工學(xué)刑其毅有機(jī)化學(xué)體化學(xué)

1、第八章 立體化學(xué)（stereochemistry）立體化學(xué)靜態(tài)立體化學(xué) 動(dòng)態(tài)立體化學(xué) 討論分子的立體形象及與物理性 質(zhì)的關(guān)系等。討論分子的立體形象對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響及產(chǎn)物分子和反應(yīng)物分子在立體結(jié)構(gòu)上的關(guān)系等。 原子在分子內(nèi)的空間位置； 在反應(yīng)中，分子內(nèi)或分子間的原子重新組合，在空間上的 要求條件和變化過程如何？及由此如何決定產(chǎn)物分子中各 原子的空間向位？ 立體異構(gòu) 構(gòu)造相同,分子中原子或基團(tuán)在空間的排列方式不同。 幾何異構(gòu) 因共價(jià)鍵旋轉(zhuǎn)受阻而產(chǎn)生的立體異構(gòu)。構(gòu)象異構(gòu) 因單鍵“ 自由” 旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的立體異構(gòu)。CH3HHCH3HHHCH3HHHCH3CH3CH3旋光異構(gòu) 因分子中手性因素而產(chǎn)生的立體

2、異構(gòu)。CH3CC2H5BrClCCH3ClC2H5BrCCH3ClBrH5C2 NCH3CH3CH2CH2CH3OHNO2OHNHCOCHCl2OHd- 異構(gòu)體 有強(qiáng)興奮作用 l- 異構(gòu)體 抗興奮作用D-(-) 有殺菌作用L-(+) 無藥效OOHZ-R（有生理活性）8. 1 手性和對(duì)映體 1. 手性(Chirality) 實(shí)物與其鏡影不能重疊的現(xiàn)象。 2. 對(duì)稱因素1）平面對(duì)稱因素()CCHClClHCClClHCH3COOHHOHHOHCOOH具有平面對(duì)稱因素的分子是對(duì)稱分子。非手性分子。 2）中心對(duì)稱因素 (i)CH2CH2CH2CH2ClClHFHClClHHF 具有中心對(duì)稱因素 的分子

3、是對(duì)稱分子。 非手性分子。3）對(duì)稱軸（旋轉(zhuǎn)軸）對(duì)稱因素 (Cn)NHHH C3CH3CH3C2CH3CH3HHHHC2COOHCOOHHOHHOHC2（無） （有） （無） （有）只含旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱因素的分子是非對(duì)稱分子。手性分子。4）反射對(duì)稱因素(Sn) HCH3ClHHClH3CH旋轉(zhuǎn)180oClHHClH3CHCH3HHCH3ClHHClH3CH 具有反射對(duì)稱因素的分子是對(duì)稱分子。非手性分子。 一般情況下，不具有對(duì)稱面和對(duì)稱中心的分子，其實(shí)物 與鏡影不能重疊，該分子稱為不對(duì)稱分子或手性分子。 手性分子具有光學(xué)活性。8. 2 旋光性、比旋光度1. 旋光性光源光束先進(jìn)方向 光波振動(dòng)方向與光束前進(jìn)

4、方向關(guān)系示意圖 普通光Nicol prism普通光平面偏振光 平面偏振光： 通過Nicol棱鏡，僅在 一個(gè)平面上振動(dòng)的光。 2. 旋光儀、旋光度、比旋光度aa目鏡檢偏鏡盛液管起偏鏡單色光源 旋光性：使偏振光偏振面旋轉(zhuǎn)的能力。 旋光度：使偏振光偏振面旋轉(zhuǎn)的角度。用表示。 旋光方向：右旋（+）、d- ; 左旋（-）、l- 比旋光度t =C(g/ml) l(dm)a (物理常數(shù)) 例：從粥樣硬化動(dòng)脈中分離出來的膽甾醇0.5g溶解于20ml 氯仿，并放入1dm的測量管中，測得旋光度-0.76o。求其比 旋光度。 如何確定一個(gè)活性物質(zhì)是+60o的右旋體還是-300o的左旋體？ 8. 3 含手性碳原子的分

5、子的立體化學(xué)1. 含一個(gè)手性碳原子的分子 1）手性碳原子的概念 與四個(gè)不相同的原子或基團(tuán)相連的碳原子。CH3CHCOOHOH*CNH2COOHH 含一個(gè)手性碳的分子是手性分子，具有一對(duì)對(duì)映體。手性碳用C*標(biāo)識(shí)CCOOHCH3OHHCCOOHCH3HOHS-(+)-乳酸R-(-)-乳酸D20= +3.8o(水) D20= -3.8o(水)對(duì)映體互為實(shí)物與鏡影關(guān)系，不能相互重疊的兩個(gè)立體異構(gòu)體。2）左旋體、右旋體及外消旋體 一對(duì)對(duì)映體中： 使平面偏振光向左旋的為左旋體，用“（）”或“ l”表示。 使平面偏振光向右旋的為右旋體，用“（+）”或“d”表示。 左旋體與右旋體，旋光度相同、旋光方向相反。外

