第6章立體化學-有機化學課件

第六章立體化學以三維空間研究分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的科學-分子中原子或基團在空間的排列狀況-不同的排列對分子性質(zhì)的影響主要內(nèi)容?立體異構(gòu)體、旋光性?手性分子和非手性分子、手性碳?對映異構(gòu)體和非對映異構(gòu)體?立體結(jié)構(gòu)的表示方法、命名第六章立體化學、異構(gòu)體的分類f構(gòu)造異構(gòu)高題相順序分子式，―?碳架異構(gòu)—?官能團位次異構(gòu)—官能團異構(gòu)」互變異構(gòu)V立體異構(gòu)--具有相同的構(gòu)造,原子或基團在空間的排布不同。順反異構(gòu)r構(gòu)型異構(gòu)-分子的構(gòu)造相同，Y分子的構(gòu)型不同旋光異構(gòu)3。對映異構(gòu)I非對映異構(gòu)構(gòu)象異構(gòu)?

分子的構(gòu)造、構(gòu)型相同，由于C-C旋轉(zhuǎn)，原子或基團在空間的排布不同。交叉式構(gòu)象重疊式構(gòu)象異構(gòu)體毎6.1異構(gòu)體二、手性和對稱性1、分子的手性對映異構(gòu)對映（異構(gòu)）體巴斯德，L.LouisPasteur(1822?1895)圖6.1酒石酸鈉胺兩種晶型結(jié)構(gòu)非常相似，但不相同，也不能完全重疊6.2手性和對稱性圖6.2自然界中的鏡象chiralobjectsSomechiralobjectsinourlife6.2手性和對稱性左、右手的關(guān)系是實物與鏡像的關(guān)系一相對映而不重合?一個物體若與自身鏡象不能疊合，叫具有手性chirality.6/4/201411:17PM6.2手性和對稱性(1)分子的手性鏡——F?在立體化學中，不能與鏡象疊合的分子叫手性分子chira/molecules,而能疊合的叫非手性分子.6/4/201411:17PM6.2手性和對稱性i左、兩個分子為實物和鏡像的關(guān)系：彼此不能重合’如同人的6/4/201411:17PM圖6.32-漠丁烷分子模型示意圖6.2手性和對稱性-非手性分子：與自身鏡象能重和的分子鏡像FF轉(zhuǎn)60oClClClClF非手性分子兩者互相重合ClCl非手性分子BrBrClClBrQ"兩者完全重合ClBr手性分子是不對稱分子；非手性分子是對稱分子。6/4/201411:17PM6.2手性和對稱性1-氟-1-氯甲烷為非手性分子氟圖6.41_氟_1一氯甲烷分子模型示意圖6/4/201411:17PM6.2手性和對稱性（2）對映異構(gòu)具有相同的分子構(gòu)造，但構(gòu)型不同，互為鏡像不能重合的兩種構(gòu)型的異構(gòu)體稱為對映異構(gòu)體。圖6.5乳酸的對映體手性分子具有兩種構(gòu)型6/4/201411:17PM6.2手性和對稱性?凡是手性分子，必有互為鏡象的構(gòu)型.分子的手性是存在對映體的必要和充分條件.?一對對映體的構(gòu)造相同，只是立體結(jié)構(gòu)不同，旦呈鏡像關(guān)系,這種立體異構(gòu)就叫對映異構(gòu).如乳酸是手性分子，故有對映體存在：2-丁醇：HIH3C—C*CH2CH3HIH3CH2CCH3HO鏡面圖6.62-丁醇的對映異構(gòu)體11'醇6/4/201411:17PM6.2手性和對稱性CH3CH3HCOHCH2CH3/C/HH3CH2C%h對映體曰人o■Tj▲▲▲▲對映體的特點：兩者的關(guān)系為：實物與鏡像關(guān)系。沒有對稱因素。不能相互重疊。分子的構(gòu)造式相同，但原子或基團在空間排列的順序不同。▲都有旋光性質(zhì)。6/4/201411:17PM6.2手性和對稱性2、對稱因素(1)對稱面(。)1.所有的原子共同處于的平面；2.通過分子中心，且將分子平均分成互成實物與鏡象關(guān)系的兩部分的假想平面。例如：2-氯丙烷ClH3C刀、CH3H圖6.7分子中的對稱面的示意圖(I)6/4/201411:17PM6.2手性和對稱性Cl...H㈤-1,2-二氯乙烯HCl圖6.8分子中的對稱面的示意圖(II)具有對稱面的分子無手性6/4/201411:17PM6.2手性和對稱性(2)對稱中心(i)——經(jīng)分子的中心點作任意直線，在直線的反向等距離上都有相同原子或基團時，這中心點就稱為分子的對稱中心。例如：反-1,3-一氟-反-2,4-一氯環(huán)丁烷6/4/201411:17PM分子中的對稱中心具有對稱中心的分子無手性6.2手性和對稱性它們是對稱分子，分子與其鏡像能夠重合，沒有對映這是體為例如乳酸有一對對映體:HHCH3(■)一乳酸(+)-乳酸1,2-環(huán)氧丙烷?手性分子的一般判斷:只要一個分子既沒有對稱面,又沒有對稱中心，就可以初步判斷它是手性分子.合物一定不能與醴象聽一所以有對對對素體:沒是手性分子的化"S'COOH

