华中科技大学有机化学第七章对映异构现象.ppt

第七章 对映异构 手性和对映异构 当一个物体没有对称中心或者没有对称平面的时候，物体与它的镜像就不能重合，就象人的左手和右手一样，非常相似，但不能重叠，物体的这种性质称为物体的手性。如果出现分子与它的镜像不能重叠的情况，这种现象就称为分子的手性，这种分子就称为手性分子。很显然，一个手性分子至少有两种构型异构体，一个是实物，一个是映在镜子里的镜像，它们互为对映异构体，简称对映体。这种由于分子和它的镜像不能重叠而产生的构型异构叫做对映异构。如乳酸分子的两种对映体如下：,L-(+)-乳酸 D-(-)-乳酸,对映异构体在宏观性能上表现出的最大差别是生理活性不一样以及旋光性不同，其它一般性能如沸点、熔点、溶解度、极性甚至反应活性都是相同的。由于旋光性是容易测定的，测定旋光性是研究对映异构体最重要和最早的方法，因此对映异构也叫旋光异构，对映异构体也叫光学异构体。,旋光性 普通白光是由不同波长组成的电磁波，光波的振动方向与其前进方向互相垂直。单色光，如从钠光灯发射出来的黄光，则具有单一的波长(589nm)，但仍在与其前进方向互相垂直振动。若使普通光通过尼科尔(Nicol)棱镜，则只有振动方向和棱镜的晶轴平行的光线才能通过。这种只在一个平面上振动的光叫做平面偏振光，简称偏振光。偏振光振动所在的平面叫做偏振面。,普通光 尼科尔棱镜 偏振光,一束普通光（箭头为光束前进方向）一束偏振光,当两个尼科尔棱镜平行放置，从一个尼科尔棱镜产生的偏振光可以全部通过，但当两个尼科尔棱镜垂直放置时，从另一个尼科尔棱镜不能看到从前一个尼科尔棱镜产生的偏振光，必须将尼科尔棱镜旋转90o才能使偏振光完全看到。当在两个平行放置的尼科尔棱镜之间放置某些液体或溶液，如葡萄糖溶液，发现从一个尼科尔棱镜产生的偏振光不可以通过另一个尼科尔棱镜，必须将尼科尔棱镜旋转一定的角度才能使偏振光完全看到。这就说明这些溶液使偏振光的偏振面发生了偏转，溶液的这种使偏振光发生偏转的性质叫旋光性，也叫具有光学活性，旋转的角度叫做旋光度。如果使偏振光向右偏转，记为（）;如果向左偏转，记为（），如图74所示。,普通光 尼科尔棱镜 样品管 尼科尔棱镜 旋光仪的工作原理,7.1.4.3 比旋光度为了便于比较，一般用比旋光度表示物质的旋光能力大小和旋光方向,t为测定的旋光度；L为管长，以分米为单位；C为浓度，以克毫升为单位，如果为纯的液体则浓度改换成比重（克厘米3）。,由于两个对映体的旋光度大小相等但方向相反，将两个对映体等量混合所得到的溶液，其旋光能力相互抵消，没有旋光性，这种混合物叫做外消旋体。一些纯的对映异构体在酸碱、高温等条件下甚至在放置一段时间后，会转化为另外一个对映体，当两个对映体的量相等时，其旋光性也会消失，我们把这种现象叫做外消旋化。对映体容易发生外消旋化会影响对映体的旋光性和纯度，但要将一个没用的对映体转化为另一个有用的对映体时，在一定条件下进行外消旋化是经常要用到的。,7.1.4.4 分子的对称性与手性 只有手性分子才能分离出纯的对映体而显示光学活性，如何判断一个化合物是否具有手性，最好的办法是判断化合物分子是否具有对称性，如果一个分子没有对称面，也没有对称中心，这个分子与它的镜像不能重叠，分子具有手性。,（1）具有一个不对碳称原子的手性分子 当分子中的一个碳原子连接四个不同的原子或者原子团时，这个分子是不对称的，具有手性，这个碳原子叫做不对称碳原子，也叫做手性中心或者手性碳原子。如下图所示的-丙氨酸即为手性分子，-碳上有四个不同的取代基，分子与其镜像不能重叠，有两个对映体。