第八章立體化學v4

1、構型異構、構象異構和本章的構型異構、構象異構和本章的旋光異構旋光異構都是都是涉及分子涉及分子的概念。的概念。HH3CHCH3HH3CHCH3H3CCH3H3CCH3cistransHHHHHHHHHHHHchiral molecules）：）：有手性現象的分子有手性現象的分子FBrClHFBrHClFBrClH手性分子手性分子鏡像鏡像8.1 手性和對映體手性和對映體CH3CHCHCH3Cl ClCH3CHCHCH2CH3Cl ClFCBrClHFCHClBr非非手性分子手性分子鏡像鏡像FClClHFClClHFClClHClBrClBrClBrClBrClBrClBr非非手性分子手性分子與分子

2、的對稱性與分子的對稱性 判斷分子有無手性判斷分子有無手性 分子的分子的對稱因素：對稱因素：對稱軸、對稱面對稱軸、對稱面、對稱中心對稱中心，n重更替對稱軸。重更替對稱軸?？疾旆肿拥膶ΨQ性需考慮考察分子的對稱性需考慮分子的對稱因素分子的對稱因素對稱面：對稱面：HClClHCClClHH對稱面對稱面對稱面對稱面對稱軸：對稱軸：ClClFF對稱中心：對稱中心：n重更替對稱軸：重更替對稱軸：手性與分子的對稱性的關系手性與分子的對稱性的關系CH3OHHCH3OHHCH3OHHCH3ClHHFHClFHClHHFHClFHClHHFHClFH180o 如果如果一一個分子沒有任何個分子沒有任何一一種對稱因素：

3、種對稱因素：，這種分子就有這種分子就有。一般只考察。一般只考察 對稱軸不能作為分子有無手性的標準對稱軸不能作為分子有無手性的標準. 構型構型FBrClHFBrClH它們的構造相同，立體結構不同，屬它們的構造相同，立體結構不同，屬構型異構體構型異構體。分子的手性是存在對映異構體的必要和充分條件。分子的手性是存在對映異構體的必要和充分條件。構造異構構造異構constitutional立體異構立體異構Stereo-碳鏈異構碳鏈異構官能團異構官能團異構位置異構位置異構構型異構構型異構configurational構象異構構象異構conformational順反異構順反異構對映、非對映異構對映、非對映異

4、構同分異構同分異構isomerism單鍵旋轉異構單鍵旋轉異構叔胺翻轉異構叔胺翻轉異構同分異構現象小結：同分異構現象小結：8.2 旋光性和比旋光度旋光性和比旋光度 偏振光偏振光偏振光偏振光- 普通光在通過尼克爾普通光在通過尼克爾( (Nicol)棱鏡后形成的只在棱鏡后形成的只在一個方向一個方向振動振動光光普通光普通光 尼可爾棱鏡尼可爾棱鏡 偏振光偏振光 光學活性光學活性 ( optical activity ) 物質能使偏振光物質能使偏振光振動方向振動方向發(fā)生偏轉的性質發(fā)生偏轉的性質叫叫a aa at =a a t l ca at : : 實驗觀察到的實驗觀察到的光度光度l : 樣品管長度（樣品

5、管長度（dm, 分米）分米）c : 樣品濃度（樣品濃度（g / cm3）t : 測試時溫度測試時溫度 : 波長波長 一對對映體對偏振光的作用不同，一個使偏振光向順時針方向偏一對對映體對偏振光的作用不同，一個使偏振光向順時針方向偏轉，另一個使偏振光向逆時針方向偏轉，轉，另一個使偏振光向逆時針方向偏轉，兩者偏轉數值相同兩者偏轉數值相同。COOHHOHCOOHOHHCOOHOHHCOOHHOH 旋光儀旋光儀小結：手性，旋光活性，對映體小結：手性，旋光活性，對映體手性手性是具有是具有旋光活性旋光活性的必要條件。的必要條件。手性手性是存在是存在對映體對映體的充分和必要條件。的充分和必要條件。對映體對映體

