第五章对映异构课件

第四章第四章 立体化学（立体化学（Stereochemistry）立体化学是有机化学的重要组成部分立体化学是有机化学的重要组成部分.它的主要内容是研究它的主要内容是研究有机化合物分子的三度空间结构有机化合物分子的三度空间结构(立体结构立体结构),及其对化合物的及其对化合物的物理性质和化学反应的影响物理性质和化学反应的影响.立体异构体的定义：分子中的原子或原子团互相连接的次立体异构体的定义：分子中的原子或原子团互相连接的次序相同，但在空序相同，但在空 间的排列方向不同而引起的异构体。间的排列方向不同而引起的异构体。本章主要讨论立体化学中的本章主要讨论立体化学中的对映异构对映异构.第四章 立体化学（Stereochemistry）立体化构造异构构造异构constitutional立体异构立体异构Stereo-碳链异构碳链异构(如如:丁烷丁烷/异丁烷异丁烷)官能团异构官能团异构(如如:醚醚/醇醇)位置异构位置异构(如如:辛醇辛醇/仲辛醇仲辛醇)构型异构构型异构configurational构象异构构象异构conformational顺反顺反,Z、E异构异构对映非对映异构对映非对映异构同分异构同分异构isomerism同分异构现象同分异构现象构造异构立体异构碳链异构(如:丁烷/异丁烷)构型异构构象异构20世纪世纪60年代的年代的“反应停反应停”事件，是一个典型的药物导致胎事件，是一个典型的药物导致胎儿畸形的例子。当时一家西德药厂生产了一种治疗早期妊娠儿畸形的例子。当时一家西德药厂生产了一种治疗早期妊娠反应的新药，有很好的止吐作用。许多有呕吐反应的早期妊反应的新药，有很好的止吐作用。许多有呕吐反应的早期妊娠妇女，服用此药后，可迅速把妊娠反应性呕吐停住，因而娠妇女，服用此药后，可迅速把妊娠反应性呕吐停住，因而取名为取名为“反应停反应停”。由于止吐效果显著，颇受早孕妇女的欢。由于止吐效果显著，颇受早孕妇女的欢迎。在很短的时间里便风靡全世界。特别是在十几个经济比迎。在很短的时间里便风靡全世界。特别是在十几个经济比较发达的国家内，成为非常畅销的药。但是随后不久，这些较发达的国家内，成为非常畅销的药。但是随后不久，这些国家内不断出生了许多没有胳膊也没有腿的海豹样新生婴儿。国家内不断出生了许多没有胳膊也没有腿的海豹样新生婴儿。仅在生产此药的西德，仅在生产此药的西德，10个月中，就有个月中，就有5500多个这样的怪胎多个这样的怪胎出生。在英国也在短时间内，登记到的这种怪胎就有出生。在英国也在短时间内，登记到的这种怪胎就有4000多多个。日本也发现个。日本也发现300多个。多个。引言引言20世纪60年代的“反应停”事件，是一个典型的药物导致胎儿畸镇静作用镇静作用强烈致畸作用强烈致畸作用 反应停反应停（halidomide，-苯肽茂二酰亚胺，塞利多米苯肽茂二酰亚胺，塞利多米 ）镇静作用强烈致畸作用 后来经研究发现，反应停是消旋体，其右旋体有镇静作用，后来经研究发现，反应停是消旋体，其右旋体有镇静作用，而左旋体对胚胎有很强的致畸作用。手性药物疗效的极大差而左旋体对胚胎有很强的致畸作用。手性药物疗效的极大差异促进了手性药物的研究开发与及分离分析的发展。目前普异促进了手性药物的研究开发与及分离分析的发展。目前普遍使用的遍使用的2000多种合成药物中有多种合成药物中有600余种为手性药物，而活余种为手性药物，而活性的单一对映体药物不足性的单一对映体药物不足100种，其余的种，其余的500余种都是左右旋余种都是左右旋混在一起的消旋体药物。混在一起的消旋体药物。