復旦精品有機化學第05章

1、1第五章第五章 旋光異構(gòu)旋光異構(gòu)2異構(gòu)體異構(gòu)體 構(gòu)造異構(gòu)構(gòu)造異構(gòu)(連接次序、連接次序、方式方式) 碳架異構(gòu)碳架異構(gòu) 官能團位置異構(gòu)官能團位置異構(gòu) 官能團異構(gòu)官能團異構(gòu) 立體異構(gòu)立體異構(gòu)(空間排列空間排列)構(gòu)象異構(gòu)構(gòu)象異構(gòu) 構(gòu)型異構(gòu)構(gòu)型異構(gòu)順反異構(gòu)順反異構(gòu) 對映異構(gòu)對映異構(gòu) 互變異構(gòu)互變異構(gòu) CH3CH2CH2CH3CH3CHCH3CH3CH3CH2CHCH3CH3CH2CH2CH2ClClCH3CH2OCH3CH3CH2CH2OHHHMeHHMeHHMeHMeHHHMeHHMeHHHMeHMePhOEtOOPhOEtOHO一一. 基本概念介紹基本概念介紹3 對映異構(gòu)體對映異構(gòu)體：一對互為鏡像且

2、不能互相重合的分子一對互為鏡像且不能互相重合的分子 1. 對映異構(gòu)體對映異構(gòu)體 (enantiomers)一類特殊的立體異構(gòu)關(guān)系一類特殊的立體異構(gòu)關(guān)系COOHOHH3CHCOOHHOCH3H構(gòu)型異構(gòu)體對對映映異異構(gòu)構(gòu)體體互互為為鏡鏡像像轉(zhuǎn)180oCOOHOHHH3C不不能能重重合合AAAAACOOHOHHH3CCOOHOHH3CH左旋乳酸(-)-乳酸右旋乳酸(+)-乳酸42. 旋光異構(gòu)體（旋光活性物質(zhì)，光學活性物質(zhì)）：旋光異構(gòu)體（旋光活性物質(zhì)，光學活性物質(zhì)）：可使平面可使平面偏振光振動方向發(fā)生改變的物質(zhì)偏振光振動方向發(fā)生改變的物質(zhì)3. 手性（手征性）：手性（手征性）：實物與其鏡像不能重疊的特性

3、叫手性或?qū)嵨锱c其鏡像不能重疊的特性叫手性或手征性手征性4. 手性分子：手性分子：凡是與其鏡像不能重疊的分子叫手性分子凡是與其鏡像不能重疊的分子叫手性分子 對映體之間的差別：對映體之間的差別：物理性質(zhì)：對物理性質(zhì)：對偏振光偏振光的作用不同的作用不同（有旋光性）（有旋光性）化學性質(zhì)：對化學性質(zhì)：對手性試劑手性試劑的作用不同的作用不同手性化合物手性化合物 = 光學活性化合物光學活性化合物 = 旋光性化合物旋光性化合物5二二. 旋光性的測定旋光性的測定6 手性分子旋光能力的表示方式手性分子旋光能力的表示方式 比旋光比旋光 a at a at =a a t l cat : 實驗觀察到的旋光度實驗觀察到的

4、旋光度l : 樣品管長度（樣品管長度（dm, 分米）分米）c : 樣品濃度（樣品濃度（g / cm3）t : 測試時溫度測試時溫度 : 波長波長例：例：COOHHOCH3H左旋乳酸COOHOHH3CH右旋乳酸a aD20= - 3.8o(c=0.1g / mL, H2O)a aD20= + 3.8o(c=0.1g / mL, H2O)(D, 鈉光，鈉光， =589.3nm)一對對映異構(gòu)體的比旋光值大小相等，符號相反一對對映異構(gòu)體的比旋光值大小相等，符號相反7 光學純光學純 optically pure和光學純度和光學純度 optical purity 光學純：一個樣品中所有分子具有相同手性光學

