有机化学-陆阳主编-第二章-立体化学Chapter-2-Stereochemistry

Stereochemistry第二章立体化学Content2.1Chirality,Chiralmolecules&Enantiomer手性、手性分子和对映体2.2FischerProjectionFormulas费歇尔投影式2.3OpticalActivity物质的旋光性Learnonyourown自学2.4Racemate外消旋体2.5Diastereomer&MesoCompound非对映体和内消旋体2.6D/Lsystem&R/Ssystem构型标记方法2.7EnantiomerWithoutChiralCarbon无手性碳原子的对映体Learnonyourown自学2.8SplitofRacemate外消旋体的拆分Learnonyourown自学2.9SourceofChiralmolecules&BiologicalEffect手性分子的来源和生物作用Learnonyourown自学立体化学从三维空间揭示分子的结构和性能。手性分子是立体化学中及其重要的部分之一。分子中原子间的排列顺序、结合方式同分异构构造异构碳架异构位置异构官能团异构(包括互变异构)构型异构顺反异构旋光异构构象异构立体异构构造相同，原子在空间排布方式不同Keywords:1.手性2.手性碳原子3.手性分子和非手性分子4.对映异构（或旋光异构）5.旋光度和比旋光度6.对映体和非对映体7.外消旋体和内消旋体8.对映异构体的表示方法（Fischer投影式）9.构型标记问题：什么是手性？一、手性观察自己的双手，二者有什么联系和区别？2.1Chirality,Chiralmolecules&Enantiomer手性、手性分子和对映体手性结论：1.互为实物与镜像的关系；2.相似但不能重叠（合）；镜面手套与左右手的相互关系:思考题：如果把手换成物质（分子），考察实物（分子）与其镜像（分子）之间会有怎样的关系？二、手性分子和对映体以乙醇（CH3CH2OH）为例：实物镜像实物与其镜像完全重叠，不具手性，这种分子称为非手性分子；实物与其镜像是同一种物质。1、非手性分子以乳酸（CH3CHOHCOOH）为例：2、手性分子和对映体实物与其镜像不能完全重叠，具有手性，这种分子称为手性分子；实物与其镜像是两种物质（对映体）；这种异构现象称为对映（或旋光）异构。演示：乳酸对映异构小结：1.实物与其镜像能完全重叠（不具手性）；实物与镜像为同种分子-非手性分子。2.实物与其镜像不能完全重叠（手征性简称手性）；实物与镜像为两种分子-手性分子。从天文学到地球科学，从化学到生物学，几乎处处都有手性显身影。Notsuperposable2000年8月发生于大西洋的阿尔贝托飓风，其螺旋具有手性特征。在植物学中，手性也是一个重要的形态特征。绝大部分攀缘植物是沿着主干往右缠绕的，但也有少部分是往左缠绕的，如香忍冬。左手性紫藤右手性多花紫藤LouisPasteurCOOHCOOHHOHOCOOHCOOHHOHO有机分子手征性的发现1848年，法国化学家LouisPasteur发现酒石酸两种不同的存在形式：左旋酒石酸和右旋酒石酸，并把这两种晶体分开。1.存在对映异构（异构现象之一）；2.具有旋光性（见第三节）；由于手性分子所产生的不同异构体其旋光性不同，因此对映异构又称为旋光异构或光学异构。三、手性分子的特点光学性质3.生理活性不同HOHOCOOHNH2HOHOHHOOCHH2N（+）-多巴（-）-多巴（无生理效应）（抗帕金森氏症）**例：DNA在生命的产生、演变、进化这样漫长的过程中，自然界造就了许多分子，手性分子占去了很大的比例。构成蛋白质的氨基酸都是L型氨基酸，多糖和核酸的单糖是D型糖。生物分子手性同一性资料：在农药使用上，手性农药的使用可以达到减少剂量，提高药效的作用；并且减少不良和无效对映体的可能造成的环境污染。