1997年，全世界年，全世界100个热销药中，有个热销药中，有50个是单一对映体（手个是单一对映体（手性药物），手性药物已占世界医药市场的半壁江山。从市场性药物），手性药物已占世界医药市场的半壁江山。从市场前景来看，手性药物研制大有可为。前景来看，手性药物研制大有可为。后来经研究发现，反应停是消旋体，其右旋体有镇静作用，而左旋体4.1 手性和对映体手性和对映体镜象与手性的概念镜象与手性的概念 一个物体若与自身镜象不能叠合一个物体若与自身镜象不能叠合,叫具有叫具有手性手性.在立体化学中在立体化学中,不能与镜象叠合的分子叫手性分子不能与镜象叠合的分子叫手性分子,而能叠合而能叠合的叫的叫非手性分子非手性分子.4.1 手性和对映体镜象与手性的概念 一个物体若与自身镜象不生活中的一些手性物体生活中的一些手性物体生活中的一些手性物体例例:乳酸乳酸(2-羟基丙酸羟基丙酸CH3-CHOH-COOH)的立体结构：的立体结构：乳酸的两个模型的关系象左手和右手一样乳酸的两个模型的关系象左手和右手一样,它们不能相互叠它们不能相互叠合合,但却互为镜象但却互为镜象.例:乳酸(2-羟基丙酸CH3-CHOH-COOH)的立体分子的对称性与手性的关系分子的对称性与手性的关系考察分子的对称性就能判断它是否具有手性。考察分子的对称性就能判断它是否具有手性。(1)对称轴对称轴(旋转轴旋转轴)设想分子中有一条直线设想分子中有一条直线,当分子以此直线为轴旋转当分子以此直线为轴旋转360/n后后,(n=正整数正整数),得到的分子与原来的分子相同得到的分子与原来的分子相同,这条直线就是这条直线就是n重对称轴重对称轴.有有2重对称轴的分子重对称轴的分子(2-丁烯丁烯)分子的对称性与手性的关系考察分子的对称性就能判断它是否具有手(2)(2)对称面对称面(镜面镜面)有对称面的分子有对称面的分子设想分子中有一平面设想分子中有一平面,它它可以把分子分成互为镜可以把分子分成互为镜象的两半象的两半,这个平面就是这个平面就是对称面对称面.(2)对称面(镜面)有对称面的分子设想分子中有一平面,它可(3)对称中心对称中心设想分子中有一个点设想分子中有一个点,从分子中任何从分子中任何一个原子出发一个原子出发,向这个点作一直线向这个点作一直线,再从这个点将直线延长出去再从这个点将直线延长出去,则在与则在与该点前一线段等距离处该点前一线段等距离处,可以遇到一可以遇到一个同样的原子个同样的原子,这个点就是对称中心这个点就是对称中心.(3)对称中心设想分子中有一个点,从分子中任何一个原子出发(4)交替对称轴交替对称轴(旋转反映轴旋转反映轴)设想分子中有一条直线设想分子中有一条直线,当分子以此直线为轴旋转当分子以此直线为轴旋转360/n后后,再用一个与此直线垂直的平面进行反映再用一个与此直线垂直的平面进行反映(即作出镜象即作出镜象),如如果得到的镜象与原来的分子完全相同果得到的镜象与原来的分子完全相同,这条直线就是交替对这条直线就是交替对称轴称轴.4()旋转旋转90后得后得(),()作镜象得作镜象得(),()等于等于()有有4重交替对称轴的分子重交替对称轴的分子(4)交替对称轴(旋转反映轴)设想分子中有一条直线,当分子 对称性与手性的关系对称性与手性的关系:非手性分子非手性分子凡具有对称面、对称中心或交替对称轴的分子凡具有对称面、对称中心或交替对称轴的分子.手性分子手性分子既没有对称面既没有对称面,又没有对称中心又没有对称中心,也没有也没有4 4重交重交替对称轴的分子替对称轴的分子,都不能与其镜象叠合都不能与其镜象叠合,都是手性分子都是手性分子.对称轴对称轴的有无对分子是否具有手性没有决定作用的有无对分子是否具有手性没有决定作用.