有機化學(xué)：chapter-08 立體化學(xué)（Stereochemistry）

1、1,立體化學(xué) 研究分子三維結(jié)構(gòu)以及與三維結(jié)構(gòu)相聯(lián)系的特殊物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和生物活性的科學(xué),同分異構(gòu)現(xiàn)象 具有相同的分子式而擁有不同的分子結(jié)構(gòu)，因而也擁有不同物理、化學(xué)性質(zhì),第八章 立體化學(xué)（Stereochemistry,2,一、同分異構(gòu)體的分類,具有相同的分子式，但具有不同結(jié)構(gòu)的化合物互稱為異構(gòu)體,對映異構(gòu) 旋光異構(gòu),同分異構(gòu)主要分為兩大類：構(gòu)造異構(gòu)和立體異構(gòu),3,構(gòu)造異構(gòu)類型,構(gòu)造異構(gòu)：指具有相同的分子式而分子中原子間鍵合的順序 或/和方式不同而產(chǎn)生的不同的分子結(jié)構(gòu),4,A. 構(gòu)象異構(gòu),定義：由于單鍵旋轉(zhuǎn)而引起的原子在空間的相對位置不同。 不同的構(gòu)象異構(gòu)體在穩(wěn)定性上存在著差異，較穩(wěn)定的構(gòu)

2、象占有較大的比例，一般在室溫下可互相轉(zhuǎn)化； 不同的異構(gòu)體在性質(zhì)上存在著差異，化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生總是在某一特定的構(gòu)象下進行，這是研究分子構(gòu)象的意義所在,立體異構(gòu),分子中的原子或原子團互相鍵連的方式和連接的次序相同，但在空間的相對位置不同而引起的異構(gòu)。根據(jù)引起的異構(gòu)的方式不同分為構(gòu)象異構(gòu)和構(gòu)型異構(gòu),5,B. 構(gòu)型異構(gòu),定義：不是由單鍵旋轉(zhuǎn)引起的，而是分子本身固有的或在化學(xué)反應(yīng)過程中形成的原子在空間上的相對位置不同,定義：由于共價鍵的旋轉(zhuǎn)受到阻礙而產(chǎn)生的原子在空間排布 的位置不同，通常是由雙鍵或環(huán)結(jié)構(gòu)引起,順反（幾何）異構(gòu),不同的異構(gòu)體的轉(zhuǎn)化，必須經(jīng)過化學(xué)鍵的斷裂和再生，即通過化學(xué)反應(yīng)才能實現(xiàn),不同的構(gòu)

3、型異構(gòu)體在（某些）性質(zhì)上存在著差異，其形成由 所經(jīng)歷的特定反應(yīng)途徑（機理）決定,構(gòu)型異構(gòu)常分為: 順反(幾何)異構(gòu)和光學(xué)(旋光、對映)異構(gòu),6,二. 旋光異構(gòu)、手征性與分子對稱性,1. 旋光異構(gòu),光是一種電磁波，朝各個方向振動且光波的振動方向與光的傳播方向垂直。只在一個平面上振動的光，稱為平面偏振光，簡稱偏振光或偏光,普通光經(jīng)過Nicol棱鏡，可產(chǎn)生僅在一個平面上振動的光 平面偏振光,平面偏振光,7,旋光儀、旋光度、比旋光度,旋光性物質(zhì)：能使偏振光偏振面偏轉(zhuǎn)的物質(zhì),旋光度：使偏振光偏振面旋轉(zhuǎn)的角度，用表示,旋光性：使偏振光偏振面旋轉(zhuǎn)的能力，用比旋光度表示,旋光方向：右旋（+）; 左旋（,8,光

4、學(xué)(旋光、對映)異構(gòu)的發(fā)現(xiàn),1848年，巴黎大學(xué)教授Lowis Pasteur從酒石酸鈉銨晶體中分離得到一對互為鏡像關(guān)系的晶體,光學(xué)(旋光、對映)異構(gòu) 結(jié)構(gòu)組成與原子間成鍵方式和排列順序相同，僅是空間相對位置不同且互為不能重合的實物與鏡像關(guān)系的異構(gòu)現(xiàn)象；它們各自均可使偏振光振動平面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，且方向相反，偏轉(zhuǎn)程度相同；互稱為光學(xué)（旋光、對映）異構(gòu)體,9,2. 手性中心與手征性,若分子中的某一原子（通常是碳）上連接有四個不同基團時，該四個基團在空間可有兩種不同的相對排列位置，構(gòu)成一對異構(gòu)體，兩個異構(gòu)體互成不能重合的實物與鏡像的對映關(guān)系,這樣的對映異構(gòu)好似人的左手和右手的關(guān)系，互為鏡像但不能重合，故