6、旋光方向相反，旋光能力相同。旋光方向相反，旋光能力相同。手性，手性分子手性，手性分子對映體對映體 ，非對映體，非對映體旋光活性旋光活性8.3 構型的表示法，構型的確定和構型的標記構型的表示法，構型的確定和構型的標記1. 構型的表示法構型的表示法菲舍爾投影式菲舍爾投影式, 鍥形式鍥形式 透視式透視式(用透視式表示基團在空間的排列順序用透視式表示基團在空間的排列順序) ) COOHCOOHOHOHHHCH3CH3 鍥形實線鍥形實線表示伸向平面前方的鍵表示伸向平面前方的鍵。 鍥形虛線鍥形虛線表示伸向平面后方的鍵表示伸向平面后方的鍵COOHCH3OHH費歇爾投影式國際命名原則：費歇爾投影式國際命名原則

7、：將碳鏈放在垂直線上，氧化態(tài)較高的碳將碳鏈放在垂直線上，氧化態(tài)較高的碳原子或主鏈上第一號碳原子在上以垂直線相連的基團表示伸向紙后，原子或主鏈上第一號碳原子在上以垂直線相連的基團表示伸向紙后，即遠離讀者；以水平線相連的基團表示伸出紙前即伸向讀者即遠離讀者；以水平線相連的基團表示伸出紙前即伸向讀者 注意：注意：投影式是用平面式來代表三度空間的立體結構不能任意翻轉投影式是用平面式來代表三度空間的立體結構不能任意翻轉 費歇爾費歇爾(Fischer)投影式投影式 實例：乳酸分子實例：乳酸分子楔形透視式楔形透視式轉換為轉換為費歇爾費歇爾(Fischer)投影式投影式 橫向基團位于平面的前方橫向基團位于平面

8、的前方 豎向基團位于平面的后方豎向基團位于平面的后方OHHCOOHCH3HHOCOOHCH3COOHCOOHOHOHHHCH3CH3 鍥形實線鍥形實線表示伸向平面表示伸向平面前方的鍵前方的鍵。 鍥形虛線鍥形虛線表示伸向平面表示伸向平面后方的鍵后方的鍵CH3C2H5HOHCH3CC2H5OHHCH3C2H5OHHCH3OHHHOHCH3CH3HOHCH3OHH2332CH3HOHCH3OHH23鍵的方向？鍵的方向？ 復習構象的表示復習構象的表示：紐曼投影式：紐曼投影式 透視式透視式HHHHHHHHHHHHStaggeredNewman projection sawhorse projection

9、 600紐曼式紐曼式Newman）透視式（鋸架式）透視式（鋸架式）CCHO2CHO2CHHOHOHHOHCOOHBrHOHR1HXHYR2OHHCH3COOHCH3ClHCOOH鋸架式楔型式Fisher 投影式Newman投影式 實例：紐曼投影式實例：紐曼投影式和和鋸架透視式鋸架透視式HOHCHOCH2OHOHHCHOCH2OHD-L標記標記)() ()D-（+）-甘油醛甘油醛 L-（-）-甘油醛甘油醛 人為地規(guī)定人為地規(guī)定右旋右旋甘油醛的構型以甘油醛的構型以()式表示式表示(即手性碳原子上的即手性碳原子上的羥基的羥基的投影在右邊投影在右邊)，叫做，叫做D型型；左旋左旋甘油醛的構型就是甘油醛的

10、構型就是()式，式，羥基的投影在左羥基的投影在左邊邊，叫做，叫做L型型。 1951年以前，還沒有實驗方法可以測定分子中基團在空間的排列狀況，年以前，還沒有實驗方法可以測定分子中基團在空間的排列狀況，便以甘油醛為標準做了便以甘油醛為標準做了人為的規(guī)定人為的規(guī)定。 旋光方向旋光方向與與D, L (構型構型)之間沒有固定的關系，一個之間沒有固定的關系，一個D型的化合物，可以是左旋的，型的化合物，可以是左旋的，也可以是右旋的。也可以是右旋的。D：人為規(guī)定人為規(guī)定 - ：儀器測定儀器測定COOHOHHCH2OHCHOOHHCH2OHOHCOOHOHHCH3D-（+）-甘油醛甘油醛D-（-）-乳酸乳酸 用

