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1、第第5 5章章 立体异构基础立体异构基础 (solid isomerism)(solid isomerism)主要内容主要内容主要内容主要内容uu立体异构体立体异构体立体异构体立体异构体uu手性分子和非手性分子、手性碳手性分子和非手性分子、手性碳手性分子和非手性分子、手性碳手性分子和非手性分子、手性碳uu对映异构体和非对映异构体对映异构体和非对映异构体对映异构体和非对映异构体对映异构体和非对映异构体uu立体结构的表示方法立体结构的表示方法立体结构的表示方法立体结构的表示方法2 2 掌握立体异构、旋光异构、手性碳原掌握立体异构、旋光异构、手性碳原子、手性分子、对映体、非对映体、子、手性分子、对映
2、体、非对映体、外消旋体、内消旋体等基本概念。外消旋体、内消旋体等基本概念。1 1 熟悉有机化学中同分异构现象的分类熟悉有机化学中同分异构现象的分类;3 3 学会判断对映体和非学会判断对映体和非对映体、外消旋对映体、外消旋体和内消旋体的存在;体和内消旋体的存在;4 4 掌握构型标记法;掌握构型标记法;学习要求学习要求第第5.15.1节节 手性分子与对映体手性分子与对映体(chiralitychirality and and enantiomerismenantiomerism)一、一、同分异构体的同分异构体的基本概念及分类基本概念及分类二、手性二、手性三、三、手性分子与对映体手性分子与对映体四、
3、对称面与非手性分子四、对称面与非手性分子五、判断五、判断对映体对映体的方法的方法n n 立体化学立体化学立体化学立体化学(Stereochemistry)(Stereochemistry)(Stereochemistry)(Stereochemistry)以三维空间研究分子结构和性质的科学以三维空间研究分子结构和性质的科学主要研究有机化合物的立体结构及其对化合物的物主要研究有机化合物的立体结构及其对化合物的物理与化学性质的影响理与化学性质的影响.n 立体异构立体异构 由原子或基团由原子或基团空间空间排列或取向不同排列或取向不同所产生的异所产生的异构现象。构现象。一、一、同分异构体的同分异构体的
4、基本概念及分类基本概念及分类 分子式相同,但性质和结构不相同的化合物分子式相同,但性质和结构不相同的化合物叫做叫做同分异构体同分异构体。这种现象叫做。这种现象叫做同分异构现象同分异构现象。有机化合物的同分异构现象分为两大类:有机化合物的同分异构现象分为两大类:结构异构结构异构(构造异构构造异构)和和立体异构立体异构。同分异构的分类归纳为:同分异构的分类归纳为:1构造异构构造异构(结构异构结构异构)(1)(1)碳链异构碳链异构 由于分子中碳链的骨架不同而产生的同分由于分子中碳链的骨架不同而产生的同分异构现象叫异构现象叫碳链异构碳链异构。产生的原因:产生的原因:由于分子中原子或原子团相由于分子中原
5、子或原子团相互连结的次序和方式不同。互连结的次序和方式不同。分为:分为:正丁烷正丁烷异丁烷异丁烷例如:例如:(2)位置异构位置异构 因取代基或官能团在碳链上或碳环上的位置因取代基或官能团在碳链上或碳环上的位置不同而产生的异构现象不同而产生的异构现象。例如:例如:CH3CH2CH2OH CH3CH(OH)CH3丙醇丙醇异丙醇异丙醇邻邻-甲苯酚甲苯酚 间间-甲苯酚甲苯酚 对对-甲苯酚甲苯酚(3)(3)官能团异构官能团异构 CH3CH2OH CH3OCH3 乙醇乙醇 甲醚甲醚因分子中官能团不同而产生的异构现象因分子中官能团不同而产生的异构现象。例如:例如:CH3CH2CHO CH3COCH3 丙醛丙
6、醛 丙酮丙酮(5)价键异构价键异构 一种官能团异构体改变其结构成为另一种官一种官能团异构体改变其结构成为另一种官能团异构体,互相迅速地变换,形成两种异构体能团异构体,互相迅速地变换,形成两种异构体的动态平衡的动态平衡。(4)互变异构互变异构例如:例如:互变异构互变异构2立体异构立体异构 产生的原因产生的原因:构造相同构造相同,由于分子中原子或由于分子中原子或原子团在空间的排列方式不同。原子团在空间的排列方式不同。分为分为构象异构构象异构和和构型异构构型异构:构象异构构象异构:由于单:由于单键自由旋转而产生键自由旋转而产生的立体异构。的立体异构。构象异构体构象异构体构象异构体构象异构体 可通过单