5、把這種實物和鏡像對映卻又不能重合的現(xiàn)象稱為手征性，簡稱手性；具有手（征）性的分子叫手（征）性分子；連有四個不同基團的中心原子稱為手性中心，手性中心是碳原子稱為手性碳。手性分子具有旋光性,注意：任一化合物都有鏡像，但多數(shù)化合物的實物和它的鏡像結(jié)構(gòu)都是能夠重合的。如果結(jié)構(gòu)上的這種實物和它的鏡像能夠重合，則它們就是同一物質(zhì)，因而是非手性的，沒有對映異構(gòu)，也不是對映異構(gòu)體,10,對映異構(gòu)體的性質(zhì)差異,一個可使平面偏振光向右旋，稱為右旋體；另一個可使平面偏振光向左旋，稱為左旋體。二者使平面偏振光旋轉(zhuǎn)角度相同。因此叫做對映異構(gòu)、旋光異構(gòu)或光學(xué)異構(gòu),特 點： 1 結(jié)構(gòu)：鏡影與實物關(guān)系； 2 能量：內(nèi)能相同；

6、 3 物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)在非手性環(huán)境中相同，在手性環(huán)境中有區(qū)別； 4 旋光能力相同，旋光方向相反,呈現(xiàn)實物與鏡像的不重合性是產(chǎn)生對映異構(gòu)現(xiàn)象的充分必要條件,11,3. 分子的手性和對稱性,對稱因素,分子的手性由分子的對稱性所決定,1). 對稱面 ： 如有一個平面可以把分子分割成兩部分，而一部分正好是另一部分的鏡像，則這個平面就是分子的對稱面,12,2). 對稱中心 若分子中有一點，通過該點畫任何直線，如果在離此點等距離的兩端有相同的原子，則該點稱為分子的對稱中心,13,3). 對稱軸 以設(shè)想直線為軸旋轉(zhuǎn)360。/ n，得到與原分子相同的分子，該直線稱為n重對稱軸(又稱n階對稱軸,4). 四重交

7、替對稱軸(旋轉(zhuǎn)反映軸) 如果一個分子沿軸旋轉(zhuǎn)90，再用一面垂直于該軸的鏡子將分子反射，所得的鏡像如能與原物重合，此軸即為該分子的四重交替對稱軸(用S4表示)。（交替有時也稱之為更迭,C2,鏡面,14,結(jié) 論： A.有對稱面、對稱中心、交替對稱軸的分子均可與 其鏡象重疊，是非手性分子；反之，為手性分子； B. 對稱軸并不能作為分子是否具有手性的判據(jù)； C.大多數(shù)非手性分子都有對稱軸或?qū)ΨQ中心，只有 交替對稱軸而無對稱面或?qū)ΨQ中心的化合物是少數(shù)； D.手性分子具有光學(xué)活性,所以，對于那些既無對稱面也沒有對稱中心的分子，一般可判定為是手性分子,15,判別手性分子的依據(jù),有更迭對稱軸 無手性,旋轉(zhuǎn)+反

8、射,更迭對稱軸(Sn) (或旋轉(zhuǎn)反射軸,有對稱中心 無手性,倒反 （反演,對稱中心(i) （或反演中心,不能作為區(qū)別 手性的依據(jù),旋轉(zhuǎn),對稱軸(Cn,有對稱面 無手性,反映（射,對稱面（,判別手性的依據(jù),對稱操作,對稱元素,16,三、含手性碳原子的旋光異構(gòu),乳酸含有一個手性碳原子，有手性，具有旋光性，有一對對映體； 發(fā)酵得到的乳酸是左旋的，其比旋光度為3.8o； 肌肉運動產(chǎn)生的乳酸是右旋的，其比旋光度為 + 3.8o； 從酸奶中得到的乳酸無旋光性，它是等量的左旋乳酸和右旋乳酸的 混合物，稱外消旋體(常用或dl表示)。外消旋體是混合物,1. 含一個手性碳原子的旋光異構(gòu),等量混合 （外消旋乳酸,1

9、7,立體結(jié)構(gòu),鍥形式,投影式,Fischer投影式,構(gòu)型的表示法 Fischer 投影式,約定 在投影時，與手性碳原子橫向相連的兩個鍵伸向前方，而豎向的兩個鍵伸向后方，交叉點為手性碳原子,18,Fischer 投影式的操作： (1) 不能離開紙面翻轉(zhuǎn)?？梢匝丶埫嫘D(zhuǎn)180，但不能旋轉(zhuǎn)90或270； (2) 基團兩兩交換次數(shù)不能為奇數(shù)次，但可以是偶數(shù)次,19,旋 轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)180o則構(gòu)型保持不變,旋轉(zhuǎn)90o則構(gòu)型改變,20,將投影式中與手性碳相連的任意兩個基團對調(diào), 對調(diào)一次或奇數(shù)次則轉(zhuǎn)變成它的對映體；對調(diào)二次或偶數(shù)次則構(gòu)型保持不變,如果固定某一個基團，而依次改變另三個基團的位置，則構(gòu)型不變,兩個

