《讲稿PP立体化学B》PPT课件.ppt

第七章 立体化学,碳链异构 构造异构 位置异构 官能团异构 互变异构同分异构 顺反异构 构型异构 立体异构 旋光异构（对映异构）构象异构,同分异构分类：,一、手性和物质的旋光性,问题：,椅子与它的镜像是否相同?,1手性,左右手的镜像关系,左手与右手的关系可以看成“实物”与其“镜像”的关系，它们似乎是同样的，但不能叠合，所以是不同的。物体的这种特性称为“手性”。某些微观的分子同样具有“手性”，我们称这类分子为“手性分子”。即不能与其镜象叠合的分子为手性分子；手性分子有旋光性。大量的天然有机物，如脂类、糖类、氨基酸、生物碱以及在生物体内起重要作用的酶等，大多是手性分子。,手性(chirality)、手性分子(chiral molecule):,2偏振光,普通光与偏振光：,普通光 尼可尔棱镜 偏振光,普通光,晶轴,3物质的旋光性和旋光度,旋光仪的原理：,物质将偏振光的振动方向旋转了一定角度，我们说它们具有“旋光性”，并称这类有机物为光学活性物质或旋光活性物质。偏振光旋转的角度叫旋光度，用表示。使偏振光顺时针方向转动，称为右旋物质，通常用（+）或d表示；使偏振光逆时针方向旋转，称为左旋物质，通常用（-）或l表示。,旋光性、旋光度,旋光仪构造简图,A光源；B起偏镜；C盛液管；D检偏镜；E回转刻度盘；F目镜,一般定义：1mL中含1g旋光性物质的溶液，放在1dm长的盛液管中测得的旋光度叫做该物质的比旋光度，并用表示。对某一物质来讲，比旋光度是一个定值，它与旋光度的关系如下：,4比旋光度,D-钠光源，波长为589nm；t-测定时温度，单位为a-实测的旋光度；l-样品管的长度，单位为dm；-为样品的质量浓度，单位为gml-1。,比旋光度是一物理常数,某物质溶液的浓度为5g/100mL，在20时，以钠光为光源，用1dm长的盛液管测得它的旋光度是-4.64，按照上面公式计算它的比旋光度为：,从手册上查得果糖的，因此可推知该未知物可能是果糖。,例：,二、旋光性与分子结构的关系,旋光性是手性分子的物理特性，判断分子是否有手性，可用球棒模型做一对实物与镜像的分子模型，观察它们是否能够完全叠合，如果不能叠合就是手性分子。但是要判断一个分子是否有手性，并非一定要用模型来考察它与镜像能否叠合。一个分子是否与其镜像叠合，与分子的对称因素有关，主要对称因素有对称面和对称中心，少数有四重更迭对称轴。如果分子中不存在对称面、对称中心和四重更迭对称轴，则这个分子具有手性。,1对称面 s,假设一个平面把一个分子切成两半，而这两半彼此间互为镜像关系，这个平面就是这个分子的对称面。,2对称中心 i,设想分子中有一中心点 P，任何的直线通过分子的中心，在离中心等距离处遇到完全相同的原子，此点即为该分子的对称中心。,3对称轴与四重更迭对称轴,（旋转对称轴）,通过物体或分子的一条直线，以这条直线为轴旋转一定的角度，得到的物体或分子的形象和原来的形象完全相同，这种轴称为对称轴。n指绕轴一周，有n个形象与原形象相同。,对称轴 Cn：,四重更迭对称轴 S4：,Sn=Cn+（垂直于Cn）,S4I=IVII=III,1956年首次合成了一个有四重更迭轴的分子,问题：判断下列分子是否具有手性,三、含手性碳原子化合物的 旋光异构,-与四个不同的原子或基团相连接的碳原子，通常用星号“*”标出。例如：,乳酸 酒石酸,手性碳原子（亦称“不对称碳原子”）(chiral carbon atom),(“asymmetric carbon”),含有一个手性碳原子的分子往往具有手性。含有多个手性碳原子的分子不一定都具有手性。而不含手性碳原子的分子也不一定不具有手性。,问题：,含有手性碳原子的分子是否一定具有手性？不含手性碳原子的分子是否一定不具有手性？