ACDBFischerprojectionABCDsawhorseprojection30三、对映异构与R、S构型判断A.(2S,3S)-3-chloro-2-pentanolB.(2R,3S)-3-amino-4-penten-2-olC.(2S,3R,4R)-2-bromo-4-floro-3-hydroxy-5-phenylpentanoicacid5Fischerprojects的构型判断SSRSSRR建议使用纸面分析法31三、对映异构与R、S构型判断6外消旋体(racemicmixture,orracemate)除光学活性外，两个对映异构体的物理性质完全相同一对对映异构体，其比旋光度数值相等，旋光方向相反。外消旋体----

一对对映异构体的等量混合物32三、对映异构与R、S构型判断7对映体过量值(

enantiomericexcess,e.e.)测定方法：主要是色谱法，包括气相色谱（GC），高效液相色谱（HPLC）33三、对映异构与R、S构型判断e.e.=主要的异构体含量%-次要异构体含量%测定方法也可以通过测定旋光值计算例:(S)-(+)-2-bromobutane[a]标

=+23.1º

实测样品[a]实=+9.2ºe.e.=9.2/23.1=0.40or40%=o.p.即:70%S,30%R;也就是说40%为过量的S异构体,而60%是外消旋体34三、对映异构与R、S构型判断348.光学纯度（OpticalPurity)

例如：一对对映异构体混合物是75：25，则能观察到的比旋光度就只是50%过量的那个异构体的比旋光度，这种混合物的光学纯度即为50%。[a]实

×100%[a]+（-）o.p.=3535o.p.值理论上等于e.e.，但实际上由于测定方法不同，两者可能不同。随着色谱技术的发展，目前e.e.值更常用，也更准确。[a]实

×100%[a]+（-）o.p.=因为，[a]实=[a]+（-）x75%-[a]+（-）x25%o.p.=（[a]+（-）x75%-[a]+（-）x25%）/[a]+（-）=75%-25%=50%=e.e.三、对映异构与R、S构型判断361.含两个不同手性碳的分子（有4个构型异构体）I不是III的对映异构体,也不是IV的II不是III的对映异构体,也不是IV的它们是非对映异构体（diasteromers）四、多个手性碳分子的对映异构与非对映异构37371.含两个不同手性碳的分子（有4个构型异构体）

赤式和苏式四、多个手性碳分子的对映异构与非对映异构赤式和苏式:含两个不对称碳的分子，若在Fischer投影式中，两个H在同侧，称为赤式，在不同侧，称为苏式。3838酒石酸Tartaricacid2.含两个相同手性碳的分子（有3个构型异构体）四、多个手性碳分子的对映异构与非对映异构39392.含两个相同手性碳的分子（有3个构型异构体）四、多个手性碳分子的对映异构与非对映异构40402.含两个相同手性碳的分子（有3个立体异构体）内消旋体（mesocompound)——anachiralcompoundwithchiralitycenters四、多个手性碳分子的对映异构与非对映异构413.非对映异构体的过量值（d.e.）

diasteromerexcess内消旋体（mesocompound)与另一对对映异构的关系是非对映异构的关系d.e.的测定；色谱分离四、多个手性碳分子的对映异构与非对映异构42424.含多个手性碳的分子*含n个手性中心的分子最多可能有2n个立体异构体四、多个手性碳分子的对映异构与非对映异构

假手性碳（III和IV中的3-C）五、

不含手性碳的手性分子1具有丙二烯结构的分子43五、

不含手性碳的手性分子2具有联苯类结构的化合物---位阻异构体（atropisomer）---由于单键旋转受阻而形成的手性分子。

443具有螺旋型结构的化合物五、不含手性碳的手性分子454.含有其它不对称原子的手性分子季铵阳离子和季鏻阳离子五、不含手性碳的手性分子46叔胺和叔膦注意：叔胺的异构体转化十分迅速，有的书中将它们归于构象异构体。NH3CH2CCH3C6H5NC6H5CH3H3CH2CP(H3C)2HCCH3PC6H5H3CCH(CH3)2C6H5H3CH2CNCH3C6H5五、不含手性碳的手性分子4748六、环烷烃的构型异构判别单环化合物旋光性的方法:

实验证明：单环化合物有否旋光性可以通过其平面式的对称性来判别，凡是有对称中心和对称平面的单环化合物无旋光性，反之则有旋光性。无旋光（对称面）有旋光有疑问？49六、环烷烃的构型异构疑问：环烷烃有构象啊，比如环己烷最稳定构象是椅式，顺-1，2-二取代环己烷的椅式构象没有对称面呀！

椅式构象虽然没有对称面，但是其船式构象有对称面Aslongasoneconformationofacompoundhasaplaneofsymmetry,thecompoundwillbeachiral,andanachiralcompoundwithtwoasymmetriccentersisamesocompound.50六、环烷烃的构型异构不同构象有不同对称性特征是普遍现象：

重叠式构象具有对称面，交叉式构象则没有对称面Fischer投影式给出的是重叠式构象，虽不是稳定构象，但却被广泛采用，与其方便判断分子是否具有手性相关。51六、环烷烃的构型异构1.奇数环的情况—

I-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**52522.偶数环的情况思考：A=B和A≠B两种情况有何不同？六、环烷烃的构型异构****s思考题

试写出二取代环戊烷的所有可能的结构（按两个取代基相同和不同时的情况分别说明）。六、环烷烃的构型异构53七、同分异构现象小结构造异构constitutional立体异构Stereo-碳链异构官能团异构位置异构构型异构configurational构象异构conformational顺反异构对映-非对映异构同分异构isomerism单键旋转异构叔胺翻转异构54构造异构体（Constitutionalisomers）----由于分子中原子或基团的排列顺序及性质不同而产生的同分异构体。55七、同分异构现象小结1.构造异构体（Constitutionalisomers）565757构象异构体2).胺翻转1).单键旋转2.立体异构体Stereoisomers58构型异构体（Configurationalisomers）1).顺反异构体2).对映非对映异构（旋光异构）(本章重点）旋光异构体具有光学活性，能使平面偏振光发生不同方向的偏转3.同分异构的多层次性构造异构、构型异构和构象异构是不同层次上的异构。低层次异构形式通常包含有较高层次的异构形式。构造异构构型异构构象异构较低层次较高层次5960举例八、潜手性中心、潜手性面与手性识别ACOOHHOHBCH3(S)-BCOOHAHOHCH3(R)-COOHAHHBCH361

潜手性中心prochiralcenter:碳,氢潜手性面prochiralplane：分子的一个对称面八、潜手性中心、潜手性面与手性识别CH3H3CH2COHHBCH3H3CH2CHOHAOH3CH3CH2

CABCH2H2CH2CCH2HBHA62手性环境对手性中心、潜手性中心的识别八、潜手性中心、潜手性面与手性识别CH2COOHHOOCH2CCOO-OH对潜手性中心的识别6364641.对映异构体的性质表.酒石酸立体异构体的物理性质异构体m.p.(0C)[α]20

比重水中溶解性

(+)168-170+121.7598139.0g/100ml(-)168-170-121.7598139.0g/100mlmeso146-14801.6660125.0g/100ml(±)20601.788020.6g/100ml九、对映异构体性质与手性拆分Tartaricacid:HOOCCH(OH)CH(OH)COOH65(+)-和(-)-酒石酸具有完全一致的熔点、溶解性和比重，只是比旋光度的方向不同内消旋体是(+)-和(-)-酒石酸的非对映异构体，具有不同的物理性质外消旋体的物理性质也不同，其熔点比(