5、純：一個樣品中所有分子具有相同手性 光學純度：一個對映體在樣品中的含量，又稱為對映體過量光學純度：一個對映體在樣品中的含量，又稱為對映體過量 percent enantiomeric excess (ee%)已知已知(+)-乳酸的比旋光度為乳酸的比旋光度為+3.8，現(xiàn)有某乳酸樣品的比旋光度為，現(xiàn)有某乳酸樣品的比旋光度為-1.9， 請問請問 2 個對映體在該樣品中的含量。個對映體在該樣品中的含量。 (+)-乳酸的含量為乳酸的含量為 25 ， (-)-乳酸的含量為乳酸的含量為 75 。光學純度光學純度 =at D樣品 100 ee % = S - R 100at D純品S + R8 外消旋體外消旋

6、體 racemic mixtures 等量的右旋體和左旋體混合物，即各占等量的右旋體和左旋體混合物，即各占50 外消旋體的光學純度外消旋體的光學純度(ee值值)為為“0” 外消旋體的旋光度為外消旋體的旋光度為“0” 命名時在名稱前加命名時在名稱前加“dl”或或“()” 如：外消旋的如：外消旋的2-丁醇標記為丁醇標記為“dl-2-丁醇丁醇”或或 “()-2-丁醇丁醇”9三三. 化合物的旋光性與結(jié)構(gòu)的關(guān)系化合物的旋光性與結(jié)構(gòu)的關(guān)系CCHClClHCCH3CH3HHCH3CH31. 有無對稱面和對稱中心有無對稱面和對稱中心反反-1,2-二氯乙烯二氯乙烯有一個對稱面有一個對稱面丙烷丙烷有兩個對稱面有兩

7、個對稱面順順-1,2-二甲基環(huán)丙烷二甲基環(huán)丙烷有一個對稱面有一個對稱面(1) 對稱面對稱面有對稱面的分子沒有手性，沒有旋光活性有對稱面的分子沒有手性，沒有旋光活性10(2) 對稱中心對稱中心有對稱中心的分子沒有手性，沒有旋光活性有對稱中心的分子沒有手性，沒有旋光活性ClClFFClClFFClClFF180o有對稱面或?qū)ΨQ中心的分子都可以和其鏡有對稱面或?qū)ΨQ中心的分子都可以和其鏡像重疊，都是非手性分子像重疊，都是非手性分子112. 有無手性碳原子有無手性碳原子手性碳原子：手性碳原子：和四個不同的原子或基團相連的碳原子叫手性碳原和四個不同的原子或基團相連的碳原子叫手性碳原子，也叫不對稱碳原子子，

8、也叫不對稱碳原子CH3CH CH2BrCH3CH3CH COOHOHCH3CH CHOHCH3CH3CH3CH COOHNH2CH COOHCl含手性碳原子的分子一般是手性分子（含一個手性碳原子的分子必含手性碳原子的分子一般是手性分子（含一個手性碳原子的分子必定是手性分子定是手性分子 ，含兩個或兩個以上手性碳原子則需看情況而定），含兩個或兩個以上手性碳原子則需看情況而定）12四四. 構(gòu)型的表示方法構(gòu)型的表示方法1. 球棍式球棍式右旋乳酸右旋乳酸 左旋乳酸左旋乳酸(+)-乳酸乳酸 (-)-乳酸乳酸COOHHOHCH3COOHCH3HOH132. 透視式（傘形式）透視式（傘形式）COOHHCH3O

9、HCOOHHH3CHO右旋乳酸右旋乳酸 左旋乳酸左旋乳酸(+)-乳酸乳酸 (-)-乳酸乳酸14COOHCCH3OHHCOOHCH3OHH傘傘形形式式Fischer 投投影影式式主主鏈鏈放放在在垂垂直直方方向向上上, ,伸伸向向后后方方一一般般氧氧化化態(tài)態(tài)高高的的碳碳原原子子或或主主鏈鏈上上1 1號號碳碳原原子子放放在在上上方方COOHCH3HOH十字式COOHCCH3OHH不不正正確確的的表表達達式式3. Fisher 投影式投影式以垂直線相連的基團表示伸向紙后，以垂直線相連的基團表示伸向紙后，以水平線相連的基團表示伸出紙前以水平線相連的基團表示伸出紙前(C不應寫出不應寫出)15注意點：注意點

