有机化学武汉大学立体异构改.pptx

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1、1第四章 对映异构 （enantiomerism）第1页/共91页2一、偏振光一、偏振光,光学活性物质光学活性物质,比旋光度比旋光度二、对映体与对映异构体二、对映体与对映异构体三、有机分子对映异构及其实质三、有机分子对映异构及其实质四、手性中心的平面表示法四、手性中心的平面表示法FischerFischer投影式投影式五、手性中心的构型五、手性中心的构型R,SR,S命名法命名法六、分子的手性与对称性六、分子的手性与对称性七、含多个手性中心的化合物七、含多个手性中心的化合物八、手性中心的其它表示法八、手性中心的其它表示法九、手征性的宇宙手征性的宇宙十、有机化学反应中的立体化学与不对称合成十、有机

2、化学反应中的立体化学与不对称合成第2页/共91页3普通光光波在各个方向振动普通光变成只在变成只在一个平面振动的一个平面振动的光，故为光，故为偏振光光学活性物质使偏振光的平面发生偏转旋转了的角度一 偏振光,光学活性物质,比旋光度第3页/共91页41.偏振光：只在一个方向振动的光。2.光学活性物质：能使偏振光的平面发生偏转的物质称为光学活性物质。3.比旋光度：D=/c l 表示化合物旋光性的物理常数,物理意义指在10cm长的样品池中，浓度为1g/ml化合物的旋光度。化合物不同，比旋光度也不同。c-样品浓度（g/ml）,l-盛液管的长度(10 cm)-样品使偏振光的平面偏转的角度 比旋光度具有方向性

3、，使偏振光向右旋转，用表示，向左旋转则用 表示。第4页/共91页5Question:在旋光管为10cm的旋光仪中，化合物的旋光度读数为+45，你如何确定此物质的旋光度是+45，-315，+405（360+45），还是+765？Answer:把该物质的浓度减小一倍再测，这时旋 光仪读数将变为以前的一半。第5页/共91页6二、对映体与对映异构体锤 1 与锤 2 之间的关系相当于锤 1 与其镜像之间的关系。同型号锤 1同型号锤 2锤 1&锤 2 可以完全重合锤 1锤 1 镜像锤 2&锤 1 镜像可以完全重合1.1.对映体对映体 如果两物体之间的关系相当于其中一物体与其镜象的关系，则这两个物体互称为对

4、映体。第6页/共91页7左手右手左右手不能完全重合左手左手的镜像左手的镜像右手可以完全重合2.对映异构体 如果对映体之间不能完全重合，则互称为对映异构体。其关系相当于左右手的关系，因此又称其中任一物体是手征性的。第7页/共91页8举例说明你所知对映体和对映异构体。第8页/共91页9 1.有机化合物对映异构体的发现(不讲)（推荐阅读R.A.Hegstrum and D.K.Kondepudi,宇宙的手征性,科学中译本，1990，p31 或 The Handedness of the Universe，Sci.Am.,1990,261,98105）三、有机分子对映异构及其实质第9页/共91页10

5、1848年，巴斯德（L.Pasteur）在显微镜下发现酒石酸盐形成两种类型的晶体，并且一种晶体是另一种晶体的镜像，两种晶体的水溶液使偏振光向不同方向偏转。左旋和右旋酒石酸钠铵晶体巴斯德推测：构成盐的分子本身是两种不同类型，分子不同因而旋光性质不同。(不讲)第10页/共91页11法国化学家贝尔（Le Bel）也在同年独立发表了类似文章。Jacobus Henricus van t Hoff(1852-1911)，第一个Nobel化奖获得者（1901）1874年，年仅22岁的荷兰科学家范霍夫（Herr vant Hoff）发表了名为“原子的空间排布”（The Arrangements of Ato

6、ms in Space）一文，正式将有机化合物的结构推到了三维层次立体化学立体化学（stereochemistry），帮助我们解释了有机化合物的立体结构不同可以导致它们的性质不同。(不讲)第11页/共91页121.分子式为CH3X 的 化合物只有一种2.分子式为CH2X2或 CH2XY的化合物也只有一种3.分子式为CHXYZ的化合物有两种samesamesamesamedifferentdifferent2.有机分子对映异构的实质（请看动画）(不讲)CHEM TV第12页/共91页13CBrClFHmirror 连有四个不同原子或基团的碳原子,可形成一对对映异构体，因而为手征性分子，其旋光方向