11、這種旋光化合物之間相互轉化的方法確定構型時，必須不發(fā)生與手用這種旋光化合物之間相互轉化的方法確定構型時，必須不發(fā)生與手性碳原于相連的鍵的斷裂。性碳原于相連的鍵的斷裂。 構型的確定構型的確定 相對構型相對構型 (Relative configuration) the configuration of a compound relative to the configuration of another compound 人為規(guī)定人為規(guī)定, 并不是實際測出來的。并不是實際測出來的。 化學關聯(lián)法：化學關聯(lián)法：以人為規(guī)定的甘油醛構型為基礎，以人為規(guī)定的甘油醛構型為基礎，用一定的用一定的化學方法化學方法

12、，將其它旋光化合物構型與甘油醛聯(lián)系起來，以確定其它旋光化合物的將其它旋光化合物構型與甘油醛聯(lián)系起來，以確定其它旋光化合物的構型，即構型，即相對構型相對構型。實例：實例： 用用D，L表示構型，對于表示構型，對于碳水化合物碳水化合物及及氨基酸氨基酸非常方便，因此這兩非常方便，因此這兩類化合物的構型仍用類化合物的構型仍用D，L表示。表示。 CHOHHOOHHOHHCH2OHOHHHCOOHCH3OHHCOOHCH3HOOHHCH2OHCHOHOHCH2OHCHO絕對構型絕對構型 (Absolute Configuration) the actual three-dimensional structu

13、re of a chiral compound絕對構型的測定絕對構型的測定 X-射線單晶衍射射線單晶衍射(1950年）。年）。1951年，用年，用x射線衍射的方射線衍射的方法可以測定分子中基團在空間的排列狀況，法可以測定分子中基團在空間的排列狀況，R、S標定，標定， 化學關聯(lián)法化學關聯(lián)法相對構型相對構型 (Relative configuration) the configuration of a compound relative to the configuration of another compound 人為規(guī)定人為規(guī)定, 并不是實際測出來的。并不是實際測出來的。（+）和（）和（-）

14、并不對應于（）并不對應于（R）和（）和（S） 相對構型和絕對構型相對構型和絕對構型 選擇選擇優(yōu)先順序優(yōu)先順序最小的原子或基團最小的原子或基團遠離觀察者，其余遠離觀察者，其余原子或基團依優(yōu)先原子或基團依優(yōu)先順序排列順序排列(S)- -2- -丁醇丁醇(R)- -2- -丁醇丁醇CH3C2H5HOHCH3C2H5OHHCH3CHC2H5OH*有一個手性碳有一個手性碳（1） 如：如： I Br Cl S P F O N C D H（2） 如：如：-CH2CH3 -CH3 -CH2Cl -CH2F -CH2OCH3 -CH2OH -CH(CH3)2 -CH2CH(CH3)2BrClIHH 最小R 型C

15、HCH2CHCH2CCCHOCHOOCCNCNNNCCCHOCH2OHHOHCHCH2OHHOHOCO123(R)- -甘甘油油醛醛（構構型型？）甘甘油油醛醛CHCH2CHCH2CCCHCH2CH2CH2CH3與CHCH2CH3H與CCH3CH3CH3CCCCH3CH3CH3CH3HOHCH3OHH23IICH3OHHCH3HOH23IIIICH3OHHCH3OHH23CH3OHHCH3HOH23ICH3HOHH3COHH23CH3HOHH3COHH23CH3HOHCH3OHH23IICH3OHHCH3HOH23IIIICH3OHHCH3OHH23R/S 標記方法也可直標記方法也可直接用于接用

