手性分子和对映体

第五章立体化学掌握：手性和手性分子以及手性碳原子的概念。对映体、非对映体、外消旋体和内消旋体的概念和主要性质；对映异构体命名方法（R/S）。熟悉：费歇投影式和透视式表示立体异构体的方法；无手性碳原子的对映异构体。了解：外消旋体的拆分方法和手性分子的生物作用。第一节手性分子和对映体同分异构在有机化学中是极为普遍的现象。一、手性产生对映异构现象的结构依据是手性(Chirality)。什么叫手性呢？这种左右手互为镜像与实物关系，彼此又不能重合的现象称为手性。自然界中有许多手性物，例如：足球、剪刀、螺丝钉等都是手性物。微观世界的分子中同样存在着手性现象。有许多化合物分子具有手性。二、手性分子和对映体a和b两个立体结构式之间有何种关系？它们代表相同的分子？还是代表不同的分子？乳酸分子的两个立体结构式的球棍模型由球棍模型可知，乳酸分子a和b的关系正如人的左右手的关系：互为镜像又不能重合。因此a和b代表不同的分子，均具有手性。a和b互为对映异构体，简称对映体（enantiomers).为什么乳酸存在一对对映体？观察两个乳酸分子的结构，可发现分子中有一个碳原子(C2)所连的四个基团(COOH,OH,CH3,H)均不相同。凡是连有4个不同的原子或基团的碳原子称为手性碳原子(chiralcarbonatom),也可称为手性中心(chiralcenter)。一个手性碳原子所连的4个不同原子或基团在空间具有2种不同的排列方式（也称两种构型），它们是彼此成镜像关系，又不能重叠的一对立体异构体，互为对映体。含有一个手性碳原子的化合物只有一对对映体。小结手性分子：不能与其镜像重合的分子。对映体：彼此成镜像关系，又不能重合的一对立体异构体互为对映体。手性碳原子：连有四个不同原子或基团的碳原子。三、对称面和非手性分子对称面(planesofsymmetry):指将分子结构剖成互为实物与镜像的两半的面。四、判断对映体（手性分子）的方法第一：建造一个分子和它的镜像的模型。如果两者不能重合，就是手性分子。第二：寻找有无对称面。有对称面，它就不存在对映体，为非手性分子。第三：寻找手性碳原子(或手性中心)。只要有一个手性碳原子，就是手性分子，有一对对映体（两个以上C﹡有例外）。第二节费歇尔投影式★费歇尔投影式：是指将一个三维（立体）手性分子模型作如下规定:与手性碳横向相连的基团朝向纸平面的前方；竖向相连的基团朝向纸平面的后方；手性碳处于纸平面上。将其投影,所得平面投影式称为费歇尔投影式。★书写费歇尔投影式的注意事项把一个化合物的透视式写成费歇尔投影式时，必须记住下列要点：(1)水平线和垂直线的交叉点代表手性碳，位于纸平面上。(2)连于手性碳的横键代表朝向纸平面前方的键。(3)连于手性碳的竖键代表朝向纸平面后方的键。(4)费歇尔投影式只能在纸平面内旋转180°，或其偶数倍，不能离开纸面翻转。Fischer投影式最适合用于表示含有一个手性碳的化合物的立体结构。按上述规则，一个化合物可以写出无数个Fischer投影式，但一般习惯将最长的碳链作为直链竖直投影到纸面上，同时把氧化态较高的基团放在上端。同一个立体异构体可以用几种不同的方法表示它的立体结构。第三节旋光性一、平面偏振光光的振动方向与前进方向垂直，普通光是在无数个垂直于前进方向的平面内振动。当普通光通过一个偏振的透镜或尼科尔棱镜时，一部分光就被挡住了，只有振动方向与棱镜晶轴平行的光才能通过。这种只在一个平面上振动的光称为平面偏振光。简称偏振光。二、旋光性偏振光的振动面化学上习惯称为偏振面。当平面偏振光通过手性化合物溶液后，偏振面的方向就被旋转了一个角度。这种能使偏振面旋转的性能称为旋光性(opticalactivity)。手性化合物都具有旋光性。三、旋光度与比旋光度㈠旋光度在实际工作中通常用旋光仪测定化合物的旋光性。★化合物旋光性的测定︰当平面偏振光通过盛有旋光性化合物的旋光管后，偏振面就会被旋转(向右或向左)一个角度，这时偏振光就不能通行无阻的穿过与起偏镜棱轴相平行的检偏镜。