五立體化學基礎(chǔ)

1、第五章 立體化學基礎(chǔ)： 手性分子(stereochemistry)P84 ) 4, 8, 9, 11, 12, 13 1本章內(nèi)容：1.手性、手性分子、手性碳原子、對映異構(gòu)的概念、判斷手性分子的方法2.費歇爾投影式的寫法3.旋光性4.外消旋體5.非對映體和內(nèi)消旋體6.構(gòu)型標記法（D/L, R/S標記法）7.手性分子的生物作用，手性藥物2同分異構(gòu)現(xiàn)象構(gòu)造異構(gòu)立體異構(gòu)碳鏈異構(gòu)位置異構(gòu)官能團異構(gòu)構(gòu)象異構(gòu)順反異構(gòu)對映異構(gòu) 立體異構(gòu)：分子中的原子或基團在空間的排列方式不同產(chǎn)生的異構(gòu)現(xiàn)象。3第一節(jié) 手性分子和對映體 一、手 性 觀察自己的雙手, 左手與右手有什么聯(lián)系和區(qū)別？4左手的鏡像是右手右手的鏡像是左手

2、5左右手互為鏡像與實物關(guān)系(稱為對映系)，彼此又不能重合的現(xiàn)象稱為手性。 問題：腳, 耳朵, 鼻子, 螺絲釘是否具有手性？6二、手性分子和對映體 任何物體都有它的鏡像，一個有機分子也會有它的鏡像。 若實物與其鏡像能夠完全重合，則實物與鏡像所代表的兩個分子為同一個分子。所有基團都重合丙酸分子沒有手性 丙酸CH3CH2COOH7不能與其鏡像重疊的分子稱為手性分子。 乳酸的兩種構(gòu)型：動畫8 (-)-乳酸 （+)-乳酸 D20 -3.8o D20 +3.8o 互為實物與鏡象關(guān)系且不能重疊的立體異構(gòu)體稱為對映體(enantiomers)。 對映體的物理性質(zhì)、化學性質(zhì)相同，但旋光性不同，生理活性不同。9

3、仔細考察沒有手性的丙酸分子和有手性的乳酸分子，它們的差別在哪里？ 乳酸分子中有一個碳原子(C2)所連的四個基團(COOH,OH,CH3,H) 均不相同。凡是連有4個不同的原子或基團的碳原子稱為手性碳原子(chiral carbon atom), 也可稱為手性中心(chiral center)。 丙酸 乳酸 * ?10乳酸 * 一個手性碳原子所連的4個不同原子或基團位于四面體的四個頂角，在空間具有2種不同的排列方式(也稱兩種構(gòu)型), 它們彼此構(gòu)成一對對映體。 有一個手性碳的化合物必定是手性化合物，只有一對對映體。 11問題：具有手性碳原子的化合物是：答案：B*12三、對稱面和非手性分子(plan

4、es of symmetry and achiral molecule) 乙醇 對稱面是指能將分子結(jié)構(gòu)剖成互為鏡像的兩半的面。有對稱面的分子不是手性分子。OHCH313乳酸沒對稱面存在對稱面的分子 14手性分子的結(jié)構(gòu)特征：1,3-二氯丙二烯 大多數(shù)手性分子具有手性碳原子，但有少數(shù)例外。手性分子沒有對稱性（三維結(jié)構(gòu)）151.分子與鏡像能否重合（絕對）2.是否存在對稱面（絕對）3.是否存在手性碳原子（不絕對）四、判斷對映體的方法?不含手性碳原子的分子？含1個手性碳原子的分子，必定是手性分子，存在一對對映體。含2個或多個手性碳原子的分子？16例如, 用上述方法判斷乳酸和乙醇乳酸是手性分子；有一對對映

5、體 而乙醇不是手性分子。17問題：下列化合物哪些是手性分子？18立體結(jié)構(gòu)式 楔線式（透視式） 鋸架式 Newmam投影式費歇爾投影式?19 第二節(jié) 費歇爾投影式(Fischer projections) COOHCH3HOH乳酸投影規(guī)則：1. 鍵的指向符合“橫前豎后”2. 交叉點代表手性碳，位于紙平面上3. 通常主碳鏈豎立，把命名時編號最小的碳原子放在上端 。動畫20(a)楔線式 (b)Fischer投影式注意：投影規(guī)則依然是“橫前豎后” 。21注意：為了保持投影式的構(gòu)型不改變，必須遵守以下規(guī)定：Fischer投影式在紙面上旋轉(zhuǎn)1800時構(gòu)型不變，旋轉(zhuǎn)900或2700時構(gòu)型改變。 不允許把分子

