第8章 立體化學(2011.11)

1、第八章第八章 立體化學立體化學立體化學立體化學：研究分子的：研究分子的立體形象立體形象及與立體形象及與立體形象相聯(lián)系的相聯(lián)系的特殊特殊物理性質和化學性質的學科物理性質和化學性質的學科。立體異構立體異構：分子中的原子或原子團互相連接的：分子中的原子或原子團互相連接的次序相同，但在次序相同，但在空間的排列方式不同空間的排列方式不同而引起的而引起的異構。異構?；靖拍罨靖拍?不對稱碳原子：與不對稱碳原子：與四個不同四個不同的原子或原的原子或原子團相連的碳原子子團相連的碳原子, 或稱為或稱為“手性碳原手性碳原子子”. 通常用通常用“ * ”號標出。號標出。CH3CHCOOHOH*乳乳 酸酸2-羥基丙

2、酸羥基丙酸8-1 8-1 手性和對映體手性和對映體對映異構：構造相同，而構型不同對映異構：構造相同，而構型不同(互為互為鏡像鏡像)所形成的異構?；殓R像的兩種構所形成的異構?；殓R像的兩種構型的異構體互為型的異構體互為對映對映(異構異構)體體。 分子的手性是存在對映體的充要條件。分子的手性是存在對映體的充要條件。手性：物質分子與它的鏡象不能重合的手性：物質分子與它的鏡象不能重合的特征。具有手性的分子稱為特征。具有手性的分子稱為手性分子手性分子 。8-1 8-1 手性和對映體手性和對映體基本概念基本概念 對稱面對稱面 對稱操作：反映（反射）對稱操作：反映（反射） 手性判斷：有對稱面，分子無手性。

3、手性判斷：有對稱面，分子無手性。 對稱中心對稱中心 對稱操作：倒反對稱操作：倒反 手性判斷：有對稱中心，分子無手性。手性判斷：有對稱中心，分子無手性。8-1 8-1 手性和對映體手性和對映體 對稱軸對稱軸 對稱操作：旋轉對稱操作：旋轉360/n 注注 意：意：有無對稱軸不能作為判斷分子有無手有無對稱軸不能作為判斷分子有無手性的標準。性的標準。判斷手性分子的依據判斷手性分子的依據 交替對稱軸（旋轉反映軸）交替對稱軸（旋轉反映軸）* 對稱操作：旋轉對稱操作：旋轉 反射反射 手性判斷：有交替對稱軸，分子無手性。手性判斷：有交替對稱軸，分子無手性。 凡物質分子在結構上不具有對稱面、對稱凡物質分子在結構

4、上不具有對稱面、對稱中心或四重交替對稱軸，這個物質就具有手性，中心或四重交替對稱軸，這個物質就具有手性，從而具有對映異構現(xiàn)象。從而具有對映異構現(xiàn)象。8-1 8-1 手性和對映體手性和對映體判斷手性分子的依據判斷手性分子的依據 對稱面對稱面 對稱中心對稱中心 對稱軸對稱軸 對映體的對映體的物理、化學性質物理、化學性質相同相同，僅，僅旋光性旋光性不同不同。對映體在對映體在手性環(huán)境手性環(huán)境的條件下的條件下(如手性試劑、如手性試劑、手性溶液、手性催化劑手性溶液、手性催化劑)也會表現(xiàn)出某些不同也會表現(xiàn)出某些不同的性質。的性質。右旋葡萄糖在動物代謝中能起獨特的作用，右旋葡萄糖在動物代謝中能起獨特的作用，具

5、營養(yǎng)價值，但其對映體左旋葡萄糖則不能具營養(yǎng)價值，但其對映體左旋葡萄糖則不能被動物代謝被動物代謝;左旋氯霉素有抗菌作用左旋氯霉素有抗菌作用, 其對映體則無療效。其對映體則無療效。對映體性質比較對映體性質比較8-1 8-1 手性和對映體手性和對映體旋光性旋光性: :能使偏振光振動平面旋轉的性質。能使偏振光振動平面旋轉的性質。普通光普通光Nicol 棱鏡棱鏡盛液管盛液管8-2 8-2 旋光性和比旋光度旋光性和比旋光度旋光性旋光性: :能使偏振光振動平面旋轉的性質。能使偏振光振動平面旋轉的性質。 右旋體：右旋體：用用“d ”或或“”表表示示手性分子都具有旋光性手性分子都具有旋光性, 非手性分子則沒非手

