有機(jī)化學(xué)課件：第4章 對(duì)映異構(gòu)

第4章立體化學(xué)同分異構(gòu)構(gòu)造異構(gòu)立體異構(gòu)碳鏈異構(gòu)位置異構(gòu)官能團(tuán)異構(gòu)構(gòu)型異構(gòu)構(gòu)象異構(gòu)順?lè)串悩?gòu)對(duì)映異構(gòu)連接順序和方式空間排列BrCH3CC2H5

H一、手性分子和對(duì)映異構(gòu)體

對(duì)映異構(gòu):分子中的原子或原子團(tuán)在空間排列與性質(zhì)關(guān)系的一種立體異構(gòu)，屬于構(gòu)型異構(gòu)。

結(jié)構(gòu)上差別甚微，而生物活性上卻有著天壤之別。

*手性（Chirality）：互為鏡像，但不能重疊。鏡像、手性及對(duì)映體1894年開(kāi)爾文勛爵提出的非手性的手性的鏡子鏡子(a)左右手互為鏡像與實(shí)物關(guān)系(b)左右手不能重合手性關(guān)系圖3.手性分子:存在手性關(guān)系的分子，即不能與其鏡像重疊的分子。1.手性碳原子(C*):連有4個(gè)不同的原子或基團(tuán)的碳原子，也稱(chēng)手性中心。2.手性：象左右手互為實(shí)物與鏡像關(guān)系，且彼此不能完全重合的特性。手性是自然界普遍存在的現(xiàn)象，象人的耳朵、腳、鳥(niǎo)的翅膀等。例如2-氯丁烷4.對(duì)映體:一個(gè)C*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(兩種構(gòu)型)，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。只有手性分子才能有旋光性和對(duì)映異構(gòu)現(xiàn)象二、手性分子的不對(duì)稱(chēng)性

任何一個(gè)分子都有它的像，分子與鏡像不能完全重合的分子為手性分子。分子的手性與其結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性有關(guān)。對(duì)稱(chēng)元素對(duì)稱(chēng)面對(duì)稱(chēng)中心對(duì)稱(chēng)軸1.對(duì)稱(chēng)面（σ）

能將分子結(jié)構(gòu)剖成互為鏡像的兩個(gè)部分的平面對(duì)稱(chēng)面的對(duì)稱(chēng)操作是反映（即照鏡子）。如果分子中有對(duì)稱(chēng)面，整個(gè)分子是對(duì)稱(chēng)的，不是手性分子，沒(méi)有旋光性。兩者不能重合手性分子鏡像轉(zhuǎn)180o兩者互相重合非手性分子鏡像轉(zhuǎn)60o2.對(duì)稱(chēng)中心（i）

從分子中任意原子或基團(tuán)向該點(diǎn)引一直線(xiàn)，并延長(zhǎng)等距離而相遇相同的原子或基團(tuán)，該點(diǎn)稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)中心。具有對(duì)稱(chēng)中心的分子能與其鏡象重合，不是手性分子，沒(méi)有旋光性。180°3.對(duì)稱(chēng)軸（Cn）

以設(shè)想直線(xiàn)為軸旋轉(zhuǎn)360。/n，得到與原分子相同的分子，該直線(xiàn)稱(chēng)為n重對(duì)稱(chēng)軸（又稱(chēng)n階對(duì)軸）。

1C36C21C6

凡是分子中不存在對(duì)稱(chēng)面、對(duì)稱(chēng)中心的分子，鏡像不能重合，是手性分子。手性分子的判斷對(duì)稱(chēng)元素手性分子對(duì)映異構(gòu)有無(wú)非無(wú)是有問(wèn)題：下列分子中那些是手性分子？

答案ab三、對(duì)映異構(gòu)的表示方法1.楔形式2.Fischer投影式規(guī)定：C*在紙平面上橫線(xiàn)指向前方，豎線(xiàn)指向后方同一構(gòu)型有不同的Fischer投影式書(shū)寫(xiě)規(guī)律：①Fischer投影式只能在紙平面上旋轉(zhuǎn)900的偶數(shù)倍，不能旋轉(zhuǎn)900的奇數(shù)倍。②

