立体化学基础

1、第五章 立体化学基础,主讲老师：杨振华 E-mail: ,督导电话：3029128,1. 掌握立体化学中的一些基本概念（光学异构、顺反异 构、 对称面、对称中心、手性碳原子、手性分子、对 映体、非对映体、外消旋体、内消旋体等）；费歇尔 投影式， R、S构型标记法；判断分子手性的方法。,3. 了解D、L构型标记法，苏式、赤式构型。外消旋体的 拆分；二环环烷烃的构象。,2. 熟悉平面偏振光、比旋光度、旋光度及相关计算；对 应异构体间及非对应异构体间理化性质的区别；卤代 反应的立体化学。,第五章 立体化学基础,【目标】,讨论分子的立体结构及立体结构与分子物理性质之间的关系,讨论分子的立体形象对化学反

2、应的影响及产物分子和反应物分子在立体结构上的关系等。,立体化学,静态立体化学,动态立体化学,立体化学（stereochemistry）是研究分子的立体结构、反应的立体性及其相关规律和应用的科学。,第五章 立体化学基础,第五章 立体化学基础,对映异构 enantiomerism,概念：构造相同，互为实物与镜像构型的两分子;简称对映体。,二十世纪60年代，药物“反应停” (thalidomide) 在欧洲出售，它是有力的镇静剂和止吐剂。很多孕妇服用, 产下畸形的婴儿（一万二千）。科学家们对这个化合物进行了深入的研究。发现“反应停”是具有对映异构体的化合物的混合物，它的 (R) 构型异构体是强力的镇

3、静剂，而 (S) 构型异构体却是强烈的致畸剂。它们的熔点、沸点都同，对偏振光的作用不同。,(S)-thalidomider致畸剂 (R)-thalidomeder 镇静剂,研究手性的意义：反应停事件,对映（光学）异构体的重要性：,1天然有机化合物大多有旋光现象（手性）。,3物质的旋光性与药物的疗效有关,2用于研究有机反应机理。,如何检测出对映异构体？,第五章 立体化学基础,一 、平面偏振光 和旋光性,概念：普通光通过Nicol棱镜形成的只在一个平面上振动的光。简称偏振光或偏光。,偏振光的振动平面称为偏振面.,（一）旋光性,旋光物质：具有光学活性(旋光性)的物质。,概念：能使偏振光振动面旋转的性

4、质。,（二）旋光仪和旋光度,概念：旋光活性物质使偏振光振动平面旋转的角度，用“”表示。,旋光度“”是一个变量，它受温度、光源、浓度、管长等许多因素的影响，为了便于比较，就要使其成为一个常量，故用比旋光度来表示。,旋光方向,顺时针 右旋 用“”表示,逆时针 左旋 用“”表示,在一定温度和波长（钠光）条件下，样品浓度为1 g.mL-1 时，在 1 dm 长的盛液管中测得的旋光度。是一物理常数。,式中： 为实测旋光度；,c为试样的质量浓度，单位 g.mL-1; 若试样为纯液体则为密度。,l 为盛液管的长度，单位 dm 。,t 测样时的温度()。,为旋光仪使用的光源的波长（通常用钠光，以D表示，=58

5、9.3nm)。,（三）比旋光度,比旋光度能够体现物质特性,L dm C gmL-1,通过旋光度的测定可计算旋光性物质的纯度和含量，鉴别光学活性物质。,Nicol棱镜 (偏振片),偏振光,普通光,有无数个振动方向，振动方向与光的前进方向相垂直,偏振光,与棱镜晶轴平行的振动方向,只有一个振动方向的光,旋光度,光活性物质,光源,起偏镜,盛液管,检偏镜,观察目镜,刻度盘,非旋光物质,（2）旋光性怎样测定？,旋光仪工作原理示意图,旋光物质,光源：钠光589.3nm 盛液管1dm,1848年 路易斯 巴斯德发现对映异构体,二、手性和对映异构,1808年 马露发现偏振光,1815年 法国物理学家拜奥特发现晶

