第五章 立体化学基础

*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第五章 立体化学基础：手性分子,重点学习手性分子和非手性分子的区分；判断对映体、非对映体、外消旋体和内消旋体的存在；对映异构体的表示和命名；比较对映体性质上的异同点。了解对映体的拆分方法和手性分子在生物体中的作用。,构造异构,同分异构,立体异构,碳架异构,位置异构,官能团异构,互变异构,碳链异构,碳环异构,构型异构,构象异构,顺反异构,对映异构,对映异构,又叫,光学异构,或,旋光异构,。它是一类与物质的旋光性质有关的立体异构。,构造异构：,分子中原子间的排列顺序、结合方式,立体异构：,构造相同，原子在空间排布方式不同,第一节 手性分子和对映体,一、手性,(,chirality,),互为实物与镜像关系，彼此又不能重叠的现象为,手性,。,问题,：,脚,耳朵,鼻子,螺丝钉是否具有手性,？,二、手性分子和对映体,镜子,1.,不能与其镜像重合的分子称为,手性分子,(chiral molecule),。,2.,它们是彼此成镜像关系，又不能重合的一对立体异构体，互称为,对映异构体,(enantiomer),。镜像的不重合性是产生对映异构现象的充分必要条件。,一对对映体有相同的物理性质,除了与手性试剂反应外,对映体的化学性质也相同,两者还有十分重要的不同性质：,对偏振光的作用不同,;,生理作用上有着显著的不同,含,一个手性碳原子,的分子为,手性分子,，存在一对对映体。,3.,连有四个不同原子或基团的碳原子为,手性碳原子。,对映体空间结构的表示：,透视式,三、对称面和非手性分子,对称面：,能将分子结构剖成实物与镜像对映关系的两半的面。,有对称面的分子与它的镜像能重合，因此没有对映异构现象，称为非手性分子,(achiral molecule),。,方法二，寻找分子中,有无对称面,？,方法三，寻找,手性碳原子,（手性中心）。含一个手性碳原子的分子，一定为手性分子，存在一对对映体。,有对称面的分子为非手性分子。,注意！,含两个或两个以上手性碳原子的分子，大多数为手性分子，存在对映体；个别的可能无手性不存在对映体。,四、判断对映体的方法,方法一，用模型,考察分子与其镜像是否重合？,不重合则为手性分子，存在对映体。,有,手性碳，无手性,无,手性碳，有手性,讨论,:,下列分子中哪些是手性分子？,（）,a、b,第二节 费歇尔,(,Fischer),投影式,(,+,)-,乳 酸,Fischer,投影式的书写规则：,1.,横线和竖线的交叉点表示手性碳；,2.“,横前竖后”，主链在竖线上，编号较小的基团在上端；,课堂练习,：,试根据模型写出,Fischer,投影式。,在符合“,横前竖后,”规则的前提下,亦可得到不同,Fischer,投影式。,总结：,(1)Fischer,式的,平移,或,纸平面内旋转,180,，其构型不变。,但,Fischer,式不能离开纸面翻转或沿纸面旋转,90,(,或,270,),。,在纸平面内旋转,180,，构型不变,(2)Fischer,式中同一个手性碳上所连原子或基团对调,一次或奇数,次，,构型改变，,转变为它的对映体两两,交换,偶数次,，其,构型不变,。,（,3,）,Fischer,投影式离开纸面,翻转,构型改变！,立体异构体的几种表示方法：,透视式,Fischer,投影式,锯架式,Newman,投影式,第三节 旋 光 性,尼科尔棱晶,：只允许与棱晶晶轴平行的平面上振动的光线透过。,平面偏振光,：只在一个平面上振动的光称为平面偏振光。,一、偏振光和旋光性,手性分子,均具有旋光性。,物质能使偏振光的振动平面旋转的性质称为,旋光性。,二、旋光度与比旋光度,的大小与物质本性及外界条件,(,浓度、旋光管长、温度、光源波长、,溶剂,等）有关。,（一）旋光度,(,),：,物质使偏振光振动平面旋转的角度。,左旋体：,使平面偏振光振动平面向左旋转，用,(-),表示。,右旋体：,使平面偏振光振动平面向右旋转，用,(+),表示。,（二）比旋光度：,应用：测定旋光度，求出比旋光度，鉴定未知的旋光性物质；已知旋光度，计算物质的浓度。,1 ml,含,1 g,旋光性物质浓度的溶液，放在,1 dm,（,10cm,）长的盛液管中测得的旋光度称为该物质的比旋光度。通常用,t,表示。,为测定时光的波长，一般采用钠光（波长,589.3 nm,D,表示）,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（,20,）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。,答：胆固醇的比旋光度为,96(,氯仿,),。,=,=,96,文献中通常用如下格式报导一个旋光性化合物的比旋光度值：,D,20,=+98.3,o,(c 0.05,CH,3,OH),第四节 外消旋体,外消旋体,(,racemic,mixture),：,一对对映体的等量混合物。用,(),或,dl,表示。,一对对映体具有相同的熔点、沸点、密度、,p,K,a,两者的比旋光度大小相等，方向相反。