6、性分子則沒有旋光性有旋光性.對映體的旋光方向相反對映體的旋光方向相反, 但旋光能力相同但旋光能力相同.旋光性物質旋光性物質(光活性物質）光活性物質）旋光度旋光度*：用用表示表示左旋體：左旋體：用用“ l ”或或“ ”表示表示比旋光度比旋光度Dt8-2 8-2 旋光性和比旋光度旋光性和比旋光度 含有一個手性碳原子的分子含有一個手性碳原子的分子一定是手一定是手性分子性分子，有兩個對映異構體，一個是右旋，有兩個對映異構體，一個是右旋體，一個是左旋體。體，一個是左旋體。 它們的物理性質和化學性質一般都相它們的物理性質和化學性質一般都相同，僅同，僅旋光方向相反旋光方向相反。名稱名稱 Dm.p.(+) 乳

7、酸乳酸+2.6。53(-) 乳酸乳酸-2.6。53158-3 8-3 含一個手性碳原子的化合物的對映異構含一個手性碳原子的化合物的對映異構l外消旋體外消旋體由等量的左旋體和右旋體混合而成的沒有由等量的左旋體和右旋體混合而成的沒有旋光性的旋光性的混合物混合物。 一般用（一般用（）表示。）表示。用化學合成法制得的乳酸與葡萄糖經發(fā)酵用化學合成法制得的乳酸與葡萄糖經發(fā)酵制得的乳酸的構造式相同，但無旋光性。制得的乳酸的構造式相同，但無旋光性。外消旋體和相應的左旋體或右旋體除旋光外消旋體和相應的左旋體或右旋體除旋光性能不同外，其它性能不同外，其它物理性質也有差異物理性質也有差異。(+)-乳酸乳酸m.p.5

8、3, ()-乳酸乳酸m.p.188-3 8-3 含一個手性碳原子的化合物的對映異構含一個手性碳原子的化合物的對映異構l構型的表示方法構型的表示方法投影原則：投影原則：立體立體結構結構Fischer投 影 式投 影 式HOOCH3CHOHOHHCOOHCH3 把與手性碳結合的把與手性碳結合的橫向橫向的兩個鍵的兩個鍵擺向自己擺向自己, 把把豎豎立的兩個鍵立的兩個鍵擺向擺向紙后紙后, 一般將含碳原子的原子團放一般將含碳原子的原子團放在豎鍵方向在豎鍵方向, 把命名時編號最小的碳原子放在上端把命名時編號最小的碳原子放在上端; 然后把這樣固定下來的分子模型中各個原子或然后把這樣固定下來的分子模型中各個原子

9、或原子團投影到紙面上。原子團投影到紙面上。Fischer 投影式投影式8-4 8-4 構型表示方法、確定及標記構型表示方法、確定及標記使用投影式時的注意事項：使用投影式時的注意事項： 投影式可以在紙面上轉動投影式可以在紙面上轉動180，但不，但不能在紙面上轉動能在紙面上轉動 90或或270； 投影式可在紙面上旋轉投影式可在紙面上旋轉180，但決不，但決不能離開紙面翻轉能離開紙面翻轉*。原因：原因：這會改變手性碳原子周圍各原子這會改變手性碳原子周圍各原子或原子團的前后關系?；蛟訄F的前后關系。8-4 8-4 構型表示方法、確定及標記構型表示方法、確定及標記對映體的構型還可用對映體的構型還可用“楔

10、形式楔形式”表示：表示：COOHHOHCH3CH3CCOOHOHHCH3HHOOCOHCCOOHHOHCH3注意：注意：此法不適宜于表示含有多個手性此法不適宜于表示含有多個手性碳原子化合物的構型。碳原子化合物的構型。8-4 8-4 構型表示方法、確定及標記構型表示方法、確定及標記構型標準化合物構型標準化合物甘油醛甘油醛2，3-二羥基丙醛二羥基丙醛CH2OHCHOHCHO*HOHCH2OHCHO( () )( () )確定原則：確定原則：通過通過化學反應化學反應把其它化合物與甘油醛進行把其它化合物與甘油醛進行關聯(lián)。關聯(lián)。注意注意反應過程中與手性碳原子直接反應過程中與手性碳原子直接相連的鍵不能斷裂

