第二章立體化學(xué)基礎(chǔ)課件

第二章立體化學(xué)基礎(chǔ)：手性分子掌握：手性和手性分子以及手性碳原子的概念。對(duì)映體、非對(duì)映體、外消旋體和內(nèi)消旋體的概念和主要性質(zhì)；對(duì)映異構(gòu)體命名方法（R/S）。熟悉：費(fèi)歇投影式和透視式表示立體異構(gòu)體的方法；無(wú)手性碳原子的對(duì)映異構(gòu)體。

了解：外消旋體的拆分方法和手性分子的生物作用。立體化學(xué)：從三維空間揭示分子的結(jié)構(gòu)和性能。分子式相同，結(jié)構(gòu)式不相同的化合物叫同分異構(gòu)體。分子式相同，結(jié)構(gòu)式也相同，只是分子中原子或原子團(tuán)在空間的排列順序不同，這種現(xiàn)象叫立體異構(gòu)。2020年9月28日12020年9月28日2一．構(gòu)造異構(gòu)：分子中原子或原子團(tuán)互相連接的順序不同。1．碳鏈異構(gòu)（碳骨架異構(gòu)）：碳鏈的骨架不同。2．位置異構(gòu)：取代基或官能團(tuán)在碳鏈上的位置不同。CH3CH2－CH＝CH2和CH3CH2－CH＝CH2和CH3CH＝CHCH3

丁烯2－丁烯3．官能團(tuán)異構(gòu)：官能團(tuán)不同。CH3-CH2-OH和CH3-O-CH3

2020年9月28日34．互變異構(gòu)：

一種官能團(tuán)異構(gòu)體改變其結(jié)構(gòu)成為另一種官能團(tuán)異構(gòu)體，互相迅速的變換，形成兩種異構(gòu)體的動(dòng)態(tài)平衡，這是官能團(tuán)異構(gòu)體的一種特殊表現(xiàn)形式。二．立體異構(gòu)：1．順?lè)串悩?gòu)（幾何異構(gòu)）：分子中原子或原子團(tuán)在空間的排列方式不同。2020年9月28日42．對(duì)映異構(gòu)（旋光異構(gòu)，光學(xué)異構(gòu)）：分子具有手性。前兩者又叫構(gòu)型異構(gòu)3．構(gòu)象異構(gòu)（旋轉(zhuǎn)異構(gòu)）：?jiǎn)捂I的旋轉(zhuǎn)。第一節(jié)順?lè)串悩?gòu)一．順?lè)串悩?gòu)的概念：丁烯二酸（HOOC—CH=CH—COOH。2020年9月28日5熔點(diǎn)溶解度130℃易溶于水287℃難溶于水分子式相同,結(jié)構(gòu)式也相同，但是它們結(jié)構(gòu)式中原子或原子團(tuán)在空間的排列方式不同。這樣的立體異構(gòu)稱為順?lè)串悩?gòu)。

二.產(chǎn)生順?lè)串悩?gòu)的條件：1.分子中存在著限制碳原子（或氮原子）自由旋轉(zhuǎn)的因素，如雙鍵或環(huán)結(jié)構(gòu)。2020年9月28日6

2.不能自由旋轉(zhuǎn)的原子上連有不相同的的原子或原子團(tuán)。三.順?lè)串悩?gòu)的類型：根據(jù)產(chǎn)生的順?lè)串悩?gòu)現(xiàn)象的不同結(jié)構(gòu)因素，又可分為含碳碳雙鍵化合物；脂環(huán)化合物；碳氮雙鍵和氮氮雙鍵化合物的順?lè)串悩?gòu)。（一）含碳碳雙鍵化合物的順?lè)串悩?gòu)：1.順—反構(gòu)型命名法：順—丁烯二酸反—丁烯二酸2020年9月28日7

