03-立體化學(xué)基礎(chǔ)(藥學(xué)專升本).ppt

1、一、對(duì)映異構(gòu)體和手性 二、結(jié)構(gòu)的表示方法 三、對(duì)映體構(gòu)型的命名 四、手性和對(duì)稱性 五、對(duì)映體的光學(xué)活性 六、外/內(nèi)消旋體, 非對(duì)映體 七、對(duì)映體的性質(zhì) 八*、含其它手性中心的化合物 九*、脂環(huán)化合物的對(duì)映異構(gòu) 十*、外消旋體的拆分與光學(xué)純度 十一*、立體化學(xué)反應(yīng),第三章 立體化學(xué)基礎(chǔ),第三章 立體化學(xué)基礎(chǔ),構(gòu)造異構(gòu) 立體異構(gòu),(分子中原子間的排列順序、結(jié)合方式),(構(gòu)造相同，原子在空間排布方式不同),同分異構(gòu),對(duì)映異構(gòu)又叫光學(xué)異構(gòu)或旋光異構(gòu)。它是一類與物質(zhì)的旋光性質(zhì)有關(guān)的立體異構(gòu)。,一、平面偏振光(plane-polarized light )和比旋光度,光電磁波，它的振動(dòng)方向與其前進(jìn)方向垂直

2、(圖a).普通光的光波可在垂直于它前進(jìn)方向的任何可能的平面上振動(dòng)(圖b).,1、平面偏振光和旋光性,第一節(jié) 概述,圖 光的偏振,如果將普通光線通過1個(gè)nicol棱鏡，如圖。它好象1個(gè)柵欄，只允許與棱晶晶軸相互平行的平面上振動(dòng)的光線AA透過棱晶，而在其他平面上振動(dòng)的光線如BB、CC、DD則被阻擋住。這種只在一個(gè)平面上振動(dòng)的光叫平面偏振光。簡(jiǎn)稱偏振光或偏光.,(a) 水等不旋光物質(zhì),(b) 乳酸等旋光物質(zhì),圖 物質(zhì)的旋光性,A為盛液體 或溶液的管子,若使偏振光透過一些物質(zhì)(液體或溶液)，有些物質(zhì)如水、酒精等對(duì)偏振光不發(fā)生影響, 偏振光仍維持原來的振動(dòng)平面(圖a)；,但有些物質(zhì)如乳酸、葡萄糖等，能使

3、偏振光的振動(dòng)平面旋轉(zhuǎn)一定的角度 a(圖b).,能旋轉(zhuǎn)偏振光振動(dòng)方向的性質(zhì)叫旋光性 (optical activity ) ，具有這種性質(zhì)的物質(zhì)稱旋光性物質(zhì)或光學(xué)活性物質(zhì)。,2. 旋光儀和比旋光度,(1) 旋光儀 在實(shí)驗(yàn)室中要測(cè)定物質(zhì)的旋光度，可用旋光儀。常用的旋光儀的橫截面示意圖如下：,A光源；B起偏棱晶；C盛液管；D檢偏棱晶；E回轉(zhuǎn)刻度盤；T目鏡,面對(duì)光源順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的叫右旋，以“+”或“d”表示；反時(shí)針旋轉(zhuǎn)的叫左旋，以“”或“l(fā)”表示。,比例常數(shù) a 稱為比旋光度。它是單位長度和單位濃度下的旋光度。上述公式又稱為Biot定律。,旋光度 a 的大小，不僅與測(cè)定溶液的濃度成正比，也與測(cè)定溶液的厚

