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1、第四章第四章对映异构与非对映异（对映异构与非对映异（Chapter44.1 手（征）性与手（征）性分子手（征）性与手（征）性分子4.2 平面偏振光和旋光活性平面偏振光和旋光活性4.3 分子的对称性与手（征）性分子的对称性与手（征）性4.4 Fischer投影式与手性碳原子的构型标记法投影式与手性碳原子的构型标记法4.5 含含两个不同手性碳两个不同手性碳原子化合物的对映异构现象原子化合物的对映异构现象4.6 含含两个相同手性碳两个相同手性碳原子化合物的对映异构现象原子化合物的对映异构现象4.7 环状环状化合物的立体异构化合物的立体异构4.8 不含手性碳不含手性碳原子化合物的对映异构现象原子化合物
2、的对映异构现象4.9 对映异构体的对映异构体的性质性质及研究意义及研究意义4.10 获得对映异构体的获得对映异构体的化学方法化学方法立体异构体立体异构体l分子的构造：分子中的各原子的连接顺序分子的构造：分子中的各原子的连接顺序与成键方式（单键、双键、三键）。与成键方式（单键、双键、三键）。l分子的构型：表示分子中原子或基团在空分子的构型：表示分子中原子或基团在空间排列方式。间排列方式。l立体异构体：分子中的原子或基团空立体异构体：分子中的原子或基团空间间排列或位置不同而导致的异构体。排列或位置不同而导致的异构体。n n 外消旋体的拆分（外消旋体的拆分（外消旋体的拆分（外消旋体的拆分（Resol
3、utionResolution）巴斯德，巴斯德，巴斯德，巴斯德，L.L.L.L.Louis Pasteur(18221895)1848年，年，巴斯德巴斯德巴斯德巴斯德借助放大镜拆分借助放大镜拆分借助放大镜拆分借助放大镜拆分外消旋的酒石酸钠铵外消旋的酒石酸钠铵外消旋的酒石酸钠铵外消旋的酒石酸钠铵(R)(R)型型型型,有效，不致畸形有效，不致畸形有效，不致畸形有效，不致畸形(S)(S)型型型型，致畸形，致畸形，致畸形，致畸形Thalidomide(Thalidomide(反应停反应停反应停反应停)镇静和止吐药物镇静和止吐药物镇静和止吐药物镇静和止吐药物(-)-L L-DOPADOPA 治疗帕金森氏
4、病治疗帕金森氏病治疗帕金森氏病治疗帕金森氏病(+)-D D-DOPADOPA在体内集聚，不能被代谢在体内集聚，不能被代谢在体内集聚，不能被代谢在体内集聚，不能被代谢反应停事件反应停事件:反应停是外消旋的酞胺哌啶酮，用于反应停是外消旋的酞胺哌啶酮，用于疗孕妇呕吐，导致了疗孕妇呕吐，导致了1.2万个畸形婴儿。万个畸形婴儿。(S)(S)-天冬酰胺天冬酰胺天冬酰胺天冬酰胺苦味苦味苦味苦味(R)(R)-天冬酰胺天冬酰胺天冬酰胺天冬酰胺甜味甜味甜味甜味麻醉剂麻醉剂麻醉剂麻醉剂致痉挛致痉挛致痉挛致痉挛巴比吐酸衍生物巴比吐酸衍生物巴比吐酸衍生物巴比吐酸衍生物同分异构体的类型同分异构体的类型4.1.1手性手性i
5、mageandmirrorimagenon-superposeblel手性手性:实物与其镜象不能完全重叠的性质，实物与其镜象不能完全重叠的性质，也叫手征性。也叫手征性。4.1手（征）性与手（征）性分子手（征）性与手（征）性分子ChiralityandChiralMoleculeChiralityinPlantChiralityinToolsChriralityinArtFigure4.1AMoleculeoflacticacidanditsmirrorimageabCOOHCOOHCH3CH3OHOH4.1.2手性分子手性分子Figure4.2Themoleculeissuperimposab
6、leonitsmirrorimageCOOHCOOHCH3 OH OHl定义：任何一个不能和它的镜象完全重叠的定义：任何一个不能和它的镜象完全重叠的分子，也称不对称分子。分子，也称不对称分子。l凡是手性分子都具有旋光活性。凡是手性分子都具有旋光活性。1.1.手性分子手性分子手性分子手性分子 手性手性手性手性(chiralitychirality)：实物实物实物实物和其镜像不能重叠的现和其镜像不能重叠的现和其镜像不能重叠的现和其镜像不能重叠的现象象象象 ChiralChiral is derived is derived from the Greek word from the Greek wo
