第六章立體化學(xué)

1、 第六章 立體化學(xué) 授課對(duì)象：應(yīng)用化學(xué)、化學(xué)工和與工藝、制藥工程、藥學(xué) 學(xué)時(shí)安排：4學(xué)時(shí)教 材：<<有機(jī)化學(xué)>> （第四版），高鴻賓主編 ， 2005年5月，普通高等教育“十五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材 一、教學(xué)目的與要求 1、掌握對(duì)映異構(gòu)現(xiàn)象及其基本概念；2、掌握Fischer投影式及對(duì)映異構(gòu)體的構(gòu)型標(biāo)記法；3、了解對(duì)映異構(gòu)體的性質(zhì)差異及其在醫(yī)藥上的意義；4、了解手性分子的形成；5、 通過(guò)立體化學(xué)內(nèi)容的教學(xué)，以培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和空間想象能力。二、教學(xué)重點(diǎn)1、對(duì)映異構(gòu)、手性碳原子，手性分子，對(duì)稱面、對(duì)稱中心、對(duì)映體、非對(duì)映體，外消旋體、內(nèi)內(nèi)消旋體等基本概念；手性分子的判斷；2、

2、Fischer投影式的表示和應(yīng)用； 3、D、L和R、S構(gòu)型標(biāo)記法。三、教學(xué)難點(diǎn)1、手性分子的判斷；Fischer投影式的表示和應(yīng)用； 2、環(huán)狀化合物的對(duì)映異構(gòu)；不含手性碳化合物的對(duì)映異構(gòu)；3、手性分子的形成。四、教學(xué)方法運(yùn)用講授法。依據(jù)以往教學(xué)反饋情況，擬采用如下教學(xué)方法，以突出重點(diǎn)，突破難點(diǎn)。1、盡可能多利用模型，幫助學(xué)生掌握對(duì)映異構(gòu)的基本概念。2、采取層層設(shè)問(wèn)，環(huán)環(huán)緊扣的分析方法，幫助學(xué)生理解：手性是產(chǎn)生對(duì)映異構(gòu)的充分必要條件，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力。3、介紹對(duì)映異構(gòu)體在生物學(xué)上的顯著差異，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)該內(nèi)容的重要性，以調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性。4、精講多練，使學(xué)生掌握構(gòu)型標(biāo)記法，適當(dāng)時(shí)候?qū)⒘?xí)題中的

3、難點(diǎn)結(jié)合講解。五、教具電腦、投影儀、Powerpoint課件、教鞭，球棒模型六、教學(xué)步驟及時(shí)間分配導(dǎo)言： 引導(dǎo)歸納已學(xué)過(guò)的同分異構(gòu)現(xiàn)象；強(qiáng)調(diào)對(duì)映異構(gòu)在醫(yī)學(xué)上的重要性。6.1 對(duì)映體一、手性（chirality） 引導(dǎo)同學(xué)觀察自己的雙手，想想戴手套的感覺(jué)，引出手性概念；并請(qǐng)同學(xué)列舉日常生活中所遇到的手性物體。手性：實(shí)物與鏡像不能重合的特性。強(qiáng)調(diào)在生物體內(nèi)有很多物質(zhì)如：糖類、氨基酸、蛋白質(zhì)、生物堿以及很多藥物都具有手性。二、手性分子和對(duì)映體 以2-羥基丙酸（乳酸）為例，討論手性分子和對(duì)映體概念（用模型演示說(shuō)明）。用透視式表示乳酸的一對(duì)對(duì)映體（說(shuō)明：實(shí)線表示在紙平面；虛線表示向后；楔型實(shí)線表示向前）