在有机化学中在有机化学中,绝大多数非手性分子都具有对称面或对称绝大多数非手性分子都具有对称面或对称中心中心,或者同时还具有或者同时还具有4 4重对称轴重对称轴.没有对称面或对称中心没有对称面或对称中心,只有只有4 4重交替对称轴的非手性分子重交替对称轴的非手性分子是个别的是个别的.手性分子的一般判断手性分子的一般判断:只要一个分子既没有对称面只要一个分子既没有对称面,又没有对又没有对称中心称中心,就可以初步判断它是手性分子就可以初步判断它是手性分子.对称性与手性的关系:非手性分子凡具有对称面、对称中心或交对映异构体对映异构体互为镜象的两种构型的异构体叫做互为镜象的两种构型的异构体叫做对映体对映体.一对对映体的构造相同一对对映体的构造相同,只是立体结构不同只是立体结构不同,这种立体异这种立体异构就叫对映异构构就叫对映异构.如乳酸是手性分子如乳酸是手性分子,故有对映体存在故有对映体存在:凡是手性分子凡是手性分子,必有互为镜象的构型必有互为镜象的构型.分子的手性是存在分子的手性是存在对映体的必要和充分条件。对映体的必要和充分条件。对映异构体互为镜象的两种构型的异构体叫做对映体.凡是手性分子4.2 旋光性和比旋光度旋光性和比旋光度4.2.1 旋光性旋光性旋光性旋光性某些物质能使偏振光的振动方向旋转一定角某些物质能使偏振光的振动方向旋转一定角度的性质。右旋度的性质。右旋(+)；左旋左旋()对映体的一般物理性质对映体的一般物理性质(熔点熔点,沸点沸点,相对密度相对密度.,以及光谱以及光谱)都相同都相同,只有对偏振光的作用不同只有对偏振光的作用不同.4.2 旋光性和比旋光度4.2.1 旋光性旋光性某些物质旋光性物质旋光性物质(或叫或叫光活性物质光活性物质)-具有旋光性的物质具有旋光性的物质.右旋物质（右旋物质（dextrorotatory）-能使偏正光的振动方向向右能使偏正光的振动方向向右旋的物质旋的物质.通常用通常用“d”或或“+”表示右旋表示右旋.左旋物质（左旋物质（levorotatory）-能使偏正光的振动方向向左能使偏正光的振动方向向左旋的物质旋的物质.通常用通常用“L”或或 “-”表示左旋表示左旋.旋光度旋光度（observed rotation)-偏正光振动方向的旋转角度偏正光振动方向的旋转角度.用用“”表示表示.凡是手性分子都具有旋光性而非手性分子则没有旋光性凡是手性分子都具有旋光性而非手性分子则没有旋光性4.2.2 比旋光度（比旋光度（specific rotation）由旋光仪测得的旋光度由旋光仪测得的旋光度,甚至旋光方向甚至旋光方向,不仅与物质的结不仅与物质的结构有关构有关,而且与测定的条件而且与测定的条件(样品浓度样品浓度,盛放样品管的长度盛放样品管的长度,偏正光的波长及测定温度等偏正光的波长及测定温度等)有关有关.旋光性物质(或叫光活性物质)-具有旋光性的物质.右旋物质（比旋光度比旋光度-通常把溶液的浓度规定为通常把溶液的浓度规定为1g/mL,盛液管的长度盛液管的长度规定为规定为1dm,并把这种条件下测得的旋光度叫比旋光度并把这种条件下测得的旋光度叫比旋光度.一般一般用用 表示表示.比旋光度只决定于物质的结构比旋光度只决定于物质的结构.各种化合物的比旋光度是它各种化合物的比旋光度是它们各自特有的物理常数们各自特有的物理常数.比旋光度的测定与换算比旋光度的测定与换算用任一浓度的溶液用任一浓度的溶液,在任一长度的盛液管中进行测定在任一长度的盛液管中进行测定,然然后将实际测得的旋光度后将实际测得的旋光度,按下式换算成比旋光度按下式换算成比旋光度:式中式中:C-溶液浓度溶液浓度(g/mL);-管长管长(dm)比旋光度-通常把溶液的浓度规定为1g/mL,盛液管的长度规 表表示示比比旋旋光光度度时时，需需要要标标明明测测量量时时的的温温度度、光光源源的的波长以及所使用的溶剂。