第七章_立體化學(xué)

1、第七章立體化學(xué)任課教師：曾向潮生科院 化學(xué)系CH3CH2CH2CH3D-異構(gòu)體L-異構(gòu)體有強(qiáng)興奮作用抗興奮作用CH3NOHOHD-(-)有殺菌作用OHL-(+) 無藥效NHCOCHCl2NO2H OOZ-R（有生理活性）第七章對映異構(gòu)（一）手性和對稱性（二）具有一個手性中心的對映異構(gòu)（三）構(gòu)型和命名法（四）具有兩個手性中心的對映異構(gòu)（五）不含手性中心化合物的對映異構(gòu)（六）對映異構(gòu)在研究反應(yīng)機(jī)理中的應(yīng)用本章重點(diǎn)：手性、手性分子與手性碳、旋光度與比旋光度、對映體與非對映體、差向異構(gòu)體、內(nèi)消旋體、外消旋體等的概念； 對稱因素與分子的手性間的關(guān)系； Fischer投影式的寫法、R/S標(biāo)記法。同分異構(gòu)分

2、子的結(jié)構(gòu)就包括分子的構(gòu)造、構(gòu)型和構(gòu)象。碳架異構(gòu)官能團(tuán)異構(gòu)位置異構(gòu)互變異構(gòu)構(gòu)造異構(gòu)同分異構(gòu)順反異構(gòu)對映異構(gòu)構(gòu)型異構(gòu)立體異構(gòu)構(gòu)象異構(gòu)本章主要討論對映異構(gòu)。討論分子的立體形象及與物理性靜態(tài)立體化學(xué)質(zhì)的關(guān)系等。立體化學(xué)討論分子的立體形象對化學(xué)反應(yīng)動態(tài)立體化學(xué)性的影響及產(chǎn)物分子和反應(yīng)物分子在立體結(jié)構(gòu)上的關(guān)系等。（一）手性和對稱性（1） 偏振光（偏光）（2） 旋光物質(zhì)與比旋光度（3） 手性的概念（4） 對稱性（1）偏振光光是一種電磁波，光波的振動方向與其前進(jìn)方向垂直。普通光在所有垂直于其前進(jìn)方向的平面上振動。 偏振光只在一個平面上振動。強(qiáng)度為 I0 的偏振光在通過檢偏鏡后的強(qiáng)度 I 為：I I0Cos2其

3、中為兩 Nicol 棱鏡晶軸的夾角。可見，當(dāng)兩Nicol晶軸平行時( = 0)，觀察到的光強(qiáng)度最大。（2）旋光物質(zhì)與比旋光度起偏鏡檢偏鏡 I0 I 觀察盛液管旋轉(zhuǎn)后的偏振光偏振光光源Nicol棱棱Nicol棱棱旋光性物質(zhì)能使偏振光的振動方向旋轉(zhuǎn)一定角度的性質(zhì)。右旋（+）；左旋 （-）旋光度旋光性物質(zhì)使偏振光的振動平面所旋轉(zhuǎn)的角度， 用表示。顯然，溶液的旋光度與濃度、單位盛液管長度成正比。比旋光度單位濃度、單位盛液管長度下測得的旋光度， 用表示。實(shí)際測量時，可用溶液測量其旋光度，再用下式計算其比旋光度： aat=lClt式中： 比旋光度；測量時所采用的光波波長； t 測量時的溫度；由儀器測得的溶

4、液的旋光度；l 盛液管的長度,單位為dm(1dm=10cm)； C 溶液的濃度,單位為g.mL-1。表示比旋光度時，需要標(biāo)明測量時的溫度、光源的波長以及所使用的溶劑。例如，在溫度為20C時，用鈉光燈為光源測得的 葡萄糖水溶液的比旋光度為右旋52.2，應(yīng)記為：D20= + 52.2（水）“D”代表鈉光波長。鈉光波長589nm相當(dāng)于太陽 光譜中的D線。比旋光度是旋光性物質(zhì)的一個物理常數(shù)。旋光儀(polarimeter)(動畫)（3）手性的概念手左、右手互為實(shí)物與鏡像的關(guān)系，不能完全重合。手性像左右手一樣，實(shí)物與其鏡象不能疊合的性質(zhì)。例如，兩種不同的乳酸分子都具有手性：左旋乳酸，由蔗糖發(fā)酵得到COO