6、消旋體：等量的左旋體與右旋體的混合物。無旋光性。外消旋體用 () 或 (RS) 或 (dl) 或 DL表示。+CH3CHCOOHOHCH3CHCOOHOHCH3CHCOOHOH( )( )( )+外消旋體可分離成左旋體與右旋體。8.4 構(gòu)型的表示、構(gòu)型的確定、構(gòu)型的標(biāo)記菲舍爾投影式構(gòu)型的表示CH3CHOCH2CH3HCH3CHOCH2CH3HCCH2CH3HOCH3HH3CCH2CH3HCOOHHCH2CH3COOHCH3CH3CH2COOHHCH3HCOOHCH3CH2CH3楔形式手性碳的構(gòu)型：與手性碳相連的四個(gè)不同基團(tuán)的空間排列。R、S 標(biāo)記COHHOOCCH3HCCOOHCH3OHHCC

7、OOHHOCH3HCCOOHCH3HOH(S)- (S)- (R)- (R)-基團(tuán)大小順序：OH COOH CH3 HCH3CHOCH2CH3HCH3CHOCH2CH3HCCH2CH3HOCH3H SRRCCOOHH3CHOHCCOOHCH3HHOHOHCOOHCH3（前）（前）（后）（后）交叉點(diǎn) 手性碳（位于紙平面上） 規(guī)定 投影時(shí)，與手性碳相連橫向兩個(gè)鍵朝前，豎向兩個(gè) 鍵向后，交叉點(diǎn)為手性碳。將下列化合物改寫成Fischer投影式，并標(biāo)出手性碳原子構(gòu)型。CCOOH H ClCH3CCOOH Cl CH3HClCOOHHH3CSCOOHClCH3HS動(dòng)畫演示 順序最小的原子(或基團(tuán))在豎線上

8、, 順時(shí)針排列為R構(gòu)型, 逆時(shí) 針排列為S構(gòu)型。 順序最小的原子(或基團(tuán))在橫線上, 順時(shí)針排列為S構(gòu)型, 逆時(shí) 針排列為R構(gòu)型。 如果固定某一個(gè)基團(tuán)，而依次改變另三個(gè)基團(tuán)的位置，則分子 構(gòu)型不變。H3CCH2CH3HCOOHHCH2CH3COOHCH3CH3CH2COOHHCH3HCOOHCH3CH2CH3 S S S S 試判斷下列Fischer投影式中與(s)-2-甲基丁酸成對(duì)映關(guān)系的有哪 幾個(gè)？ CHCOOHCH3CH2H3CH3CC2H5HCOOHC2H5COOHHCH3HC2H5A B CH3CHCOOHC2H5HCH3COOHHCH3H3CHC2H5COOHHCH3D E F G

9、 HCOOHCH3 C2H5 COOHC2H5C2H5COOHs 將投影式在紙平面上旋轉(zhuǎn)90o,則成它的對(duì)映體。H3CHCH2CH3COOH轉(zhuǎn) 90o(在紙平面上)HOOCCH2CH3CH3H R S 將投影式中與手性碳相連的任意兩個(gè)基團(tuán)對(duì)調(diào), 對(duì)調(diào)一次 （或奇數(shù)次）則轉(zhuǎn)變成它的對(duì)映體；對(duì)調(diào)二次則為原化合物。 HOHCOOHCH3對(duì)調(diào)一次HOHCOOHCH3再對(duì)調(diào)一次HOHCH3COOH旋轉(zhuǎn)180o在紙平面上HOHCOOHCH3R S R RD、L標(biāo)記法 甘油醛HOHCHOCH2OHHOHCHOCH2OHD-(+)-甘油醛L-(-)-H2NHCOOHRL-氨基酸8.5. 含多個(gè)手性碳原子化合物

10、的立體異構(gòu)1) 含兩個(gè)不同手性碳原子的分子HOOC-CH-CH-COOH*OH ClC-2: -OH CHCOOH COOH HC-3: Cl COOH CHCOOH HClOHHOHClHCOOHCOOHCOOHHOHHClCOOHHOHHClCOOHCOOHHOHClHCOOHCOOH 2R3R 2S3S 2R3S 2S3R dl-dl- 對(duì)映關(guān)系： 與； 與 非對(duì)映關(guān)系： 與、與、與、與 非對(duì)映體：構(gòu)造相同, 構(gòu)型不同, 相互間不是實(shí)物與鏡影關(guān)系 的立體異構(gòu)體。 非對(duì)映異構(gòu)體其旋光性不同, 物理性質(zhì)不同。 光活異構(gòu)體數(shù)目 = 2n ; (n=不同手性碳原子數(shù)) 外消旋體數(shù)目= 2n-1

