第五章-立體化學名師優(yōu)質課賽課一等獎市公開課獲獎課件

第五章立體化學（Stereochemistry）第1頁主要內容立體異構體、旋光性手性分子和非手性分子、手性碳對映異構體和非對映異構體立體結構表示方法、命名第2頁二.立體異構

由原子或基團空間排列或取向不一樣所產生異構現象。一.立體化學(Stereochemistry)立體化學——以三維空間研究分子結構和性質科學研究內容：構象異構體（可相互轉化）構型異構體（順反異構）（不能相互轉化）第一節(jié)立體化學和立體異構現象第3頁構型異構體構象異構體幾何異構體(順反異構）旋光異構體交叉式構象重合式構象結構異構體

同分異構體（結構異構體）立體異構體碳架異構體官能團位置異構體官能團異構體互變異構體第4頁自然界中對映體鏡象沙漠胡楊第5頁在立體化學中,不能與鏡象疊合分子叫手性分子,而能疊合叫非手性分子.鏡象與手性概念一個物體若與本身鏡象不能疊合,叫含有手性.左手和右手不能疊合左右手互為鏡象第6頁例:乳酸(2-羥基丙酸CH3-CHOH-COOH)立體結構：乳酸分子模型圖兩個乳酸模型不能疊合

乳酸兩個模型關系象左手和右手一樣,它們不能相互疊合,但卻互為鏡象.第7頁手性(chirality)：實物和其鏡像不能重合現象

ChiralisderivedfromtheGreekwordcheiros,meaning“hand”.手性分子（chiral

molecules）：有手性現象分子二者不能重合手性分子鏡像轉180o第8頁第二節(jié)對映異構（enantiotropy)一.偏振光、旋光儀和旋光度1.偏振光普通光經過尼可爾棱鏡后產生只能在一個平面振動光。這種只能在一個平面振動光為偏振光3.旋光物質能使平面偏振光旋轉一定角度物質稱為旋光性物質。2.

旋光儀：用于測定偏振光旋轉角度儀器第9頁*4.旋光度()影響旋光度原因(a)被測物質;(b)溶液濃度;(c)盛液管長度;(d)測定溫度;(e)所用光波長在旋光儀中被測出使偏振光旋轉角度稱為旋光度。第10頁*5比旋光度25D=+90.01。Na:λ=5869AHg:λ=5461A(C1.15,C2H5OH)[][]tD盛液管為1分米長，被測物濃度為1g/ml時旋光度。oo第11頁手性碳——手性分子特征連有四個不一樣基團碳原子手性碳(chiralcarbon)手性中心(Chiralcenter)手性碳標識****例：*.二旋光性和分子結構關系三.手性碳、手性分子和對映異構體1.手性碳巴斯德，L.LouisPasteur(1822～1895)分子手性是產生對映異構體原因第12頁

2.手性分子

3.對映異構體互為鏡象兩種構型異構體叫做對映異構體－－含有旋光性分子凡是手性分子,必有互為鏡象構型.分子手性是存在對映體必要和充分條件.一對對映體結構相同,只是立體結構不一樣,且呈鏡像關系，這種立體異構就叫對映異構.如乳酸是手性分子,故有對映體存在:乳酸對映體第13頁非手性分子二者相互重合非手性分子鏡像轉60o非手性分子：與鏡像相重合（非手性分子不含有手性碳）轉180o二者完全重合非手性分子第14頁4.對映體性質差異物理性質:除旋光方向不一樣外，其余性質都相同化學性質：對映體在非旋光性試劑中，其化學性質相同；但當碰到本身含有旋光試劑，則其反應速率、有否效果則完全不一樣。第15頁(S)-天冬酰胺苦味(R)-天冬酰胺甜味麻醉劑致痙攣巴比吐酸衍生物第16頁(R)型,有效，不致畸形(S)型，致畸形Thalidomide(反應停)——鎮(zhèn)靜和止吐藥品(-)-L-DOPA