10、基團,兩個基團,21,手性中心構(gòu)型標(biāo)記,構(gòu)型是指立體異構(gòu)體中心原子周圍四個不同取代基在空間排列的相對位置。可給手性中心原子一特殊符號來標(biāo)記取代在空間的相對位置構(gòu)型標(biāo)記,Fisher選擇甘油醛為標(biāo)準(zhǔn)，約定羥基在右邊的為右旋，定為D構(gòu)型，羥基在左邊的為左旋的甘油醛，定為L構(gòu)型。 以甘油醛為基礎(chǔ)，通過化學(xué)方法合成其它化合物，如果與手性碳原子相連的鍵沒有斷裂，則仍保持甘油醛的原有構(gòu)型,D / L標(biāo)記法,22,R / S標(biāo)記法,1. 將與手性碳原子相連的四個原子或原子團按優(yōu)先順序規(guī)則排序，如 a b c d,2. 把最小的基團d放在最遠(yuǎn)離觀察者的位置，其余三個基團指向觀察者，沿著C*d的方向、按從大到小

11、的優(yōu)先順序觀察a、b、c三個基團的排列方式，順時針排列則構(gòu)型為R（rectus），逆時針排列構(gòu)型為S（sinister,R/S標(biāo)記分為兩步,R,S,23,基于Fisher投影式判斷R、S構(gòu)型,順序最小的原子(或基團)在豎線上, 順時針排列為R構(gòu)型, 逆時針排列為S構(gòu)型。 順序最小的原子(或基團)在橫線上, 順時針排列為S構(gòu)型, 逆時針排列為R構(gòu)型,24,D,L標(biāo)記的是相對構(gòu)型，R,S標(biāo)記的是絕對構(gòu)型,無論是D,L還是R,S標(biāo)記方法，都不能通過其標(biāo)記的構(gòu)型來判斷旋光方向； 旋光方向是化合物的固有性質(zhì)，而對化合物的構(gòu)型標(biāo)記只是人為的規(guī)定； 僅從化合物的構(gòu)型還無法確定其旋光方向，必須通過實驗來確定,

12、R/S標(biāo)記用來表示手性中心原子的構(gòu)型比較明確，符合系統(tǒng)命名的要求，缺點是不能反映異構(gòu)體之間的聯(lián)系，同時在許多情況下，即使保持手性中心構(gòu)型不變的情況下進行反應(yīng)，其產(chǎn)物的R和S構(gòu)型也可能發(fā)生了改變,R-1-溴-2-丁醇 S-2-丁醇,注意,25,2.含兩個手性碳原子化合物的對映異構(gòu),異構(gòu)體數(shù)目 2n = 22 = 4 （n：手性碳原子數(shù)目,對映關(guān)系： 與 ； 與IV； 對映異構(gòu)（體） 非對映關(guān)系： 與、 與、與 、與； 非對映異構(gòu)（體,優(yōu)先順序,26,1和2，3和4互為對映關(guān)系，呈鏡影關(guān)系的旋光異構(gòu)體為對映異構(gòu)（體）； 1和3或4不能重合，也不是鏡像關(guān)系，但相互間是立體異構(gòu)，這種不是實物與鏡像關(guān)系

13、的旋光異構(gòu)稱為非對映異構(gòu)（體）； 非對映異構(gòu)體具有不同的旋光能力，不同的物理性質(zhì)和不同的化學(xué)性質(zhì),對映異構(gòu)（體） 、非對映異構(gòu)（體,內(nèi)消旋體(meso)、外消旋體（dl,1) (2) (3) (+)-酒石酸 (4) (-)-酒石酸,對映異構(gòu)等量混合得到?jīng)]有旋光的混合物，稱外消旋體,分子內(nèi)含有手性中心但又具有平面對稱性因素的沒有旋光性的立體異構(gòu)體稱為內(nèi)消旋體,27,差向異構(gòu)體,兩個含有多個不對稱碳原子的異構(gòu)體，如果其中只有一個不對稱碳原子的構(gòu)型不同，則這兩個旋光異構(gòu)體稱為差向異構(gòu)體；如果構(gòu)型不同的不對稱碳原子在鏈端，稱為端基差向異構(gòu)體；其它情況，分別根據(jù)C原子的位置編號稱為Cn差向異構(gòu)體,i)和