4、度（盛液管的長度）成正比。,t：測(cè)定溫度() D：光源(鈉D線，589nm) L：旋光管長度(dm) C：溶液濃度(gml-1or kgL-1),純液體為密度 通常還要注明溶劑,a = a LC,如：aD20 = +98.3o (C, 0.05, CH3OH),Problem 10：將5%葡萄糖水溶液放在10cm長的盛液管中，在20下測(cè)得旋光度 +3.2，求葡萄糖在水溶液中的比旋光度？它的對(duì)映體的比旋光度又是多少？把同樣溶液放在20cm長的盛液管中，測(cè)得的旋光度又是多少？,觀察自己的雙手，左手與右手有什么聯(lián)系和區(qū)別？,二、對(duì)映異構(gòu)體和手性,左、右手對(duì)映而不能重合，這種性質(zhì)稱為“手性”。,左手的

5、鏡像是右手 對(duì)映關(guān)系,左手 鏡 右手,左手和右手不能重合,任何物體都有它的鏡像。一個(gè)有機(jī)分子在鏡子內(nèi)也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的鏡像。實(shí)物與鏡像相應(yīng)部位與鏡面具有相等的距離。實(shí)物與鏡像的關(guān)系叫對(duì)映關(guān)系。,實(shí)物與鏡像,鏡面,若實(shí)物與其鏡像能夠完全重合，則實(shí)物與鏡像所代表的兩個(gè)分子為同一個(gè)分子。,所有基團(tuán)都重合,乙醇分子模型的重疊操作,對(duì)于某些分子，兩個(gè)互為實(shí)物與鏡像關(guān)系的分子不能重合，如乳酸。,具有對(duì)映而不能重合關(guān)系的立體異構(gòu)體，互稱為對(duì)映異構(gòu)體（簡(jiǎn)稱對(duì)映體）。,有對(duì)映異構(gòu)體的分子稱為手性分子（Chiral molecule），或稱分子具有手性(chirality).乙醇沒有對(duì)映體，因此是非手性分子。,*,*

6、,手性分子,非手性分子,對(duì)映體,又如：,能引起分子具有手性的一個(gè)特定原子或分子骨架的中心稱為手性中心，最常見的手性中心為手性碳原子。與4個(gè)不同基團(tuán)相連的碳原子稱為手性碳原子(常用*C表示),正是這種碳原子使乳酸分子產(chǎn)生了手性。*C只是手性原子(又稱手性中心)的一種，其他多價(jià)雜原子如N、P等也可形成手性中心。,手性中心,Question :下列化合物哪些是手性的？指出它們所含的手性碳原子。,*,*,*,*,*,一個(gè)手性分子必然具有手性中心、手性軸或手性面，最常見的是具有手性碳原子的化合物。但是具有手性碳原子的化合物，不一定都是手性分子和具有旋光性（如內(nèi)消旋體）。,要判斷一個(gè)分子是否具有手性，最可

7、靠的方法是將這個(gè)分子本身以及它的鏡像都作成模型，再來比較實(shí)物和鏡像是否能完全重合。若不能完全重合，則該分子有手性，存在對(duì)映異構(gòu)體。 也可以從考察這個(gè)分子有無對(duì)稱因素（symmetry of elements）入手。如果分子中沒有對(duì)稱面、對(duì)稱軸或?qū)ΨQ中心，則該分子是手性分子，存在對(duì)映異構(gòu)體。,三、分子的對(duì)稱性和手性,（一）對(duì)稱因素,1、對(duì)稱面(m)：假如有一個(gè)平面可以把分子切開成兩部分，而一部分正好是另一部分的鏡像，這個(gè)平面就是分子的對(duì)稱面。具有對(duì)稱面的分子與其鏡像能夠重合，因而無手性。,丙酸分子的對(duì)稱面,分子的對(duì)稱面,具有對(duì)稱面的分子為非手性分子,2.對(duì)稱中心 若分子中有一點(diǎn)P，通過P點(diǎn)畫任何