治療帕金森氏病(+)-D-DOPA在體內集聚，不能被代謝第17頁因為旋光性試劑加入，使對映體化學性質改變條件

使對映體表現出相同化學性質條件手性條件：非手性條件：第18頁四.旋光產生原因和外消旋體有旋光性物質產生旋光非旋光性物質無旋光對映體等量混合，無旋光。外消旋體：對映體等量混合物稱外消旋體。第19頁五.手性分子判斷方法最直接法:畫其對映體，看是否重合2.觀察有沒有手性碳：若分子只含有一個手性碳，即為手性分子分子含有二個以上手性碳，情況較為復雜第20頁對稱原因包含：3.尋找分子中有否對稱原因(1)對稱軸(旋轉軸)(2)對稱面(鏡面)(3)對稱中心(4)交替對稱軸(旋轉反應軸)含有（2），（3），（4）其中之一，便是非手性分子第21頁——構想分子中有一條直線,當分子以此直線為軸旋轉360o/n后,(n=正整數),得到分子與原來分子相同,這條直線就是n重對稱軸.有2重對稱軸分子(2-丁烯)(1)對稱軸(旋轉軸)含有對稱軸分子并不一定為非手性分子第22頁——構想分子中有一平面,它能夠把分子分成互為鏡象兩半,這個平面就是對稱面.有對稱面分子(氯乙烷)(2)對稱面(鏡面)含有對稱面分子一定是非手性分子第23頁——構想分子中有一個點,從分子中任何一個原子出發(fā),向這個點作一直線,再從這個點將直線延長出去,則在與該點前一線段等距離處,能夠碰到一個一樣原子,這個點就是對稱中心.有對稱中心分子(3)對稱中心含有對稱中心分子一定是非手性分子第24頁——構想分子中有一條直線,當分子以此直線為軸旋轉360o/n后,再用一個與此直線垂直平面進行反應(即作出鏡象),假如得到鏡象與原來分子完全相同,這條直線就是交替對稱軸.(Ⅰ)旋轉90o后得(Ⅱ),(Ⅱ)作鏡象得(Ⅲ),(Ⅲ)等于(Ⅰ)有4重交替對稱軸分子(4)交替對稱軸(旋轉反應軸)4含有交替對稱軸分子一定是非手性分子第25頁A:非手性分子——凡含有對稱面、對稱中心或交替對稱軸分子.B:手性分子——既沒有對稱面,又沒有對稱中心,也沒有交替對稱軸分子,都不能與其鏡象疊合,都是手性分子.C:對稱軸有沒有對分子是否含有手性沒有決定作用.在有機化學中,絕大多數非手性分子都含有對稱面或對稱中心,或者同時還含有交替對稱軸.沒有對稱面或對稱中心,只有交替對稱軸非手性分子是個別.對稱性與手性關系:手性分子普通判斷:只要一個分子既沒有對稱面,又沒有對稱中心,就能夠初步判斷它是手性分子.第26頁1.含有手性碳化合物一個手性碳原子能夠有兩種構型（21）。含有手性物質和分子中有沒有手性碳原子無關.

含有一個手性碳原子分子一定是手性分子；（1）.含有一個手性碳原子化合物六.手性分子類型第27頁例：乳酸CH3CHOHCOOH*右旋乳酸-熔點=53℃左旋乳酸-熔點=53℃外消旋體不但沒有旋光性，且其它物理性質也往往與單純旋光體不一樣。比如：外消旋體乳酸熔點為18℃.外消旋體—由等量對映體相混合而成混合物.乳酸第28頁菲舍爾投影式:兩個豎立鍵—向紙面背后伸去鍵;兩個橫在兩邊鍵—向紙面前方伸出鍵.構型表示法，構型確實定和構型標識手性分子構型表示法（1）Fischer投影式傘形式Fischer投影式Fischer投影式不是立體結構式第29頁不能離開紙面翻轉。翻轉180。，變成其對映體。不能在紙面上轉動90，270。，不然變成其對映體。在紙面上轉動180。構型不變。保持1個基團固定，而把其它三個基團順時針或逆時針地調換位置，構型不變。Fischer投影式書寫時幾點注意事項第30頁含有一個手性碳原子化合物有一對對映體(21)。分子中若有多個手性碳原子，立體異構數目就要多些：若含有n個手性碳原子化合物，最多能夠有2n種立體異構。有些分子立體異構數目少于2n這個最大數。（2）含有多個手性碳原子化合物立體異構A.含有兩個不一樣手性碳化合物和非對映異構體第31頁例:2-羥基-3-氯丁二酸HOOC-CH-CH-COOH立體異構OHCl**

這四種異構體中(I)和(II)是對映體;(III)和(IV)是對映體.(I)和(II)等量混合物是外消旋體；(III)和(IV)等量混合物也是外消旋體。第32頁非對映體—(I)和(III)或(IV)以及(II)和(III)或(IV)也是立體異構，但它們不是互為鏡象，不是對映體，這種不對映立體異構體叫做非對映體.非對映體旋光度不相同,而旋光方向則可能相同,也可能不一樣,其它物理性質都不相同:非對映體混合在一起,能夠用普通物理方法將它們分離出來.2-羥基-3-氯丁二酸物理性質第33頁例:酒石酸HOOC-CH-CH-COOH立體異構OHOH**這四種異構體中(I)和(II)是對映體;(III)和(IV)是同一個物質(它們能夠相互疊合).立體異構體數目為3<22