左边的对映体即为天然的 L-丙氨酸，右边为人工合成的 D-丙氨酸。,2-氨基丙酸,如果碳原子上有两个相同的原子或者原子团，则分子有一个对称面，不具有手性，没有对映体，如丙酸。,被考查的碳原子，甲基以及羧酸在一个平面上，两个氢原子处在与平面相对称的两边，两个氢原子交换后得到的是同一个分子，这个平面即为对称面。也可把这个平面看作一面镜子，氢原子投影后，实物与镜像相同，可以相互重叠，因此具有对称面的分子没有手性。,（2）具有两个以上不对称碳原子的手性分子 当分子含有两个以及两个以上的不对称碳原子时，对映体的数目会急剧增加，情况变得复杂。如果一个分子内两个不对称碳原子是不相同的，即两个不对称碳原子上所连接的四个取代基不完全一样，这个分子会有四种不同的立体构型，可获得四种旋光异构体。因为每一个不对称碳原子会有一正一负两个旋光异构体，其中正的旋光异构体可与另一个不对称碳原子一正一负旋光异构体组合成两个旋光异构体，负的旋光异构体也可与另一个不对称碳原子组成两个旋光异构体，这样便得到四个旋光异构体a,b,c和d。图解如下：,例如3氯2丁醇，有两个不同的不对称碳原子，可以形成四个旋光异构体。,其中和，和两对旋光异构体互为实物和镜像关系，互为对映异构体，两个对映体的一般物理性质和化学性质相同，很难通过一般的分离方法进行分离。和、，以及和、之间不是实物和镜像关系，为非对映异构体。非对映体的理性质和化学性质往往不同，可以通过一般的分离方法如重结晶、柱层析等进行分离。3氯2丁醇四个旋光异构体的对映和非对映关系可图示如下：,从上面推断旋光异构体的方法中可以知道，如果分子中有n个不相同的不对称碳原子，则会有2n个旋光异构体。其中对映体总是成对出现，非对映体会有很多。,如果一个分子具有两个相同的不对称碳原子，旋光异构体的数目和性质会与上述的不一样。在上面推断旋光异构体数目的时候，有两个异构体是通过一个不对称碳原子的负旋光异构体与另一个不对称碳原子的正旋光异构体组合的，如果两个不对称碳原子不同，在组合时正负不会抵消。如果两个不对称碳原子相同，则在组合时正负旋光能力大小相等，会相互抵消。这样原来通过和组合得到的两个异构体将没有旋光性，成为一个异构体。这样就只有三个异构体，两个旋光，一个不旋光，不旋光的异构体叫做内消旋体，记为meso-.如酒石酸的结构所示，内消旋体虽然有不对称碳原子，但有一个对称平面，所以没有手性，没有旋光性。,左旋酒石酸 右旋酒石酸 内消旋酒石酸 D-(-)-酒石酸 L-(+)-酒石酸 meso-酒石酸,L-(+)-酒石酸为天然产物，D-(-)-酒石酸是人工合成的，它们两个互为对映体，有相同的熔点（170oC）,在120毫升水中都只能溶解139克，酸性强度也相同，比旋光度大小相同，方向相反。虽然内消旋体和外消旋体都没有旋光性，但它们的物理性能和化学性能有很大区别，它们与D或者L酒石酸对映体的性能也完全不同。内消旋体是一个单一分子，由于分子内有一个对称平面而没有旋光性；而外消旋体是两个对映体的等量混合物，旋光度相互抵消而不具有旋光性，可以再分离为两个旋光度相反的化合物。从理论上讲，凡含有两个相同的不对称碳原子的化合物都有三种立体异构体，一对对映体和一个内消旋体。,当环状化合物的环上有不对称碳原子时，旋光异构体数目与开链化合物相同，如2,5-二羧基四氢吡咯有两个相同的不对称碳原子，有三个立体异构体，包括二个对映体和一个内消旋体。,左旋二羧基四氢吡咯可从海藻中分离得到。很显然，两个旋光异构体有一个C2对称轴，即绕轴旋转180oC后，还是原来的立体构型。