6、体旋光性,酒石酸盐晶体,第一节 概 述,手性：象左右手一样，互为实物与镜像关系，彼此不能重合的现象。,生活中的手性,第一节 概 述,3 _ 1平面偏振光及比旋光度,第一节 概 述,手性分子：实物与其镜像不能重合的分子。,对映异构体：构造相同，但实物与其镜像不能重合的异构体，简称对映体(或叫旋光异构体) 。,第一节 概 述,*,手性碳原子：连有四个互不同的原子或基团的碳原子（又叫不对称碳原子，用*C表示）。,第一节 概 述,*,不是手性碳,一个分子中如果只含有一个手性碳原子，它肯定是手性分子，存在一对对映异构体。,C,C,C,邻乙酰基-乳香酸,4 .手性碳原子,*,*,*,*,*,*,*,*,*

7、,*,*,对称面() :能把分子剖成实物和镜像两部分的平面。,（一）对称因素,三、分子的对称性和手性,有对称面的分子是对称分子（非手性分子）。,H,对称中心( i )：如果分子中有一点，所有通过这个点画的直线都以等距离遇到相同的基团。,OH,CH3,H,H,H,.,OH,CH3,三、分子的对称性和手性,一个分子只可能有一个对称中心。有对称中心的分子也是非手性分子。,对称轴( Cn )：通过物体或分子的一条直线，以这条直线为转轴旋转一定的角度( 360/ n)，得到的物体或分子形象与原物体或分子的形象无法区别。,没有对称面也没有对称中心的分子是手性分子，而对称轴不作为判别手性分子依据。,C2,C

8、3,C6,C2,C2,三、分子的对称性和手性,有手性碳原子的分子为手性分子。,手性碳原子与手性分子,无手性碳原子的分子为非手性分子。,可见分子中有无手性碳原子不是判断分子是否具有手性的依据。,不含手性中心的手性分子,分子中没有手性中心,端位上连接的基团,处于,垂直,平面,结论：,A.有对称面、对称中心、四重交替对称轴的分子均可与其镜象重叠，是非手性分子；反之，为手性分子。,至于对称轴并不能作为分子是否具有手性的判据。,B.大多数非手性分子都有对称轴或对称中心，只有 交替对称轴而无对称面或对称中心的化合物是少数。,既无对称面也没有对称中心的，一般可判定为是手性分子。,分子的手性是对映体存在的必要

9、和充分条件。,如果分子中不存在对称面、对称中心和四重更迭对称轴，则这个分子具有手性,二烯烃的特性反应：共轭加成和D-A反应。 偏振光、比旋光度、 对映体、对称因素、 手性碳原子、手性分子判断：,既无对称面也没有对称中心的，一般可判定为是手性分子。,分子的手性是对映体存在的必要和充分条件。,小 结,二烯烃的特性反应：共轭加成和D-A反应。 偏振光、比旋光度、 对映体、对称因素、 手性碳原子、手性分子判断：,既无对称面也没有对称中心的，一般可判定为是手性分子。,分子的手性是对映体存在的必要和充分条件。,对称面() :能把分子剖成实物和镜像两部分的平面。,（一）对称因素,三、分子的对称性和手性,有对

10、称面的分子是对称分子（非手性分子）。,H,对称中心( i )：如果分子中有一点，所有通过这个点画的直线都以等距离遇到相同的基团。,OH,CH3,H,H,H,.,OH,CH3,三、分子的对称性和手性,一个分子只可能有一个对称中心。有对称中心的分子也是非手性分子。,对称轴( Cn )：通过物体或分子的一条直线，以这条直线为转轴旋转一定的角度( 360/ n)，得到的物体或分子形象与原物体或分子的形象无法区别。,没有对称面也没有对称中心的分子是手性分子，而对称轴不作为判别手性分子依据。,C2,C3,C6,C2,C2,三、分子的对称性和手性,有手性碳原子的分子为手性分子。,手性碳原子与手性分子,无手性

