第八章立體化學(xué)

1、一、課時(shí)：2學(xué)時(shí)二、教學(xué)課型：理論課三、題目：立體化學(xué)四、教學(xué)目的、要求（1）掌握手性、對(duì)映體、旋光性、比旋光度、手性化合物構(gòu)型的表示法、構(gòu)型的確定和標(biāo)記（2）掌握含有一個(gè)和多個(gè)手性碳原子化合物的立體異構(gòu)。（3）了解外消旋體的拆分、手性合成和環(huán)狀化合物的立體異構(gòu)。五、教學(xué)重點(diǎn)：（1）手性、對(duì)映體、旋光性、比旋光度。（2）手性化合物構(gòu)型的表示法、構(gòu)型的確定和標(biāo)記。六、教學(xué)難點(diǎn)：手性化合物構(gòu)型的表示法、構(gòu)型的確定和標(biāo)記。七、教學(xué)手段：多媒體教學(xué)方法：講授八、教學(xué)內(nèi)容：引言20世紀(jì)60年代的“反應(yīng)?！笔录?，是一個(gè)典型的藥物導(dǎo)致胎兒畸形的例子。當(dāng)時(shí)一家西德藥廠生產(chǎn)了一種治療早期妊娠反應(yīng)的新藥，有很好的

2、止吐作用。許多有嘔吐反應(yīng)的早期妊娠婦女，服用此藥后，可迅速把妊娠反應(yīng)性嘔吐停住，因而取名為“反應(yīng)?！?。由于止吐效果顯著，頗受早孕婦女的歡迎。在很短的時(shí)間里便風(fēng)靡全世界。特別是在十幾個(gè)經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家內(nèi)，成為非常暢銷(xiāo)的藥。但是隨后不久，這些國(guó)家內(nèi)不斷出生了許多沒(méi)有胳膊也沒(méi)有腿的海豹樣新生嬰兒。僅在生產(chǎn)此藥的西德，10個(gè)月中，就有5500多個(gè)這樣的怪胎出生。在英國(guó)也在短時(shí)間內(nèi)，登記到的這種怪胎就有8000多個(gè)。日本也發(fā)現(xiàn)300多個(gè)。鎮(zhèn)靜作用強(qiáng)烈致畸作用反應(yīng)停（halidomide，-苯肽茂二酰亞胺，塞利多米）后來(lái)經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)停是消旋體，其右旋體有鎮(zhèn)靜作用，而左旋體對(duì)胚胎有很強(qiáng)的致畸作用。手性

3、藥物療效的極大差異促進(jìn)了手性藥物的研究開(kāi)發(fā)與及分離分析的發(fā)展。目前普遍使用的2000多種合成藥物中有600余種為手性藥物，而活性的單一對(duì)映體藥物不足100種，其余的500余種都是左右旋混在一起的消旋體藥物。異構(gòu)現(xiàn)象是有機(jī)化學(xué)中存在著的極為普遍的現(xiàn)象。其異構(gòu)現(xiàn)象可歸納如下：對(duì)映異構(gòu)是指分子式、構(gòu)造式相同，構(gòu)型不同，互呈鏡像對(duì)映關(guān)系的立體異構(gòu)現(xiàn)象。對(duì)映異構(gòu)體之間的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)基本相同，只是對(duì)平面偏振光的旋轉(zhuǎn)方向（旋光性能）不同。例如，丁二烯水合得到兩種2-丁醇在空間的排列上，可以看出他們是不相同的?？梢?jiàn)，這兩個(gè)異構(gòu)體是互相對(duì)映的，互為物體與鏡像關(guān)系，故稱(chēng)為對(duì)映異構(gòu)體。對(duì)映異構(gòu)體中，一個(gè)使偏振