波长以及所使用的溶剂。例例如如，在在温温度度为为20C时时，用用钠钠光光灯灯为为光光源源测测得得的的葡葡萄糖水溶液的比旋光度为右旋萄糖水溶液的比旋光度为右旋52.2,应记为：应记为：D20=+52.2（水）（水）“D”代代表表钠钠光光波波长长。钠钠光光波波长长549nm相相当当于于太太阳阳光光谱中的谱中的D线。线。比旋光度是旋光性物质的一个物理常数。比旋光度是旋光性物质的一个物理常数。表示比旋光度时，需要标明测量时的温度、光源的波长以及4.3 4.3 含有一个手性碳原子的化合物的对映异构含有一个手性碳原子的化合物的对映异构手性碳原子的概念手性碳原子的概念 在有机化合物中，手性分子大都在有机化合物中，手性分子大都含有与四个互不相同的基团相连的碳原子。含有与四个互不相同的基团相连的碳原子。这种碳原子没有任何对称因素这种碳原子没有任何对称因素,故叫故叫不对称碳原子不对称碳原子,或叫或叫手性碳原子手性碳原子,在结构式中通常用在结构式中通常用*标出手性碳原子标出手性碳原子。含有一个手性碳原子的分子一定是手性分子含有一个手性碳原子的分子一定是手性分子4.3 含有一个手性碳原子的化合物的对映异构手性碳原子的概念例：例：乳酸乳酸CH3CHOHCOOH*右旋乳酸右旋乳酸左旋乳酸左旋乳酸熔点熔点=53 熔点熔点=53 外消旋体外消旋体由等量的对映体相混合而成的混合物由等量的对映体相混合而成的混合物.外消旋体不仅没有旋光性，且其他物理性质也往往与单外消旋体不仅没有旋光性，且其他物理性质也往往与单纯的旋光体不同。例如：外消旋体乳酸熔点为纯的旋光体不同。例如：外消旋体乳酸熔点为14.例：乳酸CH3CHOHCOOH*右旋乳酸左旋乳酸熔点=53 乳酸的分子模型和投影式乳酸的分子模型和投影式4.4 构型的表示法，构型的确定和构型的标记构型的表示法，构型的确定和构型的标记4.4.1 构型的表示法构型的表示法菲舍尔投影式菲舍尔投影式 菲舍尔投影式菲舍尔投影式:两个竖立的键两个竖立的键向纸面背后伸去的键向纸面背后伸去的键;两个横在两边的键两个横在两边的键向纸面前方伸出的键向纸面前方伸出的键.在纸面上旋转在纸面上旋转140不变；旋转不变；旋转90或或270或翻身或翻身镜象镜象乳酸的分子模型和投影式4.4 构型的表示法，构型的确定和构型R-S标记法标记法是根据手性碳原子所连接的四个基团在空间的排列来标记的：是根据手性碳原子所连接的四个基团在空间的排列来标记的：(1)先先把把手手性性碳碳原原子子所所连连接接的的四四个个基基团团设设为为：a,b,c,d。并并将将它它们们按按次次序序（3.3节次序规则节次序规则）排队。）排队。(2)若若a,b,c,d四四个个基基团团的的顺顺序序是是a在在先先，b其其次次，c再再次次，d最最后后。将将该该手手性性碳原子在空间作如下安排：碳原子在空间作如下安排：R-SR-S标记法标记法把把排排在在最最后后的的基基团团d放放在在离离观观察察者者最最远远的的位位置置，然然后后按按先先后后次次序序观观察察其其他三个基团。他三个基团。几即从最先的几即从最先的a开始，经过开始，经过b，再到再到c轮转看。轮转看。若若轮轮转转方方向向是是顺顺时时针针的的，则则该该手手性性碳碳原原子子的的构构型型标标记记为为“R”-（“右右”的的意思）；反之，标记为意思）；反之，标记为“S”顺时针顺时针 R反时针反时针 S基团次序为：基团次序为：abcd4.4.2 构型的构型的确定和确定和标记标记R-S标记法是根据手性碳原子所连接的四个基团在空间的排列来(1)(1)先先将将次次序序排排在在最最后后的的基基团团d d放放在在一一个个竖竖立立的的（即即指指向向后后方方的的）键上。