5、H右旋乳酸，由肌肉運(yùn)動產(chǎn)生COOHCCHHOH H3COHCH3鏡象實(shí)物鏡子其中心碳原子上連有四個不同的原子或原子團(tuán)，在空間有兩種不同的排列方式，不能完全重合，互為實(shí)物與鏡像的關(guān) 系，是兩種不同的化合物。手性碳原子與四個不同的原子或原子團(tuán)相連的碳原子，用“ * ”號標(biāo)出。例如：CH3CH -C* H-CH-CHCH -C* H-CH -CHCH -C* H-COOH333233OHBrOH（4）對稱性考察分子的對稱性就能判斷它是否具有手性。（甲）對稱軸（Cn）C3C2CCH32C2ClHH3CCH3CH3 HCCCH3CH HHH C3Cn的對稱操作是旋轉(zhuǎn)， Cn代表有n重對稱軸（見P138-

6、）。（乙）對稱面（）CH3CH3HH3CCH3 HH CCC3H3C無對稱面對稱面對稱面COOHClOCCHHHOHHHHH二個s三個s一個s多個s對稱面的對稱操作是反映（即照鏡子）。（丙）對稱中心（i）COOHCH3iiHCH3HH3CHCH3COOH（?。┙惶鎸ΨQ軸H對稱因素與分子的手性在絕大多數(shù)情況下，分子中沒有對稱面和對稱中心，與其鏡象就不能疊合，分子就會有手性。分子中是否存在對稱軸對分子是否具有手性沒有決定作用。所以，判斷分子中有無對稱面和對稱中心在立體化學(xué)中有重要意義。（二）具有一個手性中心的對映異構(gòu)（1）對映體（2）構(gòu)型表示方法（1）對映體凡是手性分子，必定有一個與之不能完全疊合

7、的鏡象。 互為實(shí)物與鏡象的兩個構(gòu)型異構(gòu)體稱為對映體。例如，乳酸是手性分子，就有一對對映體存在：COOHCOOHCCCH3 HHOH3COHH實(shí)物鏡象鏡子2-溴丁烷也是手性分子，也有一對對映體存在：CH3CCH3CCH3CH2BrBrCH2CH3HH實(shí)物鏡子鏡象一般情況下，除旋光方向外，一對對映體的理化性質(zhì)基本相同。在手性環(huán)境中，一對對映體表現(xiàn)出不同的性質(zhì)。 手性環(huán)境偏振光、手性溶劑、手性試劑等。（2）構(gòu)型表示方法式：直觀，但書寫麻煩，不適用于復(fù)雜化合物兩種方法Fischer投影式：使用方便，適用于簡單和復(fù)雜化合物Fischer投影式的寫法：碳鏈豎置，且編號小者置于上端；上下朝里，左右朝外。例如

8、：COOHCOOHCOOHOHCHCHOHH COH3HCHCH3Fischer 投影式3式COOH觀察HOHCH3注意事項： Fischer投影式只能在紙面上平移或旋轉(zhuǎn)180，但不能旋轉(zhuǎn)90或270，也不能將其脫離紙面翻身，否則構(gòu)型翻轉(zhuǎn)。如：COOHCOOHHCH3。180 。90HOHHOHCH3COOHHOH構(gòu)型改變構(gòu)型不變COOH(b)CH3(b)OH（與(b) 不同）CH3(b)COOHCOOHCOOHOH270。脫離紙面旋轉(zhuǎn)180 。HHOHHOHHOOCCH3HO構(gòu)型改變構(gòu)型改變CH3(b)CH3與(b) 不同CH3(b)H（與(b) 不同） 將手性碳上的四個基團(tuán)中的任意三個輪轉(zhuǎn)

9、（順時針或反時針），構(gòu)型不變：OHCOOHCOOHHOOCH3CHHOH=H=CH3(S)CH3(S)OH(S)將手性碳上的四個基團(tuán)中的任意兩個對調(diào)，構(gòu)型改變：HCOOHCH3COOHCH3HCOOHHOOCOHHOHHOH構(gòu)型改變構(gòu)型改變CH3(S)CH3(R)COOH(S)（三）構(gòu)型和命名法（1）D/L構(gòu)型標(biāo)記法（2）R/S構(gòu)型標(biāo)記法（1）D/L構(gòu)型標(biāo)記法D/L標(biāo)記法是以甘油醛的構(gòu)型為標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行的。D/L構(gòu)型是相對構(gòu)型。CHOCHOHOHHOH標(biāo)準(zhǔn)：CH2OH(+)-甘油醛D-型CH2OH(-)-甘油醛L-型COOHCOOHCOOHCOOHHOHHOHH2NHH2NHCH2OHD甘油酸CH

