生物催化反应的手性制备

1、生物催化反应的手性化学，第一节光学活性和手性第二节配置和结构第三节生物催化反应的手性化学，第一节光学活性和手性，一、偏振二、旋光性和比旋光度三、手性分子和旋光性四、对映异构体五、非对映异构体六、含有其他元素的手性分子七、对称因子和手性是三维物体的基本属性构成生物系的生物大分子大多是手性分子，生物催化酶是重要的手性生物大分子，它能识别手性分子，催化其反应，或将非手性基质转化为手性生成物。 酶的底物特异性和酶催化反应的立体选择性是生物催化反应的特征和标记，生物催化反应与手性化学密切相关。 第一节光学活性和手性、一、偏振、光波为电磁波，电场、磁场振动的方向和光前进的方向相互垂直。 普通光是各种波长的

2、可见光的混合体。 那个电场可以尽可能地在平面上振动。 单色光是具有单一波长的光，例如，来自钠灯的黄色光是波长=589nm的单色光，然而单色光的电场尽可能在平面上振动。 光线通过尼克棱镜或人工偏振片时，透过棱晶的光线电场仅在一个平面上振动，磁场的振动也仅在与一个垂直的平面上振动，这种光称为平面偏振光，称为偏振光。 许多有机化合物具有旋光性，即能够使平面偏振光偏转，这样的化合物称为光活性化合物。 将两个棱晶平行放置，普通光照射到第一个棱晶时，透过的光变成偏振光，第二个棱晶和第一个相互平行，所以偏振光能量完全通过第二个棱晶。 在两个棱镜之间放入玻璃管，在管中放入液体或溶液，会产生两种不同的情况。如果

3、管子里有酒精、水等，偏振能量就完全通过第二棱镜。 当乳酸进入软管时，偏振光不能完全通过第2个棱晶，只有将第2个棱晶旋转一个角度，偏振光才能完全通过。 由此，可以将化合物分为水、酒精等不影响偏振光的类别和不影响偏振光的类别两类，另一类是乳酸、苹果酸等具有旋转偏振光的能力，通过这些化合物后，偏振光的振动平面和入射时不同，即偏振光的振动面相同2 .旋转光度将使偏振平面旋转的物质称为旋光性物质，将旋转的角度称为该物质的旋转光度。 使用旋转仪测定旋转光度时，接液管的长度、溶液的浓度、温度以及使用的光的波长会影响旋转光度的数值。 在一定条件下旋转光度是旋光物质的特征常数，通常用比旋转光度来表示。 如果测定

4、物质是液体，则比旋转光度如式(3.1)式(3.1)中的t那样，是测定时的温度、光的波长、从旋光器直接读出的旋转光度，d是液体的密度，l是样品单元光路长度，dm。 如果测定物质为溶液，则比旋转光度为：式(3.2)中的c为浓度，单位为每100ml溶液中含有的溶质的克数。 l是接液管的长度，dm。 比旋转光度乘以化合物的分子量m时，摩尔比旋转光度Mt2以：式(3.3)计数值过大，因此通常除以100。 也有使振动平面向右旋转(逆时针)的物质，用()表示。其他物质使振动平面向左旋转(逆时针)，用(-)表示。 使用的溶剂也必须标明。例如，葡萄糖水溶液可以使振动平面向右旋转，20点以钠灯为光源测定的相对旋转

5、光度为52.5，三应记为手性分子和旋光性，在19世纪，石英晶体有两种形式，它们的关系是物体和镜像的关系，或者是左手和右手的关系，非常两种结晶都是旋光性的，其旋转光度相反，但是成为即使熔融也不旋光的结晶。 氯酸钾、溴酸锌等无机盐的结晶也有旋光性。 但是，在溶解于水中时，旋光性消失，这些物质的旋光性明显是由于它们的晶体结构造成的，不是分子本身固有的性质，晶体结构变化时，这些旋光性消失。 之后，发现樟脑、酒石酸等天然有机化合物在溶液中也有旋光性，表明它们所具有的旋光性是分子本身固有的性质，与分子的结构有关。 物体与其镜像不重叠的现象称为手性(chirality )。 像左手右手一样，不能与其镜像重叠

6、的分子称为手性分子。 巴斯德(Pasteur )在1848年研究酒石酸盐的结晶时，发现了没有旋光性的外消旋酒石酸钠铵有2种结晶。 它们相当于左手与右手或物体的镜像之间的关系，外形相似但不能重叠。 巴斯德在显微镜下用镊子将两种结晶小心地分开，分别溶于水中，再用旋转式观察，发现一种结晶的溶液为右旋，另一种为左旋，与旋转光度相等，方向相反。 因此外消旋酒石酸是右旋酒石酸和左旋酒石酸的等量混合物。 巴斯德从结晶的外形联想到酒石酸钠铵的分子内部结构，认为酒石酸钠铵的内部结构具有非对称性，指出旋光性的不同是由于原子在空间的排列的不同。四、映射异构体、手性分子及其镜像体称为映射异构体(enantiomers