"”褊H2/-Kh6/4/201411:17PM6.2手性和對稱性三、手性分子的性質(zhì)一光學活性1、旋光性(opticalactivity)1)偏振光(plane-polarizedlight)--普通光在通過尼克爾棱鏡后形成的只在一個方向傳播的平面光6/4/201411:17PM6.3手性分子的性質(zhì)2）旋光性（光學活性opticalactivity）物質(zhì)能使偏振光發(fā)生偏轉(zhuǎn)的性質(zhì)。normallightdirectionoflightpropagationpolarizerplane-polarizedsampletubeplane-polarizedlightcontainingalightchiralcompoundtheplaneofpolarizationhasbeenrotated當平面偏振光通過手性分子時，偏振光振動的平面發(fā)生旋轉(zhuǎn)。能使偏振光振動平面旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)，稱為旋光性物質(zhì)或光學活性物質(zhì)或手性物質(zhì)。6/4/201411:17PM6.3手性分子的性質(zhì)3)右旋和左旋(dextrorotatoryandlevorotatory)手性分子的兩個對映體使偏振光振動平面旋轉(zhuǎn)的角度相同，而方向相反。--能使偏振光振動平面向右旋轉(zhuǎn)的為右旋物質(zhì)，用“+”或“d”表示右旋。--能使偽振光振動平面向左旋轉(zhuǎn)的為左旋物質(zhì)，用“-”或“l(fā)”表示左旋。用“士”或“dl”表示外消旋體外消旋體——右旋物質(zhì)與左旋物質(zhì)各占50%的混合物4)旋光度(observedrotation)--旋光活性物質(zhì)使偽振光振動平面旋轉(zhuǎn)的角度，用“a”表示6/4/201411:17PM二6.3手性分子的性質(zhì)2、旋光儀和比旋光度旋光儀(polarimeter)--檢測偏振光平面旋轉(zhuǎn)的儀器檢偏鏡起偏鏡樣品管圖6.10旋光儀示意圖光源6/4/201411:17PM普6.3手性分子的性質(zhì)t：溫度；力波長,鈉光：D,589nm在一定溫度和波長條件下，樣品管長度為1dm，樣品濃度為1g?ml-1時測得的旋光度，