7、键旋转互相转换可通过单键旋转互相转换可通过单键旋转互相转换可通过单键旋转互相转换 一般无法分离一般无法分离一般无法分离一般无法分离交叉式交叉式 重叠式重叠式构型异构又包括构型异构又包括顺反异构顺反异构和和对映异构对映异构(旋光异构旋光异构)。构型构型是指一个特定立体是指一个特定立体异构体分子中的原子或异构体分子中的原子或基基团在空在空间的排列方式。的排列方式。顺反异构顺反异构:因共价键旋转:因共价键旋转受阻而产生的立体受阻而产生的立体异构异构(不能相互转化)(不能相互转化)旋光异构:旋光异构:因分子中手性因因分子中手性因素而产生的素而产生的立体立体异构异构 不可转换不可转换不可转换不可转换 理
8、论上可分离理论上可分离理论上可分离理论上可分离二、二、手性和手性分子手性和手性分子手性和手性分子手性和手性分子 手性手性手性手性(chiralitychiralitychiralitychirality):实物和其镜像不能重叠的现象。实物和其镜像不能重叠的现象。实物和其镜像不能重叠的现象。实物和其镜像不能重叠的现象。l l 手手手手性性性性 饱和饱和C原子具有四面体结构,可用四面体结原子具有四面体结构,可用四面体结构模型清楚表达。构模型清楚表达。手性分子手性分子手性分子手性分子(chiralchiral moleculesmolecules):):有手性现象的分子。有手性现象的分子。两者不两者
9、不两者不两者不能重合能重合能重合能重合手性分子手性分子镜像镜像转转转转 180180o o连有连有连有连有4 4个不同原子或基团的饱和碳原子个不同原子或基团的饱和碳原子个不同原子或基团的饱和碳原子个不同原子或基团的饱和碳原子手性碳手性碳手性碳手性碳(chiralchiral carbon carbon)手性中心手性中心手性中心手性中心 (ChiralChiral center center)用用*表示表示*手性碳标记手性碳标记手性碳标记手性碳标记l l 手性碳手性碳手性碳手性碳 手性分子的特征手性分子的特征手性分子的特征手性分子的特征5-溴癸烷溴癸烷2-甲基环己酮甲基环己酮乳酸-羟基丙酸羟基丙
10、酸例如:例如:一对互为镜像关系的乳一对互为镜像关系的乳酸分子的立体结构式酸分子的立体结构式 乳酸分子中乳酸分子中C2连着连着H、CH3、OH和和COOH,则可得到两种结则可得到两种结构的模型,无论把它们怎样放置,构的模型,无论把它们怎样放置,二者都类似左右手关系,不能使二者都类似左右手关系,不能使完全重叠。因此,它们并不是相完全重叠。因此,它们并不是相同的。同的。乳酸分子乳酸分子2种不同构型的种不同构型的特征特征(1)(1)2个个立立体体异异构构体体之之间间彼彼此此相相似似而而不不能能完完全全重重叠;叠;(2)(2)2 2个个立立体体异异构构体体之之间间呈呈实实物物和和镜镜像像相相互互对对应应
11、关关系(左右手关系)。系(左右手关系)。分子的手性分子的手性(chirality)物质分子互为实物物质分子互为实物和镜象关系(象左手和右手一样),彼此不能完和镜象关系(象左手和右手一样),彼此不能完全重叠的特征全重叠的特征。三、手性分子和对映体三、手性分子和对映体 具有手性的分子叫做具有手性的分子叫做手性分子手性分子。和和4个不相同的原子或原子团相连的碳原子个不相同的原子或原子团相连的碳原子称为称为手性碳原子手性碳原子(手性中心),常用(手性中心),常用“C*”表示。表示。含有含有1 1个手性碳原子个手性碳原子的有机化合物分子的有机化合物分子一般一般具有手性,是具有手性,是手性分子手性分子。对
12、对映映体体 一个手性碳原子所连的一个手性碳原子所连的4个不同原子或基团在空个不同原子或基团在空间具有间具有2种不同的排列方式,它们彼此互为镜像关系,种不同的排列方式,它们彼此互为镜像关系,又不能重叠的一对立体异构体,互为又不能重叠的一对立体异构体,互为对映异构体对映异构体(简称对映体)。(简称对映体)。含有含有1个手性碳原子的化合物必定是手性化合物。个手性碳原子的化合物必定是手性化合物。含有含有1个手性碳原子的化合物只有一对对映体。个手性碳原子的化合物只有一对对映体。镜面一对对映体(互为镜像)对对映映体体2-氯丁烷氯丁烷四、对称面与非手性分子四、对称面与非手性分子对称面:对称面:2个个H连线的