Fischer投影式不能離開(kāi)紙平面翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)。③

Fischer投影式中，同一個(gè)手性碳原子上所連的原子或原子團(tuán)可以?xún)蓛山粨Q偶數(shù)次,不能交換奇數(shù)次。④固定一基團(tuán)不變，其它三個(gè)基團(tuán)順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，其構(gòu)型不變。180O90O對(duì)映體構(gòu)型不變①②離開(kāi)紙平面翻轉(zhuǎn)對(duì)映體③交換偶數(shù)次構(gòu)型不變交換奇數(shù)次對(duì)映體④構(gòu)型不變固定乙基，順時(shí)針轉(zhuǎn)90O3.Newman投影式（2個(gè)C*）4.鋸架式（2個(gè)C*）幾種表示式間的互換說(shuō)明：

①Fischer投影式是一個(gè)全重疊構(gòu)象，雖不是優(yōu)勢(shì)構(gòu)象，但它能代表分子的構(gòu)型;Newman投影式、鋸架式等都能代表分子的構(gòu)型，是分子的構(gòu)象之一。②構(gòu)型與構(gòu)象的關(guān)系：對(duì)一定構(gòu)型的化合物,分子只要有σ鍵的存在,就有無(wú)數(shù)個(gè)構(gòu)象。構(gòu)象間相互轉(zhuǎn)化，無(wú)論怎樣轉(zhuǎn)化，只要是通過(guò)σ鍵的旋轉(zhuǎn),沒(méi)有化學(xué)鍵的斷裂,構(gòu)型就不會(huì)改變，每個(gè)構(gòu)象式就能表達(dá)出該分子的構(gòu)型。要使構(gòu)造式相同的分子構(gòu)型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N構(gòu)型,必須經(jīng)過(guò)化學(xué)鍵的斷裂才能實(shí)現(xiàn)。1.1C*手性分子有對(duì)映異構(gòu)體2.>2C*多數(shù)為手性分子,具體看對(duì)稱(chēng)因素*含有C*的分子四、判斷分子具有手性的簡(jiǎn)單方法:******有手性碳的分子，如果有對(duì)稱(chēng)面或?qū)ΨQ(chēng)中心，也不是手性分子。手性碳不是判斷分子手性的充要條件。環(huán)狀化合物,如有C*,也產(chǎn)生對(duì)映異構(gòu)********有無(wú)對(duì)映異構(gòu)體?為什么?對(duì)映體對(duì)映體問(wèn):**不含有C*的分子丙二烯型（含有兩個(gè)互相垂直的平面）與鏡像無(wú)法重合，是手性分子比較：有對(duì)稱(chēng)面，為非手性分子螺環(huán)型與鏡像無(wú)法重合，是手性分子聯(lián)苯型(位阻型)大基團(tuán)使單鍵旋轉(zhuǎn)受阻③④練習(xí):下列分子具有手性的是①②五、對(duì)映異構(gòu)體的旋光性手性分子非手性分子1.平面偏振光:光波振動(dòng)的方向與前進(jìn)的方向垂直，而且是在無(wú)數(shù)個(gè)垂直于傳播方向的平面內(nèi)振動(dòng)。區(qū)別對(duì)平面偏振光的作用不同。3.旋光性:當(dāng)平面偏振光通過(guò)手性化合物溶液，偏振面被旋轉(zhuǎn)一定的角度。物質(zhì)能使平面偏振光偏旋轉(zhuǎn)的性能稱(chēng)為旋光性。2.偏振面

偏振光所在的平面。*手性化合物都具有旋光性非手性化合物無(wú)旋光性旋光性物質(zhì)非旋光性物質(zhì)旋光性4.旋光度:(

)偏振面被旋光性物質(zhì)所旋轉(zhuǎn)的角度。左旋(逆時(shí)針)(

)右旋(順時(shí)針)(+)5.旋光方向旋光儀6.旋光儀光波振動(dòng)方向與光束前進(jìn)方向關(guān)系示意圖偏振光例如：(+)-2-丁醇表示它向右旋轉(zhuǎn)偏振面。(

