8旋光异构.ppt

第八章 旋 光 异 构,本章要点：,1.掌握分子的手性、手性碳原子、对称因素、对映体、非对映体、旋光异构、外消旋体和内消旋体等概念。2.熟练掌握费歇尔投影式。3.熟练掌握R、S 及D、L构型标记方法。,4.掌握含一个、两个手性碳原子的光学异构。,5.了解不含手性碳原子化合物的光学异构。,碳链异构：构造异构 位置异构：Constitution 官能团异构：isomerism 互变异构：同分异构 顺反异构：构型异构 对映异构 立体异构 Enantiomerism Stereoisomerism 构象异构,一、异构体的分类,普通光是一种电磁波，光振动方向与前进方向垂直。,二、偏振光和物质的旋光性,1.平面偏振光：只在一个平面上振动的光。,混合光的振动平面 单色光的振动平面 平面偏振光的振动平面,有旋光性物质溶液,无旋光性物质溶液,2.物质的旋光性,能使偏振光的振动平面转动的性质称为物质的旋光性，这种物质称为旋光性物质或光活性物质。使偏光振动平面左旋的物质称左旋体（Dextrorotatory）；向右旋转的物质称右旋体(Levorotatory)。旋光物质使偏光振动平面旋转的角度称旋光度。测定旋光度的仪器旋光仪。,旋 光 仪 原 理 示 意 图,旋光度的大小取决于物质的浓度、温度、旋光管长度、光的波长及溶剂等因素，在溶剂、温度、光源一定时，旋光度正比于浓度和旋光管长度，即c，l。,比旋光度t：1mL含1g旋光性物质的溶液，放在1dm（10 cm）长的样品管中测得的旋光度即该物质的比旋光度，即单位浓度、单位长度的旋光度。溶液中：t t/l c 对纯液体，浓度c用密度表示。温度t一般为室温，光波波长常用钠光D线（586.9 nm和589.3 nm）。,“左旋”，用“”表示；“右旋”，用“+”表示。,如，t 92.80，表示该物质在20水溶液、钠光光源，比旋光度为左旋92.80。发酵乳酸 t 3.80，肌肉乳酸 t+3.80,手性 把左手放到镜子面前，左手的镜像与右手相同，左、右手的关系相对映而不重合。,三、旋光性和分子结构的关系,手性：物质与镜像相对映而不重合的性质称为 手性或手性征。手性分子：具有手性的分子称为手性分子或手性征 分子。手性分子最大特征是具有旋光性。非手性分子：不具有手性的分子称为非手性分子。,判断分子的手性：分子与其镜像重合称为非手性分子；分子与其镜像不重合称为手性分子。,两个分子为实物和镜像的关系：彼此不能重合，如同人的左、右手一样。,2溴丁烷分子模型示意图,旋光性 手性分子（不对称分子）,不对称分子与不对称碳原子(手性碳原子)：,2.对称中心,1.对称面,既无对称面也没有对称中心的，一般可判定为手性分子。,有对称面、对称中心的分子均可与其镜象重叠，是非手性分子；反之，为手性分子。,结论：,互相呈实物与镜像的关系，它们的熔点相同，酸性相同，一般化学性质相同，比旋光度数也相同，只是旋光方向相反。这样的异构体叫光学对映体。,（+）-乳酸,（-）-乳酸,乳酸,1.对映异构体和外消旋体,四、含一个不对称碳原子的旋光异构体,对映体的特点：具有相同的分子构造 两者的关系为：实物与镜像 不能相互重叠 物理性质相同，化学性质相似,等量的光学对映体混合时，左旋体所具有的旋光度，恰好被其右旋体抵销，因此失去了旋光性。这种特殊的混合物，称为外消旋体。（）表示外消旋体。,手性碳构型表示式有三种：球棒式：把碳原子、与碳相连的原子或基团画成球，标出化学符号，用棒表示共价键。这种表示清楚、直观，但书写麻烦。