有机化学第三章立体化学基础.ppt

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1、立 体 化 学 基 础,主要内容,第一节 平面偏振光及比旋光度 第二节 分子的对称性和手性 第三节 含一个手性碳的化合物 第四节 含两个手性碳的化合物 第五节 外消旋体的拆分,第八节 不对称合成,第六节 取代环烷烃的立体异构,第七节 不含手性碳原子的手性分子,第一节 平面偏振光及比旋光度,光是一种电磁波，光波的振动方向与光的前进方向垂直。,如果让光通过一个象栅栏一样的 Nicol 棱镜(起偏镜)就不是所有方向的光都能通过，而只有与棱镜晶轴方向平行的光才能通过。这样，透过棱晶的光就只能在一个方向上振动，象这种只在一个平面振动的光，称为平面偏振光，简称偏振光或偏光。,那么，偏振光能否透过第二个Ni

2、col 棱镜(检偏镜)取 决于两个棱镜的晶轴是否平行，平行则可透过；否则不能通过。,如果在两个棱镜之间放一个盛液管，里面装入两种不同的物质。,结论：物质有两类：,（1）旋光性物质能使偏振光振动面旋转的性质，叫做旋光性；具有旋光性的物质，叫做旋光性物质。,（2）非旋光性物质不具有旋光性的物质，叫做 非旋光性物质。,旋光性物质使偏振光旋转的角度，称为旋光度，以“”表示。,但旋光度“”是一个常量，它受温度、光源、浓度、管长等许多因素的影响，为了便于比较，就要使其成为一个常量，故用比旋光度来表示：,式中：为旋光仪测得试样的旋光度,C为试样的质量浓度，单位 g/mL;若试样为纯液体则为密度。,l 为盛液

3、管的长度，单位 dm。,t 测样时的温度。,为旋光仪使用的光源的波长（通常用钠光，以D表示。）,t,D,第二节 分子的对称性和手性,分析有旋光性的乳酸和没有旋光性的丙酸在结构上的差别：,乳酸所以具有旋光性，可能是因为分子中有一个*C原子（不对称碳原子或手性碳）。,为什么有*C原子就可能具有旋光性？：,一、对称性,(1)一个*C就有两种不同的构型：,(2)二者的关系：互为镜象（实物与镜象关系，或者说左、右手关系）。二者无论如何也不能完全重叠。,与镜象不能重叠的分子，称为手性分子。,分子的构造相同，但构型不同，形成实物与镜象的两种分子，称为对映异构体（简称：对映体）。,对映体：成对存在，旋光能力相

4、同，但旋光方向相反。二者能量相同（分子中任何两原子的距离相同）。,外消旋体：等量对映体的混合物。,换句话说，具有实物和镜象关系的两个化合物互称对映异构体。,二、手性,（一）对称因素：,1.对称面（m）,2.对称中心（）,3.对称轴（Cn）,以设想直线为轴旋转360。/n，得到与原分子相同的分子，该直线称为n重对称轴（又称n阶对称轴）。,4.交替对称轴（旋转反映轴）（Sn）,（二）判别手性分子的依据,A.有对称面、对称中心、交替对称轴的分子均可与其镜象重叠，是非手性分子；反之，为手性分子。,至于对称轴并不能作为分子是否具有手性的判据。,B.大多数非手性分子都有对称轴或对称中心，只有交替对称轴而无

5、对称面或对称中心的化合物是少数。,既无对称面也没有对称中心的，一般判定为是手性分子。,分子的手性是对映体存在的必要和充分条件。,具有镜像与实物关系的一对旋光异构体。,(S)-(+)-乳酸(R)-(-)-乳酸()-乳酸 mp 53oC mp 53oC mp 18oC D=+3.82 D=-3.82 D=0 pKa=3.79(25oC)pKa=3.83(25oC)pKa=3.86(25oC),外消旋乳酸,第三节 含一个手性碳的化合物,（一）对映异构体的性质 1 结构：镜影与实物关系。2 内能：内能相同。3 物理性质和化学性质在非手性环境中相同，在手性环境中有区别。4 旋光能力相同，旋光方向相反。,

6、外消旋体与纯对映体的物理性质不同，旋光必然为零。,（i）外消旋混合物（ii）外消旋化合物（iii）固体溶液,（二）外消旋体,一对对映体等量混合，得到外消旋体。,熔点曲线,1.透视式（三维结构）,2.Fischer 投影式,（三）对映异构体的表示方法,使用Fischer 投影式的注意事项：,（1）可以沿纸面旋转，但不能离开纸面翻转。,（2）可以旋转180。，但不能旋转90。或270。,（四）对映异构体构型的标示,D/L标示法和R/S标示法,D-(+)-甘油醛 L-(-)-甘油醛,1.D/L标示法,D、L与“+、-”没有必然的联系,D-(+)-甘油醛,D-(-)-乳酸,相对构型和绝对构型,绝对构型