4、光向右旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)使偏振光向左旋轉(zhuǎn)，所以對(duì)映異構(gòu)體又稱(chēng)為旋光異構(gòu)。1天然有機(jī)化合物大多有旋光現(xiàn)象。2物質(zhì)的旋光性與藥物的療效有關(guān)（如左旋維生素C可治抗壞血病，而右旋的不行）。3用于研究有機(jī)反應(yīng)機(jī)理。8.1 手性和對(duì)稱(chēng)因素手性和對(duì)稱(chēng)因素1手性（以乳酸CH3C*HOHCOOH為例來(lái)討論）乳酸有兩種不同構(gòu)型（空間排列）特征：（1）、不能完全重疊，（2）、呈物體與鏡象關(guān)系（左右手關(guān)系）。物質(zhì)分子互為實(shí)物和鏡象關(guān)系（象左手和右手一樣）彼此不能完全重疊的特征，稱(chēng)為分子的手性。（chirality)具有手性（不能與自身的鏡象重疊）的分子叫做手性分子。（chiral molecules)連有四個(gè)各不相同基團(tuán)的

5、碳原子稱(chēng)為手性碳原子（或手性中心）用C*表示。凡是含有一個(gè)手性碳原子的有機(jī)化合物分子都具有手性，是手性分子。    要判斷某一物質(zhì)分子是否具有手性，必須研究分子的對(duì)稱(chēng)性質(zhì)，下面介紹分子中常見(jiàn)的幾種對(duì)稱(chēng)因素：對(duì)稱(chēng)面（）、對(duì)稱(chēng)中心（i）、對(duì)稱(chēng)軸（Cn）、更替對(duì)稱(chēng)軸（Sn）。    凡物質(zhì)分子在結(jié)構(gòu)上不具有對(duì)稱(chēng)面、對(duì)稱(chēng)中心或四重更替對(duì)稱(chēng)軸，這個(gè)物質(zhì)就具有手性，它和鏡象互為對(duì)映異構(gòu)，具有旋光性。1.對(duì)稱(chēng)面（）：    假如有一個(gè)平面可以把分子分割成兩部分，而一部分正好是另一部分的鏡象，這個(gè)平面就是分子的對(duì)稱(chēng)面（）

6、。如：    分子中有對(duì)稱(chēng)面，它和它的鏡象就能夠重合，分子就沒(méi)有手性，是非手性分子（Achiral molecule），因而它沒(méi)有對(duì)映異構(gòu)體和旋光性。2.對(duì)稱(chēng)中心（i）    若分子中有一點(diǎn)P，通過(guò)P點(diǎn)畫(huà)任何直線，兩端有相同的原子，則點(diǎn)P稱(chēng)為分子的對(duì)稱(chēng)中心（用i表示）。如：                 具有對(duì)稱(chēng)中心的化合物和它的鏡象是能重合的，因此它不具有手性。3.對(duì)稱(chēng)軸（

7、Cn）    如果穿過(guò)分子畫(huà)一直線，分子以它為軸，旋轉(zhuǎn)一定角度后，可以獲得與原來(lái)分子相同的形象，此直線即為對(duì)稱(chēng)軸（Cn表示）。    當(dāng)分子沿軸旋轉(zhuǎn)360°/n，得到的構(gòu)型與原來(lái)的分子相重合，這個(gè)軸即為該分子的n重對(duì)稱(chēng)軸。如：        因此，有無(wú)對(duì)稱(chēng)軸不能作為判斷分子有無(wú)手性的標(biāo)準(zhǔn)。4.更替對(duì)稱(chēng)軸（Sn）    如果一個(gè)分子沿一根軸旋轉(zhuǎn)了360°/n的角度以后，再用一面垂直于該軸的鏡象將分子反射，所得的鏡象如能

8、與原物重合，此軸即為該分子的n重更替對(duì)稱(chēng)軸（用Sn表示）。    如果旋轉(zhuǎn)的角度為90°（360°/4），就稱(chēng)為四重更替對(duì)稱(chēng)軸（S4）。如：         4    具有四重更替對(duì)稱(chēng)軸。具有四重更替對(duì)稱(chēng)軸的化合物和鏡象能夠重疊，因此不具旋光性。    在一般情況下要判斷一個(gè)化合物的分子有沒(méi)有手性，一般只要考慮它有沒(méi)有對(duì)稱(chēng)面和對(duì)稱(chēng)中心就可以了。有對(duì)稱(chēng)中心的分子沒(méi)有手性。物質(zhì)分子在結(jié)構(gòu)上具有對(duì)稱(chēng)面或