10、：(1) Fisher投影式在紙面上順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)投影式在紙面上順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)180o或其整數(shù)倍，表示的分子或其整數(shù)倍，表示的分子 構(gòu)型不變構(gòu)型不變COOHCH3HHOCOOHCH3HOH180oa b a=b(2) Fisher投影式不能在紙面上旋轉(zhuǎn)投影式不能在紙面上旋轉(zhuǎn)90o或其奇數(shù)倍，否則其表示的分子構(gòu)或其奇數(shù)倍，否則其表示的分子構(gòu)型發(fā)生改變型發(fā)生改變aba b a, b互為對映體互為對映體COOHCH3HHO90oCOOHH3CHOH16(3) Fisher投影式不能離開紙面旋轉(zhuǎn)，否則其表示的分子構(gòu)型發(fā)生改變投影式不能離開紙面旋轉(zhuǎn)，否則其表示的分子構(gòu)型發(fā)生改變COOHCH3HH

11、OCOOHCH3HOHa b a, b互為對映體互為對映體ab(4) 與手性碳相連的四個基團中任意兩個交換奇數(shù)次，分子構(gòu)型改變，交與手性碳相連的四個基團中任意兩個交換奇數(shù)次，分子構(gòu)型改變，交換偶數(shù)次，構(gòu)型保持不變換偶數(shù)次，構(gòu)型保持不變COOHCH3HHOCH3, H交換COOHHCH3HOCH3, OH交換COOHHH3COHa b ca b a, b互為對映體互為對映體 a = c17五五. 手性碳構(gòu)型的命名手性碳構(gòu)型的命名 手性碳的絕對構(gòu)型手性碳的絕對構(gòu)型 R/S 方法方法例：例： 2-丁醇丁醇 選擇選擇優(yōu)先順序優(yōu)先順序最小的原子或基團遠離觀察者（在觀察者對面），最小的原子或基團遠離觀察者

12、（在觀察者對面）， 其余原子或基團依優(yōu)先順序排列其余原子或基團依優(yōu)先順序排列CH3C2H5HOH沿沿 C- -H 方方向向S型型（逆逆時時針針方方向向）CH3C2H5OHHR型型（順順時時針針方方向向）(S)-2-丁醇丁醇(R)-2-丁醇丁醇-OH -C2H5 -CH3 -H18COOHHCH3OHCOOHHH3CHOHOHCH3COOHHOHCH3COOH(S)-(+)-乳酸乳酸(R)-(-)-乳酸乳酸R / S是可以判斷的，而左旋是可以判斷的，而左旋(-) / 右旋右旋(+)是無法判斷是無法判斷或預測的，只能通過旋光儀測定或預測的，只能通過旋光儀測定-OH -COOH -CH3 -H19六

13、六. 含兩個不同手性碳原子的化合物含兩個不同手性碳原子的化合物COOHHOHCH2OHHOH1234COOHHOHCH2OHHOH1234COOHHOHCH2OHHOH1234COOHHOHCH2OHHOH1234(2S, 3S)(2R, 3R)(2S, 3R)(2R, 3S)對映體對映體非對映體2,3,4-三羥基丁酸三羥基丁酸 含含 2 個手性碳原子的有機分子最多有個手性碳原子的有機分子最多有4 (22)個構(gòu)型異構(gòu)體個構(gòu)型異構(gòu)體 含含 n 個手性碳原子的有機分子最多有個手性碳原子的有機分子最多有 2n 個構(gòu)型異構(gòu)體個構(gòu)型異構(gòu)體20COOHHOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHOHCOO

14、HHOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHOH(2R, 3R)(2S, 3S)(2R, 3S)(2S, 3R)對映體同一個分子COOHHOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHOH(2R, 3R)(2S, 3S)(2R, 3S)對映體非對映體七七. 含兩個相同手性碳原子的化合物含兩個相同手性碳原子的化合物酒石酸酒石酸21COOHHOHCOOHHOH(2R, 3S)HOOCHOHCOOHHOH內(nèi)消旋體內(nèi)消旋體 meso forms 命名時在名稱前加命名時在名稱前加“meso” 有手性碳原子的有手性碳原子的非手性分子非手性分子，旋光度為，旋光度為“0”有對稱面有對