16、于Fischer投影式投影式CH3HCH3HCH3HCH3HH3CCH3H3CCH3HHH3CCH3 烯烴烯烴：Z, ECH3C2H5HClCH3ClHC2H5Z-型E-型cis 環(huán)烷的環(huán)烷的trans 復習烯烴、環(huán)烷順反構型的標記法復習烯烴、環(huán)烷順反構型的標記法要求：要求：R,S命名、楔形式、紐曼式、費歇爾式相互轉換命名、楔形式、紐曼式、費歇爾式相互轉換化合物名稱(R、S)楔形透視式或鋸架透視式紐曼投影式費歇爾式 能直接從紐曼投影式、楔形透視式、鋸架透視式或費歇爾式能直接從紐曼投影式、楔形透視式、鋸架透視式或費歇爾式標定標定R、S構型。構型。HOHCOOHBrHOHBrHOHHOHCOOHB

17、rHOHHOHCOOH鋸架式12交叉式交叉式 重疊式重疊式Newman投影式投影式 鋸架式到鋸架式到Newman投影式轉化投影式轉化 鋸架式到鋸架式到Fisher投影式的轉化投影式的轉化HOHCOOHBrHCH3CH3BrHHOHCOOHCH3COOHHOHBrH鋸架式1212Fisher投影式投影式實例：實例： (1) (2)CH3CH2OHHCH3OHHCH3CH3CH2ClClCH3C2H5HH (3)CH3CH3HClOHH寫出下列化合物的費歇爾投影式。寫出下列化合物的費歇爾投影式。 HClClHH3CC2H5楔形透視式CH3C2H5ClHHCl鋸架透視式順旋180CH3C2H5ClH

18、HClFisher投影C2H5HClCH3HCl順旋180C2H5HClCH3HCl (2) (3)CH3HOHCH3HCl紐曼投影式CH3CH3ClHHOH鋸架透視式CH3CH3ClHHOH順旋180CH3HOHCH3HClFisher投影C2H5CHCHCH3BrBr2R3SBrC2H5HCH3HBr鋸架透視式3S2RFisher投影C2H5HBrCH3HBr順旋180C2H5HBrCH3HBr 用費歇爾投影式畫出下列化合物的構型用費歇爾投影式畫出下列化合物的構型 (1) (2)2-氯（氯（4S）2-（E）2-戊烯戊烯 ClBrE4SHHCCBrCH3BrHCCCH3楔形透視式4SClCH

19、3ECH3ClCH3HCHBrCCH3ClFisher投影 將下列化合物的費歇爾投影式畫成扭曼投影式將下列化合物的費歇爾投影式畫成扭曼投影式( (順疊和反疊順疊和反疊) )，并畫出它們的對映體的相應式子。并畫出它們的對映體的相應式子。 CH3C6H5HCH3OHH鋸架透視式CH3C6H5HCH3OHHCH3CH3C6H5HHOHCH3HOHHC6H5CH3CH3HOHC6H5HCH3HOCH3HC6H5CH3HHCH3OHHCH3C6H5紐曼投影式(重疊式)紐曼投影式(反疊)8.4 有機化合物的對映異構體有機化合物的對映異構體 含有一個手性碳原子的化合物即含有一個手性碳原子的化合物即Cabcd

20、型的化合物都有兩個對映異構型的化合物都有兩個對映異構體體 ，其中一個是右旋體，一個是左旋體。，其中一個是右旋體，一個是左旋體。 外消旋體：外消旋體：例：例：Br2hv,CH3HBrC2H5CH3HBrC2H5+CH3CH2CH2CH350%50%外消旋體性外消旋體性(racemic mixture)CH3CHCH2CH3Br如何拆分？如何拆分？ p164 分子含有二個手性碳分子含有二個手性碳二個不同手性碳原子二個不同手性碳原子CH3HOHC2H5OHH23CH3OHHC2H5HOH23CH3OHHC2H5OHH23(2S, 3S)-2, 3-戊二醇(2R, 3R)-2, 3-戊二醇(2S, 3

21、R)-2, 3-戊二醇CH3HOHC2H5HOH23(2R, 3S)-2, 3-戊二醇非對映異構體：非對映異構體： p169 非對映異構體可以用一般的物理方法將它們分離開來。非對映異構體可以用一般的物理方法將它們分離開來。(3) 分子含有二個手性碳分子含有二個手性碳二個相同手性碳原子：二個相同手性碳原子： HO2CCHCHCO2HOHOH酒石酸酒石酸只有三種異構體，右旋體，左旋體和酒石酸只有三種異構體，右旋體，左旋體和內消旋體內消旋體 HOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHEnantioners 對映異構內消旋體(mes