4、強(qiáng)調(diào)：一對(duì)對(duì)映體互為實(shí)物與鏡像關(guān)系，但不能重合。三、手性分子的判斷（重點(diǎn)） 1、直接建造分子和它的鏡像模型（較麻煩）2、尋找對(duì)稱面或?qū)ΨQ中心（1）對(duì)稱面 以順（反）-1，2-二甲基環(huán)丙烷和氯乙烷為例討論結(jié)論：含對(duì)稱面的分子，其實(shí)物與鏡像能夠重合，是非手性分子（2）對(duì)稱中心 以取代環(huán)丁烷為例討論。結(jié)論：含對(duì)稱中心的分子，其鏡像能夠重合，是對(duì)稱分子，即非手性分子。強(qiáng)調(diào)：既無(wú)對(duì)稱面又無(wú)對(duì)稱中心的分子有手性。如乳酸分子（用模型說(shuō)明）。3、手性碳原子(chiral carbon atom)以乳酸分子為例，引出 “手性碳原子”概念。 指出：手性碳是物質(zhì)產(chǎn)生對(duì)映異構(gòu)體的普遍因素。含一個(gè)手性碳的分子肯定是手性

5、分子，有一對(duì)對(duì)映體。思考：舉幾個(gè)實(shí)例，請(qǐng)同學(xué)判斷分子的手性。6.2 旋光性一、平面偏振光與旋光性 復(fù)習(xí)物理學(xué)中的平面偏振光概念。強(qiáng) 調(diào)：手性化合物都具有旋光性。二、旋光儀與旋光度 1、旋光儀的組成（圖解）2、旋光度和比旋光度說(shuō)明：左旋體、右旋體、旋光度和比旋光度的概念及表示符號(hào)；比旋光度意義：鑒定旋光性物質(zhì)，測(cè)定旋光性物質(zhì)的純度和含量（舉例說(shuō)明）。6.3 外消旋體(racemate)指出：一對(duì)對(duì)映體，除比旋光度數(shù)值相等，符號(hào)相反外，其余物理性質(zhì)均相同（見(jiàn)表3-1）外消旋體：等量的左旋體和右旋體的混合物，它的旋光度為零。6.4非對(duì)映體和內(nèi)消旋體化合物一、非對(duì)映體 以2，3，4-三羥基丁醛為例，以

6、透視式寫出四個(gè)立體異構(gòu)體，引導(dǎo)分析它們的關(guān)系，找出非對(duì)映體彼此不呈鏡影關(guān)系的立體異構(gòu)體（光學(xué)異構(gòu)體）。指出：含兩個(gè)手性碳的化合物有多個(gè)立體異構(gòu)體。含n個(gè)手性碳的化合物最多有2n個(gè)。非對(duì)映體具有不同的物理性質(zhì)（見(jiàn)酒石酸）。二、內(nèi)消旋體（meso-isomer） 以酒石酸（2,3-二羥基丁二酸）為例：仿照上例，寫出四個(gè)立體式，引導(dǎo)分析它們的關(guān)系，其中兩個(gè)好似對(duì)映，仔細(xì)考察，實(shí)際上它們?yōu)橥晃铮ú僮髂Ｐ停?。?qiáng)調(diào)：內(nèi)消旋體為分子中有C*，但無(wú)旋光性的立體異構(gòu)體。進(jìn)一步用構(gòu)象分析說(shuō)明：（用模型演示）內(nèi)消旋體為什么無(wú)手性？ 提問(wèn)：苯、二氯甲烷均無(wú)旋光性，能否說(shuō)它們也是內(nèi)消旋體化合物呢？（否，內(nèi)消旋體含手性

7、碳，但因存在對(duì)稱面或?qū)ΨQ中心，分子內(nèi)部抵消了旋光性。）從表3-3 酒石酸立體異構(gòu)體的物理性質(zhì)，看對(duì)映體、非對(duì)映體、內(nèi)消旋體和外消旋體的物理性質(zhì)差別。指出：外消旋體的拆分即是利用非對(duì)映體的物理性質(zhì)的顯著差別進(jìn)行的。6.5 費(fèi)歇爾（Fischer）投影式略提：Fischer是生物化學(xué)的創(chuàng)始人。他發(fā)現(xiàn)了苯肼，對(duì)糖類、嘌呤類有機(jī)化合物的研究取得了突出的成就，因而榮獲1902年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。一、Fischer投影式規(guī)則 1、“+”字交叉點(diǎn)代表*C；2、橫線上的基團(tuán)向前，豎線上的基團(tuán)向后。3、一般將主鏈碳直立，把系統(tǒng)命名中編號(hào)較小碳的一端朝上；用模型在黑板上投影，寫出乳酸的一對(duì)對(duì)映體的Fischer投影