7、,能真实代表某一光活性化合物的构型（R、S）,与假定的D、L甘油醛相关联而确定的构型。,相对构型,H,O,2.R/S标记法,B.Fischer 投影式：,A.三维结构：,结论：当最小基团处于横键位置时，其余三个基团从大到小的顺序若为逆时针，其构型为R；反之，构型为S。,结论：当最小基团处于竖键位置时，其余三个基团从大到小的顺序若为顺时针，其构型为R；反之，构型为S。,S,R,R,判断基团大小的依据是我们已经熟悉的顺序规则,如果固定某一个基团，而依次改变另三个基团的位置，则分子 构型不变。,S,S,S,S,Fischer投影式具有下列几个性质：,试判断下列Fischer投影式中与(s)-2-甲基

8、丁酸成对映关系的有哪几个？,将投影式在纸平面上旋转90o,则成它的对映体。,R,S,将投影式中与手性碳相连的任意两个基团对调,对调一（或奇数次）则转变成它的对映体；对调二次则为原化合物。,第四节 含两个手性碳原子的化合物,（1）旋光异构体的数目（2）非对映体（3）赤式和苏式（4）差向异构体,主要的基本概念,一、含两个不同手性碳原子的化合物,不同是指两个手性碳上所连接的基团不具有一一对应的关系,对映体,对映体,对映关系：与；与非对映关系：与、与、与、与,旋光异构体的数目,含两个手性碳的分子，若在Fischer投影式中，两个H在同一侧，称为赤式(如和)，在不同侧，称为苏式(如和)。,赤式和苏式,非

9、对映体,不呈镜影关系的旋光异构体为非对映体。非对映体具有不同的旋光能力，不同的物理性质和不同的化学性质。,(i),(ii),(iii),(iv),(2R,3R)-(-)-赤藓糖,(2S,3S)-(+)-赤藓糖,(2S,3R)-(+)-苏阿糖,(2R,3S)-(-)-苏阿糖,HOCH2-CH(OH)-CH(OH)-CHO,(i)(ii)对映体，(iii)(iv)对映体。,(i)(iii),(i)(v),(ii)(iii),(ii)(v)为非对映体。,差向异构体,两个含多个不对称碳原子的异构体，如果，只有一个不对称碳原子的构型不同，则这两个旋光异构体称为差向异构体。如果构型不同的不对称碳原子在链端

10、，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。,()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。,构型异构、旋光异构、对映异构、非对映异构、差向异构的关系,1：构型异构2：旋光异构3：对映异构4：非对映异构5：差向异构,二、含两个相同手性碳原子的化合物,（1）假手性碳原子（2）内消旋体,相同是指两个手性碳原子上所连接的基团具有一一对应的关系,内消旋体(meso)：分子内部形成对映两半的化合物。(有平

11、面 对称因素)。,具有两个手性中心的内消旋结构一定是（RS）构型。,(I),(I),(2),(3),(+)-酒石酸,(-)-酒石酸,(R),(R),(R),(R),(S),(S),(S),(S),mp 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(dl)206oc 0 20.6 2.96 4.24meso-酒石酸 140oc 0 125 3.11 4.80,酒石酸的情况分析,化合物的旋光性与熔点、沸点一样，是许多分子所组成 的集体性质。只要分子中任何

12、一种构象有对称面或对称中心，其它有手性的构象都会成对地出现。,内消旋酒石酸的对称性分析,旋转180o,C3右旋60o,C2左旋60o,交叉式(I)有对称中心,交叉式(II),交叉式(III),交叉式(II)与(III)是一对对映体，其内能相等，在构象平衡中所占的百分含量相等,研究表明：一个含有n个不对称碳原子的直链化合物，如果它有可能出现内消旋型的旋光异构体，那么它的旋光异构体的数目将少于2n个。如果n为偶数，将可能存在2n-1个旋光异构体和 个内消旋型的异构体。如果n为奇数，则可以存在总共个2n-1立体异构体，其中 个为内消旋型异构体。,2,2,有内消旋体时旋光异构体的计算,内消旋体无旋光性