15、稱面有對稱中心有對稱中心(2R, 3S)-酒石酸酒石酸22例例: cis-1, 2-二甲基環(huán)己烷二甲基環(huán)己烷HCH3HCH3有有對對稱稱面面非非手手性性（內(nèi)內(nèi)消消旋旋體體）平平面面結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)式式椅椅式式構(gòu)構(gòu)象象式式CH3CH3無無對對稱稱面面手手性性ICH3CH3II無無對對稱稱面面手手性性轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)120o1122H3CCH312IICH3CH3I12一一對對構(gòu)構(gòu)象象對對映映體體( (構(gòu)構(gòu)象象外外消消旋旋體體) )兩種分析結(jié)果一致兩種分析結(jié)果一致, 但原因不同。但原因不同。八八. 環(huán)狀化合物的立體異構(gòu)環(huán)狀化合物的立體異構(gòu)23例例: trans-1, 2-二甲基環(huán)己烷二甲基環(huán)己烷HCH3HCH3平平面

16、面結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)式式椅椅式式構(gòu)構(gòu)象象式式CH3CH3ICH3CH3II對對映映體體HCH3HCH3CH3CH3H3CH3CII (a, a)I (e, e)I (a, a)II (e, e)平面式和構(gòu)象式分析平面式和構(gòu)象式分析均存在一對對映體。均存在一對對映體。構(gòu)構(gòu)象象非非對對映映異異構(gòu)構(gòu)體體24九九. 不含手性碳原子的手性分子不含手性碳原子的手性分子丙二烯型丙二烯型右旋右旋左旋左旋CCCHClHClCCCHClHCl非手性分子非手性分子CCCHClClCl25螺環(huán)型螺環(huán)型CHCOOHHHOOCCHHOOCHCOOH26聯(lián)苯型聯(lián)苯型 (位阻異構(gòu)體、阻轉(zhuǎn)異構(gòu)體位阻異構(gòu)體、阻轉(zhuǎn)異構(gòu)體 atropisom

17、ers)O2NCO2HNO2HO2CNO2HO2CO2NCO2H非手性分子非手性分子O2NCO2HCO2HHO2C27OHOHHOHO(R)-1,1-聯(lián)聯(lián)-2-萘酚萘酚 (S)-1,1-聯(lián)聯(lián)-2-萘酚萘酚 28螺旋型螺旋型29 立體立體專一性專一性反應：反應： 只生成一種類型的立體異構(gòu)體的反應只生成一種類型的立體異構(gòu)體的反應 （ Stereospecific Reaction ） 立體立體有擇性有擇性反應：反應： 主要生成某種類型立體異構(gòu)體的反應主要生成某種類型立體異構(gòu)體的反應 （Stereoselective Reaction）RRHH+RRHHBrBrRRHHBrBr+立立體體專專一一RR

18、RR+RRHHRR+立立體體有有擇擇H2 / Pdmeso主主要要產(chǎn)產(chǎn)物物外外消消旋旋體體Br2十十. 立體選擇反應和立體專一反應立體選擇反應和立體專一反應30例例1CH3CH2CH2CH3Cl2hvCH3CHCH2CH3ClCH3ClHC2H5CH3ClHC2H52-氯丁烷(R) 50%(S) 50%*CH3CHCHCH3Cl*Cl2hvCl*2,3-二氯丁烷CH3CH2CH2CH3Cl2hv+31CC2H5H3CHCl2abCC2H5H3CHCC2H5H3CHClClCH3ClHC2H5CH3ClHC2H5(R) 50%(S) 50%32ClHCH2CH3CH3Cl2hv+(S)- -2-