11、碳原子的分子为非手性分子。,可见分子中有无手性碳原子不是判断分子是否具有手性的依据。,不含手性中心的手性分子,分子中没有手性中心,端位上连接的基团,处于,垂直,平面,一、含一个手性碳的化合物,第二节 对映异构和非对映异构,一、含一个手性碳的化合物,乳 酸 的 理 化 性 质,外消旋体：一对对映体的等量混合物。用()或dl表示,对映体性质的异同,相同点: 熔点、沸点、溶解度(非手性溶剂中);与非手性试剂的作用。,不同点: 对偏振光的作用(旋光性)不同; 与手性试剂作用时，或在手性溶剂或手性催化剂的作用下，二者的反应速率不同;生理作用、药效有差异,一、含一个手性碳的化合物,（一）对映异构体的表示方

12、法,投影原则：C链竖放；编号从上到下 横键在前、竖键在后 将分子结构投影在平面上，交叉点表示C* 使用原则：不能离开纸面翻转;在纸平面上不能旋转90 的奇数倍; 任意两个基团调换偶数次，构型不变; 调换 奇数次，构型改变。,Fischer投影式,可以沿纸面旋转，但不能离开纸面翻转。,可以旋转180，但不能旋转90的奇数倍。,（二）对映异构体构型的命名,1. D/L构型标记法,D-(+)-甘油醛,L-(-)-甘油醛,以甘油醛为标准，规定：甘油醛的Fischer投影式中，羟基在右边的为右旋甘油醛，定为D构型；羟基在左边的为左旋甘油醛，定为L构型。,（二）对映异构体构型的命名,D - 乳酸,L -

13、乳酸,其他物质与甘油醛比较,若手性C上的取代基在Fischer投影式右边称该构型为D型；若在左边，则称为L型（若有多个手性碳，以编号最大的手性碳为主）。如：,D-葡萄糖,（二）对映异构体构型的命名,D、L构型与旋光性没有联系，旋光性用(+)(-)表示；一对对映体中若一个为D型,则另一个必为L型；若D型为左旋体，L型必为右旋体，反之亦然。,绝对构型：分子中手性碳原子所连接原子或基团在空间排列的真实情况。,2. 构型的 R/S命名法,依次序规则将4个基团按大小排序，abcd将末优基团d放在距观察者眼睛最远的位置上，观察abc，由大到小排列顺时针为R，逆时针为S；若手性碳上连有Z/E型相同基团，则Z

14、E。,S,R,顺序规则（Sequence rule）,与手性碳直接相连的原子不同时，原子序数大者“较优”。同位素以相对原子质量大者“较优”。,IBrClS P F ON C D H,若与手性碳直接相连的原子相同时，可比较相同原子所连的其他原子的原子序数，原子序数大者“较优”，依次类推，直到比较出大小为止。, CH2CH3 CH3 CH2Cl CH2OH, CH(CH3)2 CH2C(CH3)3,若相连的基团中含有不饱和键时，如C=O， CN等时，则分别看作C两次与O相连，三次与N相连。,顺序规则（Sequence rule）, CHO CH2OH,（O,O,H）,（O,H,H）,若取代基互为对

15、映异构体时，R-构型优先于S-构型；取代基互为几何异构时，Z式大于E式。,R / S型标示法,R,R,2. R / S 标记法,S 乳酸,R 乳酸,R 乳酸,2. R / S 标记法,NH2 C6H5 CH=CH2 CH(CH3)2,R 4-甲基-3-苯基-3-氨基-1-戊烯,(R)-2-羟基丙酸,(2R,3R)-2-氯-3-溴戊烷,单个手性碳不写位次,多个手性碳写出位次,2-氯-3-溴戊烷,R,R,R,IBrClFONCH,Fischer 投影式 R/S 构型标记的规律：,2. R / S 标记法,1. 若最小基团在竖线上： abc 顺时针为R构型；逆时针为S构型,R 构型,S 构型,R 构