22、o)(2R,3R)(2S,3S)(2R,3S)(2S,3R)Identical相同的分子COOHOHHCOOHOHH內消旋體表示方法內消旋體表示方法一個手性碳的旋光性正好一個手性碳的旋光性正好被分子內另一構型相反的被分子內另一構型相反的手性碳所抵消手性碳所抵消內消旋體內消旋體(meso compounds)不能說凡是含有不能說凡是含有手性碳與立體異構體數目的關系：手性碳與立體異構體數目的關系： 若分子有若分子有 n 個手性碳，個手性碳，理論上理論上有有 2n 個立體異構體（個立體異構體（2n / 2對對 對映體。若手性碳組成相同，數目有所減少。對映體。若手性碳組成相同，數目有所減少。COOHH

23、HOHHO23HOHCOOH4COOHHHOHOH23HOHCOOH4COOHHHOHHO23OHHCOOH4COOHHOHHOH23HOHCOOH4SRrSRsSSRR差向異構體差向異構體: (p171)小結：小結：外消旋體外消旋體非對映異構體非對映異構體內消旋體內消旋體差向異構體差向異構體l連二烯型連二烯型（含有兩個互相垂直的平面）（含有兩個互相垂直的平面）CCCHClHClCCCHClHClCCCHClHHCCCHClHHNO2CO2HNO2CO2HNO2CO2HNO2CO2Hl 螺環(huán)等其它不含手性碳化合物的對映異構螺環(huán)等其它不含手性碳化合物的對映異構(6) 環(huán)狀化合物的立體異構現象環(huán)狀

24、化合物的立體異構現象 比鏈狀化合物復雜，往往順、反異構和對映異構同時存在。比鏈狀化合物復雜，往往順、反異構和對映異構同時存在。 在研究環(huán)己烷衍生物的立體異構時，對構象引起的手性現象可以不予在研究環(huán)己烷衍生物的立體異構時，對構象引起的手性現象可以不予考慮，而只要考慮考慮，而只要考慮順、反異構和對映異構順、反異構和對映異構，并，并可以直接用平面六角形來觀可以直接用平面六角形來觀察察，這樣仍可得到同樣正確的。，這樣仍可得到同樣正確的。HHCLCLCLCLHHHCLt BuHHCLt Bu 分子在不斷熱運動中，由于構象轉變如此迅速，且它不是以造成分子在不斷熱運動中，由于構象轉變如此迅速，且它不是以造成

25、化學鍵的斷裂，化學鍵的斷裂，不影響分子的不影響分子的R、S構型。構型。(7) 季銨陽離子和季鏻陽離子季銨陽離子和季鏻陽離子NCH2CH3CH3C6H5NC6H5CH3CH2CH3CH2CH3NCH3C6H5CH2CH3NCH(CH3)2CH3C6H5CH2CH3NC6H5CH3CH(CH3)2CH2CH=CH2PCH(CH3)2CH3C6H5CH2CH=CH2PC6H5CH3CH(CH3)28.5 對映異構體的性質對映異構體的性質 外消旋體的拆分外消旋體的拆分 旋光方向相反，其他物理性質如：熔點、沸點、相對密度、比旋光旋光方向相反，其他物理性質如：熔點、沸點、相對密度、比旋光度以及在非手性試劑

26、的作用是完全相同的。度以及在非手性試劑的作用是完全相同的。 生物生理性質生物生理性質 手性分子與手性生物受體之間的相互作用手性分子與手性生物受體之間的相互作用 一對對映體只有其中一個一對對映體只有其中一個適合進入一個特定受體靶位，適合進入一個特定受體靶位，產生生理效應。產生生理效應。 對于生物體，一對對映異對于生物體，一對對映異構體的作用可能正好相反構體的作用可能正好相反 。1. 對映異構體的性質對映異構體的性質 例如：例如： H2NCOOHNH2OH2NCOOHNH2ONNOOOPhn-BuH3CHNNOOOPhn-BuCH3HHOHOCOOHNH2HOHOCOOHNH2NOONHOONOO