立体透视式：手性碳放在纸面上，粗实线或楔线连接的原子或基团在纸面前，用虚线连接的在纸 面后，用细实线连接的在纸面上。这种表示清楚、直观，但书写也较麻烦。,2.费歇尔（Fisher）投影式,标准写法是把碳链写在上下竖立的位置，并把氧化态较高的基团放在碳链的上端，把其它的原子或基团放在左右横向位置。,投影原则是：把与手性碳原子结合的左右横向的两个键伸向手性碳原子的前面，即伸向观察者；把上下 竖立的两个键伸向手性碳原子的后面。常称为“横前竖后”，即横键朝前，竖键朝后的意思。,费歇尔（Fisher）投影式,费歇尔投影式写法注意点：1.投影式不能离开纸面旋转。2.投影式在纸面旋转180和360，结构保持不变。3.投影式在纸面旋转90和270，结构变成它的对映体。4.固定一个基团，其他三个基团依次旋转，构型不变。,要求：1.给出费歇尔投影式能想象出立体结构。2.立体结构能用费歇尔投影式表示。,Fishcher投影式具有严格的投影原则，不能随意改变，应用Fishcher投影式时，应经常考虑到分子的立体结构。应注意以下几点：,投影式在纸面上旋转1800时，构型不变，但旋转900时，构型改变成为其对映体。,投影式不能离开纸面旋转。,取代基的位置互换一次或奇数次，构型改变成为其对映体；取代基的位置互换两次或偶数次，构型不变。如固定一个基团，其余三个基团依次作顺时针或逆时针调换，构型不变。,构型改变 构型不变 构型改变,对映体的构型也可用伞形式表示，形象直观。但不便于表示含多个手性原子的分子。,Exercises：将下列结构表示为Fischer投影式：,3.构型及其表示方法,构型(相对构型)表示法,绝对构型：原子或基团在空间的真实排列。,构型不一定是右旋，也不一定是左旋。构型与旋光方向之间没有简单的联系。,构型表示法,这种方法根据化合物的实际模型或投影式就能判定构型。,命名原则：它先按顺序规则将与手性碳原子所连的 四个原子或基团确定一个从大到小的优先次序（如），然后让次序最小的原子或基团（）远离观察者（向最小基团方向观察）若 的排列次序是顺时针排列就称为型，相反反时针排列 的就称为型。,若abc是顺时针方向转，手性碳原子为 R-构型，用R表示；若abc是逆时针方向转，手性碳原子为 S-构型，用S表示。,透视式,R-甘油醛,S-甘油醛,R/S 与 D/L比较,均表示构型,R/S绝对构型，D/L相对构型含有多个不对称碳原子时，D/L以最后一个不对称碳 原子的构型来定，R/S每一个都需标明。D/L表示法与/表示法没有对应关系,在D-L标记中，在化学转化过程中手性中心构型不变化，产物构型标记不变化。在R-S构型标记中，在化学转化过程中即使手性中心构型不改变，产物构型的标记有可能改变。如：,4.命名标记 已明确构型的手性化合物在命名时要将 R、S 或D、L放到名称前并与名称间用半字线“-”隔开。如果分子中有多个手性碳，要分别判断每个手性碳的构型是R或S。命名时将手性碳位号与R 或 S 一起放在括号内，写到名称前面。,例如：,（2R,3R）-2-羟基-3-氯丁二酸,（2S,3S）-2,3-二羟基丁二醇,五、含有两个不对称碳原子的旋光异构体,1.含两个不相同的不对称碳原子,III,(2R,3R)-(-)-赤藓糖,D-(-)-赤藓糖,(2S,3S)-(+)-赤藓糖,L-(+)-,(2S,3R)-(-)-苏阿糖,D-(-)-,(2R,3s)-(+)-苏阿糖,L-(+)-,和；和 是对映体,和 或；和或 是非对映体,非对映体：不仅旋光性不同，其它物理性质不同，化学性质也不完全相同。