異巴豆酸（順式）巴豆酸（反式）2.ZE構(gòu)型命名法（1）：次序規(guī)則

（A）原子序數(shù)大的，相同原子序數(shù)（同位素），原子量大的在前。（B）多原子取代基，由游離價(jià)原子依次比較。（C）當(dāng)與雙鍵碳相連的為不飽和基團(tuán)時(shí)，分別看作2次或3次相連。2020年9月28日8（2）ZE構(gòu)型命名。如果二個(gè)大基團(tuán)處在雙鍵同側(cè)就稱為Z型；若二個(gè)大基團(tuán)處在雙鍵異側(cè)就稱為E型。

Z—2—氯—1—溴丙烯E—2—氯—1—溴丙烯2020年9月28日93.當(dāng)分子中雙鍵數(shù)目增加時(shí)，順?lè)串悩?gòu)體的數(shù)目也增加。（二）脂環(huán)化合物的順?lè)串悩?gòu)：2020年9月28日10（三）含碳氮雙鍵和氮氮雙鍵化合物的順?lè)串悩?gòu):順—苯甲醛肟反—苯甲醛肟熔點(diǎn)：35℃熔點(diǎn)：130℃

順—偶氮苯反—偶氮苯2020年9月28日11一、手性

產(chǎn)生對(duì)映異構(gòu)現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)依據(jù)是手性(Chirality)。這種左右手互為鏡像關(guān)系，彼此又不能重合的現(xiàn)象稱為手性。自然界中有許多手性物。有許多化合物分子具有手性。第二節(jié)

手性分子和對(duì)映體2020年9月28日12二、手性分子和對(duì)映體

2020年9月28日13球棍模型

乳酸分子a和b的關(guān)系正如人的左右手的關(guān)系：互為鏡像又不能重合。因此a和b代表不同的分子，均具有手性，均屬手性化合物，互為對(duì)映異構(gòu)體，簡(jiǎn)稱對(duì)映體（enantiomers).2020年9月28日14兩個(gè)乳酸分子中有一個(gè)碳原子(C2)所連的四個(gè)基團(tuán)(COOH,OH,CH3,H)均不相同。凡是連有4個(gè)不同的原子或基團(tuán)的碳原子稱為手性碳原子(chiralcarbonatom),也可稱為手性中心。一個(gè)手性碳原子所連的4個(gè)不同原子或基團(tuán)在空間具有2種不同的排列方式，它們是彼此成鏡像關(guān)系，又不能重疊的一對(duì)立體異構(gòu)體，互為對(duì)映體，統(tǒng)稱為手性化合物。有一個(gè)手性碳的化合物必定是手性化合物，有一對(duì)對(duì)映體。有多個(gè)手性碳的一般有多對(duì)對(duì)映體，最多可達(dá)2n。性質(zhì)：物理性質(zhì)幾乎相同，化學(xué)性質(zhì)大部分相同。不同：旋光性；生理活性2020年9月28日15三、對(duì)稱面和非手性分子

對(duì)稱面(planesofsymmetry):指將分子結(jié)構(gòu)剖成互為實(shí)物與鏡像的兩半的面。2020年9月28日16E—1.2—二氯乙烷二氯甲烷內(nèi)消旋酒石酸有對(duì)稱面的分子不存在對(duì)映體，為非手性分子。2020年9月28日17四、判斷對(duì)映體（手性分子）的方法

1、直接方法：比較分子和其鏡像是否重合2、有沒(méi)有對(duì)稱面3、有沒(méi)有手性碳原子：有一個(gè)的肯定是，多個(gè)的不一定（有的是內(nèi)消旋化合物,如內(nèi)消旋酒石酸）練習(xí)：見(jiàn)教材2020年9月28日18第三節(jié)費(fèi)歇爾投影式