7、 )。 () -乳酸和(-)-乳酸或()酒石酸和(-)酒石酸都是对映异构体。 手性分子在手性条件下显示弹性，在非手性条件下不能显示弹性。 由于在水中加热溶解是非手性条件，对映体的熔点与在水中的溶解度相同。 由于偏振光是手性条件，所以映射异构体的旋光性不同。 对映异构体与无手性的试剂反应的速度相同，而与手性试剂反应的速度不同。 由于生物体内各种酶具有较高的手性，因此对异构体的映射生理作用存在较大差异。 例如，左旋霉素有效，其右旋对映体无效。 1874年提出了碳原子的四价学说。 碳原子具有四面体结构，碳原子位于四面体的中心，与碳原子相连的4个原子或原子团位于四面体的4个顶点，这4个原子或原子团不同

8、时，该碳原子被称为手性碳原子或不对称碳原子，一般用C*表示。 手性碳原子周围的原子和基团有两种不同的排列方式。 这两种排列方式之间的关系是物体和镜像的关系，非常相似，但不能重叠，相当于右旋体和左旋体。 与碳原子相连的4个原子或原子团中，如果2个相同，那么这4个原子或原子团围绕碳原子排列只有一种方式，分子也不是手性的。 分子中只含有一个手性碳原子就有手性，那个化合物有对映异构体。 乳酸和苹果酸中含有手性碳原子，存在对映异构体。 乳酸可以作为这类化合物的典型。 右旋和左旋乳酸的熔点均为25.8。 10%水溶液中的比旋转光度D15不同，分别为3.82和3.82。 互为对映异构体的左旋体和右旋体以相等

9、的比例混合，可以构成无旋光性的外消旋体。 外消旋乳酸的熔点为18，不具有旋光性。 五、非映射异构体、非映射异构体是指分子具有两个以上手性中心，且分子间为非镜像的立体异构体。(1)含有相同2个手性碳原子的化合物在酒石酸分子中含有2个个性碳原子，与这2个碳原子连接的基团相同，这是相同的2个手性碳原子，即Cabc-Cabc型化合物。 酒石酸的各种异构体配置如图32所示。 化合物(1)和(2)为对映异构体，(2)为右旋酒石酸，(1)为左旋酒石酸，它们的等量混合物为外消旋酒石酸。 (1)和(3)或者(2)和(3)的关系不是物体和镜像的关系。 这些被称为非映射异构体。非映射异构体的化学性质基本相同，但物理

10、性质不同，例如熔点、密度、介电常数、溶解度等全部不同，旋光性的差异大。 表3-1所示的各种酒石酸立体异构体的物理性质。 外消旋体(raceme )是指两种映射体的1:1混合物。 可以用dl或()表示。 外消旋体也称为外消旋体或外消旋混合物。 外消旋是指一个化合物转化为两个对映异构体的等量混合物的过程。 所谓中间体(mesomer )是指分子内具有2个以上的非对称中心，但是由于存在其他对称要素，例如对称面等，所以分子整体没有对称性，不存在映射异构体，用中间体表示，例如中酒石酸。 (2)含有两个以上不同手性碳原子的化合物在手性碳原子上的每个基团上有两种不同的键方式，因此含有一个手性碳原子的化合物只

11、有两种映射异构体，含有两个不同手性碳原子的化合物可能有2x2=4个异构体。 含有3个不同手性碳原子的化合物可以有2x2x2=8个立体异构体。 于是，含有n个各向异性手性碳原子的化合物可能存在2n个立体异构体。 例如，赤藓糖和苏糖包括两个不同的手性碳原子，其立体配置如图33所示。 如果分子中含有相同的手性碳原子，则对映异构体的数量不足2n个。 由这些结构可知，D-赤藓糖(4)和L-赤藓糖(5)是相互映射异构体，D-苏糖(6)和L-苏糖(7)也是相互映射体。 赤藓糖和苏糖之间是非映射体，结构式(4)和(6)和(7)以及结构式(5)和(6)和(7)之间不存在实物和镜像的映射体关系。 手性碳原子是四面

12、体。 生物系的大分子和有效性分子中经常含有氮、磷、硫等元素，这些元素的原子都是多元的，具有三角锥体和四面体等立体结构，它们也具有手性，产生手性分子。 图34列举了一些元素的非对称形式。 六、含有其他元素的手性分子，如季铵盐中的氮原子连接4个不同的基团，则氮原子为手性原子，分子(8)为手性。 硫醚被亚砜氧化后，分子(9)也具有手性。 判断一个化合物是否有旋光性，除了用上述介绍的手性碳原子法探讨化合物分子和其镜像是否重合以外，还可以通过规定的对称操作分析和区别该化合物是否具有以下任意一种对称操作。 七、对称元素和手性，1 .对称面(m )当一个分子的所有原子都在一个平面上时，或者当分子有分为物体和