8、直線，如果在離P點(diǎn)等距離的直線兩端有相同的原子或基團(tuán)，則點(diǎn)P稱為分子的對(duì)稱中心。,具有對(duì)稱中心的化合物和它的鏡象能夠重合，因此也是非手性分子.,P,3.對(duì)稱軸,當(dāng)分子環(huán)繞通過該分子中心的軸旋轉(zhuǎn)一定的角度，得到的分子形象與原來的完全重合時(shí)，此軸即為對(duì)稱軸。當(dāng)旋轉(zhuǎn)360/n角度后，此軸即稱為n重對(duì)稱軸（符號(hào)Cn）。,一個(gè)三重對(duì)稱軸,一個(gè)六重對(duì)稱軸，六個(gè)二重對(duì)稱軸,Problem 8:下列化合物哪些有什么對(duì)稱因素？,1,4,練習(xí)題3.3,1、反1，2-二甲基環(huán)丙烷,2、環(huán)己烷的船式構(gòu)象,3、乙烷的交叉式構(gòu)象,沒有對(duì)稱因素,有對(duì)稱軸、對(duì)稱面,有對(duì)稱中心,4、丁烷的對(duì)位交叉式構(gòu)象,5、乙烷的重疊式構(gòu)象,

9、有對(duì)稱中心,有對(duì)稱面,（三）旋光性的產(chǎn)生,平面偏振光可看作是由兩個(gè)周期和振幅相同而自旋方向相反的圓偏振光疊加（左旋及右旋圓偏振光）組成。,當(dāng)平面偏振光通過一個(gè)具有對(duì)稱性的物質(zhì)時(shí)，兩種圓偏振光以同一速度前進(jìn)，在時(shí)間t內(nèi)，弧AB=AC，所以得到平面AA,結(jié)果振動(dòng)面不改變。若平面偏振光通過一個(gè)具有手性的物質(zhì)，此時(shí)兩種圓偏振光以不同速度前進(jìn)，假設(shè)右旋圓偏振光的速度較快， AB AC，結(jié)果引起振動(dòng)面向右旋轉(zhuǎn) 角度。,一、含一個(gè)手性碳原子的化合物,一對(duì)對(duì)映體具有相同的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、密度，兩者的比旋光度大小相等，方向相反。,熔點(diǎn)： 5353 比旋光度：-3.82 +3.82,第二節(jié) 對(duì)映異構(gòu)和非對(duì)映異構(gòu),手性

10、分子的立體結(jié)構(gòu)與受體的立體結(jié)構(gòu)(受體靶位)有互補(bǔ)關(guān)系時(shí)，其活性部位才能進(jìn)入受體的靶位，產(chǎn)生應(yīng)有的生理作用。而一對(duì)對(duì)映體只有其中一個(gè)適合進(jìn)入一個(gè)特定受體靶位，產(chǎn)生生理效應(yīng)。,如：(1R,2R)-(-)-氯霉素有效，而其他對(duì)映體幾乎無效，它們的抗菌活性為100:0.4。,生物學(xué)性質(zhì),如：,(+)-多巴 （無生理效應(yīng)）,(-)-多巴 （抗帕金森?。?手性分子與手性生物受體之間的相互作用,a. 對(duì)映體的構(gòu)型完全適合與受體靶位作用 b. 對(duì)映體不能合適地進(jìn)入相同的受體靶位,（二）外消旋體,外消旋體 一對(duì)對(duì)映體的等量混合物。是一種特殊的混合物。常用()或 dl 表示。 （如實(shí)驗(yàn)室中合成乳酸）,Questi