8、式。特別強(qiáng)調(diào)：“橫前豎后”二、Fischer投影式的應(yīng)用1、Fischer投影式只能在平面上轉(zhuǎn)180。，不能轉(zhuǎn)90?；?70。； 2、Fischer投影式不能離開(kāi)紙面翻轉(zhuǎn)；以乳酸為例驗(yàn)證上述規(guī)則。思考：指出下列構(gòu)型的相互關(guān)系：是同一物、對(duì)映體還是非對(duì)映體？（略） 三、構(gòu)型的幾種表示法的轉(zhuǎn)換以2，3，4-三羥基丁醛為例，討論Fischer投影式、透視式和Newman投影式之間的轉(zhuǎn)換。小結(jié)：1、對(duì)映異構(gòu)現(xiàn)象的基本概念：對(duì)映異構(gòu)、手性碳原子，手性分子,對(duì)稱面、對(duì)稱中心、對(duì)映體、非對(duì)映體，內(nèi)消旋體，外消旋體；2、Fischer投影式的畫法及其應(yīng)用。 6.6構(gòu)型命名簡(jiǎn)要回顧上堂課講的基本概念和要點(diǎn)，引入

9、新課。 一、R/S構(gòu)型命名法1、命名法規(guī)則：按次序法則將*C所連的四個(gè)基團(tuán)由大到小排列，如A > B >D >E；將末優(yōu)基團(tuán)（E）遠(yuǎn)離視線，其余三個(gè)面向自己；若A B D為順時(shí)針走向，則是R構(gòu)型；若為逆時(shí)針走向，則是S構(gòu)型。 2、次序法則（1） 對(duì)于原子，原子序數(shù)高的優(yōu)先；若為同位素，質(zhì)量重的優(yōu)先.。如：IBr（2）若與手性碳相連的原子相同，則比較其后面的原子，直到比出大?。?如：CH3 CH2CH3 CH2CH2CH3 CH（CH3）2 H,H,H H,H,C(H,H,H) H,H,C(H,H,C) H,C,C （3）若與手性碳相連的基團(tuán)含重鍵，則看作多次與同一原子相連；

10、如：-CHO <-COOH < -CH2SH 注意：不是比較原子序數(shù)的總和,而是將最大原子序數(shù)的原子進(jìn)行比較。實(shí)例練習(xí)：含一個(gè)手性碳和兩個(gè)手性碳的各舉一例。指出：R/S命名法對(duì)于透視式較為直觀，但對(duì)于Fischer投影式必須先轉(zhuǎn)換成透視式。介紹R/S構(gòu)型標(biāo)記簡(jiǎn)便法：若末優(yōu)基團(tuán)在豎線上，則標(biāo)出的構(gòu)型與上面用立體模型標(biāo)出的一致；若末優(yōu)基團(tuán)在橫線上，則標(biāo)出的構(gòu)型與上面用立體模型標(biāo)出的相反。簡(jiǎn)稱“豎真橫偽”。想一想，為什么？（因?yàn)椋耗﹥?yōu)基團(tuán)在橫線上時(shí)，觀察的方向與規(guī)則所述的相反，故需將其結(jié)果反過(guò)來(lái)）。注意：旋光方向與R、S構(gòu)型沒(méi)有必然的聯(lián)系，旋光方向目前只能通過(guò)旋光儀測(cè)定。 測(cè)定絕對(duì)構(gòu)型的

11、問(wèn)題一直到1951年才解決，在此之前，因無(wú)法測(cè)知絕對(duì)構(gòu)型，只能采用關(guān)聯(lián)的方法。Fischer選擇(+)-甘油醛作為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)標(biāo)示構(gòu)型。二、D/L命名法 按Fischer規(guī)定寫出(+)-甘油醛的Fischer投影式并命名為D-型，其對(duì)映體則命名為L(zhǎng)-型。強(qiáng)調(diào)：羥基在右邊即為D-型；羥基在左邊即為L(zhǎng)-型。關(guān)聯(lián)：將其他手性化合物的Fischer投影式與甘油醛比較，若手性碳上的取代基寫在碳鏈右邊，就稱該化合物為D-型；反之，則稱為L(zhǎng)-型。強(qiáng)調(diào)：手性碳所連的四個(gè)鍵不能發(fā)生斷裂。指出：旋光方向與D、L構(gòu)型沒(méi)有必然的聯(lián)系。此法只適用于的Fischer投影式。此法有局限性，如對(duì)含多個(gè)手性碳的化合物就不大適應(yīng)。但目

