《有机化学》(胡宏纹版)第六章立体化学.

第六章立体化学手性分子手性碳外消旋化和差向异构化烷烃卤代反应中的立体化学外消旋体的拆分计划学时：4学时构造异构：分子中原子互相联接的方式和次序不同而产生的异构现象。碳链异构：位置异构：官能团异构：CH3CH2CH2CH3CH3CHCH3CH3CH3CHCHCH3CH3CH2CHCH2CH2CHCHCH2CH3CH2CCH同分异构立体异构：分子中原子互相连接的方式和次序相同，但在空间的排列方式不同而出现的异构现象。构象异构：顺反异构：CCCH3CH3HHCCCH3CH3HHCH3HHH3CCH3HHH3C对映异构：是分子式、构造式相同，构型不同，互呈镜像对映关系的立体异构现象。对映异构体之间的物理性质和化学性质基本相同，只是对平面偏振光的旋转方向(旋光性能)不同。研究对映异构的原因：天然有机化合物大多有旋光现象；对映异构体的生物活性差异很大，如左旋维生素C可治疗坏血病，而右旋的没有作用；在反应机理研究中有重要的应用价值。6.1对称因素与手性分子1.对称因素------对称面()；对称中心(i)A.对称面()CH3CH2COOHCOOHHHCH3实物分子镜子COOHHHCH3镜像分子180O转换为CH3COOHHH能够重合分子中存在对称面，该分子的镜像可以与实物重合B.对称中心(i)分子中存在对称中心，该分子的镜像可以与实物重合对称中心的影响大于对称面(i)实物分子.ClCH3HClCH3HHH镜子镜像分子HCH3ClHCH3Cl.HH转换为HHHCH3ClHCH3Cl.能够重合还有一类分子与上述情况不同：2.手性分子CCOOHCH3OHH实物分子HHOCH3COOHC镜像分子转换后OHHCH3COOHC不能重合cis-1-氯-2-甲基环丙烷ClHHCH3CH3HHClClHHCH3CH3HHCltrans-1-氯-2-甲基环丙烷不能重合不能重合•聚集双键化合物联苯类化合物CCCClBrClBrClBrBrClC=C=CC=C=CClBrBrCl不能重合不能重合COOHNO2NO2COOHCOOHNO2NO2COOH不能重合NNCOOHNO2NO2NO2NO2NO2NO2COOH•螺环类化合物CH3CH3HHCH3CH3HH不能重合不能重合OOOO能够重合OO无对称面、对称中心实物与镜像不重合手性分子手性分子的物理性质——旋光性比旋光度[]t=/(cl)右旋为+，左旋为-光源尼可尔手性分子尼可尔读数棱镜溶液棱镜右旋(+)(起偏器)(检偏器)左旋(-)旋光测定示意图6.2手性碳与手性分子的表达手性分子的标识——D/L标识选择(+)-甘油醛为标准物质，并假定右旋甘油醛结构其他物质与标准物质关联，只要手性碳构型不变，则用同一字母标识；CHOCH2OHOHHHOHCH2OHCHOD-(+)-甘油醛L-(-)-甘油醛DLCHOOHOHOHHOCH2OHHHHHD-葡萄糖HCOOHRH2NHCOOHRL-氨基酸D/L标识的应用构型与手性碳CCOOHCH3HOHCCOOHHOHCH3[]=+3.80[]=-3.80等量混合的一对对映体(此时旋光度=0o)，称为“外消旋体”基团的连接方式称为“构型”这两个碳原子的构型显然不同连有四个不同基团的碳原子称为手性碳原子。采用R/S标识法来对手性碳的构型加以区别。手性碳构型的标识——R/S标识按照定序规则排列基团的次序；a.与手性碳直接相连的原子，原子序数大则相应的基团的次序就优先，或称该基团大，而与基团的体积无关；b.如果第一个原子相同，则比较第二个原子，直至比较出不同为止；c.如果有双键(叁键)则按连有两个(三个)该原子计算CCH3HClBr1234CCH3HBr1234CH3CH2CCH3HBr1234NC次序最后的基团远离观察方向(最小基团放在最远处)；其余基团按次序从大到小排列，如果这种排列是顺时针方向的，该手性碳的构型为R型；如果是反时针方向的，则为S型。