如除草剂Metolachlor以消旋体的形式问世以来，每年以2万多吨的产量投放市场，1997年后以手性的替代消旋体，使用量减少了40％，这相当于每年少向环境中排放8千多吨化学物质。NMeOClO(S)-Metolachlor手性与环境：手性技术与手性产品符合绿色化学原则异丙甲草胺“反应停”是1953年由一家德国公司合成的药物—thalidomide（沙利度胺）。能够有效地阻止女性怀孕早期的呕吐。在欧洲、南美洲被医生大量使用，但该药妨碍了孕妇对胎儿的血液供应，导致大量“海豹畸形婴儿”出生。“反应停”悲剧(R)-thalidomideNNHOOOONNHOOOO(S)-thalidomide致畸作用是S-异构体，而R-构型即使大剂量使用，也不会引起致畸作用。沙利度胺的两个异构体：资料：药物的构效关系十分重要如:(+)-葡萄糖具有营养价值，而(-)-葡萄糖无营养；(-)-氯霉素有抗菌作用，而(+)-几乎无效;(-)-多巴治疗帕金森症，而(+)无效，有毒；(+)-四咪唑抗忧郁药，而(-)-四咪唑抗肿瘤辅助药；O2NOHNHCOCHCl2OH氯霉素**四、手性分子的判定方法1、最可靠的方法是考察分子的本身与其镜像的关系(模型,但不现实);非手性分子手性分子①对称面假设：-H、-C、-Cl、-CH3、-OH均为球体COHHHCH3顺-1，2-二氯乙烯乙醇两个对称面2、考察分子的对称性（对称面、对称中心）因素乙醇的对称面CH3-CH2-OH分子的对称面具有对称面的分子为非手性分子②对称中心.HHHHCH3CH3COOHCOOH==有对称性因素的分子，一般是非手性分子。例乳酸有一个手性碳原子，正是这种碳原子使乳酸分子产生了手性，有两种异构体。*CH3CHCOOHOHD-(-)-乳酸（糖发酵）L-(+)-乳酸（肌肉中）比旋光度：-3.82°+3.82°（第三节）与4个不相同原子(基团)相连接的碳原子称为手性碳原子3、多数情况,根据分子中是否存在手性碳原子（以C*表示）来判定。练习:指出下列化合物中的手性碳原子。CH3-CHCl-CH2CH3CH3-CH-CH-CH2CH3OHOHHOHHHHCH3CH3H*************胆固醇已知：含一个手性碳的化合物如乳酸，有两种异构体。用CH3CHOHCOOH（平面结构式），无法区分二者，可见对映异构体必须用立体结构式表示。COOHCH3HHOCOOHCH3HOH2.2FischerProjectionFormulas费歇尔投影式透视式：COOHCH3HHOCOOHCH3HOH注：实线连接的原子（基团）位于纸平面上；实楔线连接的原子（基团）指向纸的前面；虚楔线连接的原子（基团）指向纸的后面。一个手性碳COOHHOHCOOHHHOCOOHHHHOOHHOOC锯架式Newman投影式这些表示方法书写麻烦，多手性碳时均不易使用。二个手性碳十字线表示手性碳的四价，交点代表手性碳(位于纸平面），横键向前，竖键向后。1、Fischer投影式COOHHHOCH3以乳酸为例：（1）手性碳（）位于纸面（十字线交点）；（2）与*C结合的横向的两原子（基团）位于纸面的前方；（3）与*C结合的竖向的两原子（基团）位于纸面的后方；（4）一般将主碳链放在竖线上，把命名时编号最小的碳放在上端。2、投影规则这样固定下来的分子模型投影，得到的Fischer投影式为最严格的Fischer式，用D/L法命名时必须用这种Fischer式。COOHCH3HOH乳酸对映异构体的Fischer投影式CH3COOHHOHCH3COOHHOHCOOHCOOHHHCH3HOOHCH3Fischer投影式看起来是一种平面结构式，但它表示的却是具有一定空间构型的分子，因此和其他表示分子立体结构的式子不同，不能任意旋转，也不能任意改变手性碳连接的原子或基团的位置。另外含多个手性碳的化合表示起来虽不很确切（所表示的构象全部是重叠式），但依然使用。3、注意事项HHCH3CH3ClBrP16介绍了有关Fischer投影式改变，但构型保持的几种操作，如将Fischer投影式不离开纸面翻转180°，同一手性碳上的原子（基团）交换偶数次等，待学习构型命名后是可以证明。