12、前在糖類和氨基酸中，仍然采用此法標(biāo)記構(gòu)型。練習(xí)：用R、S法標(biāo)記下列Fischer投影式的構(gòu)型，并指出它們相互的關(guān)系。構(gòu)型標(biāo)記的關(guān)鍵之處：弄清基團(tuán)的優(yōu)先順序。此處著重討論一個(gè)構(gòu)型的標(biāo)記，起到舉一反三的作用。再?gòu)?qiáng)調(diào)：含一個(gè)*C的化合物，其對(duì)映異構(gòu)體數(shù)目有2個(gè)；含兩個(gè)不同的*C的化合物，其對(duì)映異構(gòu)體的數(shù)目有4個(gè)；結(jié)論：含n個(gè)不同的*C的化合物的對(duì)映異構(gòu)體的數(shù)目有2n個(gè)。思考題：（口述）判斷下列的闡述哪些是正確的？哪些是錯(cuò)誤的？(1) 所有手性分子都有非對(duì)映體。×(2) 所有具有手性碳的化合物都是手性分子。×(3) 一對(duì)對(duì)映體總有實(shí)物和鏡像的關(guān)系。 (4) 對(duì)映異構(gòu)體可以通過(guò)單鍵旋

13、轉(zhuǎn)相互重合。×(5) 如果一個(gè)化合物沒(méi)有對(duì)稱面，它必然是手性的。×(6) 具有R-構(gòu)型的手性化合物必定有右旋的旋光方向。×引導(dǎo)同學(xué)歸納總結(jié)： (1)含一個(gè)*C的化合物，肯定有旋光性，有一對(duì)對(duì)映體； (2)手性是產(chǎn)生旋光異構(gòu)體的充分必要條件，而手性碳是一般因素；(3)判斷一個(gè)物質(zhì)是否有手性，考查它是否有對(duì)稱面或?qū)ΨQ中心。6.7 環(huán)狀化合物的對(duì)映異構(gòu) 問(wèn)題：二甲基環(huán)己烷有多少構(gòu)造異構(gòu)體，有多少構(gòu)型異構(gòu)體？以平面式來(lái)分析，引導(dǎo)同學(xué)將手性的基本概念運(yùn)用到脂環(huán)化合物的對(duì)映異構(gòu)分析中。關(guān)鍵：如何尋找環(huán)狀化合物的手性碳；是否存在對(duì)稱面或?qū)ΨQ中心一、 1,2-二甲基環(huán)己烷順式為內(nèi)

14、消旋體，反式存在一對(duì)對(duì)映體二、1,3-二甲基環(huán)己烷 與1,2-二甲基環(huán)己烷類似，順式1,3-二甲基環(huán)己烷為內(nèi)消旋體，反式存在一對(duì)對(duì)映體。三、 1,4-二甲基環(huán)己烷無(wú)論順式還是反式，均無(wú)對(duì)映異構(gòu)現(xiàn)象。（學(xué)生常認(rèn)為這是內(nèi)消旋體，注意指出錯(cuò)誤原因）設(shè)問(wèn)：順、反-1,4-二甲基環(huán)己烷能否稱作內(nèi)消旋體？（不能！因?yàn)闊o(wú)手性碳）。 注意：構(gòu)象和構(gòu)型兩個(gè)概念的異同。 上面的分析都將環(huán)己烷看作是一個(gè)平面分子，實(shí)際上環(huán)己烷主要以椅式構(gòu)象存在，那么這樣分析得出的結(jié)論是正確的嗎？是的（因室溫下，構(gòu)象不能分離）有的手性化合物，并不存在手性碳，但分子不能與其鏡像場(chǎng)重合，具有手性。如：聯(lián)苯型化合物、丙二烯類化合物。6.8

