第五章對映異構(gòu)課件

第四章立體化學(xué)（Stereochemistry）立體化學(xué)是有機化學(xué)的重要組成部分.它的主要內(nèi)容是研究有機化合物分子的三度空間結(jié)構(gòu)(立體結(jié)構(gòu)),及其對化合物的物理性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)的影響.立體異構(gòu)體的定義：分子中的原子或原子團互相連接的次序相同，但在空間的排列方向不同而引起的異構(gòu)體。本章主要討論立體化學(xué)中的對映異構(gòu).第四章立體化學(xué)（Stereochemistry）立體化構(gòu)造異構(gòu)constitutional立體異構(gòu)Stereo-碳鏈異構(gòu)(如:丁烷/異丁烷)官能團異構(gòu)(如:醚/醇)位置異構(gòu)(如:辛醇/仲辛醇)構(gòu)型異構(gòu)configurational構(gòu)象異構(gòu)conformational順反,Z、E異構(gòu)對映非對映異構(gòu)同分異構(gòu)isomerism同分異構(gòu)現(xiàn)象構(gòu)造異構(gòu)立體異構(gòu)碳鏈異構(gòu)(如:丁烷/異丁烷)構(gòu)型異構(gòu)構(gòu)象異構(gòu)20世紀(jì)60年代的“反應(yīng)?！笔录?，是一個典型的藥物導(dǎo)致胎兒畸形的例子。當(dāng)時一家西德藥廠生產(chǎn)了一種治療早期妊娠反應(yīng)的新藥，有很好的止吐作用。許多有嘔吐反應(yīng)的早期妊娠婦女，服用此藥后，可迅速把妊娠反應(yīng)性嘔吐停住，因而取名為“反應(yīng)?！薄Ｓ捎谥雇滦Ч@著，頗受早孕婦女的歡迎。在很短的時間里便風(fēng)靡全世界。特別是在十幾個經(jīng)濟比較發(fā)達的國家內(nèi)，成為非常暢銷的藥。但是隨后不久，這些國家內(nèi)不斷出生了許多沒有胳膊也沒有腿的海豹樣新生嬰兒。僅在生產(chǎn)此藥的西德，10個月中，就有5500多個這樣的怪胎出生。在英國也在短時間內(nèi)，登記到的這種怪胎就有4000多個。日本也發(fā)現(xiàn)300多個。引言20世紀(jì)60年代的“反應(yīng)?！笔录且粋€典型的藥物導(dǎo)致胎兒畸鎮(zhèn)靜作用強烈致畸作用