6、離開紙面翻轉(zhuǎn)。22在紙平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)180，構(gòu)型不變 Fischer式的平移或紙平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)180, 其構(gòu)型不變。 23Fischer 式紙平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)90(或270), 構(gòu)型改變！ 豎前橫后橫前豎后24Fischer 投影式離開紙面翻轉(zhuǎn), 構(gòu)型改變！ 豎前橫后橫前豎后25第三節(jié) 旋光性一、偏振光和旋光性（optical activity) nicol平面偏振光只在一個平面上振動的光。26旋光性使偏振光的振動面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的性能旋光性物質(zhì)/光活性物質(zhì)具有旋光性的物質(zhì)。如:2-氯丁烷,乳酸,葡萄糖,氯霉素等偏光動畫手性化合物具有旋光性乳酸旋光性物質(zhì)27二、旋光度與比旋光度（一）旋光度旋光管檢偏鏡起偏鏡非旋光

7、性物質(zhì)如乙醇28旋光管檢偏鏡起偏鏡旋光性物質(zhì)如葡萄糖29(一）旋光度：偏振面被旋光性化合物所旋轉(zhuǎn)的角度稱為旋光度, 用 表示 。右旋，用“+”表示；左旋，用“-”表示； 其數(shù)值與測定條件有關(guān)：溶液濃度、液層厚度、溫度、光源波長、溶劑。 （二）比旋光度(specific rotation) 為了使一個化合物的旋光度成為特征物理常數(shù)，通常用1dm長的旋光管，待測物質(zhì)的濃度為1g/ml，用波長為589nm的鈉光(D線)條件下，所測得的旋光度，稱為比旋光度。 30l：旋光管長度，分米；C：樣品濃度，克/ 毫升t：溫度； D：鈉光燈波長 598nm 比旋光度 Dt = lC 在其它條件下測定時，用以下公

8、式計算比旋光度：31葡萄糖：D20 = +52.5o海洛因：D15 = - 166o(甲醇）地爾硫桌：D20 98.3o (c1, CH3OH)比旋光度是旋光性物質(zhì)的物理常數(shù)測定旋光度可用來鑒定旋光性物質(zhì),測定物質(zhì)的純度和含量。32 (+)-乳酸 （-)-乳酸 D20 +3.8o D20 -3.8o 第四節(jié) 外消旋體等量混合() -乳酸外消旋體（racemate)：等量的左旋體和右旋體的混合物，稱外消旋體用( )或dl表示；外消旋體沒旋光性。33外消旋體的物理性質(zhì)與單一對映體有些不同肌肉中分離出的乳酸：右旋乳酸左旋乳酸桿菌使葡萄糖發(fā)酵而產(chǎn)生 的乳酸：左旋乳酸用一般化學方法合成的乳酸：外消旋乳酸

9、34第五節(jié) 非對映體和內(nèi)消旋化合物一、非對映體（diastereomers) 2，3，4-三羥基丁醛* * 分子中含有兩個不相同的手性碳原子35(a) (b) (c) (d)一對對映體一對對映體 (a)和(c)是彼此不成鏡象關(guān)系的立體異構(gòu)體，叫做非對映體。 同樣，(a)和(d) 、(b)和(c) 以及(b)和(d)也都是非對映體。36分子中含有 n 個不同的C時，其立體異構(gòu)體的最大數(shù)目為2n。 1個 C* 2個 C* 3個 C*21= 2 個立體異構(gòu)體22= 4 個立體異構(gòu)體23= 8 個立體異構(gòu)體 可見，分子中含有兩個不同的手性碳原子時，有四種立體異構(gòu)體。 37 二、內(nèi)消旋化合物 (meso

10、 compound) 酒石酸分子中含有兩個相同的手性碳： 每個手性碳原子均連有相同的原子和基團：38(a) (b) (c) (d)=相同化合物一對對映體 C（d）分子中雖然有手性碳原子，但作為分子整體來說是非手性的（分子中有一對稱面），我們稱C（d） 為內(nèi)消旋化合物（內(nèi)消旋酒石酸）392.內(nèi)消旋體是含有手性碳原子的非手性分子。 1.含有兩個相同手性碳原子（*C）的化合物有3個立體異構(gòu)體，其中有一對對映體，一個是內(nèi)消旋體。結(jié)論3.內(nèi)消旋體沒有旋光性。40問題：下列化合物中，哪些存在內(nèi)消旋化合物？ (1) 2,3-二溴丁烷 (2)2,3-二溴戊烷 (3)2,4-二溴戊烷41問題：下列化合物屬于手性