13、(两个相同取代、构型相反的手性碳原子，处于同一分子中，旋光性抵消)。,内消旋体不能分离成光活性化合物。,RS,指出下列(A)与(B)、(A)与(C)的关系(即对映体或非对映体关系)。,一个碳原子（A）若和两个相同取代的手性碳原子相连而且当这两个取代基构型相同时。该碳原子为对称碳原子，而若这两个取代基构型不同时，则该碳原子为手性碳原子，则（A）为假手性碳原子。,假不对称碳原子的构型用小r,小s表示。在顺序规则中，R 优先于S，顺优先于反。,假手性碳原子,对称碳原子,不对称碳原子,(2R,4R)-2,3,4-三羟基戊二酸,(2S,4S)-2,3,4-三羟基戊二酸,(2R,3s,4S)-2,3,4-

14、三羟基戊二酸,(2R,3r,4S)-2,3,4-三羟基戊二酸,三羟基戊二酸,第五节 外消旋体的拆分,定义：将外消旋体拆分成左旋体和右旋体，称为外消旋体的拆分。,1848年 Pasteur（巴斯德,法国化学家）在显微镜下用镊子将外消旋酒石酸拆分成右旋和左旋酒石酸。,1。手工法,2.化学法:,(+)RCOOH+(-)-RNH2,成盐,分级结晶,HCl,HCl,(+)-RCOO-(-)-RNH2,(-)-RCOO-(-)-RNH2,(+)-RCOOH+(-)-RNH3 Cl-,(-)-RCOOH+(-)-RNH3 Cl-,+,+,-,（1）拆分剂与外消旋体之间易反应合成,又易被分解。（2）两个非对映

15、立体异构体在溶解度上 有可观的差别。（3）拆分剂 应当尽可能地达到旋光纯度。（4）拆分剂必须是廉价的，易制备的，或易定量回收的。,拆分试剂的条件,1g R氨基醇,5g S+5g R 氨基醇饱和液（80，100ml）,析出2g R 氨基醇（余下4g R,5g S）,分去晶体，剩下母液,过滤,加水至100ml,冷却至20,80,加2g消旋体,冷却至20,2g S 氨基醇析出,诱导结晶法（化学法的一种）,3.生物法:在酶的作用下进行的拆分,4.色谱法:手性的固定相或手性流动相,含手性碳原子的单环化合物 判别单环化合物旋光性的方法,实验证明：单环化合物有否旋光性可以通过其平面式的对称性来判别，凡是有对

16、称中心和对称平面的单环化合物无旋光性，反之则有旋光性。,无旋光（对称面）,有旋光,第六节 取代环烷烃的立体异构,无旋光（对称中心）,有旋光,无旋光(对称面),无旋光（对称面）,无旋光（对称面）,有旋光,无旋光（对称面）,有旋光,例一：顺-1,2-二甲基环己烷,旋转120o,(1),(2),(1)的构象转换体,(1)和(2)既是构象转换体，又是对映体。能量相等，所以构象分布为(1):(2)=1:1。,结论：用平面式分析，化合物是内消旋体。用构象式分析，化合物是外消旋体。,取代环己烷旋光性的情况分析,S,S,结论：用平面式分析，(1R,2R)-1,2-二甲基环己烷或(1S,2S)-1,2-二甲基

17、环己烷是一种有旋光的化合物。用构象式分析，(1R,2R)-1,2-二甲基环己烷或(1S,2S)-1,2-二甲基 环己烷是无数种有旋光的构象式 组合而成的混 合物。,例三:（1S，2S）-1,2-二甲基环己烷,例二：（1R，2R）-1,2-二甲基环己烷,R,R,例4:顺-1,3-二甲基环己烷,分子中有一对称面,因此没有手性。,其椅式构象有两种情况,a，a,e，e,在两种构象中，两取代基都取平伏键的e，e构象为优势构象。,例5：反-1,3-二甲基环己烷,分子中没有对称面或对称中心,因此具有手性。,1R,3R,1S,3S,一对对映体中,两个手性碳的构型分别为1R,3R和1S,3S。,环转化前后的两种

18、构象能量相同。如：1R,3R,a，e,e，a,十氢化萘,顺式,反式,顺式有构象异构体,反式无构象异构体,第七节 不含手性碳原子的手性分子,1.有手性中心的旋光异构体2.有手性轴的旋光异构体3.有手性面的旋光异构体,1.有手性中心的旋光异构体,一对对映体已拆分,未拆分出光活异构体（未分电子对起不到一个键的作用。）,除C外，N、S、P、As 等也能作手性中心,2.有手性轴的旋光异构体,（1）丙二烯型的旋光异构体（2）联苯型的旋光异构体（3）把手化合物,（1）丙二烯型的旋光异构体,（A）两个双键相连,Vont Hoff（荷兰）Bel（法）（1901年诺贝尔奖）,实例：a=苯基，b=萘基，1935年拆