是一物理常數(shù).旋光度；PB：質(zhì)量濃度(g/ml);l：樣品管長度(dm);比旋光度(specificrotation)旋光物的旋光度a是右旋還是左旋（旋光方向）要以兩次不同濃度測定才能確定。比旋光度的數(shù)值要標明測定時的條件。例：果糖水溶液的比旋光度[a]20=_92?8。（水）(-)-2-丁醇ch3Ho+hch2ch3[a]20=-13-25(+)-2-丁醇ch3h+oHCH2CH3[a1D=+13?25°6/4/201411:17PM6.3手性分子的性質(zhì)四、具有一個手性中心的對映異構(gòu)分子的構(gòu)型1、手性碳原子與手性分子?大H—C—ClBr連有四個不同基團的碳原子A手性碳(chiralcarbon)A手性中心(Chiralcenter)手性碳標記**例：CH3CHCHCH3I1ClCl*icCH3CHCHCH2CH311ClCl6/4/201411:17PM6.4一個手性中心的對映異構(gòu)2-漠丁烷CH3CH3CH-^?BrCOOHh/、CH3㈠一乳酸CH3檸檬油精-含有一個手性碳的分子一定是手性分子6/4/201411:17PM6.4一個手性中心的對映異構(gòu)1,2—環(huán)氧丙烷6/4/201411:17PMk6.4一個手性中心的對映異構(gòu)2、對映體和外消旋體含一個手性中心的分子具有一對對映體CH3I*D'/'ciHCH2C—*h"O'ch3使偏振光光波振動平面反時針旋轉(zhuǎn)的對映體---左旋體(-)，使偏振光光波振動平面順時針旋轉(zhuǎn)的對映體---右旋體(+)。ch3c＞七等量的對映體的混合物——外消旋體（土）例如：2-丁醇的兩個對映體㈠一2-丁醇,(+)-2-丁醇醇■MI外消旋體:（土）-2-丁醇醇6/4/201411:17PM圖6.112-丁醇對映體的示意圖6.4一個手性中心的對映異構(gòu)HH乳酸：

*CO°.C*Hf爲HfF圖6.12乳酸對映體的示意圖(―)—乳酸[。]；=-3.82°[a]D

=5+3.82°(+)-乳酸(土)-乳酸葡萄糖發(fā)酵得到從肌肉中得到6/4/201411:17PM6.4一個手性中心的對映異構(gòu)對映體的性質(zhì)差異-物理性質(zhì)：除旋光的方向不同外，其余的性質(zhì)都相同HHO熔點：171-174oC比重（20。）139g/100ml水中溶解度PK12.98PK24.341.76g/cm3COOHOH~^~HCOOHHOHCOOHHO--H

-u~COOH171-174oC1.76g/cm3139g/100ml2.984.34COOHOHHOHHCOOH146-148oC1.66g/cm3125g/100ml3.234.82?化學性質(zhì)：對映體在非旋光性試劑中，其化學性質(zhì)相同；但當遇到本身具有旋光的試劑，則其反應(yīng)的速率、有否效果則完全不同。6/4/201411:17PM6.4一個手性中心的對映異構(gòu)對映異構(gòu)體的生物活性一般有較大差異。如：左右旋多巴HOCOOHHO(-)-L-DOPA治療帕金森氏病HOCOOHHO(+)-D-DOPA在體內(nèi)集聚，不能被代謝左旋氯霉素有抗菌作用，右旋的無抗菌作用。左旋谷氨酸能治療肝昏迷癥，右旋的無這作用。右旋葡萄糖在醫(yī)藥上用作營養(yǎng)劑，起到強心、利尿、解毒作用，能被人體吸收代謝。左旋的不能被吸收。對映異構(gòu)現(xiàn)象在生物、食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用和研究都有重要意義。6/4/201411:17PM?6.4一個手性中心的對映異構(gòu)COOHH2N(S)-天冬酰胺苦味COOHH2NO(R)-天冬酰胺甜味HH3CO麻醉劑Thalidomide（反應(yīng)停）ON(R)型,有效，不致畸形鎮(zhèn)靜和止吐藥物致痙攣巴比吐酸衍生物H、Kn