11、on ：外消旋體是否顯旋光性？為什么？,答：不顯旋光性。因?yàn)橐粚?duì)對(duì)映體的等量混合物其旋光性正好相互抵消。 外消旋體的化學(xué)性質(zhì)一般與旋光對(duì)映體相同，而物理性質(zhì)則有差異。,（三）、對(duì)映異構(gòu)體的表示方法,1、立體結(jié)構(gòu)式,透視式,2、Fischer投影式,（1）“橫前豎后”：與*C結(jié)合的兩個(gè)橫鍵代表朝向紙平面的前方,兩個(gè)豎鍵代表朝向紙平面的后方。（這一條必須遵守?。?Fischer投影式書寫規(guī)則（投影規(guī)則）,（2） 一般將主碳鏈放在豎直線上，把命名時(shí)編號(hào)最小的碳原子放在上端。 然后, 將這樣固定下來的分子模型中各個(gè)原子或基團(tuán)投影到紙面上。這樣，在投影式中，兩條直線的垂直交點(diǎn)(“十”字交叉點(diǎn))相當(dāng)于*C

12、，它位于紙面上。,按此方式得到的Fischer投影式為最嚴(yán)格的Fischer式，用D/L法命名時(shí)必須用這種Fischer式。,Problem : 下列Fischer式是否表示同一化合物？,（1）、 Fischer投影式不能離開紙面進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。 （2）、若要知道兩個(gè)投影式是否能重合，只能使它在紙面上轉(zhuǎn)動(dòng)180, 而不能旋轉(zhuǎn)90或270。,比較投影式時(shí)必須遵守下列規(guī)則：,（3）、 Fischer式中*C上所連原子或基團(tuán)可以兩-兩交換偶數(shù)次。若交換奇數(shù)次，將會(huì)使構(gòu)型變?yōu)樗膶?duì)映體。,（4）、三基團(tuán)輪換操作，不改變其構(gòu)型。,交換偶數(shù)次后與1同,命名具有立體特征的化合物時(shí)，應(yīng)標(biāo)出分子中連在手性碳上各個(gè)基團(tuán)

13、在空間的排布方式（即構(gòu)型）。,1、構(gòu)型的D/L命名法（相對(duì)構(gòu)型）：選擇甘油醛作為標(biāo)準(zhǔn)，并人為地規(guī)定它的構(gòu)型。 （碳鏈豎直，醛基在上端）,（四）、對(duì)映異構(gòu)體構(gòu)型的命名,規(guī)則：在嚴(yán)格的Fischer投影式中，C*上取代基處于右側(cè)為D-構(gòu)型；處于左側(cè)為L-構(gòu)型。,L-2-氨基丙酸,D/L標(biāo)記法一般用于糖類和氨基酸的構(gòu)型標(biāo)記。,1970年，國際上根據(jù)IUPAC的建議采用了R/S構(gòu)型系統(tǒng)命名法，這種命名法的適應(yīng)性更廣。直接根據(jù)化合物的實(shí)際構(gòu)型或投影式命名，不需要與其他化合物聯(lián)系比較。,2、構(gòu)型的R/S命名法,首先把手性碳上所連的四個(gè)原子或基團(tuán)根據(jù)順序規(guī)則排出大、中、小、最小。然后把最小的基放在方向盤的連

14、桿上，其它三個(gè)基就在方向盤上。然后再觀察這三個(gè)基的大、中、小走向，順時(shí)針為R，反時(shí)針為S。,方法：次序規(guī)則排次序，方向盤上定構(gòu)型。,abc順時(shí)針: R構(gòu)型,abc反時(shí)針：S構(gòu)型,順序規(guī)則(sequence rule)的主要原則： (1) 先大后小，先重后輕：按原子序數(shù)的大小，大者優(yōu)先；同位素則按原子量大小，重者優(yōu)先。（此為順序規(guī)則的核心）,-I-BrCl-SH-OH-NH2-CH3-D-H :,(2) 當(dāng)與碳原子直接相連的原子相同時(shí)，就延伸下去，逐個(gè)比較次接原子，若還是相同，則繼續(xù)順著原子鏈找下去，直到找到優(yōu)先基團(tuán)為止。（順藤摸瓜）,(3) 遇到雙鍵或叁鍵時(shí)，則當(dāng)作兩個(gè)或三個(gè)單鍵看待。(重鍵化

