3第三章立体化学基础

一、同分异构现象二、对映体异构体和手性分子三、对映体的表示方法和构型标记四、对映体的光学性质五、含有一个不对称碳原子的对映异构六、含两个不对称碳原子的对映异构七、不含手性碳原子的对映异构八、有机反应中的立体化学九、获得单一光学异构体的方法第五章立体化学基础广东药学院主讲人:申东升广东药学院主讲人:申东升学习立体化学的要求理解精髓手性碳原子上的四个原子或原子团在空间伸展有且只有两种相对位置明确慨念立体化学构型构造构象异构对映异构手性碳原子手性分子物质的旋光性比旋光度内消旋体外消旋体拆分优势构象掌握命名R/S构型立体图式和投影式学会判断投影式中各原子或原子团换位前后所代表的分子的关系是同一物还是对映体含2个相同的/不相同的手性碳原子的对映体、非对映体、内消旋体、外消旋体的判断了解不含手性碳原子却是手性分子的对映体立体化学以三维空间来研究物质结构与性质间关系的科学异构体具有相同分子式的不同化合物立体异构体原子间的连接方式相同，但在空间的排列方式不同的化合物构象通过单键旋转而能相互转变的不同的原子排列方式广东药学院主讲人:申东升3.1同分异构现象同分异构现象和同分异构体•碳架异构（丁烷与异丁烷）•构造异构官能团异构（乙醇与二甲醚、丙酮与丙醛）•官能团位置异构（1-丁醇与2-丁醇、丙醇与异丙醇）(互变异构、价键异构)•同分异构•构象异构（乙烷的重叠式与交叉式、•环己烷的椅式与船式）•立体异构•对映异构（R/S、D/L）•构型异构•顺反异构（烯烃的Z/E、•有2个取代基的烷烃）广东药学院主讲人:申东升如果将构成太阳系的全部物体置于一面随着它们各种运动而移动的镜子前面，镜子中的影像不能和实体重合。生命是由非对称作用所主宰。所有生物物种在其结构上、在其外部形态上，究其本源都是宇宙非对称性的产物。广东药学院主讲人:申东升3.2对映异构体和手性分子3.2.0宇宙是非对称的•在立体化学中,不能与镜象叠合的分子叫手性分子,而能叠合的叫非手性分子.镜象与手性的概念•一个物体若与自身镜象不能叠合,叫具有手性.左手和右手不能叠合左右手互为镜象生活中的对映体-镜象井冈山风景桂林风情左右手互为镜象两个分子完全能够重合，即代表同一化合物。而且在分子中能找到对称面，即没有对映异构。CCH3HHOHCCH3HHHO3.2.1对映异构体和手性分子乙醇分子的实物和镜像可以重合广东药学院主讲人:申东升1、非对映异构体--物体与镜像可以重合(为同一物质)CH3CH2CH2CH3Cl2CH3CH2CCH3ClH光CCH3C2H5HClC2H5CH3CClH对映体实物与镜像的关系，两者不能重合为手性分子。凡是手性分子就有对映异构。2-氯丁烷分子的实物和镜像不能重合广东药学院主讲人:申东升2、对映异构体--互为物体与镜像关系的立体异构体。一个分子不能与它的镜像重合的条件一般是这分子没有对称面，也没有对称中心。CCOOHHOH3CHCCOOHOHCH3HCCH2OH3CHCH2COCH3H广东药学院主讲人:申东升3.2.2手性中心化合物分子中的一个碳原子与四个不同的原子相连时，这个化合物在空间可能有两种不同排列，例如：CCH2CH3HBrCH3CC2H5HBrCH3CC2H5HBrCH3不同化合物之间的差别在于对平面偏振光的不同，以上两个分子在空间不能重叠，它们并不是同一种化合物。广东药学院主讲人:申东升3.2.3分子的对称性和手性对称元素对称中心和对称面有对称面和/或对称中心的分子无手性，无对映异构现象。广东药学院主讲人:申东升HHFFClClHH1.对称中心i对称中心广东药学院主讲人:申东升如果分子有一假想点“i”，分子中任何一个原子或基团向“i”连线，在其延长线的等距离处都能遇到相同的原子或基团，则“i”点称为该分子的对称中心。对称中心广东药学院主讲人:申东升如果分子具有对称中心，其实物与镜像就能相互重合，该分子就不具有手性。CClHClHCCClHHCl2.