11、2）含兩個(gè)相同手性碳原子的分子HOOC-CH-CH-COOHOH OH* 酒石酸 OH COOH CHCOOH HOH *C2 *C3 ：HOHHOHCOOHCOOHHOHHOHCOOHCOOHHOHHOHCOOHCOOHHOHHOHCOOHCOOH 內(nèi)消旋體(meso)：分子內(nèi)部形成對(duì)映兩半的化合物。(有平面 對(duì)稱因數(shù))。 具有兩個(gè)手性中心的內(nèi)消旋結(jié)構(gòu)一定是（RS）構(gòu)型。HOHHOHCOOHCOOH R S內(nèi)消旋體無旋光性 (兩個(gè)相同取代、構(gòu)型相反的手性碳原子，處于同一分子中，旋光性抵消)。 內(nèi)消旋體不能分離成光活性化合物。 指出下列(A)與(B)、(A)與(C)的關(guān)系(即對(duì)映體或非對(duì)映體關(guān)

12、系)。 CH3HCH3OHOHHHCH3HOHOHCH3HCH3HOHOHCH3(A)(B)(C) 3）.含三個(gè)不同手性碳原子的分子 八個(gè)旋光異構(gòu)體、組成四對(duì)對(duì)映體。CH3HBrBrHHBrC2H5CH3 Br H BrHHBrC2H5 C-2差向異構(gòu)體 差向異構(gòu)體：含多個(gè)手性碳的兩個(gè)光活異構(gòu)體，僅有一個(gè)手 性碳原子的構(gòu)型相反，其余的手性碳構(gòu)型相同， 這兩個(gè)光活異構(gòu)體稱為差向異構(gòu)體。C-2差向異構(gòu)：由C-2引起的差向異構(gòu)。（C-2構(gòu)型相反）4）. 含其它不對(duì)稱原子的光活性分子N+C6H5 OH-CH3CH3CH2CH2C6H5P+C6H5CH2CH2CH3CH3 Br-CH2C6H58.6 環(huán)

13、狀化合物的立體異構(gòu)HOOCHCOOHHHHCOOHCOOHHHHOOCHOOC meso- (S, S)- (R, R)- 同時(shí)存在順反異構(gòu)、對(duì)映異構(gòu)。動(dòng)畫演示HBrOHH試給化合物： 一個(gè)正確名稱。（1R，3S）- 3-溴-1-環(huán)己醇8.7. 旋光異構(gòu)體的性質(zhì) 在相同的非手性條件下，旋光異構(gòu)體的物理性質(zhì)與化學(xué)性 質(zhì)相同。 名稱 熔點(diǎn)/oC 25(20%水） 溶解度 pka1 pka2 (+)-酒石酸 170 +12o 139 2.93 4.23 (-)-酒石酸 170 - 12o 139 2.93 4.23 (+)-2-甲基-1-丁醇(- )-2-甲基-1-丁醇熱H2SO4HBrCH3COO

14、H烯酯溴烷 旋光異構(gòu)體在手性條件下(如手性試劑、手性催化劑等) 其反應(yīng) 速率不同。 生物體內(nèi)的酶和各種底物具手性。手性分子的對(duì)映體進(jìn)入生物 體內(nèi)手性環(huán)境后, 引起不同的分子識(shí)別, 使其生理活性相差很大。 例如：抗妊娠反應(yīng)的鎮(zhèn)靜藥(R)-酞胺哌啶酮 (“反應(yīng)停”)NONOOH 手性藥物的旋光異構(gòu)與生物活性1）旋光異構(gòu)體具有不同的生物活性強(qiáng)度COOHHH3C(S)-萘普森 非麻醉性的消炎鎮(zhèn)痛藥 (S)-酮咯酸 NCOOHHO 2) 旋光異構(gòu)體具有完全相反的生物活性。NNOOCOOC2H5HCH3利尿藥：(S)-(-)-依托唑啉 3) 旋光異構(gòu)體的毒性或嚴(yán)重副作用 HCF3CH3CH2NH減肥藥 (

15、S)-(+)-氟苯丙胺8.8 不對(duì)稱合成 非手性化合物在非手性條件下生成外消旋體。C=OCH3CH3CH2H2NiCH3OHC2H5HCH3HC2H5HO+50% 50%50% 50%CH3CH2CH2CH3Cl2hvCH3HC2H5ClCH3ClC2H5 H +為什么總得外消旋體? Cl2hv2ClCH3CH2CH2CH3 ClCH3CHCH2CH3 + HClCH3CHC2H5Cl2ababCH3CClHC2H5CH3CClC2H5H50%50% 一個(gè)分子在對(duì)稱環(huán)境下反應(yīng), 不可能有選擇性。(左旋體與 右旋體過渡態(tài)能量相同, 反應(yīng)活化能相同, 反應(yīng)速率相同) 。 1. 由手性化合物進(jìn)行不對(duì)