7、rd cheiroscheiros,meaning,meaning“handhand”.”.手性分子手性分子手性分子手性分子（chiral molecules）：）：有手性现象的分子有手性现象的分子两者不两者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 ol l 手性分子手性分子手性分子手性分子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非手性分子：与镜像非手性分子：与镜像非手性分子：与镜像非手性分子：与镜像相重合相重合相重合相重合（非手性分子不含有
8、手性碳）（非手性分子不含有手性碳）（非手性分子不含有手性碳）（非手性分子不含有手性碳）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对映异构对映异构l对映异构现象：分子式相同，构造式也相对映异构现象：分子式相同，构造式也相同，但由于原子在空间的排列顺序不同而同，但由于原子在空间的排列顺序不同而使两种异构体互为实物与镜象或左右手的使两种异构体互为实物与镜象或左右手的关系而不能完全重叠的现象。关系而不能完全重叠的现象。l对映异构体：互为实物与镜象的关系，而对映异构体：互为实物与镜象的关系，而不能完全重叠的异构体，简称对映体。不能完全重叠的异构体，简
9、称对映体。图图4-3光的传播光的传播l光波是电磁波，振动方向与传播方向垂直光波是电磁波，振动方向与传播方向垂直l普通光和单色光可在垂直于光波前进方向的普通光和单色光可在垂直于光波前进方向的所有可能平面上振动所有可能平面上振动光的传播方向光的传播方向ABCD4.2 平面偏振光和旋光活性平面偏振光和旋光活性4.2.1 平面偏振光平面偏振光l平面偏振光：只在同一个平面内振动的平面偏振光：只在同一个平面内振动的光，简称偏振光。光，简称偏振光。Figure4.4Thenatureofplane-polarizedlight4.2.2 物质的旋光性物质的旋光性Figure4.5Abilityofamole
10、culetorotateplane-polarizedlight几个基本概念几个基本概念l物质的旋光性：物质能使偏振光的振动平面物质的旋光性：物质能使偏振光的振动平面旋转的性质，也叫光学活性旋转的性质，也叫光学活性l右旋体：使偏振光的振动平面向右（顺时针）右旋体：使偏振光的振动平面向右（顺时针）旋转的物质（旋转的物质（+）l左旋体：使偏振光的振动平面向左（反时针）左旋体：使偏振光的振动平面向左（反时针）旋转的物质（旋转的物质（-）l外消旋体：等量的左旋体和右旋体组成的混外消旋体：等量的左旋体和右旋体组成的混合体系合体系()-乳酸，可拆分乳酸，可拆分l旋光度：旋光性物质使偏振光振动平面旋转旋光度
11、：旋光性物质使偏振光振动平面旋转的角度（的角度（）4.2.3 旋光仪（旋光仪（polarimeter）图图4.6WXG-4圆盘旋光仪圆盘旋光仪（手动测量，（手动测量，测量范围：测量范围：180o,准确度：准确度：0.05o）a-光源光源b-起偏镜起偏镜c-盛液管盛液管d-检偏镜检偏镜e-刻度盘刻度盘abcde其他类型旋光仪其他类型旋光仪（测量范围：（测量范围：180o，测量精度：测量精度：0.02o仪器自动显示测量值仪器自动显示测量值,避避免读数误差）免读数误差）图图4.7WXG-5半自动旋光仪半自动旋光仪工作模式工作模式:旋光度、比旋度、溶液浓旋光度、比旋度、溶液浓度和糖度度和糖度,自动重复