,1含一个手性碳原子的化合物,（1）对映体和外消旋体(enantiomer)(racemate,or racemic mixture),乳酸的一对对映体,乳酸旋光异构体的物理性质,等量的左旋体和右旋体组成的体系没有旋光活性的，这种体系叫做外消旋体,常用“（）”或“dl”表示。,（2）旋光异构体结构表示法,透视式：,费歇尔（Fischer）投影式：,（1）以手性碳原子为投影中心；（2）从手性碳原子所伸出的四个键中，横向（左右）的两个键伸向纸面前方，竖向（上下）的两个键伸向纸面后方；（3）一般把碳链放在竖向（上下），其它基团放在横向（左右）。在碳链中一般把主链编号为“1”号的碳原子放在上端。,费歇尔（Fischer）投影式的投影原则：,例:（+）假麻黄碱的构型如下：,问题：,（1）表示某一个化合物的费歇尔投影式在纸平面上平移，或在纸平面上旋转180或其整数倍，构型是否改变？（2）若在纸平面上旋转90或其整数倍，或离开纸平面翻转，构型是否改变？,（1）若将一个费歇尔投影式在纸平面上旋转180后，得到的投影式和另一投影式相同，则这两个投影式表示同一构型。,（2）若将一个费歇尔投影式在纸平面上旋转90（顺时针或逆时针旋转均可）后，得到的投影式和另一投影式相同，则这两个投影式表示两种不同构型，二者是一对对映体。,（3）在投影式中，固定任一基团不动，其余三个基团按顺时针或逆时针顺序依次交换位置，其构型不变。,2构型的命名法（标记法）,（1）D，L-命名法,D-()-甘油醛 L-(-)-甘油醛,标准物质的构型确定之后，其它旋光物质可以通过化学转变把它们与两种甘油醛的构型相关联或相对照，从而确定其构型。这样确定的构型是相对于标准物质而言，所以叫做相对构型。,D-()-甘油醛 D-()-甘油酸 D-()-乳酸,1951年通过X射线衍射法测定了右旋酒石酸铷钾的真实构型，恰好与其相对构型相同。这样假定的甘油醛的相对构型就是绝对构型了，以甘油醛作为参比物确定的其它旋光性物质的相对构型就是绝对构型了。D、L标记法一般适用于含一个手性碳原子的化合物。在标记氨基酸和糖类化合物的构型时普遍采用。,（2）R，S-构型命名法,R-构型 S-构型,首先按优先次序规则将手性碳原子所连的四个原子或基团（a，b，c，d）由大到小排列成序。这里设abcd。观察：,R、S标记法的规则 按照次序规则，将手性碳原子上的四个原子或基团按先后次序排列，较优的原子或基团排在前面。将排在最后的原子或基团放在离眼睛最远的位置，其余三个原子或基团放在离眼睛最近的平面上。按先后次序观察其余三个原子或基团的排列走向，若为顺时针排列，叫做R-构型；若为逆时针排列，叫做S-构型。,例如：2丁醇,(R)-2-丁醇,(S)-2-丁醇,注意要以立体的观点看待费歇尔投影式，在用投影式判断分子的 R，S-构型时，应将其还原为透视式。,从右后方观察,OH COOH CH3 为顺时针排列,（R)乳酸,为了方便起见，可根据投影规则和R，S-命名法的规定，引用下述简易方法：,最小基团若连在投影式的竖线上（不论在上或在下），其它三个基团从大小顺时针为R型，逆时针为S型，与透视式一致，可总结为“小上下，同向”。最小基团若连在投影式横线上（不论在左或在右），其它三个基团从大小顺时针为S型，逆时针为R型，与透视式恰好相反，可总结为“小左右，反向”。,例如：,问题：,D、L和R、S是两种不同的构型标记方法，它们之间有没有必然的联系？旋光性化合物的构型（R、S或D、L）和其旋光方向（或）有没有必然的联系？但是如果知道一个旋光性化合物的构型为R，其旋光方向为“”，它的对映体的构型为（），其旋光方向为“（）”。,3含两个手性碳原子的化合物,（1）含两个不相同手性碳原子的化合物：,（2S,3R）（2R,3S）（2S,3S）（2R,3R）,化合物和是一对对映体，和也是一对对映体，两对对映体可组成两个外消旋体。化合物或与化合物或不是实物和镜影的关系。这种不为实物和镜影关系的异构体叫做非对映体(diastereoisomer)。