IIIIIIIV

(2R,3R)(2S,3S)(2R,3S)(2S,3R)B.含有兩個相同手性碳化合物和內消旋體這些分子立體異構數目少于2n這個最大數第34頁(III)經過C(2)-C(3)鍵中心點垂直線為軸旋轉180°,就能夠看出它能夠與(IV)是疊合:以黑點為中心在紙面上旋轉180°第35頁在它全重合式構象中能夠找到一個對稱面。在它對位交叉式構象中能夠找到一個對稱中心。所以,(III)和(IV)是同一個分子。(III)既然能與其鏡象疊合，它就不是手性分子。因此也沒有旋光性?！@種物質叫。內消旋體內消旋體與外消旋體均無旋光性，但它們本質不一樣.第36頁酒石酸之所以有內消旋體，是因為它兩個手性碳原子所連接基團結構完全相同。當這兩個手性碳原子構型相反時，它們在分子內能夠相互對映，所以，整個分子不再含有手性。含有多個手性碳原子分子卻不一定都有手性.所以:不能說凡是含有手性碳原子分子都是手性分子.內消旋酒石酸(III)和有旋光性酒石酸(I)或(II)是非對映體,它不但沒有旋光性,而且物理性質也相差很大：小結酒石酸物理性質酒石酸熔點/℃[α]（Ⅰ）右旋（Ⅱ）左旋（Ⅲ）內消旋170170146+12°-12°0°外消旋體206第37頁比如：戊醛糖（2,3,4,5-四羥基戊醛）:C.含有三個手性碳原子化合物最多可能有23=8種立體異構。第38頁除碳外,還有一些元素(如Si、N、S、P、As等)共價鍵化合物也是四面體結構，當所連基團互不相同時，該原子也是手性原子。含有這些手性原子分子也可能是手性分子。比如：都是手性分子，都有對映體存在。和*含有其它手性原子化合物對映異構第39頁2.一些不含手性碳手性分子丙二烯型（含有兩個相互垂直平面）比較：與鏡像無法重合，是手性分子有對稱面，為非手性分子第40頁螺環(huán)型與鏡像無法重合，是手性分子聯苯型(位阻型)大基團使單鍵旋轉受阻第41頁結構相同，構型不一樣異構體在命名時，有必要對它們構型給以一定標識。如乳酸：CH3CHOHCOOH有兩種構型。構型標識方法有兩種：（以甘油醛為對照標準）：右旋甘油醛構型定為D型，左旋甘油醛構型定為L型。凡經過試驗證實其構型與D-相同化合物，都叫D型，在命名時標以“D”。而構型與L-甘油醛相同，都叫L型，在命名時標以“L”。

例：左旋乳酸：D-(-)-乳酸;右旋乳酸:L-(+)-乳酸二.手性碳構型表示方法1.過去慣用D—L法D、L只表示構型，而不表示旋光方向。旋光方向以“+”(右旋)、“-”(左旋)表示。第42頁甘油醛現指定（Ⅰ）為右旋甘油醛構型（D型），（Ⅱ）則為左旋甘油醛構型（L）型。

第43頁D-L標識法只表示出分子中只有一個手性碳原子構型，對含有多個手性碳原子化合物，這種標識不適當，有時甚至會產生名稱上混亂。R-S標識法—是依據手性碳原子所連接四個基團在空間排列來標識：(1)先把手性碳原子所連接四個基團設為：a,b,c,d。并將它們按次序排隊。(2)若a,b,c,d四個基團次序是a在先，b其次，c再次，d最終。將該手性碳原子在空間作以下安排：2.R-S標識法把排在最終基團d放在離觀察者最遠位置，然后按先后次序觀察其它三個基團。幾即從最先a開始，經過b，再到c輪轉看。若輪轉方向是順時針，則該手性碳原子構型標識為“R”-（“右”意思）；反之，標識為“S”第44頁比如：R-S標識法RS順時針反時針基團次序為：a>b>c>d第45頁（3）.手性碳絕對構型——R/S方法，手性化合物命名例：2-丁醇選擇優(yōu)先次序最小原子或基團遠離觀察者，其余原子或基團依優(yōu)先次序排列(S)-2-丁醇(R)-2-丁醇有一個手性碳沿C-H方向S型（逆時針方向）R型（順時針方向）第46頁（4）.基團優(yōu)先次序（Cohn-Ingold-Prelog定序規(guī)則）（第二章p39）（a）原子序數大者優(yōu)先，同位素質量大者優(yōu)先如：I>Br>Cl>S>P>F>O>N>C>D>H（b）基團第一個原子相同時，比較與其相連下一個原子如：-CH2CH3>-CH3-CH2Cl>-CH2F

-CH2OCH3>-CH2OH

-CH(CH3)2>-CH2CH(CH3)2第47頁（c）對不飽和基團，可認為與同一原子連接2或3次如：例:第48頁例:比較以下基團優(yōu)先次序12第49頁比如：乳酸CH3CHCOOH手性碳原子四個基團排隊：OHOH>COOH>CH3>H.所以乳酸兩種構型可分別以下識別和標識：

