第八章 立體化學v4

第八章立體化學主要內容立體異構體：對映異構體和非對映異構體手性分子和非手性分子、手性碳手性碳的構型——R型和S型，手性分子的命名；描述立體構性的D/L體系立體結構的表示方法，化合物立體結構式的變換方法手性化合物的特性——旋光性（旋光度a、比旋光，外消旋體和內消旋體）獲得手性化合物的方法，外消旋體的拆分，不對稱合成）立體異構

由原子或基團空間排列或取向不同所產生的異構現(xiàn)象。立體化學(Stereochemistry)——研究有機化合物三維空間(立體結構)，及其對化合物物理和化學性質的影響；構型異構、構象異構和本章的旋光異構都是涉及分子立體結構的概念。構象異構體（可互相轉化）構型異構體（順反異構）（不能相互轉化）1.手性分子和非手性分子手性(chirality)：實物和其鏡像不能重疊的現(xiàn)象手性分子（chiral

molecules）：有手性現(xiàn)象的分子兩者不能重合手性分子鏡像轉180o手性分子8.1手性和對映體手性碳——手性分子的特征連有四個不同基團的碳原子手性碳(chiralcarbon)手性中心(Chiralcenter)手性碳標記****例：*非手性分子兩者互相重合非手性分子鏡像轉60o非手性分子：與鏡像相重合（非手性分子不含有手性碳）轉180o兩者完全重合非手性分子2.手性與分子的對稱性判斷分子有無手性——

①

最直接法：用模型來考察分子與它的鏡象是否重合。②考察分子的對稱性。一個分子與它的鏡象是否重合，與分子的對稱性有關。分子的對稱因素：對稱軸、對稱面、對稱中心，n重更替對稱軸?？疾旆肿拥膶ΨQ性需考慮分子的對稱因素對稱面：對稱面對稱面對稱軸：對稱中心：n重更替對稱軸：手性與分子的對稱性的關系（無手性碳）（有手性碳）若分子含有對稱面或對稱中心，為非手性分子如：有對稱面和對稱中心的非手性分子與鏡像重合如果一個分子沒有任何一種對稱因素：對稱面、對稱中心或n重更替對稱軸，這種分子就有手性。一般只考察對稱面、對稱中心即可。對稱軸不能作為分子有無手性的標準.

是一類特殊的構型異構體---對映異構體(enantiomers)3.對映異構體

一對互為鏡像且不互相重合的分子。它們的構造相同，立體結構不同，屬構型異構體。分子的手性是存在對映異構體的必要和充分條件。構造異構constitutional立體異構Stereo-碳鏈異構官能團異構位置異構構型異構configurational構象異構conformational順反異構對映、非對映異構同分異構isomerism單鍵旋轉異構叔胺翻轉異構同分異構現(xiàn)象小結：8.2旋光性和比旋光度偏振光偏振光----普通光在通過尼克爾(Nicol)棱鏡后形成的只在一個方向振動光普通光尼可爾棱鏡偏振光光學活性(opticalactivity)——物質能使偏振光振動方向發(fā)生偏轉的性質叫旋光性(或稱光學活性)

Opiticallyactive左旋和右旋右旋(dextrorotatory)：使偏振光向順時針方向偏轉，表示為(d)或(+)

左旋(levorotatory)

：使偏振光向逆時針方向偏轉，表示為(l)或(–)左旋aa右旋入射光方向入射偏振光石英樣品管旋光度,a（裝有旋光性物質）a透射偏振光（已偏轉）旋光能力的表示方式——比旋光[a]t[a]t

=at

lcat

:實驗觀察到的旋光度l:樣品管長度（dm,分米）c

:樣品濃度（g/cm3）t

:測試時溫度:波長specificrotation手性與旋光性的關系旋光性是手性分子的特性，手性化合物對偏振光具有旋光作用。一對對映體對偏振光的作用不同，一個使偏振光向順時針方向偏轉，另一個使偏振光向逆時針方向偏轉，兩者偏轉數值相同。例：(R,R)-(+)-酒石酸(S,S)-(-)-酒石酸旋光異構體（對映異構體）旋光儀——小結：手性，旋光活性，對映體手性是具有旋光活性的必要條件。手性是存在對映體的充分和必要條件。對映體旋光方向相反，旋光能力相同。8.3構型的表示法，構型的確定和構型的標記1.