然后依次轮看键上。然后依次轮看a a、b b、c c。(2)(2)如如果果是是顺顺时时针针方方向向轮轮转转的的，则则该该投投影影式式代代表表的的构构型型为为R R型型；如果是逆时针方向轮转的，则为如果是逆时针方向轮转的，则为S S型。型。c顺时针顺时针逆时针逆时针 菲舍尔投影式中菲舍尔投影式中R-S标记法：标记法：若标记分子的菲舍尔投影式中的若标记分子的菲舍尔投影式中的d d是在竖键上是在竖键上基团次序为：基团次序为：abcd(1)先将次序排在最后的基团d放在一个竖立的（即指向后方的）顺时针方向轮转的，则该投影式代表的构型为顺时针方向轮转的，则该投影式代表的构型为S型；如果是型；如果是逆时针方向轮转的，则为逆时针方向轮转的，则为R型。型。顺时针顺时针逆时针逆时针若标记分子的菲舍尔投影式中的若标记分子的菲舍尔投影式中的d是在横键上是在横键上基团次序为：基团次序为：abcd顺时针方向轮转的，则该投影式代表的构型为S型；如果是逆时针方例如：例如：乳酸乳酸CH3CHOHCOOH手性碳原子的四个基团排队：手性碳原子的四个基团排队：OH COOH CH3 H.因此乳酸的两种构型可分别如下因此乳酸的两种构型可分别如下识别和标记：识别和标记：(右旋右旋):S-(+)-乳酸乳酸(左旋左旋):R-(-)-乳酸乳酸例如：乳酸CH3CHOHCOOH手性碳原子的四个基团排队：分子中有多个手性碳原子的化合物分子中有多个手性碳原子的化合物,命名时可用命名时可用R-S标记法将每个手性碳原子的构型一一标出。标记法将每个手性碳原子的构型一一标出。左边左边C-2所连接的四个基团的次序所连接的四个基团的次序:OH CHOHCH2CH3 CH3 H左边左边C-3所连接的四个基团的次序所连接的四个基团的次序:OH CHOHCH3 CH2CH3 H例如：例如：(2S,3R)-2,3-戊二醇戊二醇(2R,3S)-2,3-戊二醇戊二醇分子中有多个手性碳原子的化合物,命名时可用R-S标记法将每个 含有一个手性碳原子的化合物有一对对映体。含有一个手性碳原子的化合物有一对对映体。分分子子中中若若有有多多个个手手性性碳碳原原子子，立立体体异异构构的的数数目目就就要要多多些些：若若含含有有n个个手手性性碳碳原原子子的的化化合合物物，最最多多可可以以有有2n种种立立体体异异构构。有些分子的立体异构数目有些分子的立体异构数目少于少于 2n这个最大数。这个最大数。4.5 含有多个手性碳原子化合物的立体异构含有多个手性碳原子化合物的立体异构例例:2-羟基羟基-3-氯丁二酸的立体异构氯丁二酸的立体异构 这四种异构体中这四种异构体中(I)和和(II)是对映体是对映体;(III)和和(IV)是对映体是对映体.(I)和和(II)等量混合物是外消旋体；等量混合物是外消旋体；(III)和和(IV)等量混合物也是等量混合物也是外消旋体。外消旋体。含有一个手性碳原子的化合物有一对对映体。4.5 含有多个手非非对对映映体体(I)I)和和(III)III)或或(IV)IV)以以及及(II)(II)和和(III)III)或或(IV)IV)也也是是立立体体异异构构，但但它它们们不不是是互互为为镜镜象象，不不是是对对映映体体，这这种种不不对对映的立体异构体叫做非对映体映的立体异构体叫做非对映体.非非对对映映体体旋旋光光度度不不相相同同,而而旋旋光光方方向向则则可可能能相相同同,也也可可能能不不同同,其它物理性质都不相同其它物理性质都不相同:2-2-羟基羟基-3-3-氯丁二酸的物理性质氯丁二酸的物理性质非对映体混合在一起非对映体混合在一起,可以用一般的物理方法将它们分离出来可以用一般的物理方法将它们分离出来.