第五章对映异构

第五章对映异构(enantiomerism)教学要求： 掌握：手性和手性分子以及手性碳原子的概念。对映体、非对映体、外消旋体和内消旋体的 概念和主要性质；对映异构体命名方法(R.S)。熟悉： 费歇投影式和透视式表示立体异构体的方法。了解： 无手性碳原子的对映异构体和环状化合物的对映异构；对映体的拆分方法和手性子 在生物中的作用,以及前手性原子和前手性化合物的概念。对映异构主要是从三维空间揭示对映存在的立体异构体，在结构上差别甚微，而在生物活性 上却有着天壤之别。本章将着重学习怎样区分手性分子和非手性分子；怎样判断对映体、非 对映体、外消旋体和内消旋体的存在，以及怎样表示和命名它们的立体结构；比较它们之间 性质上的异同点；了解对映体的拆分方法和手性分子在生物中的作用,以及前手性原子和前 手性化合物的概念。学习对映异构为学习糖类、脂类、氨基酸、蛋白质、核酸、酶、和激素 等各种活性分子的结构和功能奠定必要的立体化学基础 。第一节 手性和对映体 同分异构在有机化学中是极为普遍的现象。在第二章已经学习了构造异构和顺反异构以及构 象异构。后两者均属于立体异构。即分子中的原子或原子基团在空间的排列方式不同产生的 异构现象。通常构象异构体是不能分离的。本章要介绍另外一种立体异构现象：即对映异构。 图示如下：左右手不能垂合龄图3-1这种左右手互为镜像与实物关系，彼此又不能重合的现象称为手性 自然界中有许多手性物， 例如：足球、剪刀、螺丝钉等都是手性物。微观世界的分子中同样存在着手性现象。有许多 化合物分子具有手性。二、手性分子和对映体图 3-2 是一对互为镜像关系的乳酸分子的立体结构式（透视式）：镜子co2hco2hHchoh面上的键后面的键a和b两个立体结构式之间有何种关系？它们代表相同的分子？还是代表不同的分子？不 妨观察上述乳酸分子的两个立体结构式的球棍模型图示（见图3-3）J哪于为上述结构a? 哪平为上述结构胡图3-3-1乳酸球棍模型图示乳酸另子的立体结构式兰球 COOH 鏑 H 朝 0H 甄球 CH3面前方的键图 3-3-2 乳酸球棍模型为什么乳酸存在一对对映体？仔细观察图3-2 的两个乳酸分子的结构，可发现分子中有一个 碳原子(C2)所连的四个基团(COOH,OH,CH3，H)均不相同。凡是连有4个不同的原子或基团的 碳原子称为手性碳原子(chiral carbon atom)，也可称为手性中心(chiral center) 一个手性碳原子 所连的4个不同原子或基团在空间具有2种不同的排列方式也称两种构型，它们是彼此成镜 像关系，又不能重叠的一对立体异构体，互为对映体。含有一个手性碳原子的化合物只有一 对对映体。图3-2中的(a)和(b)就是乳酸的一对对映体。小结： 手性分子：不能与其镜像重合的分子。 对映体：彼此成镜像关系，又不能重合的一对立体异构体互为 对映体。手性碳原子：连有四个不同原子或基团的碳原子。三、对称面和非手性分了i:acin对称面丙酸非手性分子丙酸分子的图 3-4 丙酸分子的对称面 四、判断对映体(手性分子)的方法第一 建造一个分子和它的镜像的模型。如果两者不能重合，就是手性分子。第二 寻找有无对称面。有对称面，它就不存在对映体，为非手性分子。第三 寻找手性碳原子(或手性中心)。只要有一个手性碳原子，就是手性分子，有一对对映 体(两个以上C*有例外。见内消旋体)问题 3-2 化合物 a 和 b 哪个有对称面？哪个为非手性分子？哪个有对映体?与手性碳横向相连的基团朝向纸平面的前方；竖向相连的基团朝向纸平面的后方；手性碳处于纸平面上。将其投影,所得平面投影式称为费歇尔投影式COOHCOOHH匚OHHO J jCOOH遥视4H.HOCOOH平面投影式OHH问题 3-1 下列哪些分子具有手性碳原子?（用*号标明）。