27、HNOOLouis Pasteur (18221895)COONaOHHCOONH4HOHCOONaHOHCOONH4OHH1848年，年，( ) A(+) B*(+) A(+) B*(-) A(+) B*一一對對非非對對映映體體拆拆分分(+) A(+) B*(-) A(+) B*去去除除(+)B*去去除除(+)B*(+) A(-) A接下頁接下頁HCH3PhNH2HCH3PhH2N+COOHOHHCOOHHOH( (R, R) )- -( (+ +) )- -酒酒石石酸酸+HCH2PhNH3COOOHHCOOHHOH+HCH3PhH3NCOOOHHCOOHHOH非非對對映映體體（鹽鹽）甲甲醇

28、醇冷冷卻卻加加熱熱外外消消旋旋體體接上頁接上頁抽抽濾濾晶晶體體HCH3PhNH3COOOHHCOOHHOHNaOHHCH3PhNH2(S)- - - - - -苯苯乙乙胺胺濾濾液液濃濃縮縮HCH3PhH3NCOOOHHCOOHHOH得得晶晶體體NaOH(R)- - - -苯苯乙乙胺胺HCH3PhH2N分分離離外消旋體的拆分外消旋體的拆分。H2NCOOHCH3HNH2COOHCH3HL- -丙丙氨氨酸酸D- -丙丙氨氨酸酸()-丙丙氨氨酸酸Ac2OAcHNCOOHCH3HNHAcCOOHCH3H+外外消消旋旋體體酰基轉移酶（取自豬腎）H2NCOOHCH3H+L- -丙丙氨氨酸酸D- -乙乙酰酰丙

29、丙氨氨酸酸溶溶于于乙乙醇醇不不溶溶于于乙乙醇醇NHAcCOOHCH3H選擇性去乙?；x擇性去乙酰基8.6 不對稱合成，立體選擇反應與立體專一反應不對稱合成，立體選擇反應與立體專一反應一鹵代物為等量的對一鹵代物為等量的對映體混合物映體混合物CH3CH2CH2CH3Cl2CH3CHCH2CH3Clh無光學活性無光學活性 ？ 由非手性化合物合成手性化合物時產物是外消旋體由非手性化合物合成手性化合物時產物是外消旋體 p173CH3CHC2H5Cl2ababCH3CClHC2H5CH3CClC2H5H50%50%Cl2hv2ClCH3CH2CH2CH3 ClCH3CHCH2CH3 + HCl用自由基反應

30、的立體化學解釋用自由基反應的立體化學解釋 OMeOHMeMeHH(1)MeMgI主主要要HOMeMeH+次次要要兩兩者者為為非對映異構體(2)H2O 若若在反應時存在某種手性條件在反應時存在某種手性條件，則，則手性碳原子形成時，兩種構型手性碳原子形成時，兩種構型的生成機會不一定相等，即該的生成機會不一定相等，即該手性中心的形成有手性中心的形成有立體選擇性立體選擇性 。p173 在已有一個手性中心的分子中引入第二個手性中心時，得到不等在已有一個手性中心的分子中引入第二個手性中心時，得到不等量的非對映異構體量的非對映異構體 ，第二個手性中心形成有，第二個手性中心形成有立體選擇性立體選擇性。OH2N

31、OMeHH2NOMeHNOMeH1.2. MeINOMeHMeHOMeH+H2OH+主主要要產產物物堿堿回回收收, ,可可重重復復使使用用手手性性助助劑劑PhPhPhPh手性底物手性底物PhNHCOCH3CO2HH2, RhR,R-DIPAMPPhNHCOCH3CO2HH不不對對稱稱催催化化氫氫化化e.e. = 96 %R,R-DIPAMPPPOCH3H3CO手手性性雙雙膦膦配配體體William S. Knowles The Nobel Prize in Chemistry 2001 for their work on chirally catalysed hydrogenation reactions for his work on chirally c