1、Fischer投影式不能离开纸面进行翻转。2、若要知道两个投影式是否能重合，只能使它在纸面上旋转180°,而不能旋转90°或270°。比较投影式时必须遵守下列规则：3、Fischer式中*C上所连原子或基团可以两-两交换偶数次。若交换奇数次，将会使构型变为它的对映体。Problem3:下列Fischer式是否表示同一化合物？COOHCH2OHHOHHOHCH2OHCOOH12COOHOHHOHHOCH2COOHCH2OHH34旋转180℃后可重叠镜像关系--对映体交换偶数次后与1同同一个异构体可以用几种不同的方法表示其立体结构。如：2R,3S-2,3,4-三羟基丁醛：CHOH———OHHO———HCH2OHCHOHCOHHOCHCH2OHFischer投影式透视式HOHHOHCHOCH2OH锯架式OHCCH2OHHHOOHHNewman投影式1.什么是旋光性？2.什么物质具有旋光性？3.物质的旋光性是如何测定的？4.测定旋光性有何意义？5.什么是左旋体和右旋体？6.符号(+)、(－)、d、l、、[]D所表示的意义？7.t要解决的问题：t[]D=C×L自学2.3OpticalActivity物质的旋光性答：使平面偏振光旋转的性质手性物质具有旋光性旋光仪不同旋光性物质，生理活性不同使平面偏振光的偏振面向左（右）旋转(+)或d：右旋体；(－)或l：左旋体；：旋光度；[]D：比旋光度t[]D=C×Lt例：肌肉运动时产生的乳酸，其[]20D=（+）3.82°表示以钠光D-线作为光源，温度20℃，其比旋光度为右旋3.82度。如果溶剂不是水，还应注明溶剂的类型,有时还需注明溶液浓度。练习：将胆固醇样品260mg溶于5ml氯仿中，然后将其装满5厘米长的旋光管，在室温通过偏振的钠光测得旋光度为-2.5°,计算胆固醇的比旋光度。[]tD=。。9650526052dm.ml/g..cl（氯仿）解：外消旋体：等量对映体的混合物。用(±)或(dl)表示。例：CH3COOHHOH和CH3COOHHOH的等量混合物，称外消旋体。2.4Racemate外消旋体资料：对映体、外消旋体物理性质比较名称(+)-乳酸()-乳酸()-乳酸mp（℃）：262618[]20D：+3.82-3.820pKa（25℃）：3.763.763.76无旋光性？结论：对映体之间物理性质除旋光方向相反外，其余均相同；外消旋体除无旋光性外，其他物理性质与单一对映体不同。对映体化学性质比较与非手性试剂反应时化学性质相同，反应速度也相同；若与手性试剂反应，化学性质相似，但反应速度有差异。一、非对映异构体（以2-羟基-3-氯丁二酸为例）问题：1.指出该化合物中的手性碳原子。2.两手性碳所连接的原子(基团)分别是？**4321CHCHCOOHClOHHOOCC2=C3HCOOHClCHCOOHClC2C3OHCOOHCHCOOHOHH结构式：2.5Diastereomer&MesoCompound非对映体和内消旋体COOHHOHCOOHClHClCOOHHOHCOOHHCOOHHOHCOOHHClCOOHHOHCOOHHCl(1)(2)(3)(4)[a]D:+7.1°-7.1°+9.3°-9.3°非对映异构体(非对映体)彼此不呈镜像关系的立体异构体对映体对映体有四个异构体：由此可见这种异构现象称为旋光异构更为恰当！20结论：1.含有不相同手性碳原子的化合物其旋光异构体的数目为2n个(n为不相同手性碳原子数目)。例：有24=16个异构体（16章）2.非对映体不是实物与镜像的关系，相互间旋光性不同,物理性质不同。化学性质相似，但反应速度存在差异。尤其是酶催化的反应，差别更大。CH2CHCHCHCHCHOOHOHOHOHOHCOOHCOOHCOOHCOOHOHHOHHHHOHOH与非对映体资料：[]D:-12°0°旋光性不同（包括旋光方向、比旋光度）mp:170℃140℃