7、不同（相反），但大小相等，因而又称光学异构体。该碳原子为手性中心，又称不对称碳原子，记做 C*。1)手性中心、不对称碳原子（chiral center,asymmetric carbon)第13页/共91页142)对映异构现象的实质 (a）以 H 原子远离我们的眼睛,按照与碳相连的原子的原子序数由大到小顺序进行排列,一个是顺时针方向,一个是逆时针方向。第14页/共91页15 （b）交换一个异构体中任何两个原子或原子团，得到其对映异构体，即得到的化合物原子或原子团在空间的排列顺序与以前相反。上面的例子说明，对映异构现象实质：是基团在空间的不同排列所引起。但是原子或基团的不同排列与旋光性有什么关系

8、？如何确定每种异构体的空间排列？第15页/共91页16牛奶发酵得到出汗时肌肉分泌D=(-)3.82D=(+)3.823)有机分子对映异构现象的实例 （1）乳酸 人出汗时肌肉分泌出来的乳酸和由牛奶发酵得到的乳酸是一对对映异构体：第16页/共91页17用Newman投影式和透视式表示牛奶发酵得到出汗时肌肉分泌D=(+)3.82度D=(-)3.82度运动时肌肉分泌出牛奶发酵得到第17页/共91页18(-)-2-溴丁烷()-2-溴丁烷D=(-)2 3.1D=()2 3.1 旋光的产生：当光线通过分子，围绕在原子核周围的电子云与光波所产生的电场相互作用，如果是手性分子，平面偏振光与不同对映异构体的相互作

9、用不同，因而使平面偏振光旋转的方向也就不同。但各种基团与光波相互作用的强弱还是未知数，其规律还不得而知，你有兴趣研究吗？一对对映异构体，除了旋光方向不同，其它物理性质，如熔点，沸点和在非手性溶剂中的溶解度都相同。（2）2溴丁烷 第18页/共91页19四、手性中心的平面表示法 Fischer投影式 做法：简单的画一个十字架，交叉点代表手性中心 （或手性碳原子），在十字架的端点写上与碳 相连的原子或基团。规定：水平方向的两个基团在纸面的上面，垂直方向 的两个基团在纸面的后方,氧化数高的碳一 般 放在垂直线的顶端。第19页/共91页20例如FischerFischer投影式投影式第20页/共91页2

10、1使用 Fischer 投影式的注意事项：1 一旦 Fischer 式写定，如果任意改变两个基团的位置奇数次，则变成另外一个立体异构体；任意改变两个基团偶数次则为同一化合物；S 两基团交换一次成 R 两基团再交换一次变回 S （关于手性中心的R/S表示见下一节）第21页/共91页2290180 2 Fischer 投影式在纸面上旋转 90则得到另外一个异构体，旋转 180则构型不变。S 旋转90变成 R S 旋转180 仍为 S 第22页/共91页23结论：Fischer式在纸面平移，旋转180，构型不变，但面翻转180，或在平面旋转 90，构型改变1803 离开纸平面翻转 180则得到另一个

11、异构体S 离开纸平面翻转 180得到 R第23页/共91页244 Fischer投影式与 Newman投影式的关系:Fischer 式表示的是化合物不稳定的全重叠构象。eg:第24页/共91页25判别以下两式是为同一化合物，还是对映异构体？An:将右式的H,CH3交换，Br与C2H5交换，则得到 左式，所以为同一化合物。第25页/共91页26五、手性中心的构型R,S命名法 (R.S.Cahn-C.K.Ingold-V.Prelog)1 构型与绝对构型：碳原子周围相连基团在空间的不同排列称为该原子的构型或绝对构型，可以通过X晶体衍射进行测量，化合物的旋光性质不能提供有关绝对构型的任何信息。2 次