14、(iii), (ii)和(iv)是 C2差向異構(gòu)體。 (i)和(vii), (ii)和(viii)是C3差向異構(gòu)體。 (i)和(vi), (ii)和(v)是C4差向異構(gòu)體,28,含兩個不對稱碳原子的分子，在Fischer投影式中，若兩個 H在同一側(cè)，稱為赤式；在不同側(cè)，稱為蘇式,i,ii,iii,iv,2R,3R)-(-)-赤蘚糖 (2S,3S)-(+)-赤蘚糖 (2S,3R)-(+)-蘇阿糖 (2R,3S)-(-)-蘇阿糖,赤式和蘇式,i)(ii)對映體，(iii)(iv)對映體,i)(iii)、(i)(iv)、(ii)(iii)、(ii)(iv)為非對映體,HOCH2-CH(OH)-CH(

15、OH)-CHO,29,3. 含手性碳原子的單環(huán)化合物 判別單環(huán)化合物旋光性的方法,實驗表明：單環(huán)化合物有否旋光性可以通過其平面結(jié)構(gòu)式的對稱性來判別，凡是具有對稱中心和/或?qū)ΨQ平面的單環(huán)化合物無旋光性，反之則有旋光性,30,無旋光（對稱面,有旋光,無旋光（對稱面,有旋光,無旋光(對稱面,無旋光（對稱面,31,對于具有手性的環(huán)狀化合物的命名，僅用順、反標(biāo)記不能充分表明其構(gòu)型，必須采用R/S標(biāo)記表明手性中心構(gòu)型,該順式化合物與上面的兩個反式異構(gòu)體互為非對映異構(gòu)體,例如,有沒有手性中心,32,取代環(huán)己烷的旋光性分析,例一：順-1,2-二甲基環(huán)己烷,1)和(2)既是構(gòu)象轉(zhuǎn)換體，又是對映體，能量相等，兩種

16、構(gòu)象的分布為 (1) : (2) = 1 : 1,結(jié)論：用平面結(jié)構(gòu)式分析，化合物是內(nèi)消旋體； 用構(gòu)象式分析，化合物是外消旋體,33,結(jié)論：用平面式分析，(1R,2R)-1,2-二甲基環(huán)己烷 或(1S,2S)-1,2-二甲基環(huán)己烷 是有旋光性的化合物。 用構(gòu)象式分析， (1R,2R)-1,2-二甲基環(huán)己烷 或(1S,2S)-1,2-二甲基環(huán)己烷 是無數(shù)種有旋光的構(gòu)象式組合而成的混合物,例二,1R，2R）-1,2-二甲基環(huán)己烷,1S，2S）-1,2-二甲基環(huán)己烷,34,1. 有手性中心的旋光異構(gòu)體,除 C 外，N、S、P、As 等也能構(gòu)成 手性中心,四、不含手性碳原子的手性分子,35,1）丙二烯型

17、的旋光異構(gòu)體,A）兩個雙鍵同碳相連,2. 有手性軸的旋光異構(gòu)體,36,B) 一個雙鍵與一個環(huán)相連（1909年拆分,D = 81.4o ( 乙醇,25,C) 螺環(huán)結(jié)構(gòu),37,2）聯(lián)苯型的旋光異構(gòu)體,一些原子或基團的范德華半徑,由于位阻太大引起的旋光異構(gòu)體稱為位阻異構(gòu)體,38,反應(yīng)溫度：118,X = CH3 NO2 COOH OCH3,消旋化 t1/2,1.73 1.92 1.56 1.45 179分 125分 91分 9.4分,半衰期越短，說明旋轉(zhuǎn)的阻力越小,聯(lián)苯型的旋光異構(gòu)體在適當(dāng)?shù)臈l件下會發(fā)生消旋,例如,39,n=8，可拆分，光學(xué)活性體穩(wěn)定。 n=9，可拆分， 95.5oC時，半衰期為44

18、4分鐘。 n=10，不可拆分,3）把手型旋光異構(gòu)體,40,蒄（無手性,六螺并苯（有手性,3.有手性面的旋光異構(gòu)體,反-環(huán)辛烯,41,將外消旋體拆分成左旋體和右旋體，稱為外消旋體的拆分,五、外消旋體的拆分,1.化學(xué)拆分法形成和分離非對映體異構(gòu)體的拆分法,42,1g R 氨基醇,分去晶體，剩下母液,2g S氨基醇析出,2.晶種接種結(jié)晶析解法 一個實例,43,3.微生物或酶作用下的析解 生物體中的酶或細(xì)菌等具有旋光性，當(dāng)它們與外消旋體作用時，具有較強的選擇性。例如，在外消旋酒石酸中培養(yǎng)青霉素，只消耗右旋酒石酸，留下左旋酒石酸,對映體過量百分率與光學(xué)純度百分率,4.色譜分離法 選擇光活性物質(zhì)作柱色譜的吸附劑-手性固定相（手性柱,5. 機械分離法,44,六. 旋光異構(gòu)體的性質(zhì),在非手性環(huán)境下，旋光異構(gòu)體的物理性質(zhì)與化