★費(fèi)歇爾投影式：是指將一個(gè)三維（立體）手性分子模型作如下規(guī)定:與手性碳橫向相連的基團(tuán)朝向紙平面的前方；豎向相連的基團(tuán)朝向紙平面的后方；手性碳處于紙平面上。將其投影,所得平面投影式稱為費(fèi)歇爾投影式。2020年9月28日19★注意事項(xiàng)

(1)水平線和垂直線的交叉點(diǎn)代表手性碳，位于紙平面上。

(2)橫鍵代表朝向紙平面前方的鍵，豎鍵代表朝向紙平面后方的鍵。

“橫前豎后‘’(3)費(fèi)歇爾投影式只能在紙平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)180°，或其偶數(shù)倍，不能離開(kāi)紙面翻轉(zhuǎn)。

（4）習(xí)慣將最長(zhǎng)的碳鏈放在豎線上，同時(shí)把編號(hào)為1的碳原子放在上端。2020年9月28日20同一個(gè)立體異構(gòu)體可以用幾種不同的方法表示。

2020年9月28日21第四節(jié)旋光性一、平面偏振光

光的振動(dòng)方向與前進(jìn)方向垂直，普通光是在無(wú)數(shù)個(gè)垂直于前進(jìn)方向的平面內(nèi)振動(dòng)。當(dāng)普通光通過(guò)一個(gè)偏振的透鏡或尼科爾棱鏡時(shí)，一部分光就被擋住了，只有振動(dòng)方向與棱鏡晶軸平行的光才能通過(guò)。這種只在一個(gè)平面上振動(dòng)的光稱為平面偏振光。2020年9月28日22二、旋光性

偏振光的振動(dòng)面化學(xué)上習(xí)慣稱為偏振面。當(dāng)偏振光通過(guò)手性化合物溶液后，偏振面的方向就被旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度，這個(gè)角度就稱為該物質(zhì)的旋光度。這種能使偏振面旋轉(zhuǎn)的性能稱為旋光性。手性化合物都具有旋光性。三、旋光度與比旋光度的測(cè)定

㈠旋光度

通常用旋光儀測(cè)定化合物的旋光性。2020年9月28日232020年9月28日24

旋光度：偏振面被旋光性物質(zhì)所旋轉(zhuǎn)的角度，用a表示。

★偏振面被旋轉(zhuǎn)的方向有左旋(逆時(shí)針)和右旋(順時(shí)針)的區(qū)別。用符號(hào)(+)表示右旋，(-)表示左旋。㈡比旋光度

用單位長(zhǎng)度（dm）的旋光管，測(cè)得物質(zhì)單位濃度（1g.mL-1）的旋光度，稱為比旋光度。比旋光度是化合物的一種物理常數(shù)。比旋光度與旋光度的關(guān)系2020年9月28日252020年9月28日26★一對(duì)對(duì)映體，除比旋光度值相等符號(hào)相反(即旋光方向相反)外，其它物理性質(zhì)雷同?！锉刃舛瓤捎糜阼b定未知的旋光性物質(zhì)或者判斷純度。2020年9月28日27第五節(jié)

外消旋體一、乳酸CH3-CHOH-COOH的旋光現(xiàn)象:

二、外消旋體的定義:

一對(duì)對(duì)映體的等量混合物稱為外消旋體。

外消旋體符號(hào):±肌肉分秘出來(lái)的乳酸能使偏振光向右旋轉(zhuǎn)（+3.8。），叫右旋乳酸。

糖發(fā)酵得來(lái)的乳酸能使偏振光向左旋轉(zhuǎn)（-3.8。），叫左旋乳酸。牛奶變酸得來(lái)的乳酸使偏振光不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，沒(méi)有旋光性，叫外消旋乳酸。2020年9月28日28三、外消旋體的物理性質(zhì):

外消旋體的物理性質(zhì)與純的單一對(duì)映體有不同：它無(wú)旋光性；熔點(diǎn)、密度、溶解度等常有差異。★為什么外消旋體無(wú)旋光性呢？

2020年9月28日29第六節(jié)