9、對(duì)稱(chēng)中心的，就無(wú)手性，因而沒(méi)有旋光性。物質(zhì)分子在結(jié)構(gòu)上即無(wú)對(duì)稱(chēng)面，也無(wú)對(duì)稱(chēng)中心的，就具有手性，因而有旋光性。物質(zhì)的旋光性與比旋光度平面偏振光和物質(zhì)的旋光性1平面偏振光光波是一種電磁波，它的振動(dòng)方向與前進(jìn)方向垂直。在光前進(jìn)的方向上放一個(gè)（Nicol）棱晶或人造偏振片，只允許與棱晶晶軸互相平行的平面上振動(dòng)的光線透過(guò)棱晶，而在其它平面上振動(dòng)的光線則被擋住。這種只在一個(gè)平面上振動(dòng)的光稱(chēng)為平面偏振光，簡(jiǎn)稱(chēng)偏振光或偏光。2物質(zhì)的旋光性能使平面偏振光振動(dòng)平面旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)稱(chēng)為物質(zhì)的旋光性，具有旋光性的物質(zhì)稱(chēng)為旋光性物質(zhì)（也稱(chēng)為光活性物質(zhì)）。能使偏振光振動(dòng)平面向右旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)稱(chēng)右旋體，能使偏振光振動(dòng)平面向左旋轉(zhuǎn)的物

10、質(zhì)稱(chēng)左旋體，使偏振光振動(dòng)平面旋轉(zhuǎn)的角度稱(chēng)為旋光度，用表示旋光儀與比旋光度1 旋光儀測(cè)定化合物的旋光度是用旋光儀，旋光儀主要部分是有兩個(gè)尼可爾棱晶（起偏棱晶和檢偏棱晶），一個(gè)盛液管和一個(gè)刻度盤(pán)組織裝而成。其測(cè)定原理見(jiàn)P120若盛液管中為旋光性物質(zhì)，當(dāng)偏光透過(guò)該物質(zhì)時(shí)會(huì)使偏光向左或右旋轉(zhuǎn)一定的角度，如要使旋轉(zhuǎn)一定的角度后的偏光能透過(guò)檢偏鏡光柵，則必須將檢偏鏡旋轉(zhuǎn)一定的角度，目鏡處視野才明亮，測(cè)其旋轉(zhuǎn)的角度即為該物質(zhì)的旋光度。如下圖所示2 比旋光度旋光性物質(zhì)的旋光度的大小決定于該物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，并與測(cè)定時(shí)溶液的濃度、盛液的長(zhǎng)度、測(cè)定溫度、所用光源波長(zhǎng)等因素有關(guān)。為了比較各種不同旋光性物質(zhì)的旋光度的大

11、小，一般用比旋光度來(lái)表示。比旋光度與從旋光儀中讀到的旋光度關(guān)系如下。當(dāng)物質(zhì)溶液的濃度為1g/ml，盛液管的長(zhǎng)度為1分米時(shí)，所測(cè)物質(zhì)的旋光度即為比旋光度。若所測(cè)物質(zhì)為純液體，計(jì)算比旋光度時(shí)，只要把公式中的C換成液體的密度d即可。最常用的光源是鈉光（D），=589.3nm,所測(cè)得的旋光度記為所用溶劑不同也會(huì)影響物質(zhì)的旋光度。因此在不用水為溶劑時(shí)，需注明溶劑的名稱(chēng)，例如，右旋的酒石酸在5%的乙醇中其比旋光度為： = +3.79 (乙醇，5%)。上面公式即可用來(lái)計(jì)算物質(zhì)的比旋光度，也可用以測(cè)定物質(zhì)的濃度或鑒定物質(zhì)的純度。含一個(gè)手性碳原子化合物的對(duì)映異構(gòu)對(duì)映體1對(duì)映體互為物體與鏡象關(guān)系的立體異構(gòu)體。含有