16、型,2. 若最小基团在横线上： abc 顺时针为 S构型； 逆时针为R构型,R 构型,当最不优基团处于横键位置时，从最不优基团正面看过去判断，然后将判断结果反过来即可。,R/S 表示构型，构型和名称之间有明确的对应关系，属于系统命名，适用范围广。,D/L 表示构型，构型和名称之间有相对关系，无对应关系。适用碳水化合物、氨基酸的命名,（+）/（-） 表示旋光方向，实际测量确定。,（+）/（-） 、D/L和R/S之间均无必然联系。,2. R / S 标记法,对映异构体构型的区别,可以沿纸面旋转，但不能离开纸面翻转。,S,R,可以旋转180，但不能旋转90的奇数倍。,R,R,S,R,二、含两个手性碳

17、原子的对映异构,（一）含两个不同手性碳原子的对映异构,第一个手性碳： R S,第二个手性碳： R S R S,共组成四种异构体：,R R S S R S R S () () () (),含n个不同手性碳的分子，对映异构体数目：2n对映异构体对数：2n-1,2,3,4-三羟基丁醛,互为对映体,互为对映体,(a)(b)与(c)(d)之间彼此不成镜像的立体异构体,称为非对映体.,互为实物和镜像的异构体为对映体，比旋光度大小相等，方向相反；不是实物和镜像关系的异构体，互称非对映体。写对映体时，只用镜像一下分子就行了。,含两个手性碳的分子，若在Fischer投影式中，两个相同基团在同一侧，称为赤式，在不

18、同侧，称为苏式。,赤式和苏式,D-(-)-苏阿糖,L-(+)-苏阿糖,D-(-)-赤藓糖,L-(-)-赤藓糖,赤式,苏式,（二）含两个相同手性碳原子的对映异构,1和2实际上是同一物质，具有两个相同的手性碳，构型分别为R和S，它们引起旋光的能力相同，方向相反，旋光性在分子内部抵销，对外不显旋光性，称为内消旋体 (meso-或m-)。为非手性分子。,内消旋体的构象分析,内消旋体,锯架式,纽曼投影式,对位交叉式,邻位交叉式,有对称面,有对称中心,外消旋体与内消旋体：,共同点：二者均无旋光性。物理性质和相应的左旋体或右旋体相比有差异。,不同点：外消旋体：混合物，可拆分一对对映体。 内消旋体：化合物，不

19、能拆分。,非对映体：旋光性能和物理性质不相同；化学性质基本相同，但对同一反应，反应速率有差别。,一个碳原子若和两个相同取代基的手性碳原子相连，而且当这两个取代基构型相同时，该碳原子为对称碳原子。而若这两个取代基构型不同时，则该碳原子为手性碳原子，但分子无旋光性，则称为假手性碳原子。,（三）假手性碳原子,二、含多个手性碳原子的化合物,*,*,？,R,S,R,S,非手性碳原子,S,S,R,R,手性碳原子,对映体,内消旋体,假手性碳原子,二、含多个手性碳原子的化合物,r,s,三、含手性轴化合物的旋光异构,（一）丙二烯性化合物,联苯型化合物当邻位（2,6,2,6)基团大到一定程度时，单键旋转受到阻碍，

20、二环处于非平面状态，则出现手性。根据计算，联苯分子两个苯环处于共平面时，2-2(6-6)之间垂直距离为2.90 ,当基团原子或基团中心到C之间的距离之和大于2.90 时，就有旋光异构体。,（二） 联苯型化合物,第三节 取代环烷烃的立体异构,（一）顺反异构和旋光异构,环的存在限制了CC键的旋转，当环上两个碳原子各连有一个取代基时，可产生顺反异构。相同的原子或基团在环的同侧为顺式（cis-），在两侧为反式（trans-）。,顺-1-甲基-4-乙基环己烷,反-1-甲基-4-乙基环己烷,一、取代环烷烃的立体异构,（一）顺反异构和旋光异构,实验证明：单环化合物有否旋光性可以通过其平面式的对称性来判别，凡