12、序规则：各种取代基按先后次序排列的规则称为次序规则，要点为：第26页/共91页271）与C*直接相连的原子，原子序数较大的为优先基团；同位素中，原子量大的为优先基团.如:DH,IBrClF 2）如果不能按 1）法比较出两原子团的先后次序 （如与C*相连的两原子相同），则比较与这两个相 同原子相连的其它原子的先后顺序，把比较出的 次序作为与 C*相连的两基团的先后顺序。优先次序为:BrClFH1 3 42第27页/共91页28如上图，优先次序为 Cl CH3CHCH3 CH2CH3 H如上图，优先次序为 Cl CH3CH2 CH3 H 12 3 4 12 4 3第28页/共91页29如：3）对于

13、重键化合物有：OH CO CH2OH H其中第29页/共91页303R，S命名法（R.S.Cahn-C.K.Ingold-V.Prelog）将与手性碳原子C*相连的四个基团按次序规则定出先后次序 a b c d,把排在最后的原子或原子团d放到纸面后方，观察a,b,c。规定当a、b、c以顺时针方向排列时，该C*为 R 构型，当a、b、c 以逆时针方向排列时该C*为 S 构型。第30页/共91页31例:分子式为 CHFClBr 的分子有两种构型，分别为 R，S。SR逆时针顺时针BrClFClBrF第31页/共91页32Ibuprofen直接止痛在体内转化成左式发挥止痛作用 由上可知，Ibuprov

14、en 尽管原子组成相同，但互为对映异构体，构型不同，药效不同，说明生命体对异构体具有偏爱，这是一种不对称行为。又如：RS第32页/共91页33 1957年1962年，反应停的服用造成数万名婴儿严重畸形。研究发现，其致畸作用是由右式所代表的S异构体引起，而左式所代表的R异构体不引起致畸作用。沙利度胺沙利度胺（Thalidomide)又名反应停 镇静剂无致畸作用无镇静作用致畸变RS第33页/共91页34判断下列化合物手性中心的构型：165432RRSRRS第34页/共91页354.由Fischer投影式判断 R,S 构型时，若最小基团在垂直线上，则按高低顺序直接得到C*为R，或 S 构型；若最小基

15、团在左右，即横线上，按顺，反时针方向所得到的构型与实际构型相反。RS第35页/共91页365.有机分子的异构现象 通过前面的学习，可知有机化合物具有如下异构现象：异构体异构体（IsomersIsomers）具有相同分子式的不同化合物具有相同分子式的不同化合物构造异构体构造异构体（Constitutional isomersConstitutional isomers）化合物中原子的排列顺序不同化合物中原子的排列顺序不同立体异构体立体异构体（StereoisomersStereoisomers）化合物中原子的排列顺序相同，化合物中原子的排列顺序相同，但是空间排布不同但是空间排布不同 对映异构体对

16、映异构体（EnantiomersEnantiomers）两立体异构体互为镜像两立体异构体互为镜像 非对映异构体非对映异构体（DiastereomersDiastereomers）两立体异构体不互为镜像两立体异构体不互为镜像第36页/共91页37 1 1）构造异构体）构造异构体（Constitutional isomersConstitutional isomers）化合物中原子的排列顺序不同化合物中原子的排列顺序不同（1 1）功能基异构）功能基异构C2H3NMethyl IsonitrileAcetonitrile第37页/共91页38C2H6O第38页/共91页39如分子式为C4H10O的醇

17、有（2 2）碳链结构异构）碳链结构异构第39页/共91页40 2 2）立体异构）立体异构（1 1）对映异构体）对映异构体 （EnantiomersEnantiomers）两个分子互为镜像但不能完全重迭的立体异构体两个分子互为镜像但不能完全重迭的立体异构体mirror甘油醛第40页/共91页41(2)(2)(2)(2)非非非非对映异构体对映异构体对映异构体对映异构体 a.a.a.a.几何异构（顺反异构）几何异构（顺反异构）几何异构（顺反异构）几何异构（顺反异构）C4H8cis-2-butenetrans-2-butene第41页/共91页42cis-1,2-dimethyl-cyclopenta