12、一個(gè)手性碳原子的化合物一定是手性分子，含有兩種不同的構(gòu)型，是互為物體與鏡象關(guān)系的立體異構(gòu)體，稱(chēng)為對(duì)映異構(gòu)體（簡(jiǎn)稱(chēng)為對(duì)映體）。對(duì)映異構(gòu)體都有旋光性，其中一個(gè)是左旋的，一個(gè)是右旋的。所以對(duì)映異構(gòu)體又稱(chēng)為旋光異構(gòu)體。2對(duì)映體之間的異同點(diǎn)（1）、物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)一般都相同，比旋光度的數(shù)值相等，僅旋光方向相反P128。（2）、在手性環(huán)境條件下，對(duì)映體會(huì)表現(xiàn)出某些不同的性質(zhì)，如反應(yīng)速度有差異，生理作用的不同等。外消旋體等量的左旋體和右旋體的混合物稱(chēng)為外消旋體，一般用（±）來(lái)表示。對(duì)映體構(gòu)型的表示方法1構(gòu)型的表示方法對(duì)映體的構(gòu)型可用立體結(jié)構(gòu)（楔形式和透視式）和費(fèi)歇爾（E·Fischer

13、）投影式表示， (1)、立體結(jié)構(gòu)式（2）、Fischer投影式為了便于書(shū)寫(xiě)和進(jìn)行比較，對(duì)映體的構(gòu)型常用費(fèi)歇爾投影式表示：投影原則： 1° 橫、豎兩條直線的交叉點(diǎn)代表手性碳原子，位于紙平面。 2° 橫線表示與C*相連的兩個(gè)鍵指向紙平面的前面，豎線表示指向紙平面的后面。 3° 將含有碳原子的基團(tuán)寫(xiě)在豎線上，編號(hào)最小的碳原子寫(xiě)在豎線上端。使用費(fèi)歇爾投影式應(yīng)注意的問(wèn)題： a 基團(tuán)的位置關(guān)系是“橫前豎后” b 不能離開(kāi)紙平面翻轉(zhuǎn)180°；也不能在紙平面上旋轉(zhuǎn)90°或270°與原構(gòu)型相比。 C 將投影式在紙平面上旋轉(zhuǎn)180°，仍為原構(gòu)型

14、。 2判斷不同投影式是否同一構(gòu)型的方法：（1）、將投影式在紙平面上旋轉(zhuǎn)180°，仍為原構(gòu)型。（2）、任意固定一個(gè)基團(tuán)不動(dòng)，依次順時(shí)針或反時(shí)針調(diào)換另三個(gè)基團(tuán)的位置，不會(huì)改變?cè)瓨?gòu)型。（3）、對(duì)調(diào)任意兩個(gè)基團(tuán)的位置，對(duì)調(diào)偶數(shù)次構(gòu)型不變，對(duì)調(diào)奇數(shù)次則為原構(gòu)型的對(duì)映體。8.4.3 構(gòu)型的標(biāo)記R、S命名規(guī)則1970年國(guó)際上根據(jù)IUPAC的建議，構(gòu)型的命名采用R、S法，這種命名法根據(jù)化合物的實(shí)際構(gòu)型或投影式就可命名。R、S命名規(guī)則：1 按次序規(guī)則將手性碳原子上的四個(gè)基團(tuán)排序。2 把排序最小的基團(tuán)放在離觀察者眼睛最遠(yuǎn)的位置，觀察其余三個(gè)基團(tuán)由大中小的順序，若是順時(shí)針?lè)较?，則其構(gòu)型為R（R是拉丁文Re

15、ctus的字頭，是右的意思），若是反時(shí)針?lè)较?，則構(gòu)型為S（Sinister,左的意思）。實(shí)例：順時(shí)針 R反時(shí)針 S基團(tuán)次序?yàn)椋篴>b>c>d快速判斷Fischer投影式構(gòu)型的方法：1°當(dāng)最小基團(tuán)位于橫線時(shí)，若其余三個(gè)基團(tuán)由大中小為順時(shí)針?lè)较?，則此投影式的構(gòu)型為S，反之為R。2°當(dāng)最小基團(tuán)位于豎線時(shí)，若其余三個(gè)基團(tuán)由大中小為反時(shí)針?lè)较?，則此投影式的構(gòu)型為R，反之為S。實(shí)例：含兩個(gè)以上C*化合物的構(gòu)型或投影式，也用同樣方法對(duì)每一個(gè)C*進(jìn)行R、S標(biāo)記，然后注明各標(biāo)記的是哪一個(gè)手性碳原子。例如：   次序規(guī)則1.如果連在手征性中心的四個(gè)原子都是