非對(duì)映體和內(nèi)消旋化合物一、非對(duì)映體一個(gè)手性碳原子的化合物存在著兩個(gè)立體異構(gòu)體；含有兩個(gè)以上手性碳原子（﹡）的化合物存在兩個(gè)以上的立體異構(gòu)體，其最大數(shù)目是2n(n)代表手性碳原子數(shù)。2020年9月28日30非對(duì)映體：彼此不成鏡像關(guān)系的立體異構(gòu)體。

非對(duì)映體具有不同的物理性質(zhì)。用重結(jié)晶或蒸餾等方法可以將非對(duì)映體分開(kāi)。

2020年9月28日31二.、內(nèi)消旋化合物2020年9月28日322020年9月28日33★為什么內(nèi)消旋化合物無(wú)旋光性？?jī)?nèi)消旋化合物有對(duì)稱面。對(duì)稱面的上半部分是下半部分的鏡像。分子的上下兩部分對(duì)偏振光的影響相互抵消，使整個(gè)分子無(wú)旋光性。2020年9月28日34第七節(jié)

構(gòu)型標(biāo)記法構(gòu)型：是指分子結(jié)構(gòu)中的原子或基團(tuán)在空間排列的順序。

對(duì)映異構(gòu)和順?lè)串悩?gòu)都屬于構(gòu)型異構(gòu)。

一、D/L構(gòu)型標(biāo)記法

一個(gè)化合物的絕對(duì)構(gòu)型通常指鍵合在手性中心的四個(gè)原子或基團(tuán)在空間的真實(shí)排列方式。費(fèi)歇爾(Fischer)人為地選定(＋)-甘油醛為標(biāo)準(zhǔn)物，并規(guī)定其碳鏈處于垂直方向，醛基在碳鏈上端的投影式中，C2上的羥基處于右側(cè)的為D-構(gòu)型。其對(duì)映體-羥基在左邊的為L(zhǎng)-構(gòu)型。2020年9月28日35D-（+）-甘油醛L-（+）-甘油醛以甘油醛為標(biāo)準(zhǔn)物，通過(guò)合適的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化成其它旋光性化合物，所得的化合物的構(gòu)型與原甘油醛的構(gòu)型相同。2020年9月28日36化合物的構(gòu)型與旋光方向沒(méi)有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。D/L命名法的局限性，它只適用與甘油醛結(jié)構(gòu)類似的化合物。一般用于糖類和氨基酸的構(gòu)型命名。

2020年9月28日37二、R/S構(gòu)型命名法

R/S構(gòu)型命名法廣泛應(yīng)用于各種類型手性化合物構(gòu)型命名。R/S構(gòu)型命名規(guī)則

1、首先確定與手性碳相連的四個(gè)原子或基團(tuán)的優(yōu)先次序。2、將手性碳上的四個(gè)原子或基團(tuán)中最小的置于遠(yuǎn)離我們視線的位置(即放在最遠(yuǎn)的位置)，然后觀察另外三個(gè)基團(tuán)的優(yōu)先次序（由大到小）。

如為順時(shí)針?lè)较蚺帕袨镽構(gòu)型；反時(shí)針?lè)较蚺帕袨镾構(gòu)型。

2020年9月28日38a﹥b﹥c﹥d

R或S構(gòu)型，它標(biāo)志著手性分子的絕對(duì)構(gòu)型。化合物的旋光方向與構(gòu)型也沒(méi)有直接關(guān)系。

2020年9月28日39命名氯溴碘甲烷（A和B）的構(gòu)型。

利用Fischer式可以直接確定R/S構(gòu)型，但要注意：(1)當(dāng)次序最低基團(tuán)豎直方向（伸向紙平面后，遠(yuǎn)離觀察者）時(shí)，可直接按其余三個(gè)基團(tuán)的優(yōu)先次序（大中小）確定R/S，與規(guī)定相符，即順時(shí)針為R，逆時(shí)針為S。(2)當(dāng)次序最低基團(tuán)在左右方向（伸向紙平面前，離觀察者近）時(shí)，判斷R/S時(shí)，與規(guī)定相反，必須“順時(shí)針為S，逆時(shí)針為R”，即反方向判斷。2020年9月28日40