構型的表示法——菲舍爾投影式,鍥形式

透視式—(用透視式表示基團在空間的排列順序)鍥形實線表示伸向平面前方的鍵。

鍥形虛線表示伸向平面后方的鍵費歇爾投影式國際命名原則：將碳鏈放在垂直線上，氧化態(tài)較高的碳原子或主鏈上第一號碳原子在上．以垂直線相連的基團表示伸向紙后，即遠離讀者；以水平線相連的基團表示伸出紙前即伸向讀者．注意：投影式是用平面式來代表三度空間的立體結構．不能任意翻轉．費歇爾(Fischer)投影式——實例：乳酸分子楔形透視式轉換為費歇爾(Fischer)投影式橫向基團位于平面的前方豎向基團位于平面的后方鍥形實線表示伸向平面前方的鍵。

鍥形虛線表示伸向平面后方的鍵鞏固練習：鍥形式Fischer投影式鍵的方向？復習構象的表示方法：紐曼投影式透視式紐曼式Newman）透視式（鋸架式）實例：紐曼投影式和鋸架透視式2.構型的確定—手性碳的相對構型(D-L標記)(Ⅰ)(Ⅱ)D-（+）-甘油醛L-（-）-甘油醛人為地規(guī)定右旋甘油醛的構型以(Ⅰ)式表示(即手性碳原子上的羥基的投影在右邊)，叫做D型；左旋甘油醛的構型就是(Ⅱ)式，羥基的投影在左邊，叫做L型。

1951年以前，還沒有實驗方法可以測定分子中基團在空間的排列狀況，便以甘油醛為標準做了人為的規(guī)定。旋光方向與D,L(構型)之間沒有固定的關系，一個D型的化合物，可以是左旋的，也可以是右旋的。D：人為規(guī)定

-：儀器測定D-（+）-甘油醛D-（-）-乳酸用這種旋光化合物之間相互轉化的方法確定構型時，必須不發(fā)生與手性碳原于相連的鍵的斷裂。構型的確定

相對構型

(Relativeconfiguration)——theconfigurationofacompoundrelativetotheconfigurationofanothercompound——人為規(guī)定,并不是實際測出來的?；瘜W關聯(lián)法：以人為規(guī)定的甘油醛構型為基礎，用一定的化學方法，將其它旋光化合物構型與甘油醛聯(lián)系起來，以確定其它旋光化合物的構型，即相對構型。實例：

用D，L表示構型，對于碳水化合物及氨基酸非常方便，因此這兩類化合物的構型仍用D，L表示?；鶞饰顳-(+)-甘油醛L-(-)-甘油醛D-(+)-葡萄糖D-(-)-乳酸L-(+)-乳酸絕對構型(AbsoluteConfiguration)——theactualthree-dimensionalstructureofachiralcompound絕對構型的測定

——X-射線單晶衍射(1950年）。1951年，用x射線衍射的方法可以測定分子中基團在空間的排列狀況，R、S標定，

——化學關聯(lián)法相對構型(Relativeconfiguration)——theconfigurationofacompoundrelativetotheconfigurationofanothercompound——人為規(guī)定,并不是實際測出來的。（+）和（-）并不對應于（R）和（S）相對構型和絕對構型3.手性碳的絕對構型——R/S標記方法，手性化合物的命名例：2-丁醇選擇優(yōu)先順序最小的原子或基團遠離觀察者，其余原子或基團依優(yōu)先順序排列(S)-2-丁醇(R)-2-丁醇有一個手性碳沿C-H方向S型（逆時針方向）R型（順時針方向）基團的優(yōu)先順序（Cohn-Ingold-Prelog定序規(guī)則）（1）原子序數大者優(yōu)先，同位素質量大者優(yōu)先如：I>Br>Cl>S>P>F>O>N>C>D>H（2）基團的第一個原子相同時，比較與其相連的下一個原子如：-CH2CH3>-CH3-CH2Cl>-CH2F

-CH2OCH3>-CH2OH

-CH(CH3)2>-CH2CH(CH3)2（3）對不飽和基團，可認為與同一原子連接2或3次如：例:例:比較以下基團的優(yōu)先順序12例:2,3-丁二醇的三個立體異構體的命名非手性分子S型S型(2S,3S)-2,3-丁二醇

手性化合物的命名R型R型S型S型(2S,3R)-2,3-丁二醇或(2R,3S)-2,3-丁二醇(2R,3R)-2,3-丁二醇非手性分子R/S標記方法也可直接用于Fischer投影式

烯烴順反標記：Z,E順-1,3-二甲基環(huán)戊烷反-1,3-二甲基環(huán)戊烷cis環(huán)烷的順反標記：cis,transtrans復習烯烴、環(huán)烷順反構型的標記法要求：R,S命名、楔形式、紐曼式、費歇爾式相互轉換能直接從紐曼投影式、楔形透視式、鋸架透視式或費歇爾式標定R、S構型。交叉式重疊式Newman投影式鋸架式到Newman投影式轉化鋸架式到Fisher投影式的轉化Fisher投影式實例：

(1)

(2)

(3)

鞏固練習：寫出下列化合物的費歇爾投影式。

(2)

(3)

鞏固練習：用費歇爾投影式畫出下列化合物的構型

(1)

(2)2-氯－（4S）－2-（E）－2-戊烯

鞏固練習：將下列化合物的費歇爾投影式畫成扭曼投影式(順疊和反疊)，并畫出它們的對映體的相應式子。⑴分子只含有一個手性碳，8.4有機化合物的對映異構體含有一個手性碳原子的化合物即Cabcd型的化合物都有兩個對映異構體(R、S)