因此分子的轴对称性不会使分子失去手性。,左旋二羧基四氢吡咯 右旋二羧基四氢吡咯 meso-二羧基四氢吡咯,（3）没有不对称碳原子的手性分子 分子含有不对称碳原子是判断分子是否具有手性的一个重要条件，但不是充分和必要条件。分子含有不对称碳原子可能没有手性，如内消旋体；分子没有不对称碳原子也可以具有手性，只要整个分子是不对称的。,（a）联苯型的化合物 很多具有构象异构体的分子应该具有手性，因为当单键旋转到一定角度的时候，分子就会呈现不对称性。联苯型的化合物就是典型的例子。,6,6-二硝基-2,2-联苯二甲酸在连接两个苯的单键邻位全部有取代基，单键旋转受阻，两个苯环不在一个平面上，分子具有手性。,6,6-二硝基-2,2-联苯二甲酸,再如1,1-联二(2-萘酚)也是由于单键旋转受阻而成为手性分子。,右旋1,1-联二(2-萘酚)左旋1,1-联二(2-萘酚),1,1-联二(2-萘酚)的两个对映体在对映异构体的不对称合成中是非常有名的，常被用作催化剂的手性配体，得到的选择性很高。,（b）丙二烯型的手性分子在丙二烯分子中，两个累积双键是相互垂直的。如果在两边的碳原子上有取代基，两个碳原子上的取代基也是相互垂直的。如果两个碳原子上分别连接不同的取代基，则分子将没有对称性而具有手性。,下列人工合成的丙二烯衍生物 1,3-二苯基-1,3-二（1萘基）丙二烯的两个对映体已经拆分得到。,丙二烯型分子 丙二烯键轨道,（c）其它不同取代产生的手性分子 氮，磷以及硫等原子连接四个不同的取代基时，分子没有对称面或者对称中心，也具有手性。,叔膦的化合物能得到对映体。,很多亚砜化合物是一个稳定的手性分子。,甲基苯基亚砜的对映体,甲基正丙基苯基膦的对映体,当一个分子的骨架上有不同的取代基时，也会造成分子的不对称而具有手性。如在杯芳烃的下端连接的取代基后，可以分离出杯芳烃旋光体。,右旋杯芳烃 左旋杯芳烃,7.2 对映异构体的命名法,7.2.1 D/L相对构型标记法 在上世纪初光学异构体的绝对构型是不知道的。为了确定其它手性分子的相对构型,费歇尔(E.Fisher)选择D-甘油醛作为构型联系的标准。并且把D-甘油醛所具有的立体结构,即与不对称碳原子相结合的氢原子放在费歇尔投影式左边，编号最小的原子放在顶端，这样一种结构称为D-构型，其对映体为L-构型。,D-(+)-甘油醛 L-(-)-甘油醛,D-(+)-甘油醛 D-(-)-甘油酸 D-(+)-异丝氨酸,D-(-)-溴乳酸 D-(-)-乳酸,其它的旋光化合物的构型以甘油醛为标准比较得到。凡是由D-甘油醛通过化学反应得到的化合物或可转变为D-甘油醛的化合物，只要在转变过程中原来的手性碳原子构型不变，其构型即为D型。同样，与L-甘油醛相关的即为L型。例如：,反时针方向，S型 顺时针方向，R型取代基 abcd.,7.2.2 R/S绝对构型标记法 R/S命名法是将手性碳原子上四个不同的取代基中最小的取代基放在离观察者最远的地方，其它三个取代基按照从大到小的顺序数下去，如果为顺时针方向则为R构型，如果为反时针方向则为S构型。,原子或者原子团的大小次序规则如下：（1）原子序数或者原子量大的为较优的大基团。常见元素的原子的较优次序的排列如下：BrClSPSiFONCBLiTDH（2）如果取代基中与分子骨架直接相连的原子大小顺序相同时，应用外推法顺次比较第二个第三个等原子的大小顺序，直到能够决定较优的更大基团为止。例如:(CH3)3C，(CH3)2CH，CH3CH2，CH3（3）确定不饱和基团的大小次序时，应把不饱和键的成键原子看作是以单键分别和相同的原子相连接。