,差向异构体：,若含有n个不相同的不对称碳原子,则有2n个旋光异构体,含有多个不同手性碳的化合物光学异构体数目=2n(n为不相同手性碳原子数目)例如：有CA CB CD 三个手性碳的化合物，有8个异构体（4对对映体）：,2.含两个相同的不对称碳原子,酒石酸,(2R,3S),(2S,3R),(2S,3S),(2R,3R),和是相同化合物,和是对映体,内消旋体：含有不对称碳原子的非手性分子，用meso表示。,III与IV互为对映体，I在纸面上旋转180，变为II，两者是同一个化合物。I（II）分子内有一对称面，非手性化合物，无旋光性，称为内消旋体。用“meso-”或“m-”表示。命名时在名称前加“meso-”，习惯上内消旋体也看成旋光异构体。,对映体、内消旋体、外消旋体的性质比较。例：2,3-二羟基丁二酸（酒石酸）的性质如下表所示。对映体的性质与内消旋体、外消旋体的性质不同。,六、含有不对称碳原子的环状化合物,七、不含不对称碳原子化合物的旋光异构,有少数旋光物质的结构中并不含不对称碳原子，但整个分子是手性分子，也具有旋光性。,1.取代的丙二烯型化合物,2，3-戊二烯,2.取代的联苯型化合物 在联苯系的邻位有四个大的取代基,限制两苯环绕环间轴线自由旋转,当两苯环上是不对称被取代时,就出现对映体。例1.2,2-二羧基-6,6-二氯联苯有对映体,是旋光性化合物。,3.螺环化合物 在2,6-二甲基螺3.3庚烷分子中,两个四元环是钢性的,两个平面互相垂直,在C2和C6上的两个基团所在平面也互相垂直,与1,2-丙二烯结构相似.有对映异构体存在。,4.含手性面化合物,能形成手性中心的元素不仅仅限于碳，其他的元素也可以生成手性中心，构成对映异构现象。如连有四个不同配体（基团、原子或电子对）的元素有机化合物很多。例:,5.含手性杂原子的化合物的对映异构现象,八、立体异构体之间相互关系的确定,1.制作模型。2.沿平面旋转。3.交换集团。4.确定构型。,2 投影式在纸面上旋转1800时，构型不变，但旋转900时，构型改变成为其对映体。,1.制作模型。,3 取代基的位置互换一次或奇数次，构型改变成为其对映体；取代基的位置互换两次或偶数次，构型不变。如固定一个基团，其余三个基团依次作顺时针或逆时针调换，构型不变。,构型改变 构型不变 构型改变,4.确定构型。,九、外消旋体的拆分 1.外消旋体拆分的意义(1)对映体化合物有特定的构型，在工业特别是制药工业有特殊意义。(2)在非手性条件下合成手性物质，得到的产物往往是外消旋体，需要拆分才能得到纯手性物质。例:,(3)在非手性条件，对映体的物理、化学性质相同，用一般的方法如分馏、重结晶等达不到分离的目的。外消旋体拆分：用某种方法，将外消旋体分成纯的左旋体和纯的右旋体的过程称为外消旋体的拆分。2.拆分的方法(1)机械分离法巴斯特(Pasture)发现结晶酒石酸，左旋体半面结晶向左，右旋体半面结晶向右。在放大镜下，他用镊子分开两种酒石酸。这一工作开拓了对映体拆分研究的新领域，这一拆分方法今天还在应用。,(2)生物拆分法 微生物如各种酶都是手性化合物，能将对映体中的一个化合物代谢，留下另一化合物，达到分离目的。其方法的缺点是只有一个异构体得到利用，另一异构体被消耗，寻找合适酶也不是件容易的事。(3)柱层析分离法 用不对称的吸附剂装柱，进行柱层析，可分离外消旋体。(4)化学分离法 这是用得最多的一种方法。,3.化学法分离外消旋体 原理：把外消旋体的一对对映体用一个纯的手性试剂转变为性质不同的一对非对映体，利用常规的分离方法分离非对映体，然后再将非对映体分别经化学处理，可以得纯的对映体。