aCH3CH2CH2CH2OHbch3ch2chch3ch3OHc6dch3ch=chch2ch3eC嘟企至CTC比f CJCCJCHCEiCE0 CJ注意点(书写费歇尔投影式)：在把一个化合物的透视式写成费歇尔投影式时，必须记住下 列要点：(1) 水平线和垂直线的交叉点代表手性碳。(2) 宋体;连于手性碳的水平线代表向前指向读者的键。(3) 连于手性碳的垂直线代表指向远离读者的键。(4) 费歇尔投影式只能在纸平面内旋转180，或其偶数倍，不能离开纸面翻转。Fischer 投影式最适合用于表示含有一个手性碳的化合物的立体结构。但对表示含两个或两 个以上手性碳原子化合物时，就有点美中不足了。因为Fischer投影式显示的立体结构全是 重叠式构象，不符合分子的真实形象。在这一点上，上一章学习的Newman投影式和锯架式 又有它的优势之处。当然，每一种表示立体结构的方法，都各有千秋。同一个立体异构体可以用几种不同的方法表示它的立体结构。例如 2R, 3S-2, 3, 4-三羟基丁醛：第三节 旋光性一、平面偏振光光的振动方向与前进方向垂直，普通光是在无数个垂直于前进方向的平面内振动。当普通光 通过一个偏振的透镜或尼科尔棱镜时，一部分光就被挡住了，只有振动方向与棱镜晶轴平行 的光才能通过。这种只在一个平面上振动的光称为平面偏振光。简称偏振光。见下图所示:光源图3-6偏振光二、旋光性偏振光的振动面化学上习惯称为偏振面。当平面偏振光通过手性化合物溶液后，偏振面的方 向就被旋转了一个角度。这种能使偏振面旋转的性能称为旋光性(optical activity)。手性化合 物都具有旋光性。三、旋光度与比旋光度 旋光度 怎样测定化合物旋光性呢？在实际工作中通常用旋光仪测定化合物的旋光性。一般旋光仪是 由一个光源和两个棱镜组成的, 在两个棱镜中间有一个盛放样品的旋光管。见图3-6：La表示链转的角度虚线表示施转前嚇光的振动方向实线：表示能转后偏振光的振动方3-6施光仪简图化合物旋光性的测定：当平面偏振光通过盛有旋光性化合物的旋光管后，偏振面就会被旋转 （向右或向左）一个角度，这时偏振光就不能通行无阻的穿过与起偏镜棱轴相平行的检偏镜。 只有检偏镜也旋转（向右或向左）相同的角度（a角度），旋转了的平面偏振光才能完全通过。观 察检偏镜上携带的刻度盘所旋转的角度，即为该旋光性物质的旋光度。偏振面被旋光性物质所旋转的角度叫旋光度。用a表示。 偏振面被旋转的方向有左旋（逆时针）和右旋（顺时针）的区别。用符号（+）表示右旋， （-） 表示 左旋。例如：（+）-2-丁醇 表示右旋；（-）-2-丁醇 表示左旋。所有旋光性化合物不是右旋， 就是左旋。自动旋光仪：测定化合物的旋光度，除了使用前面介绍的普通旋光仪外，还有自动旋光仪，可直接显示被 测化合物的旋光度和旋光方向， （）或（-）。它的基本原理和普通旋光仪雷同。目前在科学研 究中已经较为广泛的使用。 比旋光度就某一化合物来说，实验中所观察到旋光度并不是恒定值，因为旋光度与溶液的浓度成正比， 在给定的浓度下还与旋光管的长度成正比。除外，还与测定时的温度，光源波长以及用什么 溶剂测定有关系 为了使一个化合物的旋光度成为特征物理常数，必须规定一些特定的条件： 比旋光度（含义）：规定用一分米（dm）长的旋光管，待测物质的浓度为lg.mL-l时所测得的旋光度，称为比旋 光度。在实际工作中，常常可以用不同长度的旋光管和不同的样品浓度下测定物质的旋光度。 然后按下列公式计算，即可得到比旋光度。比旋光度计算公式：比旋光度像物质的熔点、沸点或折射率等物理常数一样，也是化合物的一种物理常数。一对对映体，除比旋光度值相等符号相反（即旋光方向相反）外，其它物理性质雷同。如表3-1所 示：表玉1一对对映体的物理性质（+）-2-丁醇（.）-2-丁醇沸点叩.兀四.兀密度0.80600.8030折射率1. 3951. 