R-（-）-乳酸S-（+）-乳酸(S)-1-氘代-1-溴乙烷(R)-2-氨基丁烷R/S構(gòu)型與系統(tǒng)命名法2020年9月28日41帶括號(hào)的R/S標(biāo)明其構(gòu)型，置于化合物名稱之前，含多個(gè)C的化合物，則按其編號(hào)由小到大逐個(gè)標(biāo)明(R)-2-氨基丙酸(2S,3R)-2-氯-3-溴戊烷(2S,3S,4S)-2-羥基(2S,3S,4R)-2-羥基-3,4-二氯己酸-3,4-二氯己酸2020年9月28日42第八節(jié)無(wú)手性碳原子的對(duì)映體有些化合物雖不含手性碳原子，卻包含了手性因素，使其與它的鏡像不能重合，導(dǎo)致產(chǎn)生一對(duì)對(duì)映體。一、聯(lián)苯型分子的對(duì)映異構(gòu)

2020年9月28日43

二、丙二烯類化合物的對(duì)映異構(gòu)

丙二烯類化合物(>C=C=C<)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是兩個(gè)π鍵的平面相互垂直(中心碳原子為SP雜化)。

2020年9月28日442020年9月28日45(3)螺環(huán)化合物與丙二烯型化合物相似，螺環(huán)化合物由于螺原子所在的兩個(gè)環(huán)處于兩個(gè)不同的平面內(nèi)，也可能存在對(duì)映異構(gòu)。2,6-二甲基螺[3.3]庚烷是手性分子2020年9月28日46第九節(jié)

外消旋體的拆分

常用的化學(xué)拆分法是把一對(duì)對(duì)映體設(shè)法轉(zhuǎn)變?yōu)榉菍?duì)映體。一旦形成一對(duì)非對(duì)映體，就可以用分步結(jié)晶或蒸餾等方法分開(kāi)（為什么？）。1、如果要拆分的外消體是一種酸，例如(±)-乳酸，就用光學(xué)純的堿。如(+)-奎寧、(-)-馬錢(qián)子堿和(+)-辛可寧等處理，所形成的鹽就是非對(duì)映體。2、如果要拆分的外消旋體是一個(gè)堿，通常就采用光學(xué)純的酸，例如，酒石酸，樟腦磺酸等來(lái)拆分。

3、要拆分的外消旋體既不是酸又不是堿，可以設(shè)法將化合物接上一個(gè)羧基，然后再進(jìn)行拆分。

2020年9月28日472020年9月28日48第十節(jié)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內(nèi)存在著許多手性化合物，而且?guī)缀醵际且詥我坏膶?duì)映體存在。（二）非手性分子轉(zhuǎn)化成手性分子

非手性分子通過(guò)化學(xué)反應(yīng)也可轉(zhuǎn)化成手性分子。

2-氯丁烷是手性化合物，但實(shí)際上卻不具有旋光性。這是由于這種氯化一取代產(chǎn)物包含兩個(gè)等量的對(duì)映體。對(duì)于每一個(gè)單一的對(duì)映體，當(dāng)然是具有旋光性，但對(duì)整體產(chǎn)物是無(wú)旋光性，因?yàn)樗峭庀w。