反應(yīng)停（halidomide，α-苯肽茂二酰亞胺，塞利多米）鎮(zhèn)靜作用強烈致畸作用后來經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)停是消旋體，其右旋體有鎮(zhèn)靜作用，而左旋體對胚胎有很強的致畸作用。手性藥物療效的極大差異促進了手性藥物的研究開發(fā)與及分離分析的發(fā)展。目前普遍使用的2000多種合成藥物中有600余種為手性藥物，而活性的單一對映體藥物不足100種，其余的500余種都是左右旋混在一起的消旋體藥物。1997年，全世界100個熱銷藥中，有50個是單一對映體（手性藥物），手性藥物已占世界醫(yī)藥市場的半壁江山。從市場前景來看，手性藥物研制大有可為。后來經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)停是消旋體，其右旋體有鎮(zhèn)靜作用，而左旋體4.1手性和對映體鏡象與手性的概念一個物體若與自身鏡象不能疊合,叫具有手性.在立體化學(xué)中,不能與鏡象疊合的分子叫手性分子,而能疊合的叫非手性分子.4.1手性和對映體鏡象與手性的概念一個物體若與自身鏡象不生活中的一些手性物體生活中的一些手性物體例:乳酸(2-羥基丙酸CH3-CHOH-COOH)的立體結(jié)構(gòu)：乳酸的兩個模型的關(guān)系象左手和右手一樣,它們不能相互疊合,但卻互為鏡象.例:乳酸(2-羥基丙酸CH3-CHOH-COOH)的立體分子的對稱性與手性的關(guān)系考察分子的對稱性就能判斷它是否具有手性。(1)對稱軸(旋轉(zhuǎn)軸)設(shè)想分子中有一條直線,當(dāng)分子以此直線為軸旋轉(zhuǎn)360o/n后,(n=正整數(shù)),得到的分子與原來的分子相同,這條直線就是n重對稱軸.有2重對稱軸的分子(2-丁烯)分子的對稱性與手性的關(guān)系考察分子的對稱性就能判斷它是否具有手(2)對稱面(鏡面)有對稱面的分子設(shè)想分子中有一平面,它可以把分子分成互為鏡象的兩半,這個平面就是對稱面.(2)對稱面(鏡面)有對稱面的分子設(shè)想分子中有一平面,它可(3)對稱中心設(shè)想分子中有一個點,從分子中任何一個原子出發(fā),向這個點作一直線,再從這個點將直線延長出去,則在與該點前一線段等距離處,可以遇到一個同樣的原子,這個點就是對稱中心.(3)對稱中心設(shè)想分子中有一個點,從分子中任何一個原子出發(fā)(4)交替對稱軸(旋轉(zhuǎn)反映軸)設(shè)想分子中有一條直線,當(dāng)分子以此直線為軸旋轉(zhuǎn)360o/n后,再用一個與此直線垂直的平面進行反映(即作出鏡象),如果得到的鏡象與原來的分子完全相同,這條直線就是交替對稱軸.4(Ⅰ)旋轉(zhuǎn)90o后得(Ⅱ),(Ⅱ)作鏡象得(Ⅲ),(Ⅲ)等于(Ⅰ)有4重交替對稱軸的分子(4)交替對稱軸(旋轉(zhuǎn)反映軸)設(shè)想分子中有一條直線,當(dāng)分子對稱性與手性的關(guān)系:非手性分子—凡具有對稱面、對稱中心或交替對稱軸的分子.手性分子——既沒有對稱面,又沒有對稱中心,也沒有4重交替對稱軸的分子,都不能與其鏡象疊合,都是手性分子.對稱軸的有無對分子是否具有手性沒有決定作用.在有機化學(xué)中,絕大多數(shù)非手性分子都具有對稱面或?qū)ΨQ中心,或者同時還具有4重對稱軸.沒有對稱面或?qū)ΨQ中心,只有4重交替對稱軸的非手性分子是個別的.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.對稱性與手性的關(guān)系:非手性分子—凡具有對稱面、對稱中心或交對映異構(gòu)體互為鏡象的兩種構(gòu)型的異構(gòu)體叫做對映體.一對對映體的構(gòu)造相同,只是立體結(jié)構(gòu)不同,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: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。對映異構(gòu)體互為鏡象的兩種構(gòu)型的異構(gòu)體叫做對映體.凡是手性分子4.2旋光性和比旋光度4.2.1旋光性旋光性——某些物質(zhì)能使偏振光的振動方向旋轉(zhuǎn)一定角度的性質(zhì)。右旋——(+)；左旋——(－)對映體的一般物理性質(zhì)(熔點,沸點,相對密度...,以及光譜)都相同,只有對偏振光的作用不同.4.2旋光性和比旋光度4.2.1旋光性旋光性——某些物質(zhì)旋光性物質(zhì)(或叫光活性物質(zhì))--具有旋光性的物質(zhì).右旋物質(zhì)（dextrorotatory）--能使偏正光的振動方向向右旋的物質(zhì).通常用“d”或“+”表示右旋.

左旋物質(zhì)（levorotatory）

--能使偏正光的振動方向向左旋的物質(zhì).通常用“L”或“-”表示左旋.