)-2-丁醇表示是向左旋轉(zhuǎn)偏振面。所有的旋光性化合物,不是右旋的,就是左旋的。(+)和(

)僅表示旋光方向不同，并不表示旋光度數(shù)值的大小。旋光度濃度旋光管的長(zhǎng)度溫度光源波長(zhǎng)溶劑影響旋光度大小的因素比旋光度([α]Dt表示）為使旋光度成為特征物理常數(shù)，規(guī)定：旋光管長(zhǎng)一分米；待測(cè)物質(zhì)的濃度1g/ml，此時(shí)所測(cè)得的旋光度，稱(chēng)為比旋光度。[α]Dt

=αd*l

[α]

:比旋光度(質(zhì)量旋光本領(lǐng))d:質(zhì)量濃度(g

·dm-3)

l

:樣品管長(zhǎng)度(dm)

數(shù)學(xué)表達(dá)式

六、構(gòu)型的標(biāo)記法(一)D、L構(gòu)型（相對(duì)）命名法絕對(duì)構(gòu)型：手性中心的四個(gè)原子或原子團(tuán)在空間的真實(shí)排列方式。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，只要在反應(yīng)過(guò)程中不斷裂與手性中心直接相連的化學(xué)鍵，所得的化合物的構(gòu)型就與原甘油醛的構(gòu)型相同。D-（+）-甘油醛L-（-）-甘油醛1951年,Fischer人為選定(＋)-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，(-)-甘油醛為L(zhǎng)-構(gòu)型。D-(+)-甘油醛

D－(-)-甘油酸例如：甘油酸的構(gòu)型應(yīng)與D-甘油醛相同，也是D構(gòu)型。但甘油酸的旋光方向卻為左旋。說(shuō)明化合物的構(gòu)型與旋光方向沒(méi)有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系?；衔锏男夥较蛑皇峭ㄟ^(guò)旋光儀直接測(cè)定的。注意：D、L命名法的使用有一定的局限性，它只適用與甘油醛結(jié)構(gòu)類(lèi)似的化合物。目前，一般用于糖類(lèi)和氨基酸等有俗名的構(gòu)型的命名。1979年IUPAC采用R、S命名法，規(guī)則如下：1.按“次序法則”，將手性碳相連的四個(gè)原子或基團(tuán)的按優(yōu)先順序由大到小排列。2.將手性碳上的四個(gè)基團(tuán)中最小的置于離視線(xiàn)最遠(yuǎn)的位置，觀察另外三個(gè)基團(tuán)由大到小的順序。(二)R、S構(gòu)型命名法順時(shí)針?lè)较驗(yàn)镽構(gòu)型

逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)镾構(gòu)型基團(tuán)大小順序(a>b>c>d)Fischer投影式:

若最小基團(tuán)d在豎線(xiàn)

①②③④①②③④Ra

b

c順時(shí)針，為R構(gòu)型a

b

c逆時(shí)針，為S構(gòu)型R構(gòu)型S構(gòu)型SSR-(-)-乳酸S-(+)-乳酸a

b

c順時(shí)針，為S構(gòu)型a

b

c逆時(shí)針，為

R構(gòu)型若最小基團(tuán)d在橫線(xiàn)

S構(gòu)型R構(gòu)型七、含有二個(gè)手性碳原子的化合物對(duì)映異構(gòu)的表示方法(一)含有二個(gè)不同手性碳原子的化合物對(duì)映異構(gòu)不相同手性碳原子：各手性碳原子上所連接的基團(tuán)彼此不完全相同。2-氯-3-溴丁烷分子中有兩個(gè)不相同的手性碳原子,每個(gè)手性碳原子都有R、S兩種構(gòu)型**Ⅰ(2S,3S）Ⅱ(2R,3R)Ⅲ(2S,3R)Ⅳ(2R,3S)一對(duì)對(duì)映體：Ⅰ與Ⅱ；Ⅲ與Ⅳ非對(duì)映體：實(shí)物與鏡像不呈對(duì)映體關(guān)系Ⅰ與Ⅲ；Ⅰ與Ⅳ；Ⅱ與Ⅲ；Ⅱ與Ⅳ外消旋體：一對(duì)對(duì)映體等量混合體。（Ⅰ與Ⅱ或Ⅲ與Ⅳ的等量混合體）ⅠⅡⅢⅣ對(duì)映體的關(guān)系非對(duì)映體關(guān)系外消旋體沒(méi)有旋光性如增加一個(gè)不相同的C*，它產(chǎn)生R、S兩種構(gòu)型，則旋光異構(gòu)體的數(shù)目和外消旋體的數(shù)目都增加1倍。

2,3-二溴丁烷兩個(gè)C*上所連接的4個(gè)基團(tuán)彼此都相同，是相同的C*.