CH3、N人N，。￥。pjin-BuO(S)型，致畸形OPh6/4/201411:17PM6.4一個手性中心的對映異構(gòu)3、構(gòu)型的表示法旋光異構(gòu)體在結(jié)構(gòu)上的差別在于原子或原子團在空間的排列方式不同，因此用平面方式難以表達其空間結(jié)構(gòu)。通常表示其空間結(jié)構(gòu)的方法有：模型、透視式和投影式(1)球棒模型和四面體式6/4/201411:17PM.5.4一個手性中心的對映異構(gòu)(2)透視式(傘形式)化合物分子在紙面上的立體表達式。HHCH3CH3(+)-乳酸㈠一乳酸(+)—2—丁醇6/4/201411:17PM鍵醇手性碳原子放在紙平面上，以實楔形線表示伸向紙平面上方的化學鍵，用虛線表示伸向紙平面下方的化學鍵，用實線表示在紙平面上的化學鍵。HO乎COOHhooc/CS°hHCH3CH23c_OHch/?6.4一個手性中心的對映異構(gòu)⑶Fischer投影式按照碳的四面體結(jié)構(gòu)，按規(guī)定的原則將分子結(jié)構(gòu)投影到平面上,用所得到的平面投影式來表示分子的立體結(jié)構(gòu)。規(guī)則：-用表示將最長的碳鏈置于垂直的位置上將編號最小的碳原子置于頂端;兩線的交點為手性碳原子;豎線兩端上的基團翹在紙平面的下方;橫線兩端上的基團翹在紙平面的上方。CH3HOHch2ch3CH3..C\H5C2/OH6/4/201411:17PM(—)—2—丁醇醇CH3HO—C_HCH2CH3?S.4一個手性中心的對映異構(gòu)Fischer投影式的特性:-將投影式在紙面上旋轉(zhuǎn)90°，得到它的對映體:CH3

!H——r!Ch2CH3!CH3Br丄HCH2CH3(+)-2-漠丁烷6/4/201411:17PM(_)_2_漠丁烷沿著紙平面旋轉(zhuǎn)90°Br割十頃2頃3H(-)-2-漠丁烷6.4一個手性中心的對映異構(gòu)圖6.13Fischer投影式旋轉(zhuǎn)90°的分子模型6/4/201411:17PM6.4一個手性中心的對映異構(gòu)-將投影式在紙面上旋轉(zhuǎn)180。，得到相同的分子:CH3CH2CH3H——Br—Br——HCH2CH3

ch3圖6.14Fischer投影式旋轉(zhuǎn)180。的分子模型6/4/201411:17PM6.4一個手性中心的對映異構(gòu)4、構(gòu)型的標記法(1)D,L-標記法相對構(gòu)型H-基準物CHOOHCH2OHCHOCH2OHD-(+)-甘油醛L-(-)-甘油醛CHOHOHHgOCH2OHL-(-卜甘油醛COOHHO--HCH2OHL-(+U甘油酸?D、L只表示構(gòu)型，不表示旋光方向?(+)、㈠只表示旋光方向,不表示構(gòu)型CHOCOOHHOHCHOHOH:桓1OHH—OHHOHOHCH2OHCOOHCH2OHD-(+—甘油醛D-(-A酒石酸D-(-A阿拉伯糖6/4/201411:17PM6.4一個手性中心的對映異構(gòu)(2)R,S-標記法“R”為拉丁文RectusAcounterclockwise-——S-—R當化合物分子的空間構(gòu)型可以測定后，利用次序規(guī)則給C*標定構(gòu)型，反映的是分子中的原子或基團在空間的真實排列狀況，所以叫絕對構(gòu)型。BC6/4/201411:17PM?6.4一個手性中心的對映異構(gòu)-將手性碳原子的4個原子或基團按“次序規(guī)則”排列次序寸CH3外i—OH>—CH2CH3>—CH3>HHO—C—H23CH2CH3?從次序最小的基團反向看上去CH3HO0)-2-丁醇中指拇指H—HCCH2CH36/4/201411:17PM6.4一個手性中心的對映異構(gòu)?其它三個基團由大到小為反時叢讖纖(&)-甘油醛6/4/201411:17PMCOOH宀9H'CH3㈤-甘油醛.6.4一個手性中心的對映異構(gòu)HO"OOH㈤卄乳酸CH3HHHO%>CHOCH2OHRHOQcHOCH2OH結(jié)論:當i=j，小基團處于豎鍵位置時,鍵其余三個基團從大到小的順序若為順時針其構(gòu)型為R;反之，構(gòu)型為S。CHOh^^-ohCH2OHRCHOOHHOCHOCH2OHCH2OH結(jié)論:當最小基團處于橫鍵位置時，其余三個基團從置鍵大到小的順序若為逆時針，其構(gòu)型為R;反之，構(gòu)型為S。Fischer式與楔型鍵式對應(yīng)寫法CH2OH\CH2OHCH2OHE三※三CH(CH3)2(CH3)2HC\BrH\rCH(CH3)2醇兩基團位置互換奇數(shù)次構(gòu)型改變,兩基團位置互換偶數(shù)次構(gòu)型不變。HCH3+C2H5H與C2h5ach3OH互換C2H5—HOHH與oh互換C2H5CH3