非对映体(I)和(III)或(IV)以及(II)和(III例例:酒石酸的立体异构酒石酸的立体异构 有些分子的立体异构数目少于有些分子的立体异构数目少于2n这个最大数这个最大数这四种异构体中这四种异构体中(I)和和(II)是对映体是对映体;(III)和和(IV)是同是同一种物质一种物质(它们可以相互叠合它们可以相互叠合).例:酒石酸的立体异构 (III)(III)通过通过C(2)-C(3)C(2)-C(3)键中心点的垂直线为轴旋转键中心点的垂直线为轴旋转140140,就可就可以看出它可以与以看出它可以与(IV)(IV)是叠合的是叠合的:以黑点为中心以黑点为中心在纸面上旋转在纸面上旋转140在它的全重叠式构象中可以找到一个对称面。在它的全重叠式构象中可以找到一个对称面。在它的对位交叉式构象中可以找到一个对称中心。在它的对位交叉式构象中可以找到一个对称中心。(III)通过C(2)-C(3)键中心点的垂直线为轴旋转14 所以所以,(III)和和(IV)是同一种分子。是同一种分子。(III)既然能与其镜象叠既然能与其镜象叠合，它就不是手性分子。因此也没有旋光性。合，它就不是手性分子。因此也没有旋光性。这种物质叫这种物质叫内消旋体内消旋体（meso compound）。内消旋体与外消旋体均无内消旋体与外消旋体均无旋光性，但它们的本质不同旋光性，但它们的本质不同.所以,(III)和(IV)是同一种分子。(III)既然能本章重点本章重点立体异构的概念手性分子的判断与菲舍尔投影式手性碳原子的构型及RS标记法对映异构体、非对映异构体的概念内消旋体、外消旋体的概念作业：习题3.4.6本章重点立体异构的概念紫杉醇紫杉醇紫杉醇是从太平洋红豆杉中分紫杉醇是从太平洋红豆杉中分离出来的化合物，离出来的化合物，1971年报道年报道了其结构。该化合物于了其结构。该化合物于1992年年被美国食品和药物管理局批准被美国食品和药物管理局批准为抗乳腺癌和抗卵巢癌的药物。为抗乳腺癌和抗卵巢癌的药物。由于紫杉醇在红豆杉树皮中含由于紫杉醇在红豆杉树皮中含量很低，又表现出独特的抗癌量很低，又表现出独特的抗癌机制，因此，紫杉醇引起了生机制，因此，紫杉醇引起了生物、医学、制药、生态和有机物、医学、制药、生态和有机合成等学科领域的极大重视，合成等学科领域的极大重视，也引起了社会的关注，成为一也引起了社会的关注，成为一个个“明星明星”分子。分子。Nicolaou小小组和组和Holton小组几乎同时于小组几乎同时于1994年率先报道了其全合成，年率先报道了其全合成，随后随后Danishefsky、Wender,Mukaiyama和和Kuwajima小组小组分别完成了其全合成。分别完成了其全合成。紫杉醇紫杉醇是从太平洋红豆杉中分离出来的化合物，1971年报Brevetoxin B神经毒素神经毒素Brevetoxin B是赤潮产生的有毒海水的活性成分。是赤潮产生的有毒海水的活性成分。Brevetoxin B由由11个环、个环、23个手性中心构成，是一个具有规个手性中心构成，是一个具有规整结构，具有美感的分子。整结构，具有美感的分子。Nicolaou小组经过小组经过12年的努力，年的努力，终于于终于于1995年完成了其全合成。伴随着这一工作建立了许多年完成了其全合成。伴随着这一工作建立了许多创新型的合成方法。创新型的合成方法。Brevetoxin B神经毒素Brevetoxin B是赤Brevetoxin BBrevetoxin B