11、。相連的鍵不能斷裂。HOHCH2OHCHO構型的確定構型的確定相對構型相對構型:與假定與假定 (+)或或(-)-甘油醛關聯(lián)而確定的構型甘油醛關聯(lián)而確定的構型HOHCH2OHCHOOHHOHCH2OHCOOHCOOHHOHCH3(+)-甘油醛甘油醛( (人為指定人為指定) )(-)-乳酸乳酸( (實際測得實際測得) ) 實驗證實實驗證實, 任意指定的甘油醛的構型正是其絕任意指定的甘油醛的構型正是其絕對構型對構型, 因此由甘油醛關聯(lián)而得到的各旋光性化因此由甘油醛關聯(lián)而得到的各旋光性化合物的合物的相對構型就是他們的絕對構型相對構型就是他們的絕對構型。絕對構型絕對構型: 能真實代表某一光活性化合物的構

12、型能真實代表某一光活性化合物的構型.標記規(guī)則：標記規(guī)則：右旋甘油醛的構型為右旋甘油醛的構型為D型；型； 左旋甘油醛的構型為左旋甘油醛的構型為L型。型。凡構型與凡構型與D-甘油醛相同的化合物甘油醛相同的化合物, 命名時標以命名時標以“D”;凡構型與凡構型與L-甘油醛相同的化合物甘油醛相同的化合物, 命名時標以命名時標以“L”注注 意意：旋光方向用：旋光方向用()()表示表示 , 不用不用“d”或或“l(fā)” 。以以甘油醛甘油醛的構型為對的構型為對照標準來進行標記照標準來進行標記構型的標記構型的標記l D-L標記法標記法注意：注意：該標記法只能表示出分子中含該標記法只能表示出分子中含有有一個手性碳一個

13、手性碳原子的構型。原子的構型。乳酸乳酸D-(-)-L-()-乳酸乳酸COOHHOHCH3COOHHOHCH3l R-S標記法標記法含有含有一個手性碳一個手性碳化合物化合物C-abcd的命名步驟的命名步驟: 將手性碳原子所連的四個基團將手性碳原子所連的四個基團(a,b,c,d)根據根據“次序規(guī)則次序規(guī)則”先后排列先后排列, 如如a b c d; 將將(d)放在離觀察者對面放在離觀察者對面, 離眼睛最遠的地方離眼睛最遠的地方; 其余三個基團按次序規(guī)則遞減排列的順序其余三個基團按次序規(guī)則遞減排列的順序(abc)，如果是，如果是順時針順時針方向排列的，這一構型方向排列的，這一構型就用就用R表示；反之，

14、則為表示；反之，則為S構型。構型。構型的標記構型的標記根據化合物的根據化合物的實際構實際構型型或或投影式投影式而命名的而命名的CdabcCdacbR S將將R-S標記法直接應用于菲舍爾投影式：標記法直接應用于菲舍爾投影式： 將將d基團基團放在一個放在一個豎立鍵豎立鍵(指向后方的鍵指向后方的鍵)上；上； 依次看三個基團依次看三個基團(abc), 若是若是順時針順時針方向排方向排列列, 這一構型就用這一構型就用R表示；反之則為表示；反之則為S構型。構型。dcabdbacR SBr Cl CH3 H (S)-3-溴己烷溴己烷 CHCH3ClBr*例例1BrHClCH3BrC2H5HC3H7例例2 C

15、HC3H7BrC2H5*Br C3H7 C2H5 H 1-氯氯-1-溴乙烷溴乙烷 (R)-若將排在最后的若將排在最后的d基團基團放在一個放在一個橫著的鍵橫著的鍵(指向指向前方的鍵前方的鍵)上，則依次看三個基團上，則依次看三個基團(abc)時時, 如果是如果是順時針順時針方向排列的，所代表的構型為方向排列的，所代表的構型為S型；反之，則為型；反之，則為R構型。構型。dcabR bdacdbacSbcadCdabcOH COOH CH3 H CHCOOHOHCH3*例例3R型乳酸型乳酸S型乳酸型乳酸 H COOHHOCH3H COOHOHCH3HOCOOH CH3H()-乳酸乳酸(R)-()-乳酸

16、乳酸(S)-含含多個手性碳原子多個手性碳原子的化合物的化合物, 其命名只需用其命名只需用R-S標記法將各手性碳原子的構型一一標出即可標記法將各手性碳原子的構型一一標出即可.4CH3CH3HOBrHH231C2所連基團的次序：所連基團的次序：Br CH(OH)CH3 CH3 HC3所連基團的次序：所連基團的次序：OH CHBrCH3 CH3 H(2R,3R)-例例13溴溴2 丁醇丁醇8-4 8-4 構型表示方法、確定及標記構型表示方法、確定及標記含含多個手性碳原子多個手性碳原子的化合物的化合物, 其命名只需用其命名只需用R-S標記法將各手性碳原子的構型一一標出即可標記法將各手性碳原子的構型一一標