395比能光度+13.9-13.9比旋光度对于鉴定一个旋光性化合物或者判断它的纯度是很重要的。因此，掌握比旋光度的表示方法及其含义是十分必要的。例如，在理化手册上查得海洛因（heroin）的比旋光度值为（甲醇）。这表示海洛因是一个光学活性化合物，它是左旋的，以甲醇作溶剂，在15C，用偏振的钠光测定的，比旋光度为-166。例题 将胆固醇样品260mg溶于5ml氯仿中，然后将其装满5厘米长的旋光管,在室温（20C） 通过偏振的钠光测得旋光度为-2.5,计算胆固醇的比旋光度：小结:一对对映体的性质 物理性质和化学性质都相同（与手性试剂作用除外）；比旋光度值相等，符号相反（即旋光 方向相反）。第四节 外消旋体一、乳酸的三种不同的旋光现象: 乳酸是人们知道的第一个旋光性化合物，它的旋光性现象有三种不同的情况：右旋乳酸 从肌肉组织中分离出的乳酸左旋乳酸 葡萄糖发酵产生的乳酸无旋光性乳酸 一般化学合成的乳酸二、外消旋体的定义:一对对映体等量的混合物称为外消旋体。外消旋体符号: 或 dl 例如（） -乳酸 即外消旋乳酸三、外消旋体的性质:外消旋体的物理性质与纯的单一对映体有一些不同：它无旋光性；熔点、密度等物理常有差异。乳酸的三种立体异构体的一些物理性质见表3-2：表玉2乳酸的一些物理常数名称熔点F蘊濬解度(+)-乳酸26+3.83.76CO(一)亂酸26-3.83.76co(土)-乳酸1803.76co为什么外消旋体无旋光性呢？ 因为一对对映体对光的影响是比旋光度值相等，旋光方向相反。因此，从微观分子考虑，当 光照射到每一个分子时，一对对映体正好抵消了每一个对映体对光产生的影响作用。有两亍不相同的手性碳 存在四于立体异构体CH2 芒H SHCHOAh Ah Ah第四节 非对映体和内消旋化合物 我们已经知道含有一个手性碳原子的化合物存在着两个立体异构体 一对对映体。含有两个 以上手性碳原子(*)的化合物存在两个以上的立体异构体，其最大数目是2n (n )代表手性 碳原子数。让我们看一个实例：2,3,4-三羟基丁醛，分子中含有两个不相同的手性碳原子。2, 3?乩三羟基丁醛2, 3;乩三羟基丁醛的四种立体异构怀：CHOCHOCHOCHOH/QHH浪4HHH0pHCH.OHCH2OHCH2OH(iH2OH、(厂一对对映体一对对映体(a)和(b)是互为不能重合的镜像，代表一对对映体；同样(c)和(d)也是互为不能重合的镜像, 代表另一对对映体。也就是说有两对对映体。那么化合物(a)和(c)之间，以及(a)和(d)之间是什么关系呢？(a)和(c)是彼此不成镜像关系的立体异构体，叫作非对映体，同样，(a)和(d)之间彼此也不成 镜像关系，所以，也是非对映体。彼此不成镜像关系的立体异构体叫非对映体。因此(b)与(c)之间，以及(b)与(d)之间也都是 非对映体关系。非对映体具有不同的物理性质。例如，沸点；溶解度等都不相同。二.、内消旋化合物酒石酸分子中有两个相同的手性碳。如果按照2n规则，最多可有四个立体异构体。但实际 上酒石酸分子只有三个立体异构体：三于立体异构体：C02HH.CHHO JHCO2HIHOd =HCOaHH 丄 0HHCOaH一对对映体COsHdO2H9)HOOC-CH-8HCOOH6h Ah酒石酸相同的手性碳三平立体异构思考：(a)与(c)、(b)与(c)是何种关系呢(对映体？非对映体？)？为什么内消旋化合物无旋光性？内消旋化合物有对称面。对称面的上半部分是下半部分的镜分子的上下两部分对偏振光的影响相互抵消，使整个分子无旋光性(见图 3-7)。 由于内消旋体的存在，酒石酸只有三种立体异构体，其数目少于按照 2n 规则所预测的数目 表 3-3 为酒石酸的三种立体异构体的一些物理性质。题 3-3 如果将(-)、 (+)和内消旋酒石酸三者等量的混合物进行分步结晶，将得到两部分均无 旋光性的结晶。