16、不相同的，先后次序取決于原子序數(shù)，原子序數(shù)較大的原子優(yōu)先，如果兩個(gè)原子是同一元素的同位素，則質(zhì)量數(shù)較高的原子優(yōu)先。       次序規(guī)則2.如果兩個(gè)基團(tuán)的相對(duì)次序不能由規(guī)則1.決定，可用類(lèi)似的方法比較基團(tuán)中第二個(gè)原子（如有必要，可以從手征性中心再逐步向外推）就是說(shuō)，如果兩個(gè)連在手征性中心的原子相同時(shí)，我們就比較在這兩個(gè)原子上的下一個(gè)原子。     次序規(guī)則3. 如果原子團(tuán)含有雙鍵或叁鍵時(shí)，則當(dāng)作兩個(gè)或叁個(gè)單鍵看待，可以認(rèn)為連有兩個(gè)或三個(gè)相同原子。    &

17、#160;3.根據(jù)Fischer投影式，確定R或S構(gòu)型  如：         （若讓判斷n個(gè)構(gòu)型式，其手性原子所連四個(gè)基團(tuán)相同時(shí)，則先判斷其R、S構(gòu)型，若構(gòu)型相同為同一化合物。）含兩個(gè)手性碳原子化合物的對(duì)映異構(gòu)從上面的討論已知，含一個(gè)手性碳原子的化合物有一對(duì)對(duì)映體，那么含有兩個(gè)手性碳原子的化合物有多少個(gè)對(duì)映異構(gòu)體呢？含兩個(gè)不同手性碳原子的化合物這類(lèi)化合物中兩個(gè)手性碳原子所連的四個(gè)基團(tuán)不完全相同。例如：我們以氯代蘋(píng)果酸為例來(lái)討論1 對(duì)映異構(gòu)體的數(shù)目其Fischer投影式如下：含n個(gè)不同手性碳原子的化合物，對(duì)映體的數(shù)

18、目有2 n個(gè)，外消旋體的數(shù)目2 n-1個(gè)。2 非對(duì)映體不呈物體與鏡象關(guān)系的立體異構(gòu)體叫做非對(duì)映體。分子中有兩個(gè)以上手性中心時(shí)，就有非對(duì)映異構(gòu)現(xiàn)象。非對(duì)映異構(gòu)體的特征：1° 物理性質(zhì)不同（熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、溶解度等）。2° 比旋光度不同。3° 旋光方向可能相同也可能不同。4° 化學(xué)性質(zhì)相似，但反應(yīng)速度有差異。含兩個(gè)相同手性碳原子的化合物酒石酸、2，3-二氯丁烷等分子中含有兩個(gè)相同的手性碳原子。同上討論，酒石酸也可以寫(xiě)出四種對(duì)映異構(gòu)體（3）、（4）為同一物質(zhì)，因?qū)ⅲ?）在紙平面旋轉(zhuǎn)180°即為（4）。因此，含兩個(gè)相同手性碳原子的化合物只有三個(gè)立體異構(gòu)體，

19、少于2 n個(gè)，外消旋體數(shù)目也少于2 n-1個(gè)。外消旋體的拆分由于對(duì)映體的一般物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)都相同（除對(duì)旋光性試劑作用外）。因此它們的混合物很難用一般的方法來(lái)拆分。   將外消旋體分離成旋光體的過(guò)程叫做“拆分”。 拆分的方法很多，其中化學(xué)拆分法應(yīng)用最廣，其原理是將對(duì)映體轉(zhuǎn)化為非對(duì)映體，然后用一般方法分離。例如，一種酸的外消旋體的分離：例2：外消旋醇的拆分     經(jīng)過(guò)拆分后得到某一旋光體的純度，一般可用對(duì)映體過(guò)量酚率（%e.e 即percent enantiomeric excess）來(lái)計(jì)算。  