10、3D乳酸CH3L丙氨酸CH2OHL絲氨酸構(gòu)型與旋光方向是兩個不同的概念，無必然聯(lián)系。例如：CHOCOOHCOOHCOOHCOOHHgONaNO2+HBrHNO2Na-HgHOHHOHHOHHOHHOHCH2OHD-(+)- 甘油醛CH2OHCH3D-(-)- 乳酸CH2NH2CH2BrD/L標(biāo)記法經(jīng)典、方便，但它只能標(biāo)出一個手性碳的構(gòu)型。目前， D/L標(biāo)記法主要用于糖和蛋白質(zhì)的構(gòu)型標(biāo)記。左旋體、右旋體及外消旋體使平面偏振光向左旋的為左旋體，用“（）”或“ l”表示。使平面偏振光向右旋的為右旋體，用“（+）”或“d”表示。左旋體與右旋體，旋光度相同、旋光方向相反。外消旋體等量的左旋體與右旋體的混

11、合物，無旋光性。外消旋體用 （）、或（RS）、或（dl）、或 DL表示。外消旋體可分離(拆分)成左旋體與右旋體。( + ) CH3CHCOOH() CH3CHCOOH( + ) CH3CHCOOH OHOHOH（2）R/S 構(gòu)型標(biāo)記法R拉丁字Rectus（右）；S 拉丁字Sinister（左）。R/S 標(biāo)記法是根據(jù)手性碳原子上所連的四個原子或原子團(tuán)在空間的排列方式來標(biāo)記的。R/S 構(gòu)型是絕對構(gòu)型。用R/S 標(biāo)記構(gòu)型的步驟為：按照大小次序規(guī)則（復(fù)習(xí)P40-41），確定大小次序；將最小的原子或原子團(tuán)置于距觀察者最遠(yuǎn)處；觀察其余三個原子或原子團(tuán)由大到小的排列方式。順時針 R；逆時針 S。COOHCO

12、OHCC和例1：的構(gòu)型標(biāo)記。HOH CH3HOH3CH(b)(a)根據(jù)次序規(guī)則：OH COOH CH3 H觀察觀察COOHCOOHCCHOH CH3HOH3CH(b)COOH(a)COOHOHCH3OHCH3 為 順時針方向R型為逆時針方向S型Br例2 ：觀察BrClCOOHC 為 順時針方向HCl COOHR型Cl觀察例3 ：ClCH OHCH23CCH3CH2OHH為逆時針方向S型例4 ：觀察OHOHCHOCH2OHCCHOCH2OHH 為 順時針方向R型R/S標(biāo)記法也可直接應(yīng)用于Fischer投影式：COOHCOOHCHOCHOHOHHHOHHOHHOCH3R乳酸CH3S乳酸CH2OHR

13、甘油醛CH2OHS甘油醛OHCOOHCH3OHCHOCH2OHCH2OHCH2CH3CH3HOCOOHC6H5OHCHCH2CH3CH3COOHCH3HOHHOHHCH2OHC6H5SCHCH2SCH2CH3S河豚毒素（Tetrodotoxin）其毒性與C9的立體構(gòu)型有關(guān)：C9為S構(gòu)型（天然得到的化合物）是極毒的，C9為R構(gòu)型 則毒性很小。試判斷天然極毒的河豚毒素是（A）還是（B）?O-O-HOHOOOOHOHOOHH NH NHHO+HO+NH2NH2OHHONHOHHONH(A) (B)注意：R/S 標(biāo)記法與 D/L 標(biāo)記法的依據(jù)不同。R/S 法依據(jù)與C相連的四個原子或原子團(tuán)的大小順序；D