,在书写立体构型时，既可用透视式表示，这样的书写比较直观，也可用费歇尔投影式表示。,透视式 费歇尔投影式,(R)-(-)-乳酸,(S)-(-)-苯基乙胺,从书写这些结构可知，如果任意调换两个原子或者原子团的位置，则分子的构型改变。,(R)-()-苯基乙胺,(S)-(+)-乳酸,命名含有多个手性碳原子的化合物时，应将每个手性碳原子的构型依次标出，并把手性碳原子的编号和构型符号一起放在化合物名称前的括号内。例如用R/S命名D和L酒石酸：,D-(-)-酒石酸 L-(+)-酒石酸(2S,3S)-酒石酸(2R,3R)-酒石酸,7.3 立体异构体的性质731 物理性质 两个对映体，物理性质相同。非对映异构体，一般不相同。外消旋体，对映体等量混合物。内消旋体，单一混合物。732 化学性质 在手性条件下，化学性质可以表现出差异。在一般的非手性条件下，两个对映体的化学性质完全相同。,733 生理性质 在生命体内，两个对映体往往表现出不同的生理性能。,S-thalidomider反应停,致畸 R-thalidomider反应停,镇定,表1 手性分子不同异构体不同的生理性能,7.5 单一对映体的制备方法7.5.1 对映体组成和纯度的测定对映体纯度一般用对映体过量的百分数来表示，记为e.e（enantiomer excess）。,非对映体过量(diastereomer excess,d.e.)。,7.5.1.1 测定旋光度 一个纯的对映体具有最大的旋光度绝对值，如果混有另外一个对映体，其旋光度绝对值会减小。工业上一般通过测定旋光度来判断对映体的纯度，也是最早用于分析对映体纯度的方法，用测旋光度得到的纯度也叫光学纯度。如果一个手性分子在所使用的波长范围内没有吸收，则它的对映异构体纯度不能通过测定旋光性来判断。7.5.1.2 核磁共振（NMR）测定 NMR一般不能区别两个对映体，但当这两个对映体与其它手性物质或者环境有作用时，这两个对映体实际上成为非对映体，此时则可以区别这两个对映体。(a)在手性溶剂中测定。如用(-)-苯基乙胺作溶剂，2,2,2-三氟-1-苯基乙醇的两个对映体可以用19F NMR谱区别开来。(b)使用位移试剂。常使用手性镧系配合物，对映体中含有孤对电子的原子能与手性金属配合物的金属离子配位，使对映体成为非对映体而能被NMR区别。很多手性化合物如酰胺、胺、酯、酮和硫砜等都能与手性镧系配合物作用，使对映体的NMR谱产生差异。,除了手性镧系配合物外，一些手性主体化合物也能用作位移试剂。,杯芳烃化合物 扁桃体酸,7.5.1.3 用手性色谱柱,用手性色谱柱确定对映体的组成是广泛使用的方法，因为很多对映体都可用手性色谱柱分开。对于低沸点的手性分子，一般小于260oC，或者在高温下稳定的手性分子，可用气相色谱来分析；对于高沸点的手性分子，或者在高温下不稳定的手性分子，可用液相色谱来分析。,7.5.2 化学拆分法 将外消旋化合物分离成两个纯的对映体叫做对映体的拆分。例如可以用天然的L-(+)-酒石酸将-苯乙胺拆分为纯的(S)-(-)-苯乙胺和(R)-(+)-苯乙胺。,常用于外消旋碱拆分的还有樟脑磺酸、扁桃体酸、柠檬酸等；用于酸拆分的有生物碱奎宁、马钱子碱、辛可宁等。用于拆分对映体的这些具有光学活性的试剂也叫拆分试剂。如果外消旋体既不是酸又不是碱，可以引入一个羧基或者氨基，然后用上述方法进行拆分。,7.5.3 物理拆分法 这种方法是在外消旋体的过饱和溶液中，加入少量某一对映体的晶体，也叫晶种，与晶种相同的对映体的过饱和度会加大，从而优先结晶出来。