21、是有对称中心和对称平面的单环化合物无旋光性，反之则有旋光性。,无旋光（对称面）,有旋光,无旋光(对称面),无旋光（对称中心）,无旋光（对称面）,有旋光,（一）顺反异构和旋光异构,无旋光（对称面）,有旋光,无旋光（对称面）,有旋光,（一）顺反异构和旋光异构,（二）取代环己烷的构象分析,1. 一取代环己烷,非键张力大,结论：一取代环己烷，连e键比连a键稳定，基团越大，e键取代构象所占的比例越高。,2. 二取代环己烷,（二）取代环己烷的构象分析,(1) 1,2-二取代环己烷,顺 式,反 式,a、e 键,e 、a 键,a、a 键,e、e 键,结论: 稳定性 反式顺式，处于e键的取代基越多越稳定。当两个

22、取代基不同时，大取代基占e键更稳定。,（二）取代环己烷的构象分析,(2) 1,3-二取代环己烷,结论: 稳定性 顺式 反式,顺 式,反 式,（二）取代环己烷的构象分析,顺-1,2-二甲基环己烷,结论：用平面式分析，化合物是内消旋体。 用构象式分析，化合物是外消旋体。,(),（二）取代环己烷的构象分析, 从取代基的空间位阻考虑：,. 椅式构象为稳定构象； . 取代环己烷中取代基占横键多的为优势构象； . 含不同取代基时，体积较大的处于横键为优势构象； 叔丁基（控制构象基团）等庞大基团处于e键的位置。,优势构象：,（二）取代环己烷的构象分析, 非键合原子间其他的作用力（氢键，偶合作用）,十氢化萘,

23、顺式有对映异构体,反式无构象异构体,（三）二环环烷烃的构象,顺 式,反 式,二、构象异构和构型异构,构象异构体是通过围绕单键的旋转而使原子或基团在空间的排布不同，在室温下无法分开。,构型异构体是不能通过键轴的旋转而产生，是不同的物质并能独立存在的异构体。,(R)-2-氯-丁烷,二、构象异构和构型异构,第四节 烷烃卤代反应的立体化学,（一）非手性分子转化成手性分子,正丁烷 2-氯丁烷 （非手性化合物） （手性化合物）,一个分子在对称环境下反应, 不可能有选择性:左旋体与右旋体过渡态能量相同、反应活化能相同，反应速率相同，产物无旋光性。,一、卤代反应的立体化学,Cl2,（一）非手性分子转化成手性分

24、子,生成外消旋体,+ Cl2,(S)-(+)-1-氯-2-甲基丁烷 有旋光性,()-1,2-二氯-2-甲基丁烷 无旋光性,纯的光活性物质转变为外消旋体的过程称为外消旋化。对于手性碳上有键发生断裂的反应，其构型变化是复杂的（除外消旋化外，还可能是构型转化或构型保持），主要取决于反应机理。,（二）外消旋化,一非手性分子在反应过程中产生一个手性中心时，产物为外消旋体；但一手性分子在反应过程中产生第二个手性中心时，将会产生二个不等量的非对映体（不对称合成）。,（三）非对映体的生成,二、外消旋体的拆分,定义：将外消旋体拆分成左旋体和右旋体，称为外消旋体的拆分。,()RCOOH + (-)-RNH2,成盐,分级结晶,HCl,HCl,(+)-RCOO-(-)-RNH2 A,(-)-RCOO-(-)-RNH2 B,(+)-RCOOH + (-)-RNH3 Cl -,(-)-RCOOH + (-)-RNH3 Cl -,+,+,非对映体分离:结晶或蒸馏.,对映体分离:常用化学拆分法,A与B为非对映立体异构体,常用拆分剂：喹宁、马钱子碱、酒石酸、樟脑磺酸等,对映异构体过量百分率：,（1）拆分剂与被分离物之间易反应, 又易被分解。 （2）两个非对映立体异构体溶解度有较大差别。