18、netrans-1,2-dimethyl-cyclopentane第42页/共91页43b.b.构象异构构象异构CH3CH2CH2CH3第43页/共91页44六、分子结构中的对称元素与手性分子的 关系1.对称轴 如果从通过分子中任何一条直线旋转 360/n,能得到一个与分子完全重合的图形，则称该直线为该分子的 n 重旋转对称轴。记为Cn 水分子有C2 对称轴氨分子有C3 对称轴第44页/共91页452对称面 如果某一分子能被一个平面切成互为实物和镜象关系的两部分，此平面就是该分子的对称面。第45页/共91页46Propanoic acid有对称面非手性 Lactic acid无对称面 手性第4

19、6页/共91页47A.甲烷分子有四个对称面（只画了其中一个）；B.一氯甲烷有类似的三个对称面（只画了其中一个）；C.二氯甲烷只有两个对称面；D.氯溴取代甲烷只有唯一的一个对称面；E.氟氯溴取代甲烷没有对称面。具有对称面的分子是非手性分子。A B C D E第47页/共91页48中心P3 对称中心 如果从分子中的任一原子或原子团经中心 P 等距离延长得到具有相同的另一原子或原子团，则称该分子具有对称中心。具有对称中心的分子为非手性分子。4 结论：分子的手性与对称元素的关系没有 对称面和对称中心的分子是手性分子。第48页/共91页49 由于大的取代基团的影响，化合物既没有对称轴也没有对称中心。5.

20、没有手性中心的手性化合物取代联苯第49页/共91页50七 含多个手性中心的化合物1 两个手性中心连有相同基团的化合物 酒石酸分子的两个碳原子各连有四个不同的其它原子或原子团，因而具有两个手性中心，但每个手性中心相连的基团又都相同，分析其模型，可以有如下几种原子排列：Chem TV第50页/共91页51SSRRSRSR第51页/共91页52&，&分别为对映体；&具有对称面，因而为非光学活性物质，而且可以互相重合，因而是同种分子；&,&组成相同，但不为镜象，是非对映异构体；内消旋化合物(meso compound)：分子中虽含有手性中心，但不旋光的化合物；如，；外消旋化合物（racemic com

21、pound):等量的（+），（-）酒石酸相混合，旋光性能互相抵消，混合物不旋光。称为外消旋化合物；外消旋化(racemization):一个对映体变成其镜像并达到化学平衡的过程称为外消旋化；注意：外消旋化合物是混合物，内消旋化合物是纯净物。第52页/共91页532.2.光学纯度（光学纯度（Optical Purity)通过测量化合物的旋光度可以检测对映异构体的含量，称为光学纯度。光学纯度（optical purity)：O.P=实测/最大*100对映体过剩量（enantiomer excess）e.e=R S 例如（）丙氨酸的旋光度为8.5度，在腐植质沉积物里，（）丙氨酸缓慢外消旋化得到 为4

22、.25的一样品，即旋光度降为纯（）丙氨酸的一半。可以推算出样品含有75的（）丙氨酸和25的（）丙氨酸，即25的（）丙氨酸抵消了25的（）丙氨酸的旋光度，该样品的的光学纯度为50，同时对映体过剩量（一种对映体比另一种对映体多出的量）也为50（7525）。第53页/共91页543 两个手性中心连有不同基团的化合物化合物 2,3,4-三羟基丁醛分子式为：可以画出如下的 Fischer 投影式：RSRRSSRS第54页/共91页55对映异构体对映异构体非对映异构体非对映异构体非对映异构体SRRSSSRR含有两个不同手性中心的化合物具有4个立体异构体第55页/共91页564 含三个 C*的化合物(不讲)

23、2.3.4-三氯甲烷有如下8个立体异构体：(2S.3S.4S)(2R.3R.4S)(2R.3S.4R)(2S.3R.4S)(2S.3R.4R)(2R.3S.4S)(2S.3S.4R)(2R.3R.4R)第56页/共91页57 一般说来，含有n个不同的手性碳原子，理论上有（2n）个立体异构体。C47H51NO14 紫杉醇是一种全新的广谱抗癌药，副作用小，国际医疗界认为紫杉醇是近10年来发现的最有希望的抗癌药物。紫杉醇（taxol）紫杉醇（taxol）第57页/共91页58八 手性中心的其它表示法1 D/L命名法及相对构型 在没有 R,S 命名系统之前,人们规定甘油醛分子中 OH 基团在 Fisc