2020年9月28日49為什么會(huì)形成外消旋體呢？

正丁烷在光的作用下發(fā)生氯取代反應(yīng)生成外消旋化合物的反應(yīng)機(jī)制：2020年9月28日50從一個(gè)手性化合物通過(guò)化學(xué)反應(yīng)再形成一個(gè)新的手性中心時(shí)，則生成不等量非對(duì)映體混合產(chǎn)物。S-2-氯丁烷在高溫條件下氯化則得到2S,3S-2,3-二氯丁烷（A）和2S，3R-2,3-二氯丁烷（B內(nèi)消旋化合物）。（A）和（B）互為非對(duì)映體，產(chǎn)率比例為29:71。2020年9月28日51為什么生成不等量的非對(duì)映體呢？

因?yàn)镃l2與S-2-氯丁烷發(fā)生取代反應(yīng)，形成的中間體-3-氯-2-丁基自由基，已經(jīng)有一個(gè)手性中心了，缺乏對(duì)稱性。因此Cl2從手性自由基兩側(cè)進(jìn)攻的機(jī)會(huì)就不會(huì)完全相等，那么得到的兩個(gè)互為非對(duì)映體的產(chǎn)物比例也就不會(huì)相等。

2020年9月28日52二、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。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？

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)映體最多只有其中的一個(gè)對(duì)映體適合進(jìn)入一個(gè)特定受體靶位，產(chǎn)生生理效應(yīng)。2020年9月28日53手性分子與手性生物受體之間的相互作用：

（a）一對(duì)映體容易進(jìn)入手性的受體靶位，發(fā)揮它的生物效應(yīng)；（b）另一對(duì)映體不能合適地進(jìn)入相同受體靶位，因此它沒(méi)有同樣的生物效應(yīng)。2020年9月28日54第十節(jié)構(gòu)象異構(gòu)由單鍵旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生分子中的原子或原子團(tuán)在空間的不同排布形式叫構(gòu)象異構(gòu)，簡(jiǎn)稱構(gòu)象。構(gòu)象是通過(guò)單鍵的旋轉(zhuǎn)而互變?yōu)槎喾N立體異構(gòu)的，并且在互變過(guò)程中化學(xué)鍵并不斷裂；構(gòu)型表示某一立體結(jié)構(gòu)的型態(tài)，在互變過(guò)程中化學(xué)鍵需發(fā)生斷裂，重新排布原子或原子團(tuán)在空間的位置。一.乙烷的構(gòu)象：重迭式和交叉式。2020年9月28日55二.丁烷的構(gòu)象：2020年9月28日56丁烷不同構(gòu)象之間的能量變化可由下圖表示。2020年9月28日57三.環(huán)己烷的構(gòu)象：

1.椅式：

2.船式：

在椅式構(gòu)象中十二個(gè)C—H鍵分為兩類。2020年9月28日58

6個(gè)C—H鍵與通過(guò)分子的中心對(duì)稱軸（如果分子中有一條直線，以此直線為軸旋轉(zhuǎn)360/n（n為整數(shù)）后，得到的圖形與原分子完全重合，此直線就是該分子的n重對(duì)稱軸）接近平行，稱為豎鍵或

a鍵，其中C1、C3、C5上的3個(gè)C—H鍵方向朝上，C2、C4、C6上的3個(gè)C—H鍵方向朝下。另6個(gè)C—H鍵與通過(guò)分子的中心軸成+109o28，的角度，稱為橫鍵或e鍵。

對(duì)稱軸2020年9月28日59

四.環(huán)己烷衍生物的構(gòu)象：

e鍵取代比a鍵取代穩(wěn)定。2020年9月28日60十氫萘的構(gòu)象十氫萘可以看成是由兩個(gè)環(huán)己烷稠合而成的。按稠合處兩個(gè)H原子的空間情況不同，可有順—十氫萘和反—十氫萘兩種異構(gòu)體。兩種十氫萘的兩個(gè)環(huán)己烷都是椅式的。2020年9月28日61反—十氫萘順—十氫萘反—十氫萘的構(gòu)象是順—十氫萘的構(gòu)象是兩個(gè)椅式的環(huán)己烷以兩個(gè)椅式的環(huán)己烷以