Ⅰ(2R,3R）Ⅱ(2S,3S)Ⅲ(2R,3S)Ⅳ(2S,3R)（二）含有二個(gè)相同的C*化合物對(duì)映異構(gòu)有n個(gè)不相同的C*，則對(duì)映異構(gòu)體數(shù):2n

(個(gè))外消旋體數(shù):2n-1

(對(duì))

Ⅰ與Ⅱ是一對(duì)對(duì)映體，Ⅲ與Ⅳ能重合。在紙平面將Ⅳ旋轉(zhuǎn)1800(構(gòu)型不變)即得Ⅲ，所以Ⅲ與Ⅳ是同一種構(gòu)型。在Ⅲ或Ⅳ中的2號(hào)碳原子和3號(hào)碳原子有一平面，將分子分成兩部分，呈實(shí)物與鏡像關(guān)系，這兩個(gè)手性碳原子的旋光方向相反，旋光度相等，分子無(wú)旋光性，是非手性分子。內(nèi)消旋體：由于分子內(nèi)部將旋光性互相抵消，而不具有旋光性的化合物。手性碳原子是導(dǎo)致分子具有手性的重要原因，但不是分子具有手性的充分和必要條件。凡是含有兩個(gè)相同C*的化合物，其對(duì)映異構(gòu)體數(shù)目應(yīng)少于2n個(gè)，為3個(gè)，即左旋體、右旋體和內(nèi)消旋體。

左旋體、右旋體和內(nèi)消旋體之間的關(guān)系是非對(duì)映體。內(nèi)消旋體是純物質(zhì);外消旋體是對(duì)映體的等量混合物,可以分離出具旋光性的兩種物質(zhì)內(nèi)消旋體和外消旋體的區(qū)別①②都沒(méi)有旋光性,但有本質(zhì)的區(qū)別在考察對(duì)稱(chēng)性時(shí)，非手性的基團(tuán)可以看作一個(gè)球，能被對(duì)稱(chēng)面切割為互為鏡象的兩半，但手性基團(tuán)卻不能，手性基團(tuán)沒(méi)有對(duì)稱(chēng)面。2,3,4-三羥基戊二酸具有三個(gè)手性碳原子，因有相同手性碳原子，只能寫(xiě)出四個(gè)異構(gòu)體：(三)含假手性碳原子化合物(I)(II)(III)(IV)其中(I)與(II)互為對(duì)映異構(gòu)體，(III)與(IV)沒(méi)有對(duì)映異構(gòu)體(都有一對(duì)稱(chēng)面)RRSSSSRRsr相同組成的手性碳優(yōu)先順序：R型>S型假手性碳的構(gòu)型（用r/s表示）(III)和(IV)C3都屬手性碳原子，應(yīng)當(dāng)沒(méi)有對(duì)稱(chēng)元素，但都有一個(gè)對(duì)稱(chēng)面，(III)和(IV)不是手性分子，這種碳原子稱(chēng)為假手性碳原子。假手性碳原子構(gòu)型，用r和s表示。C2是R-構(gòu)型，C4是S-構(gòu)型，按照次序規(guī)則，R-構(gòu)型優(yōu)先于S-構(gòu)型。(III)中C3是r-構(gòu)型，(IV)是s-構(gòu)型。在考察手性碳原子化合物的對(duì)稱(chēng)性時(shí)，構(gòu)型為R的鏡象為S構(gòu)型，非手性的基團(tuán)可以看作為一個(gè)球，能被對(duì)稱(chēng)面切割為互為鏡象的兩半，但手性基團(tuán)卻不能被切割為互為鏡象的兩半，手性基團(tuán)沒(méi)有對(duì)稱(chēng)面。八、對(duì)映異構(gòu)與構(gòu)象