11、分子的是答案：(1) 、(3)、 (4)42第四節(jié) 構(gòu)型標記法 對映異構(gòu)體的構(gòu)型一般指手性中心所連的四個不同原子或原子團在空間排列的順序。一、D/L 構(gòu)型標記法 在無法測知化合物真實構(gòu)型的情況下，F(xiàn)ischer 當年人為地規(guī)定 ()-甘油為D-構(gòu)型，其對映體()-甘油醛為L-構(gòu)型。 D- L- (+)-甘油醛 ()-甘油醛43D-(+)-甘油醛 D-(-)-甘油酸 而其它化合物則以它為標準來確定構(gòu)型： 1951年，J.M.Bijvoet 用X-衍射技術(shù)測定了()-酒石酸銣鉀鹽的絕對構(gòu)型之后，確定了原來人為規(guī)定的D-()-甘油醛的構(gòu)型(相對構(gòu)型)剛巧就是它的真實構(gòu)型(絕對構(gòu)型)。這樣以甘油醛為標

12、準物，確定的其它化合物的構(gòu)型，自然也是絕對構(gòu)型了。 44 L-(-)-絲氨酸 目前，D/L命名法一般用于糖類和氨基酸的構(gòu)型命名。D-(+)-葡萄糖只適用于與甘油醛結(jié)構(gòu)類似的化合物45二、 R/S構(gòu)型標記法R/S 構(gòu)型標記法分為兩步 (1) 按次序規(guī)則確定與手性碳相連的四個原子或基團的優(yōu)先次序（或稱為“大小” 次序）例如： 氯溴碘甲烷： I Br Cl H 46 (2) 將手性碳上的4個原子或基團中優(yōu)先次序最小的一個置于遠離視線的方向, 然后觀察朝向自己的其余3個基團的優(yōu)先次序。順時針方向排列為R構(gòu)型；反時針方向排列為S構(gòu)型。 R S R-氯溴碘甲烷 S-氯溴碘甲烷 47要點: 次序規(guī)則排次序，

13、方向盤上定構(gòu)型。R-2-丁醇S-2-丁醇48轉(zhuǎn)動使H遠離視線S 構(gòu)型 S-2-丁醇 R/S 構(gòu)型命名法舉例: 49設(shè)定基團大小（優(yōu)先）順序為：雜原子 不飽和碳原子 飽和碳原子 氫原子手勢法左手方法OH COOH CH3 H例1502. 把最小的基團(例如H)放在最遠處513. 順時針定為R，逆時針定為S命名為R-乳酸順時針52HOCHCH3COOHS-乳酸HOHCH3COOH例2逆時針531.最小基團 E 在豎鍵時，紙平面上 A BD 排列的順序為順時針R，逆時針為S。2.最小基團 E 在橫鍵時，紙平面上A B D 排列的順序順時針S，逆時針為R 。Fischer投影式平面觀察法確定構(gòu)型當基團

14、的優(yōu)先順序為A B D E54R-構(gòu)型 S-構(gòu)型R-構(gòu)型 S-構(gòu)型例55練習：命名或?qū)懡Y(jié)構(gòu)式 （1) (2) 答案：(1) R-2-溴丁烷 （2) 2S,3R-2,3,4-三羥基丁醛 132213、456 下列哪些是相同的化合物，哪些是對映體？答案：1 、2、 4 是相同的化合物，3與它們互為對映體。 S S R S想一想57指出下列化合物構(gòu)型屬何種關(guān)系？答案：(1) 和 (3) 是對映體， (1) 和(2)、 (3)和(2)是非對映體。(1) (2R,3R), (2) (2R,3S), (3) (2S,3S)123412341234想一想58化合物 ( C4H9Br ), 具有對映異構(gòu)現(xiàn)象，

15、試寫出該化合物的結(jié)構(gòu)式。想一想59注：R,S構(gòu)型與（+）或（-）并無必然對應(yīng)關(guān)系，旋光方向（+）或（-）只能通過旋光儀測定。構(gòu)型的測定？60第七節(jié) 無手性碳原子的對映體手性分子61 第九節(jié) 手性分子的來源和生物作用一、手性分子的形成 生物體中的手性分子例：糜蛋白酶含有251個手性中心 理論上有2251個立體異構(gòu)體, 生物體內(nèi)的糜蛋白酶是其中一種立體異構(gòu)體。62二、手性分子的生物作用例：治療柏金森病藥物：多巴(Dopa)(+)-多巴 （-）-多巴無生理活性 抗柏金森病R型 S型63ab手性分子手性生物受體 一個對映體能進入手性的受體靶位，發(fā)揮它的生理效應(yīng)。 另一個對映體不能進入相同的受體靶位，沒有同樣的生理效應(yīng)。64 手性藥物 天然藥物，通常是單一的對映體， 如青霉素V，具有2S,5R,6R構(gòu)型。65 合成藥物，用普通化學方法合成的藥物只能得到對映體的混合物。s-布洛芬 只有S對映體具有抗炎和止痛作用。661、對映異構(gòu)（手性、手性碳原子、手性 分子、對映體）2、旋光性（表示方