HOHCH3COOHC1234R-型CCOOHCH3HOH2341S-型CBrC2H5CH3H(R)-2-溴丁烷HCH3C2H5BrC(S)-2-溴丁烷找出头孢氨苄中的手性碳并标明其构型NSHNH2ONHHHOCH3OOH123412341234找出头孢氨苄中的手性碳并标明其构型NSHNH2ONHHHOCH3OOH1234R1234R1234R手性碳的表达方法——Fischer投影式A.Fischer投影式CCOOHHHOCH3CCOOHCH3HOHCOOHHOHCH3十字型交叉点为手性碳；横线表示向前，竖线表示向后；含碳基团写在竖线上，氧化态高的基团在上面。B.Fischer投影式的规则a.平面内交换两个基团，变为对映体；b.平面内旋转90，变为对映体；COOHHOHCH3CH3HOHCOOHSRSCOOHHOHCH3CH3HOHCOOHR平面内旋转180，构型不变COOHHOHCH3CH3HOHCOOHSSCOOHHOHCH3CH3HOHCOOHSS为什么？保持一个基团位置不变，平面内连续交换另外三个基团，构型不变；手性分子与手性碳的关系有些分子虽不含手性碳，但不具对称面和对称中心，是手性分子。COOHCOOHOHOHHHCH3CH3HH****分子中虽然含有手性碳，但是整个分子存在对称面或对称中心，所以为非手性分子，这种分子称为内消旋体HCOOHHCH34-甲基环己基去氢乙酸含有手性碳与是不是手性分子之间是既不充分又不必要的关系总结对称中心对称面不含实物与镜像不重合手性分子(用D/L标识)一对等量的对映体的混合物称为“外消旋体”手性碳(用R/S标识)含有手性碳的非手性分子为“内消旋体”6.3含有两个手性碳原子的分子1．含有两个不同手性碳原子的分子CH3CH-CHCOOHOHOH***C2:-OH-COOH-HCH3CH-OH**C3:-OH-HCHCOOHOH*-CH3CCOHHOCOOHCH3HHCCHOOHCOOHHHCH3HOOHCOOHHHCH3写出2,3-二羟基丁酸的所有对映体COOHHHCH3OHOHHOHOCH3HHCOOH2R,3R2S,3SHOOHHHCOOHCH3HOHHOHCOOHCH32S,3R2R,3S对映体对映体对映体数目=2n(n为手性碳数目)2．含有两个相同手型碳原子的分子HOOCCHCHCOOH**HOOH酒石酸*C2:-COOH-OH-H-CH-COOHOH*C3:-CH-COOH-H-OH-COOHOHCOOHHHOCOOHOHHHOHCOOHHOHCOOH2R,3R2S,3SHOHHHOCOOHCOOHHOHHOHCOOHCOOH2S,3R相当于平面内旋转1800由于内消旋体的存在使对映体数目2nNewman式,锯架式与Fischer投影式的转换CH3-CH-CH-C2H5ClCl**CH3CH3CH3CH3C2H5C2H5C2H5C2H5HHHHHHHHClClClClClClClClCH3CH3CH3CH3C2H5C2H5C2H5C2H5HClClHHClHClHClClHHClClHCH3CH3CH3CH3C2H5C2H5C2H5C2H5HClClHClHHClClHHClClHHClCH3CH3CH3CH3C2H5C2H5C2H5C2H5HClClHClHHClClHHClClHHClCH3CH3CH3CH3C2H5C2H5C2H5C2H5HClClHClHHClClClHHHHClCl6.4含有三个手性碳原子的分子1.含有三个不同手性碳的分子HOCH2CH-CH-CHCHOOHOHOHCHOCHOHOHHOHHOHHHOHOHCH2OHCH2OH2R,3R,4R2S,3S,4SHOHCHOCHOHHHHHOHHOHOHOOHCH2OHCH2OH2R,3R,4S2S,3S,4RHOHCHOCHOHHHHOHOHHOHOHOHCH2OHCH2OH2R,3S,4S2S,3R,4RHOHCHOCHOHOHHOHOHOHHHOHHCH2OHCH2OH2R,3S,4R2S,3R,4SHOH2．