15、無(wú)手性碳的對(duì)映異構(gòu) 一、聯(lián)苯型以6，6-二硝基-2,2-聯(lián)苯二甲酸為例，強(qiáng)調(diào)當(dāng)聯(lián)苯兩個(gè)取代基較大時(shí)，旋轉(zhuǎn)受阻，為構(gòu)象對(duì)映體。二、丙二烯型C2為sp2雜化，兩個(gè)鍵相互垂直，當(dāng)兩端碳連接兩個(gè)不同的基團(tuán)時(shí)，分子不對(duì)稱，存在對(duì)映異構(gòu)現(xiàn)象。強(qiáng)調(diào)：手性是產(chǎn)生對(duì)映異構(gòu)現(xiàn)象的充分必要條件。思考題：舉幾個(gè)立體結(jié)構(gòu)，請(qǐng)同學(xué)判斷是否有手性。6.9 手性分子的形成和生物作用一、手性分子的形成（一）生物體中的手性分子生物體中的手性分子大多以其對(duì)映體之一存在。如選擇性高、活性高的生物催化劑酶。被酶催化的底物也是手性的。（二）非手性分子轉(zhuǎn)化成手性分子例1：正丁烷的氯代，控制條件可達(dá)到主要產(chǎn)物2-氯丁烷，該分子存在手性碳，但

16、產(chǎn)物不旋光。為什么？因?yàn)榈玫降氖堑攘康淖笮w和右旋體的混合物外消旋體。為什么會(huì)形成外消旋體？分析：正丁烷的氯代歷程中，產(chǎn)生仲丁基自由基中間體平面構(gòu)型氯從平面上下方進(jìn)攻機(jī)會(huì)均等。例2：S-2-氯丁烷進(jìn)行二氯代不等量的非對(duì)映體。為什么？強(qiáng)調(diào)：形成的自由基中間體是不對(duì)稱的。二、手性分子的生物作用一對(duì)對(duì)映體，構(gòu)型上的微小差異，在生理活性上往往會(huì)產(chǎn)生截然不同的作用。例如：多巴(Dopa),化學(xué)名為2-氨基-3-(3,4-二羥基苯基)丙酸。右旋多巴對(duì)人無(wú)生理作用，而左旋多巴可用于治療帕金森病。為什么一對(duì)對(duì)映體之間，在生理活性上會(huì)有如此大的差別呢？因?yàn)樯锸荏w大多為蛋白質(zhì)，當(dāng)然是手性物。不同受體具有不同的立

17、體構(gòu)型和構(gòu)象。一個(gè)特異性手性分子的立體結(jié)構(gòu)只有與特定的受體的立體結(jié)構(gòu)有互補(bǔ)關(guān)系，其活性部位才能適合進(jìn)入受體的靶位，產(chǎn)生應(yīng)有的生理作用。一對(duì)對(duì)映體最多只有其中之一適合進(jìn)入一個(gè)特定受體靶位，（正象一把鑰匙開(kāi)一把鎖）產(chǎn)生生理效應(yīng)。 (1) (2)(1)圖說(shuō)明手性分子易進(jìn)入受體靶位；(2)圖說(shuō)明手性分子不能合適地進(jìn)入相同的受體靶位，發(fā)揮它的生物效應(yīng)，因此它沒(méi)有同樣的生物效應(yīng)。 手性分子與手性生物受體之間的相互作用市售的西藥中有半數(shù)具有手性中心，其中又有半數(shù)為外消旋混合物。如歐美曾廣泛使用的減緩妊娠反應(yīng)的藥物反應(yīng)停（結(jié)構(gòu)如下）為消旋混合物，常出現(xiàn)畸形兒。后研究發(fā)現(xiàn)，該藥R-型的確有效，但S-型異構(gòu)體常導(dǎo)致畸形。 R-型反應(yīng)?？梢?jiàn)：外消旋拆分法研究；一種新藥要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)期的動(dòng)物試驗(yàn)和觀察方能上臨床，這的確很重要。歸納總結(jié)和課堂練習(xí) 1、歸納總結(jié)：本章主要討論了對(duì)映異構(gòu)的基本概念及