哪两部分?酒石酸的一对对映体和内消旋酒石酸。 问题 3-4 2,3-二溴丁烷的立体异构体中有内消旋体吗？ 解答:有 因为有两个相同的手性碳,有对称面。小结:彼此不成镜像关系的立体异构体叫非对映体。非对映体间具有不同的物理性质。 例如，熔点、沸点和溶解度等物理性质都不相同。用重结晶或蒸馏等方法可以将非对映体分开。内消旋化合物有对称面，无旋光性。 第六节 构型命名构型是指分子结构中的原子或基团在空间排列的顺序。对映异构和顺反异构都属于构型异 构。不过两者略有差异：对映异构体的构型一般指手性中心(或手性碳原子)所连的四个不同 原子或原子团在空间排列的顺序。而顺反异构体的构型是指分子中某些共价键的旋转受阻而 导致分子中的原子或原子团在空间排列的顺序 顺反异构体构型的命名已在第二章作了初步 学习，在第四章还要继续学习。这儿只介绍对映异构体的两种构型命名方法。一、D.L命名法 一个化合物的绝对构型通常指键合在手性中心的四个原子或基团在空间的真实排列方式。 1951年前，人们还无法确定化合物的绝对构型。费歇尔(Fischer)人为地选定(+)-甘油醛为标 准物，并规定其碳链处于垂直方向，醛基在碳链上端的投影式中，C2上的羟基处于右侧的 为D-构型。其对映体，(-)-甘油醛为L-构型。两者结构分别如下：CHOH0HCHqOHD-+ )-甘油醛D-(+ )-glj/ceraldehylesCHCHOHch2ohD-(-)-甘油醛D-(-)-gly:e ralde hyies以甘油醛为标准物，通过合适的化学反应转化成其它旋光性化合物，只要在反应过程中不断 裂与手性中心直接相连的化学键，那么所得的化合物的构型就与原甘油醛的构型相同例如：CHOH0HCOOHOHch2oh廿曲醛 gJyicRlfJctiydcsdbcd图 3-8R.S 构型命名法图示 : 次序法则（确定 C 上连的四个基团优先顺序 ：次序法则 1：与手性碳原子直接相连的四个不相同的原子，先后顺序取决于原子序数的大小，原子序数较 大的原子较优先（也就是较大基团）。例如：Cl、Br、I、H四个原子，连在同一个手性碳上其原子序数大 小顺序为IBrClH。因此其优先顺序也是IBrClH次序法则 2：当手性碳所连的四个原子或基团中，有些基团的第一个原子相同时，则要依次看第二个甚至 第三个原子，直到遇有差别时，将其中原子序号大的仍然排列在前。例如，-ch3和-ch2ch3比较，第一 个原子均为碳，两者相同，于是比较该碳所连的原子或基团，前者为H，H，H，后者为H，H，C， 相比之下后者的碳原子序号比前者大。因此-ch2ch3应排在-ch3的前面。即优先顺序为-ch2ch3-ch3 次序法则3若手性碳上连有的基团含有双键或三键则可看成连接两个或三个相同的原子例如，醛基-CHO 可看作C原子上直接连着2个0和1个H原子，当有-CHO 和-CH2OH基同时连在一个手性碳上，那么 这两个基团由大到小的顺序应该是：-CHO -CH2OH。同样，羧基（-COOH）可看作碳原子上直接连着3个氧原子，当-COOH和-CHO比较时，这两个基团的优 先顺序是-COOH -CHOoR或S构型，它标志着手性分子的绝对构型。至今尚不知道化合物的旋光方向与构型的关系。不能把两者 混为一谈。例题1、命名氯溴碘甲烷（A和B）的构型BrBrCl解:BrCH转动构型 s构型 RbL1?转动Cl 使H远离视线忧先顺序：I Br Cl H反时针田莎1A忧先顺序:I Br Cl H顺时针田函1；使H远离视线例题2命名两个2-丁醇（A和B）的构型:解：ch3转动二 A 使H远离视线AHH3C OH忧先顺序：H 3匚比CH八CH尹H顺时针對阴构型 RCH3H一一OH_ 转动 CH?CH2CH3使H远离视线L比丿B反时针田刚忧先顺序:H0 CH2CH3 CH3 H构型 S