24、her式右边的为D型甘油醛，反之为 L型甘油醛。含有一个C*。甘油醛的分子式是用Ficher 式表示有:D-(+)-甘油醛L-(-)-甘油醛第58页/共91页59 相对构型:当进行化学反应时，如果与手性中心相连的键不断裂,则化合物的构型不会改变,由此演变而来的一系列化合物的构型与其原来的化合物相同。这样得来的化合物的构型称为相对构型。OHD-(+)-甘油醛D-(-)-甘油酸D-(-)-乳酸相对构型在碳水化合物的研究中仍然非常有用。第59页/共91页60D-(+)-葡萄糖L-(-)-葡萄糖葡萄糖的 Fischer 式问题：你能标出葡萄糖分子手性中心的构型吗？第60页/共91页612赤式，苏式表示

25、法 碳水化合物赤藓糖（erythrose）和苏阿糖threose）具有如下结构式：赤藓糖（erythrose）苏阿糖（threose）第61页/共91页62 人们规定：对于两个手性中心上分别连有两组相同基团的CabxCaby化合物，如果用Fisher式表示，相同基团在同边的为赤式，不在同边的为苏式：赤 式苏 式(1R,2R)-苏型氯霉素(1R,2R)-THREO-CHLOROMYCETIN第62页/共91页63 丰富多彩的自然界尽管可以发现一些漂亮的对称体，但现代科学已经揭示出，自然界通常不存在镜像对称，从亚原子水平到宏观水平，宇宙在所有的水平上都是不对称的。许多类似于这种不对称是如何产生的，

26、某一水平上的手征性如何引起另一水平上的手征性之类的问题还远远没有解决。九、手征性的宇宙 蝴蝶的四翅（每侧两个）左右对称 长瓣兜兰(Paphiopedilum dianthum)两侧长瓣左右对称 卡特兰(Cattleya labiata)左右对称 第63页/共91页64 北马兜铃(Aristolochia contorta)右旋 常青油麻藤(Mucuna sempervirens)右旋 萝藦科杠柳(Periploca sepium)右旋 1.自然界中的手性体与宇宙的不对称性 尽管可以发现一些物体以对映异构体存在，但真实世界通常显示对其中一种手征性更加偏爱,生命有机体更加强烈地显示这种偏爱。请注意

27、山中腾类植物绝大多数总是右旋向上爬。第64页/共91页65 蜗牛外壳的右螺旋结构DNA的双螺旋结构可爱的小蜗牛身上的罗纹是右旋的，DNA的双螺旋结构也是右旋的，有些宇宙星云也显示右螺旋结构。不对称的宇宙星云第65页/共91页662.对映异构在生命化学中的应用 种种事实表明，生命过程中也显示对对映异构体的偏爱，如前面提到的Ibuprofen，沙利度胺(Thalidomide)等。为什么不同的对映异构体具有不同的生理作用？因为生物体内的环境是手性环境，只有合适的手性分子与该环境相匹配时，才发挥正常的生理作用，正如左手戴左手套才合适一样。试想如果右脚穿左脚鞋子，走起路来是什么滋味呢？CHEM TV第

28、66页/共91页67第67页/共91页68第68页/共91页69第69页/共91页70 组成蛋白质的氨基酸都为左旋氨基酸，人们多数习惯使用右手，交通法规定右行 从物质的组成，到动物的行为，从微观世界到宏观世界无不显示对某一手征性的偏爱，所以整个宇宙是手征性的。为什么整个世界对手征性有偏爱，认真研究，科学的解析，将是一件十分有意义的工作。第70页/共91页71 20 世纪初，科学家在肌肉的提取物中发现了左旋肉碱，后来确认它是一种广泛存在于人体内的一种氨基酸，参与人体的许多代谢过程，是体内脂肪氧化代谢的必须物质。肉碱有两个光学异构体：左旋肉碱、右旋肉碱。在这两种构型中，只有左旋肉碱有生物活性，通常