17、出即可.C2所連基團的次序：所連基團的次序： C6H5 CH(C6H5)CH3 C2H5 HC3所連基團的次序：所連基團的次序：C6H5 CH(C6H5)C2H5 CH3 H(2S, 3R)-例例22,3二苯基戊烷二苯基戊烷8-4 8-4 構型表示方法、確定及標記構型表示方法、確定及標記CH3C2H5HC6H5C6H5H例例3H OHCH3CH2CH2BrH OHCH3CH2CH3RS注意：注意：產物構型的產物構型的R或或S標記，決定于其標記，決定于其本身四個基團的排列順序，與反應本身四個基團的排列順序，與反應時構型是否保持無關。時構型是否保持無關。l 旋光異構體的數(shù)目旋光異構體的數(shù)目CHCH

18、OHCH3BrCH3*CH3CH3OHBrHHCH3CH3HHHOBrCH3CH3HHOHBr(2R, 3R)(2S, 3S)(2S, 3R)(2R, 3S)CH3CH3HOBrHH當分子中含有當分子中含有n個個不相同不相同的的手性碳原子手性碳原子時時, 就可以就可以有有2n個個對映異構體對映異構體, 它們可以組成它們可以組成 2n-1個外消旋體個外消旋體.8-5 8-5 含多個手性碳原子化合物的對映異構含多個手性碳原子化合物的對映異構說明：說明： 如果兩種物質的分子中一部分呈鏡象關如果兩種物質的分子中一部分呈鏡象關系，而另一部分相同，則這兩種物質是系，而另一部分相同，則這兩種物質是非非對映異

19、構體對映異構體。 非對映異構體的非對映異構體的物理性質都不相同物理性質都不相同(包包括旋光度，但旋光方向有可能相同括旋光度，但旋光方向有可能相同)，而，而化化學性質有些相似學性質有些相似。 如果分子中含有相同的手性碳原子，其如果分子中含有相同的手性碳原子，其對映異構體的數(shù)目可小于對映異構體的數(shù)目可小于2n。COOHCOOHHHOHHOCOOHCOOHHHOHHOCOOHCOOHHOHHOHCOOHCOOHHHHOHO(2R, 3R)(2S, 3S)(2R, 3S)(2S, 3R)對映體對映體同一分子同一分子酒酒 石石 酸酸CHCHOHHOOCOHCOOH*2,3-2,3-二羥基丁二酸二羥基丁二

20、酸l內消旋體內消旋體分子中的兩個部分互為物體與鏡象關系分子中的兩個部分互為物體與鏡象關系, 因因而分子而分子內部旋光性相互抵消內部旋光性相互抵消而沒有旋光性而沒有旋光性.8-5 8-5 含多個手性碳原子化合物的對映異構含多個手性碳原子化合物的對映異構以以meso-表示表示 m.p. D(水水) 溶解度溶解度(g/100ml) pKa1 pKa(+)-酒石酸酒石酸 170 +12.0 139 2.98 4.23(-)-酒石酸酒石酸 170 -12.0 139 2.98 4.23( )-酒石酸酒石酸 206 0 20.6 2.96 4.24meso-酒石酸酒石酸 140 0 125 3.11 4.

21、80酒石酸的物理性質酒石酸的物理性質 內消旋體和外消旋體的異同內消旋體和外消旋體的異同 相同點：兩者都不具有旋光性；相同點：兩者都不具有旋光性； 區(qū)區(qū) 別：內消旋體是一純物質，外消旋體為別：內消旋體是一純物質，外消旋體為 混合物，可分離成具有旋光性的兩混合物，可分離成具有旋光性的兩種物質。種物質。注注 意：意： 含有手性碳原子的分子未必是手性分子，但含有手性碳原子的分子未必是手性分子，但含有一個手性碳原子的分子必為手性分子含有一個手性碳原子的分子必為手性分子;l內消旋體內消旋體CHOCH2OHHHHOHOHHOCHOCH2OHHHHOHOHHOCHOCH2OHHHOHHOHOH和和、和和 、和

22、和都是差向異構體。都是差向異構體。CHOCH2OHHOHHHOHHOl差向異構體差向異構體含多個手性碳原子的立體異構體中含多個手性碳原子的立體異構體中, 只有只有一個手性一個手性碳原子的構型不同碳原子的構型不同, 其余構型都相同的其余構型都相同的非對映體非對映體.8-5 8-5 含多個手性碳原子化合物的對映異構含多個手性碳原子化合物的對映異構 機械拆分法機械拆分法 微生物拆分法微生物拆分法拆分的理論拆分的理論收率收率 50% 利用結晶形態(tài)的差異利用結晶形態(tài)的差異丙氨酸丙氨酸利用微生物或酶的利用微生物或酶的選擇性分解作用選擇性分解作用8-6 8-6 外消旋體的拆分（自學）外消旋體的拆分（自學）C