对称面σ对称面对称面广东药学院主讲人:申东升假如有一个“平面”，能将分子一分为二，使两部分具有实物与镜像的关系，该平面就是分子的对称面，通常用σ表示。对称面广东药学院主讲人:申东升具有对称面的分子实物与其镜像能相互重合，分子没有手性。凡是具有对称中心或对称面的分子，都能与其镜像重叠，为非手性分子。在绝大多数情况下，不具有对称中心或对称面的分子，与其镜像不能重叠，为手性分子。3.3.对映异构体的表示方法与构型标记广东药学院主讲人:申东升用透视式和投影式3.3.1对映异构体的表示方法表示对映异构体的最常用方法是由德国化学家费歇尔于1891年提出的费歇尔投影法。该法是以手性碳原子为中心，将与手性碳原子相连的四个原子或基团中的两个置于水平方向并朝向观察者，另两个置于垂直方向并远离观察者，然后将其向纸面投影。透视式横向的2个原子团在纸平面前，竖向的2个原子团在纸平面后用透视式和投影式投影式广东药学院主讲人:申东升乳酸分子的投影方法CH3BrC2H5HCH3HC2H5BrBrHCH3C2H5BrHCH3C2H52—溴丁烷的投影式广东药学院主讲人:申东升横向的2个原子团在纸平面前，竖向的2个原子团在纸平面后，不能随意改变，只能在纸平面上移动，或转动180度，否则就成了它的对映体。任一2个换位也成为它的对映体。广东药学院主讲人:申东升(a)、(b)代表的是对映异构体，(a)、(c)则互为同一种化合物。广东药学院主讲人:申东升如果投影式不离开纸平面旋转180度或其整数倍，则得到的投影式仍然代表原来的化合物；若旋转90度或其奇数倍，则投影式代表的化合物为其对映异构体。广东药学院主讲人:申东升纽曼式、伞形式(透视式)、锯架式等，它们与费歇尔投影式之间的转换可采用下面的方法进行。费歇尔投影式、透视式(伞形式、锲形式)、锯架式、纽曼投影式1.不能离开纸面翻转。翻转180。，变成其对映体。2.在纸面上转动90。,270。，变成其对映体。3.在纸面上转动180。构型不变。4.保持1个基团固定，而把其它三个基团顺时针或逆时针地调换位置，构型不变。5.任意两个基团调换偶数次，构型不变。6.任意两个基团调换奇数次，构型改变。Fischer投影式的转换规则广东药学院主讲人:申东升3.3.2对映体的命名-构型标记1.D,L-构型表示法以甘油醛为标准，人为规定：把甘油醛的含碳原子基放在竖立的方向，醛基在上面，羟甲基在下边，羟基在手性碳原子的右边，氢原子在左边，这种构型定为D型，它的对映体定为L型。OHHCHOCH2OHOHCH2OHCHOHHCH2OHHOHOCH2OHCHOHD-甘油醛L-甘油醛广东药学院主讲人:申东升凡是可以从D-甘油醛通过化学反应而得到的化合物，或可以转变成D-甘油醛的化合物，都具有与D-甘油醛相同的构型，即D型。与L-甘油醛相同构型的化合物则是L型。D，L构型仅是人为规定，与对映体的旋光方向无关，该命名法具有一定的局限性。广东药学院主讲人:申东升COOHOHCH3HHOCOOHHCH3D乳酸（）L乳酸（）OHCH2OHCHOHHOCH2OHCHOHD-甘油醛L-甘油醛经比较后得到名称：2.R,S-构型表示法COHC2H5CH3HEyeCOHCH3C2H5HEye首先弄清与手性碳原子相连的四个原子或基的优先排列次序，然后把排列次序最小的放在距观察者最远的地方，再看其它三个基的排列位置，如果由大到小是顺时针排列的，是R型，反时针方向是S型。(R)-2-丁醇(S)-2-丁醇广东药学院主讲人:申东升(a)与双键碳原子直接相连的原子按原子序数大小排列,大者“较优”。IBrClSONCDH:(b)如与双键碳原子直接相连的原子的原子序数相同,则需再比较由该原子外推至相邻的第二个原子的原子序数，如仍相同，继续外推，直到比较出“较优”基团为止。C(CH3)3CH(CH3)2CH2CH3CH3CH2ClCH2OHCH2NH2广东药学院主讲人:申东升R,S命名中取代基的次序规则(c)当基团含有双键和三键时,可以认为双键和三键原子连接着两个或三个相同的原子。