在分析化合物是否具有手性時(shí)，只看某一個(gè)構(gòu)象或構(gòu)型重疊式、交叉式構(gòu)象如下：(I)(II)(III)(IV)

其他手性構(gòu)象類(lèi)似,構(gòu)象一定成對(duì)出現(xiàn),在構(gòu)象平衡中的份額相同,沒(méi)有旋光性.所以,只要分子的任何一種構(gòu)象有對(duì)稱(chēng)面或?qū)ΨQ(chēng)中心,就認(rèn)為該分子沒(méi)有手性。(I)(II)(III)(IV)

在判斷2,3-二羥基丁二酸的各異構(gòu)體是否有手性時(shí)，只要考慮它們各異構(gòu)體的Fischer投影式(重疊式構(gòu)象)的對(duì)稱(chēng)性就可以。手性，構(gòu)象對(duì)映體內(nèi)能、概率、份額均相同,沒(méi)有旋光性單環(huán)化合物是否有旋光性可以通過(guò)其平面式的對(duì)稱(chēng)性來(lái)判斷。

SR構(gòu)象轉(zhuǎn)換練習(xí)：指出下列化合物是否有旋光性（1）（2）（3）（4）答案：(2)、(3)、(4)有旋光性。SS八、對(duì)映體的理化性質(zhì)和生理作用的差異對(duì)映體的物理性質(zhì)

熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、溶解度相同，旋光方向相反（物理方法無(wú)法分離）對(duì)映體的化學(xué)性質(zhì)在一般條件下幾乎是相同的。對(duì)映體的生理作用對(duì)映體之間對(duì)機(jī)體所呈現(xiàn)的生理和藥理效應(yīng)有顯著的差異非對(duì)映體的理化性質(zhì)

非對(duì)映體之間非實(shí)物與鏡像關(guān)系，性質(zhì)差異較大，旋光度不同，旋光方向可不一定，還可能沒(méi)有旋光性.物理方法可分離外消旋體的理化性質(zhì)外消旋體沒(méi)有旋光性，物理性質(zhì)與左旋體和右旋體有差異。

許多手性分子具有生理活性，對(duì)映體之間的區(qū)別是它們對(duì)機(jī)體所呈現(xiàn)的生理和藥理效應(yīng)有顯著差異。

例如，在生命中起著重要作用的葡萄糖，只有右旋異構(gòu)體才能被人體吸收，而左旋異構(gòu)體被排出體外不發(fā)生變化，故血漿代用品為右旋葡萄糖酐。作為生命物質(zhì)基礎(chǔ)的蛋白質(zhì)，是由α-氨基酸所構(gòu)成，自然界中存在的α-氨基酸(除甘氨酸外)全都具有光學(xué)活性，并且都是L-構(gòu)型的。存在于生物體內(nèi)的有機(jī)分子幾乎都具有手性，而生物體常常只能利用對(duì)映體中的一個(gè)，這也并非偶然。大多數(shù)藥物具有結(jié)構(gòu)特異性，這類(lèi)藥物的生理作用主要與其化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)藥物分子在體內(nèi)生理活性的差異，其中與對(duì)映體和受體結(jié)合是否適應(yīng)有關(guān)，而且兩個(gè)對(duì)映體中只有一個(gè)能與受體立體結(jié)構(gòu)相吻合。作業(yè):P1051,3,4,5,7

不同對(duì)映體在生物體內(nèi)的作用不同（-）腎上腺素的血管收縮作用比（+）-腎上腺素大12-15倍；（-）-莨菪堿的放大瞳孔作用（+）-莨菪堿大15-20倍；（+）可的松有激素活性（-）可的松無(wú)效等R型有緩解妊娠反應(yīng)的作用,S型是一種強(qiáng)力致畸劑.“反應(yīng)?！?0世紀(jì)60年代,鎮(zhèn)靜藥沙利度胺,又名“反應(yīng)?！?作業(yè):P1051,3,4,5,7

作業(yè):P1051,3,4,5,7

R

(S)-多巴(R)-多巴

(S)-沙利