，其中一個是右旋體，一個是左旋體。外消旋體：外消旋體——等量的左旋體和右旋體的混合物例：（旋光性相互抵消——消旋）產物無旋光性外消旋體性(racemicmixture)（）()-2-溴丁烷外消旋體表示方式如何拆分？p1642,3-戊二醇⑵

分子含有二個手性碳——二個不同手性碳原子2,3-戊二醇的兩對對映體非對映異構體：

p169非對映異構體可以用一般的物理方法將它們分離開來。(3)分子含有二個手性碳——二個相同手性碳原子：酒石酸只有三種異構體，右旋體，左旋體和內消旋體

例：內消旋體——有手性碳，但分子有對稱面(p170)(R,S)-meso-酒石酸內消旋體表示方法分子有對稱面，無旋光性。一個手性碳的旋光性正好被分子內另一構型相反的手性碳所抵消內消旋體(mesocompounds)不能說凡是含有手性碳原子的分子是手性分子。手性碳與立體異構體數目的關系：

若分子有n

個手性碳，理論上有

2n

個立體異構體（2n/2對對映體。若手性碳組成相同，數目有所減少。(4)分子含有二個以上手性碳，情況較為復雜非手性分子,內消旋體（有對稱面）手性分子(為對映體)相同組成的手性碳優(yōu)先順序：R型>S型假手性碳的構型（用r/s表示）差向異構體:

(p171)小結：外消旋體非對映異構體內消旋體差向異構體連二烯型（含有兩個互相垂直的平面）比較：與鏡像無法重合，是手性分子有對稱面，為非手性分子(5)一些不含手性碳的手性分子聯(lián)苯型(位阻型)大基團使單鍵旋轉受阻螺環(huán)等其它不含手性碳化合物的對映異構(6)

環(huán)狀化合物的立體異構現(xiàn)象比鏈狀化合物復雜，往往順、反異構和對映異構同時存在。在研究環(huán)己烷衍生物的立體異構時，對構象引起的手性現(xiàn)象可以不予考慮，而只要考慮順、反異構和對映異構，并可以直接用平面六角形來觀察，這樣仍可得到同樣正確的。環(huán)己烷衍生物分子在不斷熱運動中，由于構象轉變如此迅速，且它不是以造成化學鍵的斷裂，∴不影響分子的R、S構型。(7)季銨陽離子和季鏻陽離子8.5對映異構體的性質外消旋體的拆分

旋光方向相反，其他物理性質如：熔點、沸點、相對密度、比旋光度以及在非手性試劑的作用是完全相同的。生物生理性質——手性分子與手性生物受體之間的相互作用

一對對映體只有其中一個適合進入一個特定受體靶位，產生生理效應。對于生物體，一對對映異構體的作用可能正好相反。1.

對映異構體的性質例如：(S)-天冬酰胺苦味(R)-天冬酰胺甜味麻醉劑致痙攣巴比吐酸衍生物(R)型,有效，不致畸形(S)型，致畸形Thalidomide(反應停)——鎮(zhèn)靜和止吐藥物(-)-L-DOPA

治療帕金森氏病(+)-D-DOPA在體內集聚，不能被代謝2.

外消旋體的拆分（Resolution）巴斯德，L.LouisPasteur(1822～1895)1848年，巴斯德借助放大鏡拆分外消旋的酒石酸鈉銨儀器拆分（GC,HPLC…）HPLC用手性柱GC用手性柱化學法拆分常用拆分試劑天然手性生物堿：(-)-馬錢子堿、(-)-奎寧、(-)-番木鱉堿、

(+)-

辛可寧手性酸：酒石酸、樟腦磺酸例:外消旋a-苯乙胺的化學拆分接下頁在甲醇中溶解性差接上頁化學法拆分最適合于酸或堿的外消旋體的拆分。酶解法拆分（利用酶的選擇性反應進行拆分）例:DL-丙氨酸的酶解拆分選擇性去乙?；?.6不對稱合成，立體選擇反應與立體專一反應

一鹵代物為等量的對映體混合物無光學活性？由非手性化合物合成手性化合物時產物是外消旋體p173用自由基反應的立體化學解釋——

若在反應時存在某種手性條件，則手性碳原子形成時，兩種構型的生成機會不一定相等，即該手性中心的形成有立體選擇性。p173例1：手性底物控制選擇性在已有一個手性中心的分子中引入第二個手性中心時，得到不等量的非對映異構體，第二個手性中心形成有立體選擇性。例2：手性底物例3：前手性分子手性試劑(催化劑)控制選擇性WilliamS.KnowlesRyojiNoyoriK.BarrySharplessTheNobelPrizeinChemistry2001"fortheirworkonchirallycatalysedhydrogenationreactions""forhisworkonchirally