19、 -氯氯丁丁烷烷ClHCH3ClHCH3ClHCH3ClHCH3(2S, 3S)( (2S, 3R) (內(nèi)內(nèi)消消旋旋體體)29%71%ClHCH2CH3CH3機機理理：ClHCHCH3CH3ClClHCHCH3CH3關(guān)關(guān)鍵鍵中中間間體體，有有多多種種構(gòu)構(gòu)象象立體有擇性反應立體有擇性反應33CH3HHClCH3H3CHHClCH3H3CHHClCH3IIIIIIH3CHHClCH3CH3HHClCH3CH3HHClCH3較較不不穩(wěn)穩(wěn)定定IVVVI自由基中間體構(gòu)象分析自由基中間體構(gòu)象分析:ClHCHCH3CH3優(yōu)勢構(gòu)象優(yōu)勢構(gòu)象34若由若由構(gòu)象構(gòu)象 I 反應反應若由若由構(gòu)象構(gòu)象 II 反應反應CH3

20、HHClCH3IClClCH3HHClCH3ClCl CH3HHClCH3Clmeso過過渡渡態(tài)態(tài)為為對對位位交交叉叉對對位位交交叉叉H3CHHClCH3IIClClCH3HHClCH3ClCl 過過渡渡態(tài)態(tài)為為鄰鄰位位交交叉叉CH3HHClCH3ClS, S鄰鄰位位交交叉叉35若由若由構(gòu)象構(gòu)象 III 反應反應H3CHHClCH3IIIClCl 過過渡渡態(tài)態(tài)為為鄰鄰位位交交叉叉甲甲基基靠靠近近，不不穩(wěn)穩(wěn)定定ClCl H3CHHClCH3此此過過程程可可不不必必考考慮慮36例例2CH3CH CH CH3+ Br2CH3CHCHBrCH3Br*HCH3CH3H+ Br2CH3HBrCH3BrHC

21、H3BrHCH3HBr+(2S, 3S) 50%(2R, 3R) 50%外消旋體HCH3HH3C+ Br2CH3HBrCH3HBr(2S, 3R) (內(nèi)消旋體)立體專一性反應立體專一性反應37HCH3CH3HHCH3CH3HBr+Br-abBrBrCH3HCH3HBrCH3HBrCH3HCH3HBrCH3BrHCH3BrHCH3HBr(2S, 3S) 50%(2R, 3R) 50%ba對映異構(gòu)體外消旋體38HCH3HH3CHCH3HH3CBr+Br-abBrBrCH3HHH3CBrHH3CBrCH3HCH3HBrCH3HBrCH3BrHCH3BrH(2S, 3R)(2R, 3S)ba內(nèi)消旋體m

22、eso39十一十一. 手性分子的性質(zhì)手性分子的性質(zhì) 物理性質(zhì)物理性質(zhì) 對映體：除旋光度以外，性質(zhì)相同對映體：除旋光度以外，性質(zhì)相同 非對映體：性質(zhì)不同非對映體：性質(zhì)不同 (+)-酒石酸酒石酸(-)-酒石酸酒石酸meso-酒石酒石酸酸()-酒石酸酒石酸a25D+ 12 - 12 0 0 m.p.170 C170 C140 C206 C溶解度溶解度(H2O)139 g139 g125 g20.6 g比重比重1.701.701.661.68pKa12.932.933.112.9640化學性質(zhì)化學性質(zhì)對映體：在一定條件下對映體：在一定條件下(試劑、溶劑、助劑等試劑、溶劑、助劑等)性質(zhì)相同性質(zhì)相同對映體

23、之間在對映體之間在非手性條件下非手性條件下性質(zhì)相同。性質(zhì)相同。對映體之間在對映體之間在手性條件下手性條件下性質(zhì)不同。性質(zhì)不同。非對映體：化學性質(zhì)相似，但不完全相同。非對映體：化學性質(zhì)相似，但不完全相同。41十二十二. 手性分子的獲得手性分子的獲得1.獲得手性分子的重要意義獲得手性分子的重要意義藥物與人類的關(guān)系藥物與人類的關(guān)系構(gòu)成生命體系的生物大分子的主要部分大多數(shù)是以一種對映構(gòu)成生命體系的生物大分子的主要部分大多數(shù)是以一種對映體形式存在的。故藥物與其作用也是以手性的方式進行的，體形式存在的。故藥物與其作用也是以手性的方式進行的，生物體的酶和細胞表面受體是手性的生物體的酶和細胞表面受體是手性的,