虹OHHS-2-丁醇6/4/201411:17PMR-2-丁醇S-2-丁醇6.4一個手性中心的對映異構(gòu)五、具有兩個手性中心的對映異構(gòu)1、具有兩個不同手性碳原子的對映異構(gòu)COOHOHClCOOHCOOHHHCOOHHOHCl*HO—*Cl-*h\*H—*_COOH—|*-H—|*-ClCoohCOOHOHHCOOH氯代蘋果酸（2-羥基-3-氯丁二酸）6/4/201411:17PM對映非對映對映6.5兩個手性中心的對映異構(gòu)(2R,3R)(2R,3S)(2S,3R)(2S,3S)含有n個手性碳原子的分子，應(yīng)有2〃個立體異構(gòu)體非對映異構(gòu)體——不是實物與鏡像關(guān)系的立體異構(gòu)體CH3CH3ch3ch3ch3nh+hH——NHCH3ch3nh+h3H+NHCH3H--OHH十OHH1^—HPhPhPhPh(1S,2R)(1R,2S)(1R,2R)(1S,2S)J丫mp:[?]D：

+35°34°C118C-35°-26.5°+26.5°麻黃堿（1—苯基_2-甲氨基-1-丙醇）6/4/201411:17PM6.5兩個手性中心的對映異構(gòu)赤型構(gòu)型和蘇型構(gòu)型的標記:在Fischer投影式中，手性C上,同側(cè)，相同的基團異側(cè)，蘇阿糖赤蘚糖COOHHHHHHHHHHOHHCOOHOHCOOHCH3OHHOHCH3OHHOh(赤型)6/4/201411:17PM赤型(erythro-)蘇型(threo-)COOH——H——OHCH3(蘇型)(2S,3R)?6.5兩個手性中心的對映異構(gòu)H

OH(蘇型)COOHOHOHCH3(赤型)(2R,3R)COOHHO

HH3CCHO■—H——OHCh2ohCHO——OH——OHCh2ohHOH3CH2、具有兩個相同手性碳原子的對映異構(gòu)(2R,3R)(2S,3S)（蘇型）HHHOHOHOHHHCOOHOHHCOOHCOOH*_H*

OHCOOH紙面上旋轉(zhuǎn)180。二者重合雖有手性碳卻不是手性分子兩個手性碳構(gòu)型相反旋光能力抵消分子無旋光性，內(nèi)消旋體（m）COOH——OH——OHCOOH(2R,3S)COOH--H--HCOOH(2S,3R)丿兩個手性碳構(gòu)型相同旋光能力彼此加強等量混合物是外消旋體旋光度為零可以拆分成左、右旋體（赤型）6/4/201411:17PM-6.5兩個手性中心的對映異構(gòu)?內(nèi)消旋體手性碳，但分子有對稱面例:COOHH--OHH--OHCOOH(R,S)-meso-酒石酸內(nèi)消旋體表示方法內(nèi)消旋體(mesocompounds)分子有對稱面，無旋光性?！獋€手性碳的旋光性正好被分子內(nèi)另一構(gòu)型相反的手性碳所抵消6/4/201411:17PM?6.5兩個手性中心的對映異構(gòu)兩c*的旋光度相互抵消沒分光有稱手性分中心6/4/201411:17PM圖6.15內(nèi)消旋體的分子模型（II）崖6.5兩個手性中心的對映異構(gòu)當分子內(nèi)兩個手性碳構(gòu)型相同時（R,R型或S,S型），由于旋光方向相同，因此旋光能力相互加強。含兩個以上手性碳化合物的對映體、非對映體、同一物的判別：對映體—含兩個以上手性碳的兩個立體異構(gòu)體中，如果所有對應(yīng)手性碳的構(gòu)型都正好相反時，互為對映體。非對映體—含兩個以上手性碳的兩個立體異構(gòu)體中，如果所有對應(yīng)手性碳的構(gòu)型至少有一個的構(gòu)型相同（或相反）時，互為非對映體。同一物一一含兩個以上手性碳的兩個立體異構(gòu)體中，如果所有對應(yīng)手性碳的構(gòu)型都是相同時，為同一物。6/4/201411:17PM?S.5兩個手性中心的對映異構(gòu)兩個互相為非對映的異構(gòu)體，其物理性質(zhì)和旋光度都不同'可用物理方法分離。外消旋體的分離只能用拆分法分離。CH3CH(CH3)2含多個手性碳化合物的R/S構(gòu)型命名：*Cl*OHHH(3R,4S)-2-甲基-4-氯-3-戊醇醇6/4/201411:17PM5兩個手性中心的對映異構(gòu)六、手性中心的產(chǎn)生1、第一個手性中心的產(chǎn)生CH3CH2CH2CH3WAch3chch2ch3I前手性碳“Cidi-tcCHr_