15、單),常見基團(tuán)的先后次序： I Br Cl SO3H SH F OCR OR O OH NO2 NR2 NHR NH2 CCl3 CO2H C NH2 CH CH2OH CN O O CCH C(CH3)3 CH=CH2 CH(CH3)2 CH2CH2CH3 CH2CH3 CH3 D H （孤對(duì)電子）；,（4）取代基互為對(duì)映異構(gòu)體時(shí)，Z-型雙鍵 E-型雙鍵； 取代基互為幾何異構(gòu)體時(shí)，R 構(gòu)型 S 構(gòu)型,下列幾個(gè)基團(tuán)根據(jù)次序規(guī)則判斷最優(yōu)基團(tuán)(最大基團(tuán))是( )。 A. -COOH B. CHO C. -CH2SH D. -CH2OH E. -CH3,直接利用Fischer投影式命名：,S-2-氯

16、丁烷,直接根據(jù)Fischer投影式命名的簡(jiǎn)便方法介紹：,R-(-)-乳酸,S-(+)-乳酸,S-2,3-二氯丙醇,Problem : 用R/S法命名下列化合物。,R-2,3-二氯丙醇,最小基在橫鍵上，紙面走向與實(shí)際走向相反，順時(shí)針為S型，逆時(shí)針為R型。,最小基在豎鍵上，紙面走向與實(shí)際走向相同，順時(shí)針為R型，逆時(shí)針為S型。,COOH HH HOHC=C CH3 HClH CH3 COOHCH C H CH3,(2R,3S)-2-羥基-3-氯丁二酸,4R-(2Z,5E)-4-甲基-2,5-庚二烯,Problem : Give the names of the following compounds

17、。(by R/S nomenclature),2,3,Question ：D/L 法和 R/S 有什么聯(lián)系嗎？,D/L 法和 R/S 是兩種不同的構(gòu)型表示方法，二者間無直接邏輯聯(lián)系，D和R以及L和S有時(shí)一致，有時(shí)不一致。,D-，R- D-，S-,QUESTION ：物質(zhì)的旋光方向與物質(zhì)的構(gòu)型有聯(lián)系嗎？是否右旋體的構(gòu)型就一定為D-或R-構(gòu)型，左旋體的構(gòu)型一定為L-或S-構(gòu)型？,R-或S-構(gòu)型標(biāo)志著手性分子的絕對(duì)構(gòu)型，至今尚不知道化合物的旋光方向與構(gòu)型的關(guān)系。,當(dāng)分子中有n個(gè)不相同C*，則有2n個(gè)旋光異構(gòu)體。,C2：-OH -CHClCO2H -CO2H -H C3: -Cl -CO2H -CHO

18、HCO2H -H,非對(duì)映異構(gòu)體 (彼此不成鏡像關(guān)系的立體異構(gòu)體),對(duì)映體,對(duì)映體,R R,SS,SR,RS,二、含兩個(gè)手性碳的化合物,1 、含兩個(gè)不同手性碳的化合物,具有對(duì)映而不能重合關(guān)系的一對(duì)分子彼此互稱為對(duì)映異構(gòu)體，簡(jiǎn)稱為對(duì)映體； 沒有對(duì)映關(guān)系，構(gòu)造相同、只是手性碳原子的構(gòu)型不完全相同的光學(xué)異構(gòu)體之間互稱為非對(duì)映異構(gòu)體。一個(gè)對(duì)映體和一個(gè)非對(duì)映體不能組成外消旋體，其物理性質(zhì)也不同。,對(duì)映體與非對(duì)映體的區(qū)別,下列化合物哪對(duì)是互為對(duì)映體，哪對(duì)是互為非對(duì)映體？,（4）2S，3S,（1）和（4） ，（2）和（3）互為對(duì)映體 （1）和（2）（3）， （4）和（2） （3）互為非對(duì)映體,（1）2R，3R