12、测自动重复测6次并计算平次并计算平均值和均方根均值和均方根,有有RS232接口，可向接口，可向PC机传送数据机传送数据,测量范围：测量范围：45，120Z(糖度糖度)准确度：准确度：(0.01+测量值测量值0.05%),(0.03Z+测量值测量值0.05%)图图4.8WZZ-3数字自动旋光仪数字自动旋光仪4.2.4比旋光度比旋光度l定义：规定溶液的浓度为定义：规定溶液的浓度为1g.ml-1,盛液管长度盛液管长度为为1dm时测得的旋光度。时测得的旋光度。l比旋光度比旋光度与旋光度的换算与旋光度的换算=cLttL为旋光管长度，为旋光管长度，单位单位dmC为溶液浓度，为溶液浓度，单位单位g.ml-1
13、练习练习（2008农学联考）农学联考）25/(0.1g.mL-12.5dm)=+100l对称面（对称面（Planeofsymmetry)l对称中心对称中心(Centerofsymmetry)l手性碳原子手性碳原子(Chiralcarbon)4.3分子的对称性和手（征）性分子的对称性和手（征）性对称面对称面l对称面：把分子分为实物与镜象关系的平面。对称面：把分子分为实物与镜象关系的平面。（a）原子在一个平面内）原子在一个平面内（b）原子不在一个平面）原子不在一个平面（a）（b）l对称中心：对称中心：分子中的一个点，从这个点往分子中分子中的一个点，从这个点往分子中各基团拉连线，这个点成为连线的中心
14、，并且连线两各基团拉连线，这个点成为连线的中心，并且连线两端的基团相同，该端的基团相同，该“点点”即即分子的对称中心分子的对称中心。对称中心对称中心.l手性碳原子：和四个不相同的原子或手性碳原子：和四个不相同的原子或基团相连的碳原子。基团相连的碳原子。手性碳原子手性碳原子*l分子中只含有一个手性碳原子的分子为分子中只含有一个手性碳原子的分子为手性分子。手性分子。l没有对称面与对称中心的分子是手性分没有对称面与对称中心的分子是手性分子。子。总结：判断手性分子的一般规则总结：判断手性分子的一般规则练习：判断下列分子是否具有手性？练习：判断下列分子是否具有手性？*4.4Fischer投影式与手性碳原
15、子的构投影式与手性碳原子的构型标记法型标记法4.4.1构型的表示方法构型的表示方法l模型模型l透视式透视式lFischer投影式投影式乳酸对映体的透视式乳酸对映体的透视式l手性碳原子手性碳原子C*在纸面上。在纸面上。l用正常粗细实线表示与用正常粗细实线表示与C*相连的原子或原子团在相连的原子或原子团在纸面上。纸面上。l用虚线表示与用虚线表示与C*相连的原子或原子团伸向纸面后相连的原子或原子团伸向纸面后方。方。l用楔形（或粗实线）表示与用楔形（或粗实线）表示与C*相连的原子或原子相连的原子或原子团伸向纸面前方。团伸向纸面前方。费歇尔费歇尔(FischerE)投影式投影式 H HCH3CH3D乳酸
16、的乳酸的Fischer投影式投影式COOHCOOH费歇尔费歇尔(FischerE)投影式的写法投影式的写法l用用“+”的交点代表手性碳原子，四端与四的交点代表手性碳原子，四端与四个个 基团相连。基团相连。l将碳链放在竖直线上，氧化态较高的碳原将碳链放在竖直线上，氧化态较高的碳原子或主链的子或主链的1号碳原子在上，以竖直线相连号碳原子在上，以竖直线相连的基团表示伸向纸后。的基团表示伸向纸后。l以水平线相连的基团表示伸出纸面。以水平线相连的基团表示伸出纸面。4.4.2构型的命名法构型的命名法lDL命名法（相对构型）命名法（相对构型）lRS命名法（绝对构型）命名法（绝对构型）lR：拉丁文拉丁文rec
17、tus（右）（右）lS：拉丁文拉丁文sinnister（左）（左）DL命名法命名法D-(+)-甘油醛甘油醛L-(-)-甘油醛甘油醛l1951年以前年以前,不能测定化合物的绝对构型。不能测定化合物的绝对构型。l相对构型：将甘油醛以相对构型：将甘油醛以Fischer投影式书写，手性碳投影式书写，手性碳原子上所连的羟基在右边的为原子上所连的羟基在右边的为D-型，在左边的为型，在左边的为L-型。型。l用化学反应将手性化合物与甘油醛相关联，确定用化学反应将手性化合物与甘油醛相关联，确定D,L构型。构型。l碳水化合物和氨基酸用碳水化合物和氨基酸用D,L-构型表示。构型表示。RS命名法命名法l首先按首先按“