,外消旋体,的物理性质与,单一对映体,有些不同，它不具有旋光性，熔点、密度和溶解度等常有差异。但沸点与纯对映体相同。,第五节 非对映体和内消旋化合物,一、非对映体,含有,n,个不相同手性碳原子的化合物,其光学异构体的数目是,2,n,个！如,2,3-,二氯丁醛有,4,个光学异构体。,2S,3R,2R,3S,2S,3S,2R,3R,(a)(b)(c),(,d),(a),和,(c),是彼此不成镜像关系的光学异构体,叫作,非对映体,(diastereomers);,同样,(a),和,(d),之间也是非对映体。,彼此不成镜像关系的立体异构体叫非对映体,。,非对映体具有不同的物理性质。如沸点、溶解度、旋光性等都不相同。,二、内消旋化合物,酒石酸分子中有,2,个相同手性碳。如果按照,2,n,规则,可有,4,个立体异构体。但实际上酒石酸分子只有,3,个立体异构体。,(a)(b),(c),(,d),(a),和,(b),是对映体,(a),和,(c),是非对映体,(b),与,(c),是非对映体,(a)(b),(c),(,d),将,(d),在纸平面上旋转,180,，就和,(c),完全相同。,象,(c),这种构型的分子,虽然有两个手性中心,但作为分子整体来说是非手性的。,(c),称为,内,消旋化合物,(meso compound),。,内消旋化合物是,纯净物，,不具有旋光性。,有一个简单的方法可以辨认内消旋化合物。就是它具有对称面。,对称面的上半部分是下半部分的镜像。因此分子的上下两部分对偏振光的影响相互抵消，使整个分子不表现旋光性。,内消旋酒石酸,分子中的,对称面,第六节 构型标记法,一、,D/L,构型标记法,在无法测知化合物真实构型的情况下，,Fischer,当年人为地规定,(,)-,甘油为,D-,构型,，其对映体,(,)-,甘油醛为,L-,构型,。,(+)-,甘油醛,(,)-,甘油醛,用,D/L,法命名时,Fischer,式必须,将主碳链放在竖直线上，把命名时编号最小的碳原子放在上端,(,主链下行,),。,二、,R/S,构型标记法,1.R/S,构型标记法分为两步：,(1),按,次序规则,确定与手性碳相连的四个原子或基团的,优先次序,（或称为,“大小”次序,）,例如,氯溴碘甲烷,：,I Br,Cl,H,(2),将手性碳上的,4,个原子或基团中优先次序最小的一个置于远离视线的方向,然后观察朝向自己的其余,3,个基团的优先次序。,顺时针方向排列为,R,构型；反时针方向排列为,S,构型,。,R-,氯溴碘甲烷,S-,氯溴碘甲烷,2.,在平面中,标记,Fischer,投影式的,R/S,构型的,（,1,）当最小基团在横线时，,a,、,b,、,c,顺时针排列为,S,型,，逆时针排列为,R,型,。,（,2,）当最小基团在竖线时，,a,、,b,、,c,顺时针排列为,R,型,，逆时针排列,S,型,。,R,R,R,S,例如：,内消旋体,(2,R,3S)=(2S,3R),对映体,(2,R,3R),(2S,3S),（2R，3R）（2S，3S）,（2S，3R）（2R，3S）,注意：,1,.,D,/,L,构型与,R,/,S,构型之间无必然联系。,2,.,化合物的构型与旋光方向无内在联系，为两个不同的概念。,第七节 无手性碳原子的对映体,大多数具有旋光性的化合物分子内都存在手性碳原子。但还有一些化合物虽无手性碳，就整个分子而言却包含手性因素，使它与其镜像不能重合。这类分子也是手性分子。,一对对映体,1.,单键旋转受阻的联苯型化合物,2.,丙二烯型化合物,当,AB,时，,I,和,II,互为镜像。彼此不能重合,为一对对映体。,1,3-,二氯丙二烯之所以具有手性,是因为分子的一半与另一半相互垂直。,(+)-1,3-,二氯丙二烯,(-)-1,3-,二氯丙二烯,第八节 外消旋体的拆分,非对映体的拆分，利用物理性质不同进行分离。,对映体的拆分方法：化学拆分法,一对,对映体,手性试剂,分步结晶,或蒸馏,非对映体,混合物,纯对映体,第九节 手性分子的形成和生物作用,一、手性分子的形成,（一）生物体中的手性分子,（二）非手性分子转化成手性分子,生物体内酶和底物都是手性化合物，且以,单一的对映体形式存在。,手性化合物,外消旋体,非手性,化合物,(S)-2-,氯丁烷,(2,S,3S)-(2S,3R)-,2,3-,二氯丁烷,2,3-,二氯丁烷,手性化合物 新手性化合物（非对映体）,二、手性分子的生物作用,多巴,(,Dopa,),：,2-,氨基,-3-(3,4-,二羟基苯基,),丙酸。,分子立体结构不同导致生理活性不同的原因：,细胞上的特定接受部位通常称为,受体靶位，,只有受体靶位与药物手性分子的立体结构成,互补关系,，其活性部位才能适合进入受体靶位，产生应有的生理作用。例如 酶与底物的作用，手性药等。,(+)-,多巴,(,无生理效应,)(-)-,多巴（抗帕金森氏病）,2.,下列化合物中，哪些有构型异构,?,练习：,1,.,下列化合物是否有旋光性,?,对映,异构体数目？,2,-,氯,-,3,-,羟基丁二酸,(,2,),2,3,-,二氯丁烷,