19、,（2）2R，3S,（3）2S，3R,當(dāng)分子其中RC*abC*ad結(jié)構(gòu)的化合物時(shí)通常將其與丁醛糖作比較來表示其構(gòu)型。 a、a兩個(gè)相同基團(tuán)在費(fèi)歇爾投影式處于同側(cè)而與赤蘚糖構(gòu)型相似者，稱為赤型或赤式，a、a處于異側(cè)而與蘇阿糖構(gòu)型相似者，稱為蘇型或蘇式，,（3）分子中具有對(duì)稱面，分子上下兩部分對(duì)偏振光的影響相互抵消，整個(gè)分子不表現(xiàn)旋光性。,對(duì)映體,對(duì)映體 ?,非對(duì)映異構(gòu)體,(光學(xué)異構(gòu)體數(shù)目2n),（3）為具有手性中心的非手性分子，稱為內(nèi)消旋體（i或meso）。,外消旋體與內(nèi)消旋體的區(qū)別,等量對(duì)映體的混合物叫做外消旋體。無旋光性，有時(shí)可結(jié)晶為化合物。 如果一個(gè)分子有兩個(gè)或兩個(gè)以上手性中心，并有一個(gè)內(nèi)在

20、的對(duì)稱面，這個(gè)分子就叫做內(nèi)消旋體，內(nèi)消旋體是非手性分子；而外消旋體是由具有手性的兩個(gè)對(duì)映異構(gòu)體等量混合而得的混合物。兩者都無旋光性,但有本質(zhì)不同。,內(nèi)消旋體與左旋體或右旋體互為非對(duì)映體,故理化性質(zhì)都不相同。,3、含三個(gè)手性碳的化合物,如手性碳都不同，則有四對(duì)對(duì)映異構(gòu)體。 如其中有兩個(gè)相同，則有一對(duì)對(duì)映體和兩個(gè)內(nèi)消旋體。,如2，3，4-三羥基戊二酸,對(duì)映體,分子沒有對(duì)稱因素，所以是手性分子，但C3是非手性碳原子。,內(nèi)消旋體,內(nèi)消旋體,C3是手性碳原子，但分子有對(duì)稱因素，所以是非手性分子，C3稱為假手性碳原子。,第三節(jié)、取代環(huán)烷烴的立體異構(gòu),（一）、順反異構(gòu)和對(duì)映異構(gòu),取代環(huán)烷烴化合物的構(gòu)型異構(gòu)較

21、復(fù)雜，有時(shí)只有順反異構(gòu)體，有時(shí)順反異構(gòu)和對(duì)映異構(gòu)同時(shí)存在。,例1：1，3-二甲基環(huán)丁烷,二者均無對(duì)映異構(gòu)體,例2：1，2-環(huán)丙烷二甲酸,（1R，2R）-1，2-環(huán)丙烷二甲酸,（1S，2S）-1，2-環(huán)丙烷二甲酸,練習(xí)3.7 寫出下列化合物的構(gòu)型異構(gòu)體，如有對(duì)映異構(gòu)體，試命名手性碳的構(gòu)型。,順式異構(gòu)體：,既有順反異構(gòu)體，又有對(duì)映異構(gòu)體：,（1R，2R）,（1S，2S）,（1R，2S）,（1S，2R）,（二）、取代環(huán)己烷的構(gòu)象分析,1、單取代環(huán)己烷,環(huán)己烷一元取代物取代基在e鍵上的構(gòu)象為優(yōu)勢(shì)構(gòu)象。,一取代環(huán)己烷的優(yōu)勢(shì)構(gòu)象,一些原子和基團(tuán)的范德華半徑（pm） H 120；C 150；N 150；O 140； Cl 180 ；CH3 200.,大7.5KJ/mol,1,3-二豎鍵相互作用產(chǎn)生較強(qiáng)的非鍵合斥力 (空間張力),5%,95%,結(jié)論：環(huán)己烷一元取代