只有检偏镜也旋转(向右或向左)相同的角度(a角度)，旋转了的平面偏振光才能完全通过。观察检偏镜上携带的刻度盘所旋转的角度，即为该旋光性物质的旋光度。旋光度：偏振面被旋光性物质所旋转的角度，用a表示。★偏振面被旋转的方向有左旋(逆时针)和右旋(顺时针)的区别。用符号(+)表示右旋，(-)表示左旋。所有旋光性化合物不是右旋，就是左旋。★自动旋光仪㈡比旋光度比旋光度：规定用一分米（dm）长的旋光管，待测物质的浓度为1g.mL-1时所测得的旋光度，称为比旋光度。在实际工作中，常常可以用不同长度的旋光管和不同的样品浓度下测定物质的旋光度。然后按下列公式计算，即可得到比旋光度。★比旋光度像物质的熔点、沸点或折射率等物理常数一样，也是化合物的一种物理常数。一对对映体，除比旋光度值相等符号相反(即旋光方向相反)外，其它物理性质雷同。★比旋光度对于鉴定一个旋光性化合物或者判断它的纯度是很重要的。因此，掌握比旋光度的表示方法及其含义是十分必要的。小结一对对映体的性质：1、物理性质和化学性质都相同（与手性试剂作用除外）；2、比旋光度值相等，符号相反(即旋光方向相反)。第四节外消旋体一、乳酸的三种不同的旋光现象:乳酸是人们知道的第一个旋光性化合物，它的旋光性现象有三种不同的情况：右旋乳酸从肌肉组织中分离出的乳酸左旋乳酸葡萄糖发酵产生的乳酸无旋光性乳酸一般化学合成的乳酸二、外消旋体的定义:一对对映体的等量混合物称为外消旋体。外消旋体符号:±三、外消旋体的物理性质:外消旋体的物理性质与纯的单一对映体有一些不同：它无旋光性；熔点、密度溶解度等常有差异。★为什么外消旋体无旋光性呢？因为一对对映体对光的影响是比旋光度值相等，旋光方向相反。因此，从微观分子考虑，当光照射到每一个分子时，一对对映体正好抵消了每一个对映体对光产生的影响作用。第五节非对映体和内消旋化合物一、非对映体一个手性碳原子的化合物存在着两个立体异构体（一对对映体）；含有两个以上手性碳原子（﹡）的化合物存在两个以上的立体异构体，其最大数目是2n(n)代表手性碳原子数。非对映体：彼此不成镜像关系的立体异构体。非对映体具有不同的物理性质。二.、内消旋化合物★为什么内消旋化合物无旋光性？内消旋化合物有对称面。对称面的上半部分是下半部分的镜像。分子的上下两部分对偏振光的影响相互抵消，使整个分子无旋光性。彼此不成镜像关系的立体异构体叫非对映体。非对映体间具有不同的物理性质，例如，熔点、沸点和溶解度等物理性质都不相同。用重结晶或蒸馏等方法可以将非对映体分开。内消旋化合物有对称面，无旋光性。小结第六节构型标记法构型：是指分子结构中的原子或基团在空间排列的顺序。对映异构和顺反异构都属于构型异构。对映异构体的构型：一般指手性中心(或手性碳原子)所连的四个不同原子或基团在空间的排列。顺反异构体的构型：是指分子中某些共价键的旋转受阻而导致分子中的原子或基团在空间的排列。一、D/L构型标记法一个化合物的绝对构型通常指键合在手性中心的四个原子或基团在空间的真实排列方式。费歇尔(Fischer)人为地选定(＋)-甘油醛为标准物，并规定其碳链处于垂直方向，醛基在碳链上端的投影式中，C2上的羟基处于右侧的为D-构型。其对映体，(-)-甘油醛为L-构型。两者结构分别如下：以甘油醛为标准物，通过合适的化学反应转化成其它旋光性化合物，只要在反应过程中不断裂与手性中心直接相连的化学键，那么所得的化合物的构型就与原甘油醛的构型相同。化合物的构型与旋光方向没有直接的对应关系。D/L命名法的使用有一定的局限性，它只适用与甘油醛结构类似的化合物。目前，一般用于糖类和氨基酸的构型命名。二、R/S构型命名法R/S构型命名法广泛应用于各种类型手性化合物构型命名。它遵循凯恩-英戈德-普雷洛格规则(R.S.Cahn-R.S.Ingold-V.PrelogRules)，命名手性化合物的构型。1979年IUPAC建议采用R/S构型命名法。R/S构型命名规则1、按次序规则确定与手性碳相连的四个原子或基团的优先次序。