旋光度（observedrotation)--偏正光振動方向的旋轉(zhuǎn)角度.用“

”表示.凡是手性分子都具有旋光性而非手性分子則沒有旋光性4.2.2比旋光度（specificrotation）由旋光儀測得的旋光度,甚至旋光方向,不僅與物質(zhì)的結(jié)構(gòu)有關(guān),而且與測定的條件(樣品濃度,盛放樣品管的長度,偏正光的波長及測定溫度等)有關(guān).旋光性物質(zhì)(或叫光活性物質(zhì))--具有旋光性的物質(zhì).右旋物質(zhì)（比旋光度--通常把溶液的濃度規(guī)定為1g/mL,盛液管的長度規(guī)定為1dm,并把這種條件下測得的旋光度叫比旋光度.一般用[

]表示.比旋光度只決定于物質(zhì)的結(jié)構(gòu).各種化合物的比旋光度是它們各自特有的物理常數(shù).比旋光度的測定與換算用任一濃度的溶液,在任一長度的盛液管中進行測定,然后將實際測得的旋光度,按下式換算成比旋光度[

]:式中:C--溶液濃度(g/mL);--管長(dm)比旋光度--通常把溶液的濃度規(guī)定為1g/mL,盛液管的長度規(guī)

表示比旋光度時，需要標(biāo)明測量時的溫度、光源的波長以及所使用的溶劑。例如，在溫度為20°C時，用鈉光燈為光源測得的葡萄糖水溶液的比旋光度為右旋52.2°,應(yīng)記為：[α]D20=+52.2°（水）“D”代表鈉光波長。鈉光波長549nm相當(dāng)于太陽光譜中的D線。比旋光度是旋光性物質(zhì)的一個物理常數(shù)。表示比旋光度時，需要標(biāo)明測量時的溫度、光源的波長以及4.3含有一個手性碳原子的化合物的對映異構(gòu)手性碳原子的概念—在有機化合物中，手性分子大都含有與四個互不相同的基團相連的碳原子。

這種碳原子沒有任何對稱因素,故叫不對稱碳原子,或叫手性碳原子,在結(jié)構(gòu)式中通常用*標(biāo)出手性碳原子。含有一個手性碳原子的分子一定是手性分子4.3含有一個手性碳原子的化合物的對映異構(gòu)手性碳原子的概念例：乳酸CH3CHOHCOOH*右旋乳酸左旋乳酸熔點=53℃熔點=53℃外消旋體—由等量的對映體相混合而成的混合物.外消旋體不僅沒有旋光性，且其他物理性質(zhì)也往往與單純的旋光體不同。例如：外消旋體乳酸熔點為14℃.例：乳酸CH3CHOHCOOH*右旋乳酸左旋乳酸熔點=53乳酸的分子模型和投影式4.4構(gòu)型的表示法，構(gòu)型的確定和構(gòu)型的標(biāo)記4.4.1構(gòu)型的表示法菲舍爾投影式菲舍爾投影式:兩個豎立的鍵—向紙面背后伸去的鍵;兩個橫在兩邊的鍵—向紙面前方伸出的鍵.在紙面上旋轉(zhuǎn)140o—不變；旋轉(zhuǎn)90o或270o或翻身—鏡象乳酸的分子模型和投影式4.4構(gòu)型的表示法，構(gòu)型的確定和構(gòu)型R-S標(biāo)記法—是根據(jù)手性碳原子所連接的四個基團在空間的排列來標(biāo)記的：(1)先把手性碳原子所連接的四個基團設(shè)為：a,b,c,d。并將它們按次序（3.3節(jié)次序規(guī)則）排隊。(2)若a,b,c,d四個基團的順序是a在先，b其次，c再次，d最后。將該手性碳原子在空間作如下安排：R-S標(biāo)記法把排在最后的基團d放在離觀察者最遠的位置，然后按先后次序觀察其他三個基團。幾即從最先的a開始，經(jīng)過b，再到c輪轉(zhuǎn)看。若輪轉(zhuǎn)方向是順時針的，則該手性碳原子的構(gòu)型標(biāo)記為“R”-（“右”的意思）；反之，標(biāo)記為“S”順時針R反時針S基團次序為：a>b>c>d4.4.2構(gòu)型的確定和標(biāo)記R-S標(biāo)記法—是根據(jù)手性碳原子所連接的四個基團在空間的排列來(1)先將次序排在最后的基團d放在一個豎立的（即指向后方的）鍵上。然后依次輪看a、b、c。(2)如果是順時針方向輪轉(zhuǎn)的，則該投影式代表的構(gòu)型為R型；如果是逆時針方向輪轉(zhuǎn)的，則為S型。c順時針逆時針