,试写出下列化合物的费歇尔投影式：,(i),(ii),(iii),(iv),(2R,3R)-赤藓糖,(2S,3S)-赤藓糖,(2S,3R)-苏阿糖,(2R,3S)-苏阿糖,(i)(ii)对映体，(iii)(iv)对映体。,(i)(iii),(i)(v),(ii)(iii),(ii)(v)为非对映体。,（2）含两个相同手性碳原子的化合物：,（2S，3S）-酒石酸（2R，3R）-酒石酸,（2R，3S）-酒石酸（2S，3R）-酒石酸,含两个相同手性碳的分子有3个立体异构体，其中有一个内消旋体,假手性碳,旋光异构体的数目随着手性碳原子数目的增多而增加。含一个手性碳的化合物，例如乳酸有两个旋光异构体（一对对映体）；含两个不相同手性碳的化合物，如丁醛糖有四个旋光异构体（两对对映体）。当有n个手性碳原子时，其旋光异构体的最高数目应是2n个，也就是2n-1对对映体。而那些不是实物与镜像关系的异构体，叫做非对映体。,在含有多个手性碳原子的旋光异构体中，如果两个异构体中只有某一个手性碳原子构型相反，而其它手性碳原子的构型均相同时，叫做差向异构体(epimer)。如果构型不同的不对称碳原子在链端，称为端基差向异构体。其它情况，分别根据C原子的位置编号称为Cn差向异构体。差向异构体之间也是非对映体关系。,()-阿拉伯糖,()-来苏糖,()-木糖,()-核糖,(i)和(iii),(ii)和(iv)是 C2差向异构体。,(i)和(iiv),(ii)和(viii)是C3差向异构体。,(i)和(vi),(ii)和(v)是C4差向异构体。,试指出差向异构体：,手性；手性分子；手性碳原子。对映体；非对映体；外消旋体；内消旋体；差向异构体。,简述下列定义：,4旋光异构体性质的比较,对映体的化学性质相同（与手性试剂的作用例外），它们的物理性质除旋光方向相反外，其它如熔点、沸点、溶解度等都完全相同。外消旋体和相应的左旋体或右旋体相比，除旋光性能不同外，其它物理性质也有差异，但化学性质基本相同。非对映体之间，不但旋光性能不同，其它物理性质也不相同。在化学性质方面，它们虽能发生类似的反应，但反应速度各异。,m.p.D(水)溶解度(g/100ml)pKa1 pKa2(+)-酒石酸 170oc+12.0 139 2.98 4.23(-)-酒石酸 170oc-12.0 139 2.98 4.23()-酒石酸 206oc 0 20.6 2.96 4.24meso-酒石酸 140oc 0 125 3.11 4.80,酒石酸异构体的性质比较,对映异构体之间极为重要的区别是它们对于生物体的作用不同。因为生物体中的重要催化剂酶具有手性，所以许多可以受酶影响的化合物，其对映体的生理作用有很大的差别。例如，人体所需要的氨基酸都是L-型的，人体所需要的糖都是D-型的，它们的对映体D-型氨基酸和L-型糖，对人毫无营养价值。,四、不含手性碳原子的旋光异构,在丙二烯型分子中当两端的双键碳原子上各连有不同的原子或基团时，则分子中既无对称面又无对称中心，分子具有手性。例:,1丙二烯型化合物,丙二烯分子结构,由于单键旋转受阻而形成了手性分子,2联苯型化合物,五、环状化合物的立体异构,例:,顺式 反式（1R，2S）（1R，2R）（1S，2S）,实验证明：单环化合物有否有旋光性可以通过其平面结构式的对称性来判别，凡是有对称中心和对称面的单环化合物无旋光性，反之则有旋光性。,CH3,CH3,CH3,CH3,有对称面,无对称面和对称中心,问题:薄荷醇有几个手性碳原子?,七、动态立体化学,烯烃加成反应中的立体化学,1、试问顺-2-丁烯、反-2-丁烯与溴反应是 什么历程？2、试分别写出其反应产物。3、两个产物是否相同？,问题:,亲电加成:,顺-2-丁烯与溴加成得到的产物是外消旋体,反应历程：,溴 翁离子中间体,产物是外消旋体,钅,反-2-丁烯与溴加成得到的产物是内消旋体,问题:试写出环戊烯与氯加成反应产物。,