2、将手性碳上的四个原子或基团中最小的(大多数情况下是氢原子)置于远离我们视线的位置(即放在最远的位置)，然后观察朝向我们的另外三个基团的优先次序（由大到小）。如为顺时针方向排列为R构型；反时针方向排列为S构型。a﹥b﹥c﹥dR或S构型，它标志着手性分子的绝对构型。至今尚不知道化合物的旋光方向与构型的关系。不能把两者混为一谈。例题1、命名氯溴碘甲烷（A和B）的构型。例题2命名两个2-丁醇（A和B）的构型。★对于标记含有两个或两个以上手性碳分子的构型，同样按照上述方法分别确定每一个手性碳的构型。还必须注意要按照命名的编号原则标出每个手性碳的编号。★“手势法”适用于直接从Fischer投影式标记手性碳的构型。必须注意当与手性碳相连的最小基团（一般为H原子）处于竖键时，手指不需“转向”，直接观察所指向的三个基团的排列顺序，就能确定手性碳的构型。第七节无手性碳原子的对映体大多数具有旋光性的化合物分子内都存在手性碳原子。但有一些化合物虽不含手性碳原子，就整个分子而言却包含了手性因素，使其与它的镜像不能重合，导致产生一对对映体。这类分子也是手性分子。一、联苯型分子的对映异构二、丙二烯类化合物的对映异构丙二烯类化合物(C=C=C)的结构特点是两个π键的平面相互垂直(中心碳原子为SP杂化)。两个π键的平面（蓝绿）相互垂直丙二烯类对映异构体实例如下：第八节外消旋体的拆分常用的化学拆分法是把一对对映体设法转变为非对映体。一旦形成一对非对映体，就可以用分步结晶或蒸馏等方法分开（为什么？）。1、如果要拆分的外消体是一种酸，例如(±)-乳酸，就用光学纯的碱。如(+)-奎宁、(-)-马钱子碱和(+)-辛可宁等处理，所形成的盐就是非对映体。2、如果要拆分的外消旋体是一个碱，通常就采用光学纯的酸，例如，酒石酸，樟脑磺酸等来拆分。3、要拆分的外消旋体既不是酸又不是碱，可以设法将化合物接上一个羧基，然后再进行拆分。第九节手性分子的形成和生物作用一、手性分子的形成（一）生物体中的手性分子生物体内存在着许多手性化合物，而且几乎都是以单一的对映体存在。（二）非手性分子转化成手性分子非手性分子通过化学反应也可转化成手性分子。2-氯丁烷是手性化合物，但实际上却不具有旋光性。这是由于这种氯化一取代产物包含两个等量的对映体。对于每一个单一的对映体，当然是具有旋光性，但对整体产物是无旋光性，因为它是外消旋体。为什么会形成外消旋体呢？正丁烷在光的作用下发生氯取代反应生成外消旋化合物的反应机制：从一个手性化合物通过化学反应再形成一个新的手性中心时，则生成不等量非对映体混合产物。S-2-氯丁烷在高温条件下氯化则得到2S,3S-2,3-二氯丁烷（A）和2S，3R-2,3-二氯丁烷（B内消旋化合物）。（A）和（B）互为非对映体，产率比例为29:71。为什么生成不等量的非对映体呢？因为Cl2与S-2-氯丁烷发生取代反应，形成的中间体-3-氯-2-丁基自由基，已经有一个手性中心了，缺乏对称性。因此Cl2从手性自由基两侧进攻的机会就不会完全相等，那么得到的两个互为非对映体的产物比例也就不会相等。二、手性分子的生物作用一对对映体构型上的微小差异，在生理活性上往往会产生截然不同的作用。为什么一对对映体之间，在生理活性上会有如此大的差别？一个特异性手性分子的立体结构只有与特定的受体的立体结构有互补关系，其活性部位才能适合进入受体的靶位，产生应有的生理作用。一对对映体最多只有其中的一个对映体适合进入一个特定受体靶位，产生生理效应。手性分子与手性生物受体之间的相互作用：（a）一对映体容易进入手性的受体靶位，发挥它的生物效应；（b）另一对映体不能合适地进入相同受体靶位，因此它没有同样的生物效应。小结★分子式相同，结构式不同的两个化合物互为同分异构体。通常可将同分异构分为构造异构和立体异构。顺反异构和对映异构均属于立体异构。对映异构是互为镜像与实物关系，彼此又不能重合的立体异构。产生对映异构现象的结构依据是手性。★通常指左右手互为