20、60;          手性合成不對(duì)稱(chēng)合成不對(duì)稱(chēng)合成是指在一個(gè)反應(yīng)中使非手性的分子轉(zhuǎn)變?yōu)槭中苑肿?，在產(chǎn)生的手性分子中，對(duì)映異構(gòu)體的含量是不等量的。一般來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)合成的途徑有五個(gè)：手性底物的誘導(dǎo)手性輔助的誘導(dǎo)手性試劑的控制手性催化劑的控制手性環(huán)境的影響手性環(huán)境包括溶劑，相轉(zhuǎn)移催化劑等。以上各種途徑都是利用底物或輔助物的手性，試劑或催化劑的手性。與反應(yīng)物結(jié)合時(shí)，形成非對(duì)映異構(gòu)的過(guò)渡態(tài)。于是對(duì)不同面的進(jìn)攻產(chǎn)生差異，從而產(chǎn)生了反應(yīng)的對(duì)映選擇性。對(duì)映體過(guò)量百分?jǐn)?shù)（%e.e.）即enantiomeric ex

21、cess % %e.e=(R-S) / (R+S)×100%=%R-%S 越高，說(shuō)明產(chǎn)物光學(xué)純度越高，不對(duì)稱(chēng)合成選擇性越好。8.8環(huán)狀化合物的立體異構(gòu)  環(huán)狀化合物的立體異構(gòu)現(xiàn)象比鏈狀化合物復(fù)雜，往往順、反異構(gòu)和對(duì)映異構(gòu)同時(shí)存在。    如：1,2-環(huán)丙烷二甲酸    反-1，2-環(huán)己二甲酸                    

22、;   兩個(gè)COOH，可以都在直立鍵上，也可以都在平伏鍵上，不論是ee型還是aa型，由于構(gòu)象轉(zhuǎn)變時(shí)未涉及鍵的斷裂，因此它們都是反式，屬同一構(gòu)型。     兩者比較起來(lái)ee型因有較小的空間位阻，所以在平衡中，ee構(gòu)象占優(yōu)勢(shì)，ee型的反式化合物，在分子中無(wú)對(duì)稱(chēng)面，它和鏡象不能重合，因此為手性分子，存在一對(duì)對(duì)映體。                    

23、 實(shí)際上反-1，2-環(huán)己二甲酸已拆開(kāi)成對(duì)映體，它們的比旋光度分別為+18.2°和-18.2°。      因此在研究環(huán)己烷衍生物的立體異構(gòu)時(shí)，對(duì)構(gòu)象引起的手性現(xiàn)象可以不予考慮，而只要考慮順、反異構(gòu)和對(duì)映異構(gòu)，并可以直接用平面六角形來(lái)觀察，這樣仍可得到同樣正確的結(jié)果。    如：順式和反式1，2-環(huán)己二甲酸可用下式表示：                存在一對(duì)稱(chēng)面，相當(dāng)

24、于內(nèi)消旋體，因此不具旋光性。                         不存在對(duì)稱(chēng)面，與其鏡象不能重疊，有一對(duì)映體，為手性分子，有旋光性。    再如：                

25、  都有對(duì)稱(chēng)面，所以都沒(méi)有對(duì)映異構(gòu)體。不含手性碳原子化合物的對(duì)映異構(gòu)在有機(jī)化合物中，大部分旋光物質(zhì)都含有一個(gè)或多個(gè)手性碳原子，但在有些旋光物質(zhì)的分子中，并不含手性碳原子，如丙二烯型化合物，單鍵旋轉(zhuǎn)受阻礙的聯(lián)苯型旋光化合物等。丙二烯型化合物    如果丙二烯兩端原子上各連接兩個(gè)不同的基團(tuán)時(shí)：                     由于所連四個(gè)取代基兩兩各在相

26、互垂直的平面上，整個(gè)分子沒(méi)有對(duì)稱(chēng)面和對(duì)稱(chēng)中心，具有手性，如：                                          2，3-戊二烯的對(duì)映異構(gòu)體    如果在任何一端或兩端的碳原子上連有相同的取代基，這些化合物都具有對(duì)稱(chēng)面，因此不具旋光性。         單鍵旋轉(zhuǎn)受阻礙的聯(lián)苯型化合物    在聯(lián)苯分子中，兩個(gè)苯環(huán)可以圍繞中間單鍵旋轉(zhuǎn)，如果在苯環(huán)中的鄰位上即2