兩個氫被取代概率相等，SR

生成對映異構(gòu)體量一樣。OCU非手性反應(yīng)物合成手性產(chǎn)物常得到外消旋體C2H5如果一個對稱的非手性分子，經(jīng)過一個基團被取代后或發(fā)生其他發(fā)應(yīng)過程，失去了其對稱性，而變成了一個非對稱的手性分子，那么原來的對稱分子稱為“前手性分子”，或稱為“原手性分子”。而發(fā)生變化的碳原子稱為“前手性碳原子”或“原手性碳原子”。6/4/201411:17PM一&6.6手性中心的產(chǎn)生2、第二個手性中心的產(chǎn)生HClHHCH3SCI2hv.CH-H3SCl?ClSHCH3CH3+Hs

ClHrCICH3(2S,3S)-2,3-二氯丁烷(29%)非對映體產(chǎn)量不等(2S,3R)-2,3-二氯丁烷(71%)HCH3SClHHhv.____CH3c■ch

Cl、C_Cch3ciCH/

卜H—HyC7CH3cl口4H2S,3R-71%6/4/201411:17PM6.6手性中心的產(chǎn)生七、手性合成（不對稱合成）反應(yīng)中能合成出對映體或非對映體的量不相等而具有旋光性產(chǎn)物的反應(yīng)稱手性合成.手性環(huán)境一一手性底物、手性試劑、手性催化劑、手性溶劑。H23-苯基-2-丁烯酸CH3aPh—C*-ch2coohH(±)-3-苯基丁酸CH3)c=chcoohPh，COOHCOOHCH2=CH-COOH+HC1—H——Cl+Cl+HCH3CH3R_S-50%50%k_________--------丿(+)-6/4/201411:17PMS-Cl-CCH3鬆6.7手性合成例:CH3CHC2H5ohs-CH3OCH3*ch2=ch-cooh+ho-*h-C2H5->ch2=ch-Coch-c2h5S-S-CH3HC*CH3SHCOOCHC2H5H2OAClI*ClCOOH-*H+CH3S-6/4/201411:17PMch3I0孟珈5Cl鬆6.7手性合成chiralcolumn)兩種晶體互為鏡像「追(+)(+)鹽(一)(+)鹽酒石酸銨鈉(sodiumammoniumtartrate)6/4/201411:17PM重結(jié)晶recrystallizationCOONa+H-C—HHCoonh4+八、外消旋體的拆分將外消旋體拆分成左旋體和右旋體，稱為外消旋體的拆分。主要方法：?

化學法：與光活胺成鹽、或與光活醇成酯使之轉(zhuǎn)化為物理性質(zhì)不同的非對映異構(gòu)體?

(+)-羧酸+(+)胺(-)-羧酸+(+)胺?晶種結(jié)晶法?

色譜法(Chromatograph,?酶解法6.8外消旋體的拆分外消旋乳酸的拆分NH(R,R)-鹽與(S,R)-鹽為非對映體，可用重結(jié)晶法分離.+NH3CCOORHf

CH3HO(SR)—鹽COOHH

；&皿XTIC3O

(R)-1-苯基乙胺+H.HO&/CH3CSCOOH+H3NH、')PH3C+____J(RR)—鹽6/4/201411:17PMW6.8外消旋體的拆分?儀器拆分（色譜法：GC,HPLC..?）1/4"packedcolumnGC用手性柱