18、次序规则次序规则”将与手性碳原子相连将与手性碳原子相连的四个基团确定先后顺序。的四个基团确定先后顺序。l然后把排列次序最小的基团放在离观察者然后把排列次序最小的基团放在离观察者最远的位置，将其它三个基团从大到小排最远的位置，将其它三个基团从大到小排序，若为顺时针方向，则为序，若为顺时针方向，则为R，若反时针若反时针方向则为方向则为S。（R）-2-丁醇丁醇重键的分解方法重键的分解方法l与手性碳原子相连的原子与手性碳原子相连的原子A若以双键或叁键与另一若以双键或叁键与另一个原子个原子B相连相连,则相当于则相当于A与两个与两个B或三个或三个B相连。相连。练习练习(+)-l标出（）乳酸分子中手性碳原子
19、的标出（）乳酸分子中手性碳原子的绝对构型。绝对构型。l R乳酸的乳酸的Fischer投影式是（投影式是（）。）。（2008农学联考）农学联考）练习练习（2009农学联考）农学联考）Dl含有两个不同手性碳原子的化合物有四含有两个不同手性碳原子的化合物有四种不同构型的分子。种不同构型的分子。ARASARASBRBSBSBRl分子中含有分子中含有n个不同的手性碳原子，则有个不同的手性碳原子，则有2n个对映异构体。个对映异构体。4.5含两个不同手性碳原子含两个不同手性碳原子化合物的对映异构现象化合物的对映异构现象2,3,4-三羟基丁酸的三羟基丁酸的对映异构体对映异构体的的Fischer投影式投影式a(
20、2R,3R)b(2S,3S)c(2R,3S)d(2S,3R)l凡是不是实物与镜像对映关系的旋光异构体均凡是不是实物与镜像对映关系的旋光异构体均称为非对映异构体。称为非对映异构体。l例：例：a和和d,a和和c,b和和c,b和和d4.6 含有两个相同手性碳原子的化合物含有两个相同手性碳原子的化合物l含有两个相同手性碳原子的化合物有三含有两个相同手性碳原子的化合物有三个对映与非对映异构体（旋光）。个对映与非对映异构体（旋光）。a(2R,3R)b(2S,3S)c(2R,3S)d(2S,3R)=内消旋体内消旋体l定义：可以用平面将分子分成实物和镜影关系的两定义：可以用平面将分子分成实物和镜影关系的两半半
21、,两个不对称原子的旋光性相反两个不对称原子的旋光性相反,整个分子没有整个分子没有旋光活性的异构体旋光活性的异构体(meso)。顺顺-1,2-二氯环戊烷二氯环戊烷反反-1,2-二氯环戊烷二氯环戊烷SRSSRR4.7环状化合物的立体异构环状化合物的立体异构l立体异构：顺反异构、对映异构立体异构：顺反异构、对映异构4.8不含手性碳原子化合物的不含手性碳原子化合物的对映异构现象对映异构现象l思考：思考：l含有手性碳原子是分子具有手性的充分含有手性碳原子是分子具有手性的充分必要条件？必要条件？丙二烯型化合物丙二烯型化合物spsp2sp2图图4-11丙二烯丙二烯键立体结构示意图键立体结构示意图手性轴手性轴
22、图图4-9丙二烯原子轨道示意图丙二烯原子轨道示意图2，3-戊二烯的对映异构体戊二烯的对映异构体CCCCCC231l丙二烯的两个端碳原子上各自连有不同的丙二烯的两个端碳原子上各自连有不同的基团，为手性分子。基团，为手性分子。2-甲基甲基-2，3-戊二烯戊二烯l有对称面，非手性分子有对称面，非手性分子单键旋转受阻的联苯型化合物单键旋转受阻的联苯型化合物6,6-二硝基联苯二硝基联苯-2,2-二甲酸的旋光异构体二甲酸的旋光异构体l联苯的联苯的4个个-位都连有较大的基团，而且同一位都连有较大的基团，而且同一苯环上连着的两个基团不同，为手性分子苯环上连着的两个基团不同，为手性分子2，6-二氯二氯-2，6-
23、二溴联苯二溴联苯l有对称面，非手性分子有对称面，非手性分子4.9对映异构体的性质及研究意义对映异构体的性质及研究意义4.9.1物理性质物理性质l熔点、沸点，在非手性溶剂中的溶解度等完熔点、沸点，在非手性溶剂中的溶解度等完全相同。全相同。l旋光度相同，旋光方向相反。旋光度相同，旋光方向相反。l非对映异构体的物理性质不同，化学性质基非对映异构体的物理性质不同，化学性质基本相同，但同一反应中，反应速率不同。本相同，但同一反应中，反应速率不同。l外消旋体有固定的熔点，且熔程很窄。外消旋体有固定的熔点，且熔程很窄。表表4-2一些旋光异构体的物理性质一些旋光异构体的物理性质名称名称熔点熔点/比旋光度比旋光