由于原外消旋体就是过饱和的溶液，晶种结晶出来时会将相同的对映体一同结晶出来，并可超出晶种的一倍。过滤后，溶液中就是另一对映体过量，再加外消旋体，加热溶解，冷却后另一对映体就优先结晶析出。这样加少量一种对映体，就可以把两种对映体分离出来，非常节省拆分试剂。在氯霉素的工业生产中使用这种方法可以将氯霉素同另外一种无效的对映体分开。,7.5.4 动力学拆分 前面两种对映体的拆分方法是利用溶解度及极性的大小来实行的。利用两个对映体在手性环境下反应速度不同，从而将两种对映体分离，这种方法叫做动力学拆分。,现在很多人工合成的手性催化剂也象生物酶一样具有很高的催化活性和选择性，甚至也可以用于外消旋体的动力学拆分。例如Sharpless环氧化手性催化剂可以用于烯丙醇的环氧化动力学拆分。,Sharpless环氧化手性催化剂为钛酸异丙酯和D-(+)-酒石酸异丙酯的混合物，用叔丁基过氧化氢作环氧化试剂，在二氯甲烷和20oC下进行。外消旋体中的(R)-3-丁烯-2-醇被环氧化，而(S)-3-丁烯-2-醇由于反应很慢保留了下来。(S)-3-丁烯-2-醇的沸点比环氧化物的低，先蒸馏出去，从而将两种异构体分开。得到的(2R,3R)-3,4-环氧基-2-丁醇是合成药物以及天然产物非常有用的手性原料。如它可用于合成新型抗癌药物埃博霉素（Epothilone）的手性砌块。,7.5.5 不对称催化反应通过手性催化剂将非手性原料转化为单一的对映体或者某一对映体过量的合成方法叫做不对称合成。现在不对称催化合成已经广泛的用于药物和天然产物的合成中。例如治疗帕金森病的L-多巴，就是通过不对称合成在工业上进行生产的。,L多巴,2001年10月，美国的威廉S诺尔斯（William S.Knowles）、日本的野依良治（Ryoji Noyori）和美国的巴里夏普雷斯（K.Barry Sharpless）因为他们找到了有机合成反应中的高效手性催化剂和不对称合成反应的方法，而获得了当年的诺贝尔化学奖。,现在，有越来越多的由单一对映体构成的，疗效好、毒副作用小、生物相容性好的的手性化合物（chiral drug）在医药，农药，材料等领域得到应用。,7.5.6 生物催化反应 生物酶的催化中心是具有旋光性的，由于生物酶是经过自然界长期筛选的产物，其催化活性及立体选择性都特别高。如将醛转化为旋光性的氰醇可用氰醇酶进行不对称催化反应来实行。,从水果杏中提取的氰醇酶可以得到R-氰醇，从微生物中分离的氰醇酶可用于合成S-氰醇，选择性大于99。,7.6 旋光异构在反应机理测定上的应用 旋光异构不仅在生理上有重要的作用，对确定反应机制也非常重要。例如，溴与2-丁烯加成得到2,3-二溴丁烷，有两个相同的手性碳原子，应该得到一对对映体与一个内消旋体,但是通过分析产物的立体结构，发现顺-2-丁烯加溴只得到外消旋体，而反-2-丁烯加溴只得到内消旋体。根据可能的反应机理顺或反式加成来分析，只有反式加成才符合这些实验结果。所以得到烯烃加卤素为反式加成的机理。,这种由一种立体异构的反应物转化为具有特定立体异构体产物的反应，称为立体专一性反应。,本章总结重点熟练掌握构造异构、顺反异构、构象、构型的概念2.手性分子、不对称中心、对映异构体、非对映异构体、旋光度、外消旋体、内消旋体、D/L构型、R/S构型、化学拆分等基本概念。难点手性分子的判断既没有对称面，也没有对称中心2.用R/S方法命名手性分子按原子序数大小排列的次序规则,对映异构体手性分子不对称，无对称面无中心。伴随两个对映体，性能相近分不清。R-S可标记，次序规则定其名。转化为非对映体，性能不同可拆分。,