13、镜像两个部分的平面时，将该平面称为该分子的对称面。 一个分子可以被一个平面分割成两个部分，这两个部分彼此处于实物和镜像的关系。 这个平面是这个分子的对称平面，这个分子有平面对称要素。 这是对称分子，因为它和它的镜像可以相互重叠，所以分子是非手性分子。 2 .在通过对称中心(I )分子中心的所有直线上，如果与中心等距离存在相同的原子(团)，则将该中心称为对称中心。3 .简单对称轴(Cn )一条直线通过一个分子，即使将该分子以该直线为轴旋转2(/n )角度，也能够复原为与原来的分子中的各原子(团)的空间排列相同，即分子的空间模式。 这条直线是这个分子的简单对称轴。 任何分子都有Cl对称元素，有无C

14、n轴也不能判断分子有无手性。 例如外消旋酒石酸和光活性的酒石酸有C2轴。 4 .交替对称轴(Sn )一个分子围绕通过一个副分子的轴旋转一定角度2(/n )后，将与该轴垂直的平面作为镜面得到的镜像与原来的物体分子完全相同，该轴是该分子的交替对称轴。 一般包含交替对称轴的分子也同时包含对称平面或者对称中心I的情况较多，仅具有n重交替对称轴的分子稀少。 分子有对称面、对称中心或S4时，实物和镜像的分子相同，可知两者完全重叠。 只含有一个手性碳原子的分子必定是手性的，但是只要含有多个手性碳原子就不一定是手性的，所以无法根据分子中有无手性碳原子来判断分子有无手性。 内消旋酒石酸分子有2个手性原子但没有旋

15、光活性，1，3 -二氯丙烯(11 )没有手性原子但有旋光活性。 手性分子和手性原子是两个概念，他们之间没有必然的联系，化合物(12 )中没有手性原子，同样也是手性分子。 第二节结构型和结构型，分子中原子在空间的排列和链方式称为结构型(configuration )。 分子中的单键旋转产生的原子在空间中的不同排列方式称为构象(conformation )。 一、配置、(一)配置表示法映射异构体可以用投影式表示，四面体的手性碳原子位于纸平面上，横向实现连接的原子团表示在纸平面的前方，纵向实线连接的两个原子团表示在纸平面的后方。 图3-7显示乳酸对映体的投影式。 表示结构型的另一种方法是假定手性碳原

16、子在纸平面上，同一平面上的原子和原子团用实线连接，纸平面前的用楔形线连接，纸平面后的用虚线连接。 二、结构型d，l命名甘草醛是最简单的单糖，分子中有手性碳原子，它有两种对映异构体(15 )和(16 )。 二十世纪初期没有测定有机化合物绝对结构型的方法，只能用相对结构型来表示各种化合物结构型之间的关系。 相对配置型是以甘草醛为基准，将图3图9中的OH写在右侧的配置型规定为右旋甘草醛(16 )，大写字母d所示的OH写在左侧的一个配置式是左旋甘草醛(15 )，用大写字母l表示。 二、结构型r、s命名D-L命名法便于糖、-氨基酸和-羟基酸类化合物的结构型命名，不适合其他类型的化合物。 因此，Chan、

17、Ingold、Prelog于1956年提出了r、s命名规则。 这是基于手性碳原子直接连接的4个基所占的空间位置的排列而决定的。 此命名规则以手性碳原子本身的结构为基础，可以在d、l命名中摆脱投影式规定的干扰，普遍适用。1.R、s命名规则(1)按照一系列顺序规则，决定手性中心相连的4个原子或原子团(a、b、c、d )的优先顺序，例如abcd。 (2)将顺序最小的基团(d )朝向离开我们的方向(对面)，观察其侑基的排列。 从最优先的基(a )到第二优先(b )到第三优先(c )的顺序来看，如果是按时间修正排列的话，这个配置是定义为r (拉丁语：rectus，右)的反时间修正排列的话，这个配置是s (拉丁语： sinister，左)。 与氯碘甲烷CHClBrI分子中的手性中心连接的4个原子的优先顺序为IBrClH。 图3-11中化合物(18 )为r结构型，化合物(19 )为s结构型。 旋光性化合物的名称应该说明其结构型和旋光的方向，例如(s )-() -仲丁基氯化物。外消旋体可由r、s表示，例如为(RS ) -仲丁基氯。 1 .取代基