CHCH2CHCCCHH()()相当于CCH相当于()()CCCCCCH()()相当于CCHHCHCHCHC()()()()()()CN相当于()()CNNNCC()()优先顺序：CNCCHCHCH2广东药学院主讲人:申东升R/S的确定广东药学院主讲人:申东升广东药学院主讲人:申东升从立体图式看与从投影式看的方法1）从立体图式看广东药学院主讲人:申东升H在竖线上，abc顺时针为R构型abc反时针为S构型H在横线上，abc顺时针为S构型abc反时针为R构型COOHOHHCH3OHCOOHHCH32)从投影式看R型R型HC2H5BrCH3CH3HC2H5BrCH3HC2H5BrRSSHC2H5BrCH3CH3C2H5HBrCH3BrC2H5H试判断构型（投影式）SRS光是一种电磁波，它振动着前进，振动方向垂直于前进方向。普通光在所有可能的平面上振动。普通光3.4对映异构体的光学性质3.4.1平面偏振光如果使单色光通过Nicol棱镜，只有同棱镜晶轴平行的平面上振动的光线才可以通过棱镜，因此通过这种棱镜的光线就只在一个平面上振动，这种光就是平面偏振光。平面偏振光广东药学院主讲人:申东升广东药学院主讲人:申东升平面偏振光的形成3.4.2旋光度按有无旋光性来分，物质可分为两类旋光物质能使偏光振动平面旋转一定的角度非旋光物质不能使偏光平面旋转的物质手性是自然界的基本属性。比如葡萄糖、氨基酸等。构成蛋白质的20种氨基酸中，除了甘氨酸之外，都是手性物质。人体内的酶几乎只能催化分解右旋物质，左旋物质人类无法消化吸收。偏振光平面旋转的度数可用旋光仪测定。广东药学院主讲人:申东升在盛液管中放入旋光性物质后，偏振光将发生偏转。能使偏振光向右旋转的，称为右旋化合物，用(+)表示；能使偏振光向左旋转的，称为左旋化合物，用(-)表示。旋光仪示意图广东药学院主讲人:申东升3.4.3旋光仪右旋物质--能使偏正光的振动方向向右旋的物质.通常用“+”表示右旋.左旋物质--能使偏正光的振动方向向左旋的物质.通常用“-”表示左旋.旋光度--偏正光振动方向的旋转角度.用“”表示.旋光性的表示方法:广东药学院主讲人:申东升应该指出，Ｄ／Ｌ、Ｒ／Ｓ构型与手性分子的旋光方向（＋）／（－）之间没有必然联系。lBtα:旋光仪的旋光度ρB:质量浓度(g/ml)l:盛液管长度Tt:测定温度λ:光源波长偏振光旋转的角度α称为旋光度。旋光度α与盛液管长度、溶液浓度、光源波长、检测定温度、所用溶剂的关系。通常用比旋光度[α]来表示物质的旋光属性。公式如下：广东药学院主讲人:申东升3.4.2比旋光度tλ100M=tλ×分子量*分子比旋光度比旋光度分子量/100旋光仪中测不出旋光度的化合物不一定是一个没有旋光性的化合物，也可能是一种等量的右旋体和左旋体的混合物。广东药学院主讲人:申东升CCOOHHOH3CHCCOOHOHCH3H判断手性分子的方法：1'找分子有无手性碳原子；2'看有无对称面或对称中心。广东药学院主讲人:申东升乳酸分子中有一个不对称碳原子，有两个互为镜相的对映异构体。3.5含一个手性碳原子的化合物1.对映异构体的理化性质（1）在非手性环境中除旋光性以外，物理性质、化学性质都相同（2）在手性环境中除熔点、沸点以外，物理性质、化学性质都不相同广东药学院主讲人:申东升2.外消旋体外消旋体等摩尔的左旋体和右旋体混合非手性条件下反应都得到外消旋体外消旋化旋光化合物经处理（物理的或化学的）后变为两个对映体的平衡混合物的过程R/S构型与+/-旋光方向没有直接的关系广东药学院主讲人:申东升3.6.1具有两个不同手性碳原子的对映异构含有两个不同手性碳原子的化合物应有四个立体异构体。例如：3-氯-2-羟基丁二酸HHOHClCOOHCOOHHOHHClCOOHCOOHHHOClHCOOHCOOHOHHHClCOOHCOOH3.6含两个手性碳原子的开链化合物广东药学院主讲人:申东升HCOOHHOHC