拆分剂：纯的手性试剂是拆分剂。,常用的拆分剂是天然存在的旋光性物质，天然的旋光物是纯态的物质。碱性拆分剂有马钱子碱、麻黄碱等。酸性拆分剂有酒石酸、苹果酸、樟脑磺酸等。,(1)酸碱的拆分,(2)非酸碱物质的对映体拆分 如果要拆分的外消旋体不是碱，也不是酸，可先转化成碱或酸后，再按酸、碱拆分的方法进行。例1.若拆分醇类外消旋体，可与苯酐反应转化成酸，用碱性拆分剂拆分，如：,例2.若拆分醛酮类外消旋体，可用纯手性肼的衍生物做拆分剂。肼的衍生物有:,练习题：,如何拆分?,十、手性药物和不对称合成1.生物分子的手性 在生物体内仅有一个对映体；生物选择代谢一对对映体中一个异构体；人体只吸收右旋葡萄糖；细胞只用左旋氨基酸合成蛋白质；蛋白质中氨基酸都是L-型；酶本身是手性化合物；肠道中催化蛋白质代谢的胰凝乳朊酶分子中含251个手性碳。可见手性化合物对生物的重要性。,2.手性药物 许多药物都是手性的，且只有一个对映体有效，另一个无效，甚至起相反作用。抗炎剂布络芬 仅S-构型有效，R-构型无效，纯S-构型发生作用快。抗高血压药只有S-构型有效，而R-构型有高毒性。,镇静妊娠反应药“反应停”(R)-(+)-构型是有效的，而(S)-(-)-构型是使婴儿致残的异构体。,3.酶对反应物的选择 酶催化生物反应是先将有关分子通过各种键合力吸附到酶表面的手性环境中。一般酶用三个键合中心选择手性物,发生作用。假如催化甘油醛的酶的三个键合中心如下图排列的，一个适合H，一个适合OH，另一个适合CH2OH。这个酶只能识别(R)-甘油醛，不能识别(S)-甘油醛，即只催化(R)-甘油醛反应，不能催化(S)-甘油醛反应。,图：,4.不对称合成(1)不对称合成反应物分子的一个对称结构单元，用一个试剂转化成一个不对称的结构单元，产生不等量的对映体的反应，称为不对称合成，又称为手性合成。(2)不对称反应效率的两种表示方法用产物的异构体过量百分数ee表示:,用产物光学纯度OP表示：,在实验误差范围内，两种方法结果相等。若ee或OP为90%，则对映体比例为95:5。,(3)不对称合成的实施 不对称合成常通过三种方法达到合成的目的：利用纯手性物为起始反应物之一；反应物若非手性物，先引一个手性中心进入反应物，再进行合成反应；利用手性试剂、手性溶剂、手性催化剂等促进不对称合成。,例如:丙酮酸用硼氢化钠还原成2-羟基丙酸，得到外消旋体。若先在丙酮酸中引入手性的胺，变成酰胺后再用硼氢化钠还原，羰基处于手性环境，硼氢化钠从羰基平面两边进攻的机会不相等，就得到不等量的非对映体混合物，分离后再水解掉引入的手性胺，就能得到需要的对映异构体含量多的产物。,这里的关键是选择哪个胺（R-还是L-）才能得到需要的2-羟基丙酸。不对称合成反应，使用合适的手性条件，可使产物光学纯度达到95%以上。不对称合成反应广泛应用于有机化合物的构型测定，阐明反应机理，以及研究酶催化活性等领域。,十一、动态立体化学,1.SN2反应。2.亲电加成。3.E2消除,1、双分子亲核取代反应（SN2）,历程,特点,旧键的断裂和新键的形成是同步的,若是不对称碳原子，则构型发生瓦尔登反转，瓦尔登翻转是SN2反应的一个标志。,中间体是碳正离子，构型发生外消旋化,平面结构,50%保持,50%翻转,分步的,单分子亲核取代反应（SN1）,3、双分子消除反应（E2）,历程,双分子消除反应的机理,特点,同步进行的,消除取向，反式共平面,反式消除,顺式消除,命名下列化合物的R/S构型,R-1R，2R-1S，2S-,Exercises：,