16、稱合成CCH3CHClCH3HCCH3CClHClCCH3CClHClCl2ababCH3HHH3CCH3ClHCH3CH3ClHCH3HClClHS,S-S,R-29%71%構(gòu)象分析 中間體自由基構(gòu)象能CH3ClHCH3HClHCH3CH3HCl2受阻(主)ClHCH3ClCH3HClCH3HClCH3HClHCH3ClCH3HCH3HClCH3ClCl2H71%29% 結(jié)果：產(chǎn)物為不等量的非對(duì)映體，且meso-占優(yōu)勢。2. 非手性分子通過引入手性基團(tuán)進(jìn)行不對(duì)稱合成CH3CCOOHO+CH3HO(-)-薄荷醇丙酮酸酯（無手性） (-)-薄荷醇 （手性分子） 醇鋁還原KOHCOOHCH3COO

17、HCH3HOHHOH（過量）RS水解+一個(gè)分子的構(gòu)象決定了某一試劑接近分子的方向。COOHCH3HOHROLOOMS還原OLOMSOHHRH2OCOOHOHH3. 選擇性生物催化不對(duì)稱合成條件溫和、高效、立體專一CH3CHCOOHCH3 白色念珠菌CCOOHHOCH2HCH3化學(xué)合成CCOOHClCH2HCH3L-脯氨酸CCONCOOHClCH2HCH3NH4SHCCONCOOHHSCH2HCH3(S)-Captopril4. 立體選擇性反應(yīng)與立體專一性反應(yīng)CHOCH3C6H5HCH3MgI H2OHCH3OHC6H5CH3H+CH3HC6H5CH3HHO赤式 67%蘇式 33% CHCH3C

18、CH3HBr2反加BrBrHHCH3CH3BrHBrHCH3CH3反-2-丁烯(meso)CCCH3HH3CHBr2反加BrBrHCH3HCH3BrCH3HCH3HBr+BrHHBrCH3CH3HBrBrHCH3CH3順式-2-烯烴dl-6. 對(duì)映體過量百分率、立體選向百分率與光學(xué)純度百分率對(duì)映體過量百分率（%ee）=R - SR + S100% = %R - %S立體選向百分率（選向率）=A - BA + B100% = %A - %B光學(xué)純度百分率（%O.P）=100%a觀察a純品8.9 外消旋體的拆分 1. 化學(xué)分離法+_( )-酸+(-)-堿(+)-酸-(-)-堿(-)-酸-(-)-堿

19、結(jié)晶分離(+)-酸-(-)-堿(-)-酸-(-)-堿HClHCl(+)-酸(-)-酸 拆分劑光活性堿 如：奎寧、馬錢子堿、辛可寧堿等光活性酸 如：酒石酸、樟腦磺酸、谷氨酸等2. 生物分離法+_( )-CH3CHCOOHNH2乙?；?_( )-CH3CHCOOHNHCOCH3乙酰水解酶COOHCH3HH2N+COOHCH3NHCOCH3 H L-(+)-丙氨酸拆分的理論收率 50% 消旋化的動(dòng)態(tài)拆分HNOH2N水解酶PH=8HOOCNH2NH2+HNOH2N外消旋酶 3. 晶種法dl-氯霉素 + d-結(jié)晶 d-氯霉素濾液加入dl-結(jié)晶 l-氯霉素濾液1）2）冷卻1）2）冷卻4. 色譜分離法 1）

20、柱色譜法 2）配位競爭法 3）紙色譜法 4）氣相色譜法作業(yè)P1789、10 8. 3 含手性碳原子的分子的立體化學(xué)1. 含一個(gè)手性碳原子的分子 1）手性碳原子的概念 與四個(gè)不相同的原子或基團(tuán)相連的碳原子。CH3CHCOOHOH*CNH2COOHH 含一個(gè)手性碳的分子是手性分子，具有一對(duì)對(duì)映體。手性碳用C*標(biāo)識(shí)CCOOHCH3OHHCCOOHCH3HOHS-(+)-乳酸R-(-)-乳酸D20= +3.8o(水) D20= -3.8o(水)對(duì)映體互為實(shí)物與鏡影關(guān)系，不能相互重疊的兩個(gè)立體異構(gòu)體。手性碳的構(gòu)型：與手性碳相連的四個(gè)不同基團(tuán)的空間排列。R、S 標(biāo)記COHHOOCCH3HCCOOHCH3OHHCCOOHH