19、分。,（B）一个双键与一个环相连（1909年拆分）,（C）螺环形,D=81.4o(乙醇),25,C原子与X1（或X3）的中心距离和C原子与X2（或X4）的中心距离之和超过290pm，那么在室温（25oC）以下，这个化合物就有可能拆分成旋光异构体。,C-H（94104）C-CH3（94150）C-COOH（94156）C-NO2（94192）C-NH2（94156）C-OH（94145）C-F（94139）C-Cl（94163)C-Br（94183）C-I（94200）,（2）联苯型的旋光异构体,C-NO2 与 C-NO2 384pm C-NO2 与 C-CH3 365pm,由于位阻太大引起的旋

20、光异构体称为位阻异构体。,除了考虑基团的大小，还要考虑基团的形象,反应温度：118。,X=CH3 NO2 COOH OCH3,消旋化 t1/2,1.50 1.92 1.56 1.45179分 125分 91分 9.4分,半衰期越短，说明旋转的阻力越小。,IBrCH3ClNO2COOHNH2OCH3OHFH,阻转能力下降,旋光异构体在适当的条件下会发生消旋。,n=8，可析解，光活体稳定。n=9，可析解，95.5oC时，半衰期为444分。n=10，不可析解。,（3）把手化合物,n=4m=4可析解,43oCn=8半衰期170分,蒄（无手性）,六螺并苯（有手性）,3.有手性面的旋光异构体,第八节 不对

21、称合成,一 外消旋化 二 差向异构化三 外消旋体的拆分 四 不对称合成,一 外消旋化,一个纯的光活性物质，如果体系中的一半量发生构型转化，就得外消旋体，这种由纯的光活性物质转变为外消旋体的过程称为外消旋化。如果构型转化未达到半量，就叫部分外消旋化。,含有手性碳原子的化合物，若手性碳很容易形成正碳离子、负碳离子、自由基等中间体时，常会发生外消旋化。,经形成正碳离子、负碳离子、自由基等中间体发生外消旋化。,H+,-H+,-H+,H+,-H2O,-H2O,H2O,H2O,60-70oC4小时,（+）-肾上线素（无药效）,（-）-肾上线素（有药效）,H+,含手性碳的化合物，若手性碳上的氢在酸或碱的催化

22、作用下，易发生烯醇化，在烯醇化的过程中常会发生外消旋化。,经烯醇化发生外消旋化。,D-(-)-乳酸,L-(+)-乳酸,含多个C*的化合物，使其中一个C*发生构型转化的过程称为差向异构化。如果是端基的C*发生构型转化，则称为端基差向异构化。,D-(-)-麻黄素有生理活性，易结晶,L-(+)-假麻黄素生理活性只有麻黄素的1/5。,碳正离子,不对称合成,对称的反应（选向率为0）,不对称的反应,立体选向性反应0选向率100%,立体专一性反应选向率100%,通过反应把分子中的一个对称的结构单元转化为不对称的结构单元，称之为不对称合成。,选向率,0,100%,选向率,用拆分法提纯,几乎只有一种产物；要用重

23、结晶法来提纯。,第八节 不对称合成,（1）光学纯度百分率（%O.P）,反应物1+反应物2,产物1(R)+产物2(S),若(R)(S),若(R)(S),关于不对称合成的几个基本概念,若产物是一对对映体，当R构型的产物大于S构型的产物时，%ee 为,当S构型的产物大于R构型的产物时，%ee 为,（2）对映体过量百分率(%ee);简称ee值,（3）立体选向百分率（简称选向率）,如果产物 A 和 B 是非对映异构体，当 A B 时，立体选向百分率 为,当 B A 时，立体选向百分率 为,反应物+试剂,*1.手性反应物*2.手性试剂*3.手性溶剂*4.手性催化剂*5.在反应物中引入手性,产物,催化剂,溶剂,不对称合成常采用的方法,非手性分子,有一个手性中心,外消旋体,（少）,（多）,反应物有一个手性中心,产物有二个手性中心，非对映体。,大量的实验事实证明：一个非手性分子在反应过程中产生一个手性中心时，产物为外消旋体；但一个手性分子在反应过程中产生第二个手性中心时，将会产生二个不等量的非对映体。,