(右旋):S-(+)-乳酸(左旋):R-(-)-乳酸第50頁例:2,3-丁二醇三個立體異構體命名非手性分子S型S型(2S,3S)-2,3-丁二醇第51頁R型R型S型S型(2S,3R)-2,3-丁二醇或(2R,3S)-2,3-丁二醇(2R,3R)-2,3-丁二醇非手性分子第52頁三.手性分子取得取得手性分子主要意義——藥品與人類關系組成生命體系生物大分子主要部分大多數是以一個對映體形式存在。故藥品與其作用也是以手性方式進行，生物體酶和細胞表面受體是手性,故對外消旋藥品識別、消化和降解過程也是不一樣。手性分子起源自然界:糖類、氨基酸、生物堿、萜類、甾體化合物外消旋體拆分不對稱有機合成反應第53頁經過化學反應,能夠在非手性分子中形成手性碳原子:例1:烷烴氯化例2:丙酮酸還原2-氯丁烷2-羥基丙酸這兩個反應產物并不含有旋光性?！庀w。3.外消旋體取得第54頁由非手性分子合成手性分子時，產物是外消旋體。若在反應時存在某種手性條件，則新手性碳原子形成時，兩種構型生成機會不一定相等（對映體之一含量稍多些）?！@種不經過拆分直接合成出含有旋光性物質方法，叫手性合成（或不對稱合成）。4.手性合成第55頁外消旋體是由一對對映體等量混合而成，對映體除旋光方向外，其它物理性質均相同。用普通物理方法（分餾、分步結晶等）不能把一對對映體分離開來。必須用特殊方法。拆分—將外消旋體分離成旋光體過程叫“拆分”。拆分方法普通有以下幾個：（1）利用外消旋體中對映體結晶形態(tài)上差異，借肉眼直接識別，或經過放大鏡進行識別，而把兩種結晶體挑撿分開。(當前極少用)（2）利用一些微生物或它們所產生酶，對對映體中一個異構體有選擇分解作用。四.外消旋體拆分機械拆分法：微生物拆分法：第56頁外消旋體拆分（Resolution）巴斯德，L.LouisPasteur(1822～1895)1848年，巴斯德借助放大鏡拆分外消旋酒石酸鈉銨第57頁（3）用某種旋光性物質作為吸附劑，使之選擇性地吸附外消旋體中一個異構體（形成兩個非對映吸附物）。（4）（晶種結晶法）：在外消旋體過飽和溶液中，加入一定量一個旋光體純晶體作為晶種，于是溶液中該旋光體含量多，在晶種誘導下優(yōu)先結晶析出。（5）將外消旋體與旋光性物質作用，得到非對映體混合物，依據非對映體不一樣物理性質，用普通分離方法將它們分離。如酸：選擇吸附拆分法：誘導結晶拆分法化學拆分法：第58頁對于酸，拆分步驟可用以下通式表示：拆分酸時，慣用旋光性堿主要是生物堿，如：（-）-奎寧、（-）-馬錢子堿、（-）-番木鱉堿；拆分堿時，慣用旋光性酸是酒石酸、樟腦--磺酸等。第59頁儀器拆分（GC,HPLC…）HPLC用手性柱GC用手性柱第60頁例:外消旋a-苯乙胺化學拆分接下頁在甲醇中溶解性差第61頁接上頁第62頁酶解法拆分（利用酶選擇性反應進行拆分）例:DL-丙氨酸酶解拆分選擇性去乙酰基第63頁不對稱合成(AsymmetricSynthsis)——選擇性地生成立體異構體選擇性地生成非對映異構體例1：手性底物控制選擇性衡量標準：非對映體過量,％d.e.(diastereomericexcess)第64頁WilliamS.KnowlesRyojiNoyoriK.BarrySharplessTheNobelPrizeinChemistry"fortheirworkonchirallycatalysedhydrogenationreactions""forhisworkonchirallycatalysedoxidationreactions"第65頁環(huán)烷烴只要在環(huán)上有兩個碳原子各連有一個取代基,就有順反異構。如環(huán)上有手性碳原子,則有對映異構現象；可把環(huán)看成是平面多邊形，其結果與實際情況一致。六.環(huán)狀化合物立體異構看要考查碳原子所在環(huán)：左右是否含有對稱性，若無對稱性則相當于兩個不一樣官能團，則該碳原子是手性碳原子。環(huán)狀化合物手性碳原子判斷：薄荷醇平面式有環(huán)狀化合物雖有手性碳原子，但分子可能是非手性?。ㄈ鐑认w）幾個*？幾個光學異構體?8個第66頁1.平面小環(huán)化合物例1：2