含有假手性碳的分子HOOC-CH-CH-CH-COOHOHOHOH相同COOHCOOHHOHHOHHOHHHOHOHCOOHCOOHHOHSRRSrrCOOHCOOHHOHHOHHOHHHOHOHCOOHCOOHHOHSRRS对映体COOHCOOHHOHHOHHOHHHOHOHCOOHCOOHHOHSRRS对映体相同相同COOHCOOHHOHHOHOHHHOHOHCOOHCOOHHOHSRsHSRs相同总结假手性碳的构型分别用r,s标识，含假手性碳的分子为非手性分子，与假手性碳相连的两个手性基团的构型分别为R和S型，假手性碳构型时，RS。如果两个手性基团的构型均为R或S，则假手性碳转化为非手性碳，该分子为手性分子，存在对映体。6.5外消旋化和差向异构化1．外消旋化:一个手性分子在一定条件下转化为外消旋体称为外消旋化。CHOOHHCH3RCOHHCH3CHOCHOCH3CHOH烯醇化a氢原子原路返回COHHCH3CHOaRCHOOHHCH3R与等量CHOCH3CHOH烯醇化b氢原子从平面另侧返回CHOHCH3CHObSCHOHOHCH3SCHOOHHCH3CHOOHHCH3(DL)所以生成2．差向异构化bCH3CH3HOHSRCH3CH3HHOSSCH3CH3HHOaCH3CH3HHOSSab非对映体分子中含有两个以上的手性碳，其中有一个手性碳不能够外消旋化，那么在其它手性碳的外消旋化过程中，则会出现非对映体，这种过程称为差向异构化。差向异构化的结果是由手性分子产生了非对映体。6.6烷烃卤代反应中的立体化学1.非手性分子中产生手性碳CH3CH2CH2CH3+Cl2hvCH3CH2CHCH3Cl*+HCl潜手性碳链引发：Cl2hv2Cl链传递：Cl+CH3CH2CH2CH3CH3CH2CHCH3+HClCC2H5HCH3Cl2aaCClHCH3C2H5CH3C2H5ClHR生成的产物为外消旋体，用(DL)、(dl)或()表示CC2H5HCH3Cl2bbCClC2H5HCH3HClCH3C2H5SCH3CH2CH2CH3+Cl2hvCH3CH2CHCH3Cl*+HCl(dl)2.手性分子中产生新手性碳链传递：Cl+CH3CHCH2CH3CH3CHCHCH3ClClCCClCH3HCH3H生成的自由基的结构：SHClCH3CH3HHClCH3CH3HCH3.ClCH3HHHHCH3Cl.CH3Cl2稳定的构象有更多的机会参与反应稳定ClHCH3CH3HClCH3CH3HHClCl2S,3S29%2R,3S71%ClHHClCH3CH3ClHCH3CH3HCl3.不涉及手性碳的反应手性碳的构型不变，但由于基团大小次序发生变化，需要重新标记。CH3C2H5SHClhvCl2ClHC2H5CH2ClR4.断裂手性碳键的反应(R)-CH3CH-CH2Cl+Cl2hvCH3CH-CH2Cl+HClC2H5*C2H5ClCCH2ClCH3C2H5Cl2aCH3ClCH2ClC2H5aRbbC2H5ClClCH2CH3S外消旋化6.7外消旋体的拆分1.机械拆分法2.结晶拆分法3.生物拆分法(dl)-外消旋体饱和溶液(d)-对映体晶种(d)-对映体析出剩余溶液(l)-对映体晶种(l)-对映体析出()-2-辛醇+RCOOH脂肪酶+-(+)-RCOOC8H17(-)-2-辛醇不反应水解(+)-2-辛醇4.化学拆分法phCH3NH2HDLCOOHCOOHOHHOHH(+)非对映化，溶解度不同phCH3H2NHCOOHCOOHOHHOHH(+)(-)先行析出+NaOHphCH3NH2HCOOHCOOHOHHOHH(+)(+)后来析出+NaOHphCH3H2NH(-)phCH3NH2H(+)拆分效果的检验——光学纯度ee%光学纯度是指某种对映体过量的百分数，用ee%表示，它是外消旋体拆分效果的定量标志。ee%=([]样品/[