24、 故對外消旋藥物的識別、故對外消旋藥物的識別、消化和降解過程也是不同的。消化和降解過程也是不同的。例：例：H2NCOOHNH2O(S)- -天天冬冬酰酰胺胺苦苦味味(R)- -天天冬冬酰酰胺胺甜甜味味NNOOOPhn-BuH3CHNNOOOPhn-BuCH3H巴巴比比吐吐酸酸衍衍生生物物麻麻醉醉劑劑致致痙痙攣攣H2NCOOHNH2O42HOHOCOOHNH2(-)-L-DOPA 治治療療帕帕金金森森氏氏病病HOHOCOOHNH2(+)-D-DOPA在在體體內(nèi)內(nèi)集集聚聚，不不能能被被代代謝謝NOONHOONOOHNOO致致畸畸形形( (R R) )型型, ,有有效效，不不致致畸畸形形Thalid

25、omide(反反應應停停) 鎮(zhèn)鎮(zhèn)靜靜和和止止吐吐藥藥物物(S)型型，(-)-L-DOPA432. 獲得手性分子的方法獲得手性分子的方法 從天然界提取從天然界提?。ㄌ穷?、氨基酸、生物堿、萜類化合物、甾體化合物）（糖類、氨基酸、生物堿、萜類化合物、甾體化合物） 外消旋體的拆分（外消旋體的拆分（Resolution）巴斯德，巴斯德，L.Louis Pasteur (18221895) Louis Pasteur于于1848年，借助放大鏡，用年，借助放大鏡，用鑷子成功地將鑷子成功地將外消旋的酒石酸鈉銨外消旋的酒石酸鈉銨進行拆分，這進行拆分，這一發(fā)現(xiàn)為其后的立體化學打下了基礎(chǔ)。一發(fā)現(xiàn)為其后的立體化學打下

26、了基礎(chǔ)。COONaOHHCOONH4HOHCOONaHOHCOONH4OHH44(a) 化學法拆分化學法拆分外外消消旋旋體體（對對映映體體）手手性性試試劑劑一一對對非非對對映映體體1 1. .利利用用性性質(zhì)質(zhì)不不同同分分離離2 2. .去去除除手手性性試試劑劑分分別別得得到到左左旋旋和和右右旋旋體體拆拆分分思思路路：() A(+) B*(+) A(+) B*(-) A(+) B*一一對對非非對對映映體體拆拆分分(+) A(+) B*(-) A(+) B*去去除除( (+ +) )B*去去除除( (+ +) )B*(+) A(-) A如如:拆分試劑拆分試劑天然手性生物堿（拆分外消旋酸）天然手性酸

27、（如酒石酸）（拆分外消旋堿）45例例: 外消旋外消旋a a-苯乙胺的化學拆分苯乙胺的化學拆分HCH3PhNH2HCH3PhH2N+COOHOHHCOOHHOH(R, R)-(+)-酒酒石石酸酸+HCH2PhNH3COOOHHCOOHHOH+HCH3PhH3NCOOOHHCOOHHOH非非對對映映體體（鹽鹽）甲甲醇醇冷冷卻卻加加熱熱在在甲甲醇醇中中溶溶解解性性差差接下頁接下頁46接上頁接上頁抽抽濾濾晶晶體體HCH2PhNH3COOOHHCOOHHOHNaOHHCH3PhNH2(S)-(-)-苯苯乙乙胺胺濾濾液液濃濃縮縮HCH3PhH3NCOOOHHCOOHHOH得得晶晶體體NaOH(R)-(+)-苯苯乙乙胺胺HCH3PhH2N47(b) 酶解法酶解法（利用酶的選擇性反應進行拆分）（利用酶的選擇性反應進行拆分）H2NCOOHCH3HNH2COOHCH3HL-丙丙氨氨酸酸D-丙丙氨氨酸酸()-丙丙氨氨酸酸Ac2OAcHNCOOHCH3HNHAcCOOHCH3H+外外消消旋旋體體酰酰基基轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移酶酶（取取自自豬豬腎腎）H2NCOOHCH3HNHAcCOOHCH3H+L-丙丙氨氨