29、所指的肉碱都是左旋肉碱。肉碱右旋肉碱左旋肉碱第71页/共91页72十、有机化学反应中的立体化学(以后不作要求)1非手性化合物产生手性中心的反应 以正丁烷氯化为例,产物之一具有手性中心：手性中心第72页/共91页73 用非手性试剂合成手性化合物往往得到外消旋体,即非光学活性试剂产生非光学活性产物。S(S)-(+)-sec-Butyl-chloride(R)-(-)-sec-Butyl-chlorideR 反应的第一步得到平面型的自由基；反应的第二步，Cl分子从自由基所在平面的两边进攻得到外消旋体 第73页/共91页74 手性中心无键断裂,原子或原子团在空间排列不变,相对构型保留。2手性分子的反应

30、 ）在手性中心无键断裂的反应第74页/共91页75R,S 构型发生了变化；但原子或原子团在空间的位置不变反应物和产物为具有相同相对构型的化合物。CH2Cl 代替了CH3 SR第75页/共91页762 2）产生第二个手性中心的反应）产生第二个手性中心的反应第76页/共91页77SSSSR立体位阻大立体位阻小在手性环境中反应，得到不同量的非对映异构体多少第77页/共91页78 外消旋体与手性试剂作用,得到非对映异构体,物理性质不同,可以分步结晶而分开,进一步反应,可以得到纯光学活性物质。3 手性分子与手性试剂的反应 外消旋混合物第78页/共91页79 除了之前提到的 Ibuprofen 和沙利度胺

31、（Thalidomide)之外，还有许多手性药物对人体有不同的作用。一种对映体有效，另一种无效，甚至有害。Dopa（多巴）（S）-异构体，具有治疗帕金森综合症的生物活性 （R）-异构体，造成粒状白细胞减少症（极度危险）第79页/共91页80 4.不对称合成(Asymmetric synthesis)利用合成方法，只选择性合成有用的、单一的对映异构体，称为不对称合成或对映异构体选择性合成(enantioselective synthesis)。不对称合成除快速、有效合成有用的产物外，同时可以充分利用资源，符合绿色化学的要求，是当今有机合成的前沿领域。由于W.Knowles、R.Noyori和K.

32、B.Sharpless在不对称合成领域的基础和应用研究中的杰出贡献获得了诺贝尔奖。第80页/共91页81Dopamine(-)-Norepinephrine去甲肾上腺素Dopamine-monooxygenase,O2 药物多巴胺（Dopamine）在人体内被特定的酶氧化成手性化合物(-)-Norepinephrine，选择性为100。多巴胺的氧化1）生物体内的不对称合成第81页/共91页82CH3CHO 被 NADD 还原ab 理论上 D 可以既可以从路线 a 进攻又可以从路线 b 进攻，从而得到或，但是事实上 D 只从路线a 进攻。产物是唯一得到的产物。第82页/共91页832.2.实验室

33、中的不对称合成 Nakada等将醛基上的氢原子换成TMS，使底物与丁基锂加成非对映选择性可达99%：第83页/共91页84Noyori合成前列腺素中的一个不对称反应：第84页/共91页85 (R)-BINAP通常用来作为氢化的催化剂，用它来做催化剂合成一种止疼药物(S)-Naproxen【萘普生(抗炎、解热、镇痛药)】，S型的产率可达98%。第85页/共91页86 (S)-1-溴2，2二甲基的C1和C3上进行单溴化反应，可以得到多少个产物？画出原料的结构，命名所得到的二溴环己环产物，说明它们是否手性分子，是否得到等量的产物，是否具有光学活性？RSanswer:SRSSMESOCHIRAL第86页/共91页87Draw the structure of a meso compound that has five carbons and three chirality centers第87页/共91页88 课后习题胡宏纹书：P81，4.8（4），（6）；P85，4.10。McMurry书：9.47；9.50（a），（d）；9.52（a）；9.55；9.56.第88页/共91页89补充题 判断下列各组化合物之间的关系（属相同化合物，对映异构，非对映异构）标明手性中心的构型。&12第89页/共91页90&345第90页/共91页91感谢您的观看！第91页/共91页