24、度溶解度溶解度g.(100g水水)-1(+)-乳酸乳酸53+3.8(-)-乳酸乳酸53-3.8()-乳酸乳酸16.8-(+)-苹果酸苹果酸100+2.3(-)-苹果酸苹果酸100-2.3()-苹果酸苹果酸128.5-144(+)-酒石酸酒石酸170+15139(-)-酒石酸酒石酸170-15139()-酒石酸酒石酸206-20.6(meso)-酒石酸酒石酸146-148-1254.9.2化学性质化学性质l对映体异构体与非手性试剂作用完全相同。对映体异构体与非手性试剂作用完全相同。l对映异构体与手性试剂作用或在手性溶剂对映异构体与手性试剂作用或在手性溶剂或手性催化剂的作用下，二者的反应速率或手性
25、催化剂的作用下，二者的反应速率不同。不同。4.9.3研究意义研究意义 生物体内几乎所有的化学反应都需要生物体内几乎所有的化学反应都需要酶催化，而酶对底物具有极高的立体结构酶催化，而酶对底物具有极高的立体结构的要求，所以不同立体结构的异构体一般的要求，所以不同立体结构的异构体一般具有极不相同的生理作用。具有极不相同的生理作用。Fig.4-10Enzyme-substratecomplex表表4-3手性药物的对映体的不同作用手性药物的对映体的不同作用药物名称药物名称药物的治疗作用药物的治疗作用有效对映体和作用有效对映体和作用另一种对映体和作用另一种对映体和作用反应停反应停S-构型，镇静剂构型，镇静
26、剂R-构型，致畸胎构型，致畸胎青霉素胺青霉素胺S,S-构型构型，抗关节炎药，抗关节炎药R,R-构型，突变剂构型，突变剂乙醇丁胺乙醇丁胺S,S-构型，抗结核菌构型，抗结核菌R-构型，导致失明构型，导致失明酮基布洛酚酮基布洛酚S-构型，抗炎构型，抗炎R-构型，防治压周炎构型，防治压周炎手性药物指导原则手性药物指导原则一个含手性因素的化学药物，必须说一个含手性因素的化学药物，必须说明其两个对映体在体内不同的生理活性、明其两个对映体在体内不同的生理活性、药理作用和代谢过程，以及考虑单一对映药理作用和代谢过程，以及考虑单一对映体的问题。体的问题。FDA1992年年3月月4.10获得对映异构体的方法获得对
27、映异构体的方法l外消旋体的拆分外消旋体的拆分:化学分离法、晶种结晶法、色谱分离法化学分离法、晶种结晶法、色谱分离法l化学计量不对称合成：手性试剂化学计量不对称合成：手性试剂l不对称催化反应：手性催化剂不对称催化反应：手性催化剂不对称合成不对称合成l无手性条件下的合成反应，得到外消旋体。无手性条件下的合成反应，得到外消旋体。l不对称合成不对称合成:当在手性条件下进行的反应，当在手性条件下进行的反应，产物中某一对映异构体的量占优势，使反产物中某一对映异构体的量占优势，使反应产物具有旋光活性，这种合成反应也叫应产物具有旋光活性，这种合成反应也叫手性合成。手性合成。2001年度诺贝尔化学奖获得者及其主
28、要贡献年度诺贝尔化学奖获得者及其主要贡献WillamS.Knowles主要贡献主要贡献威廉诺尔斯：威廉诺尔斯：1942年获美国年获美国哥伦比亚大学博士学位，曾哥伦比亚大学博士学位，曾就职于孟山都公司，主要开就职于孟山都公司，主要开发了不对称氢化反应的手性发了不对称氢化反应的手性催化剂。催化剂。L-多巴（治疗帕金森综合症）的合成多巴（治疗帕金森综合症）的合成RyojiNoyori的主要贡献的主要贡献野依良治：野依良治：1967年获日本京都年获日本京都大学博士学位，大学博士学位，1972年任日本年任日本名古屋大学教授，完善了用于名古屋大学教授，完善了用于不对称氢化反应的手性催化剂不对称氢化反应的手性催化剂工艺。工艺。萘普生（抗炎镇痛）的合成萘普生（抗炎镇痛）的合成K.BarrySharpless的主要贡献的主要贡献巴里巴里夏普斯：夏普斯：1941年生于费城，年生于费城，1968年获斯坦福大学博士学位，年获斯坦福大学博士学位，美国加州斯克里普斯研究所化学美国加州斯克里普斯研究所化学教授，开发了不对称氧化反应的教授，开发了不对称氧化反应的手性催化剂。手性催化剂。紫杉醇（抗癌药）边链的合成紫杉醇（抗癌药）边链的合成l用手性锇催化剂催化烯烃的不对称双羟基用手性锇催化剂催化烯烃的不对称双羟基化反应。化反应。