14、/L 法依據(jù)與 D-甘油醛的構(gòu)型是否相同。（四）具有兩個手性中心的對映異構(gòu)（1）具有兩個不同手性碳原子的對映異構(gòu)（2）具有兩個相同手性碳原子的對映異構(gòu)（1）具有兩個不同手性碳原子的對映異構(gòu)2-羥基-3-氯丁二酸總共有四種旋光異構(gòu)體：COOHCOOHCOOHCOOH（I）和（II）的等量混合物是外消旋體；（III）和（IV）的等量混合物也是外消旋體。HHHClHOHHOHClHOHHOHHClClCOOH( I ) (2R,3R)COOHCOOHI )COOH( IV)( I)(2R,3S)(2S,3R)(2S,3S)（I）與 （III）或（IV）、（II）與（III）或（IV）、（III）與（

15、I）或（II）、（IV）與（I） 或（II）分別構(gòu)成非對映體。外消旋體等量對映體的混合物。非對映體不對映的立體異構(gòu)體。對映體的物理性質(zhì)相同，旋光度數(shù)相同，方向相反。在手性條件下，對映體的性質(zhì)不同。非對映體的物理性質(zhì)不相同，旋光度數(shù)和方向都有可能不同。對含有n個C的化合物：光學(xué)異構(gòu)體數(shù)目 = 2n外消旋體數(shù)目 = 2n-1(n為不同手性碳的數(shù)目)例如：含3個C，最多有23 8個旋光異構(gòu)體。含4個C，最多有24 16個旋光異構(gòu)體。（如己醛糖）（2）具有兩個相同手性碳原子的對映異構(gòu)酒石酸分子中含有2個C，可能的異構(gòu)體有：COOHCOOHCOOHCOOHHOHHHOHOHHOHHHOHHOHHOHHO

16、COOHCOOHCOOHI(2R,3S)COOHIV(2S,3R)I(2R,3R)I (2S,3S)（III）與（IV）是同一種分子內(nèi)消旋酒石酸，其分子內(nèi)有一對稱面。（I）與（II）是對映體；（I）與（III）、（II）與（III）是非對映體；注意外消旋體與內(nèi)消旋體都沒有旋光性，但它們有本質(zhì)的不同：外消旋體是等量左旋體和右旋體的混合物，可拆 分；內(nèi)消旋體是分子內(nèi)有對稱面的單一化合物，不可拆分。 手性藥物與生物活性對映異構(gòu)體在手性條件下進(jìn)行反應(yīng)，其反應(yīng)速率不同。生物體內(nèi)的酶、各種底物具手性。對映異構(gòu)體進(jìn)入生物體內(nèi) 手性環(huán)境后，引起不同分子識別，使其生理活性相差很大。例：抗妊娠反應(yīng)的鎮(zhèn)靜藥(R)-

17、酞胺哌啶酮 (“反應(yīng)?！?OHRNNOO1）對映異構(gòu)體具有不同的生物活性強(qiáng)度HCOOHH3CCH3O(S)-萘普森非麻醉性的消炎鎮(zhèn)痛藥：(S)-酮咯酸COOHNHO2) 對映異構(gòu)體具有完全相反的生物活性。H利尿藥：(S)-(-)-依托唑啉OCOOC H25NNOCH33) 對映異構(gòu)體具有完全不同的藥理作用(S)-治療心臟病（心得安）*OCH2CHCH2NHCH(CH3)2(R)-避孕藥4) 對映異構(gòu)體的毒性或嚴(yán)重副作用減肥藥：(S)-(+)-氟HCH3CH2NHCF3（五）不含手性中心化合物的對映異構(gòu)（1） 丙二烯型化合物（2） 聯(lián)苯型化合物（3） 碳環(huán)化合物的對映異構(gòu)（1）丙二烯型化合物丙二烯分子中的兩個鍵是相互垂直的：aaaaCCCCCCbbbb(動畫)CH3HH3CHH3CHCH3H例1：CCCCCC無對稱面無對稱面對映體兩個相互垂直的四元環(huán)也可構(gòu)成手性軸!例2： 2,6-二甲基螺3,3庚烷的對映異構(gòu)：CH3HCH3HCH3HCH3H（2）聯(lián)苯型化合物COOH O2NHOOC NO2 COOHO2NHOOC NO2(動畫) 判斷一個分子是否有手性，須考察其是否有對稱面和對稱中心！（3）碳環(huán)化合物的對映異構(gòu)例1： 2-羥甲基-1-環(huán)丙烷羧酸的立體異構(gòu)HOH2CHOH2CHCH2OHCOOHHOOCCH2OHHHHHH(