13、中点、连线的中点、CH3和和Cl可组可组成一个平面;成一个平面;该平面把分子分为对称的互为镜象两半。该平面把分子分为对称的互为镜象两半。氯乙烷分子氯乙烷分子无手性,非手性分子无手性,非手性分子。CH3-CH2-Cl 假如有一个平面可以把分子分割成两半,而这假如有一个平面可以把分子分割成两半,而这两半互为镜像,那么这个平面就是分子的两半互为镜像,那么这个平面就是分子的对称面对称面。l l 对称面对称面对称面对称面丙酸丙酸存在对称面,存在对称面,无手性,非手性无手性,非手性分子分子CH3-CH2-COOH氯溴甲烷有对称面,氯溴甲烷有对称面,非手性分子非手性分子 结论:结论:具有对称面的分子无手性,
14、不具有旋光具有对称面的分子无手性,不具有旋光性,也没有对映异构体。性,也没有对映异构体。有机化合物分子具有手性的最常见原因是:有机化合物分子具有手性的最常见原因是:存在手性碳原子存在手性碳原子(不是唯一的原因不是唯一的原因)。但不是所有具有手性碳原子的分子都是手性分子。但不是所有具有手性碳原子的分子都是手性分子。l l 非手性分子非手性分子非手性分子非手性分子两者两者两者两者互相互相互相互相重合重合重合重合非非手性分子手性分子镜像镜像转转转转 6060o o 任何一个能够与其镜像完全重叠的分子,都不具有任何一个能够与其镜像完全重叠的分子,都不具有旋光性,这样的分子称为旋光性,这样的分子称为非手
15、性分子非手性分子。(非手性分子不(非手性分子不(非手性分子不(非手性分子不含有手性碳)含有手性碳)含有手性碳)含有手性碳)转转转转 180180o o两者完两者完两者完两者完全重合全重合全重合全重合非非手性分子手性分子 分子是否具有手性的判断标准:分子是否具有手性的判断标准:分子中是否存在对称面、对称中心等对称因素。分子中是否存在对称面、对称中心等对称因素。若分子中有对称面、对称中心两个元素之一,若分子中有对称面、对称中心两个元素之一,则为非手性分子。若分子中不具有上述对称因素则为非手性分子。若分子中不具有上述对称因素则为手性分子。则为手性分子。只只有有1个个手手性性碳碳原原子子的的分分子子为
16、为手手性性分分子子。手手性分子都具有旋光性。性分子都具有旋光性。第第1.建造一个分子和它的镜像模型建造一个分子和它的镜像模型。如果两。如果两者不能重合,就是手性分子。者不能重合,就是手性分子。第第2.寻找有无对称面寻找有无对称面。有对称面,它就不存。有对称面,它就不存在对映体,为非手性分子。在对映体,为非手性分子。第第3.寻找手性碳原子寻找手性碳原子(或手性中心或手性中心)。只要有一个手性碳原子,就是手性分子,有只要有一个手性碳原子,就是手性分子,有一对对映体(两个以上一对对映体(两个以上C有例外。见内消旋有例外。见内消旋体)体)五、判断对映体(手性分子)的方法五、判断对映体(手性分子)的方法
17、例:例:例:例:2,3-2,3-2,3-2,3-丁二醇丁二醇丁二醇丁二醇(有(有(有(有3 3 3 3个立体异构体,各含有个立体异构体,各含有个立体异构体,各含有个立体异构体,各含有2 2 2 2个手性个手性个手性个手性C C C C)对映异构体对映异构体对映异构体对映异构体(enantiomersenantiomersenantiomersenantiomers):一对互一对互一对互一对互为镜像且不互相重合的分子为镜像且不互相重合的分子为镜像且不互相重合的分子为镜像且不互相重合的分子 (一类(一类(一类(一类特殊的立体异构体)特殊的立体异构体)特殊的立体异构体)特殊的立体异构体)I I I
18、I 与与与与 IIIIIIII 互为镜像,且不重合,均为互为镜像,且不重合,均为互为镜像,且不重合,均为互为镜像,且不重合,均为手性分子手性分子手性分子手性分子 I I I I 与与与与 II II II II 互为互为互为互为对映异构体对映异构体对映关系对映关系转转转转 180180o o非对映异构体非对映异构体非对映异构体非对映异构体 (diastereoisomersdiastereoisomersdiastereoisomersdiastereoisomers):相互不相互不相互不相互不为镜像的立体异构体为镜像的立体异构体为镜像的立体异构体为镜像的立体异构体IIIIIIIIIIII为非手性分子(与其镜像为非手性分子(与其镜像为非手性分子(与其镜像为非手性分子(与其镜像 IIIIIIIIIIII可完全重合)可完全重合)可完全重合)可完全重合)转转转转 180180o oI I I I 与与与与 IIIIIIIIIIII,或或或或IIIIIIII与与与与IIIIIIIIIIII不成镜像,互为不成镜像,互为不成镜像,互为不成镜像,互为非对映异构体非对映异构体非对映异构体非对映异构体