菲舍爾投影式中R-S標(biāo)記法：若標(biāo)記分子的菲舍爾投影式中的d是在豎鍵上基團次序為：a>b>c>d(1)先將次序排在最后的基團d放在一個豎立的（即指向后方的）順時針方向輪轉(zhuǎn)的，則該投影式代表的構(gòu)型為S型；如果是逆時針方向輪轉(zhuǎn)的，則為R型。順時針逆時針若標(biāo)記分子的菲舍爾投影式中的d是在橫鍵上基團次序為：a>b>c>d順時針方向輪轉(zhuǎn)的，則該投影式代表的構(gòu)型為S型；如果是逆時針方例如：乳酸CH3CHOHCOOH手性碳原子的四個基團排隊：OH>COOH>CH3>H.因此乳酸的兩種構(gòu)型可分別如下識別和標(biāo)記：

(右旋):S-(+)-乳酸(左旋):R-(-)-乳酸例如：乳酸CH3CHOHCOOH手性碳原子的四個基團排隊：分子中有多個手性碳原子的化合物,命名時可用R-S標(biāo)記法將每個手性碳原子的構(gòu)型一一標(biāo)出。左邊C-2所連接的四個基團的次序:OH>CHOHCH2CH3>CH3>H左邊C-3所連接的四個基團的次序:

OH>CHOHCH3>CH2CH3>H例如：(2S,3R)-2,3-戊二醇(2R,3S)-2,3-戊二醇分子中有多個手性碳原子的化合物,命名時可用R-S標(biāo)記法將每個含有一個手性碳原子的化合物有一對對映體。分子中若有多個手性碳原子，立體異構(gòu)的數(shù)目就要多些：若含有n個手性碳原子的化合物，最多可以有2n種立體異構(gòu)。有些分子的立體異構(gòu)數(shù)目少于2n這個最大數(shù)。4.5含有多個手性碳原子化合物的立體異構(gòu)例:2-羥基-3-氯丁二酸的立體異構(gòu)

這四種異構(gòu)體中(I)和(II)是對映體;(III)和(IV)是對映體.(I)和(II)等量混合物是外消旋體；(III)和(IV)等量混合物也是外消旋體。含有一個手性碳原子的化合物有一對對映體。4.5含有多個手非對映體—(I)和(III)或(IV)以及(II)和(III)或(IV)也是立體異構(gòu)，但它們不是互為鏡象，不是對映體，這種不對映的立體異構(gòu)體叫做非對映體.非對映體旋光度不相同,而旋光方向則可能相同,也可能不同,其它物理性質(zhì)都不相同:2-羥基-3-氯丁二酸的物理性質(zhì)非對映體混合在一起,可以用一般的物理方法將它們分離出來.非對映體—(I)和(III)或(IV)以及(II)和(III例:酒石酸的立體異構(gòu)有些分子的立體異構(gòu)數(shù)目少于2n這個最大數(shù)這四種異構(gòu)體中(I)和(II)是對映體;(III)和(IV)是同一種物質(zhì)(它們可以相互疊合).例:酒石酸的立體異構(gòu)(III)通過C(2)-C(3)鍵中心點的垂直線為軸旋轉(zhuǎn)140°,就可以看出它可以與(IV)是疊合的:以黑點為中心在紙面上旋轉(zhuǎn)140°在它的全重疊式構(gòu)象中可以找到一個對稱面。在它的對位交叉式構(gòu)象中可以找到一個對稱中心。(III)通過C(2)-C(3)鍵中心點的垂直線為軸旋轉(zhuǎn)14所以,(III)和(IV)是同一種分子。(III)既然能與其鏡象疊合，它就不是手性分子。因此也沒有旋光性?！@種物質(zhì)叫內(nèi)消旋體（mesocompound）。內(nèi)