23、H3CHCOOHNH2CH3CHCOOHNHCOCH3COOHCH3HH2NCOOHCH3NHCOCH3H( )+-( )+-乙 ?；?酰水 解 酶+ 選擇吸附拆分法選擇吸附拆分法利用旋光性吸附劑對對映體的吸附能力差異利用旋光性吸附劑對對映體的吸附能力差異1g R氨基醇氨基醇5g S + 5g R 氨基醇氨基醇飽和液飽和液(80, 100ml)析出析出2g R 氨基醇氨基醇（余下（余下4g R，5g S）分去晶體，剩下母液分去晶體，剩下母液過濾過濾加水至加水至100ml冷卻至冷卻至2080加加2g外消旋體外消旋體冷卻至冷卻至202g S 氨基氨基醇析出醇析出 誘導結晶拆分法（播種結晶法）誘導

24、結晶拆分法（播種結晶法）8-6 8-6 外消旋體的拆分外消旋體的拆分化學拆分法化學拆分法(應用最廣應用最廣) 形成和分離非對映異構體的方法形成和分離非對映異構體的方法一般規(guī)律一般規(guī)律：如果外消旋體是堿，則可用旋：如果外消旋體是堿，則可用旋光性酸使它變成鹽；如果外消旋體是酸，光性酸使它變成鹽；如果外消旋體是酸，則可用旋光性堿使它變成鹽；然后用分步則可用旋光性堿使它變成鹽；然后用分步結晶法將它們分開。結晶法將它們分開。 8-6 8-6 外消旋體的拆分外消旋體的拆分(+)-RCOOH成鹽成鹽 分級結晶分級結晶HClHCl(+)-RCOOH (-)-RNH2(-)-RCOOH (-)-RNH2(+)-

25、RCOOH + (-)-RNH3 Cl-(-)-RCOOH + (-)-RNH3 Cl-+ + +- -拆分劑拆分劑拆分劑拆分劑光活性堿光活性堿, 如奎寧、馬錢子堿、辛可寧堿如奎寧、馬錢子堿、辛可寧堿光活性酸光活性酸, 如酒石酸、樟腦磺酸、谷氨酸如酒石酸、樟腦磺酸、谷氨酸+ (-)-RNH2拆分劑與被拆分劑之間易反應合成，又拆分劑與被拆分劑之間易反應合成，又易被分解；易被分解；兩個非對映立體異構體在溶解度上有可兩個非對映立體異構體在溶解度上有可觀的差別；觀的差別；拆分劑應當盡可能地達到旋光純度；拆分劑應當盡可能地達到旋光純度；拆分劑必須是廉價的，易制備的，或易拆分劑必須是廉價的，易制備的，或易

26、定量回收的。定量回收的。拆分劑的條件拆分劑的條件CH3CH2CH2CH3Cl2CH3CH2CHCH3Cl光或熱*外消旋體外消旋體在一般條件下，由無旋光性反應物只能得在一般條件下，由無旋光性反應物只能得到外消旋體；到外消旋體；在手性環(huán)境中，才有可能得到旋光性物質。在手性環(huán)境中，才有可能得到旋光性物質。CH3COCOOHCH3CHCOOHOH還 原*8-7 8-7 手性合成手性合成( (不對稱合成不對稱合成) )COCOOH有左旋性的混合物有左旋性的混合物(-) - 薄荷醇COCOO*還 原CHOHCOO*水 解CHOHCOOH*在手性環(huán)境中，才有可能得到旋光性物質。在手性環(huán)境中，才有可能得到旋光性物質。不經過拆分直不經過拆分直接合成出具有接合成出具有旋光性的物質旋光性的物質的方法。的方法。8-7 8-7 手性合成手性合成( (不對稱合成不對稱合成) )特點特點: 往往順反異構和對映異構同時存在往往順反異構和對映異構同時存在.如環(huán)丁烷如環(huán)丁烷-1,2-二羧酸二羧酸COOHHOOCHHCOOHHCOOHHHOOCHCOOHH內消旋內消旋體體順順 式式對映體對映體反反 式式8-8 8-8 環(huán)狀化合物的立體異構環(huán)狀化合物的立體異構環(huán)丁烷環(huán)丁烷-1,3-二羧酸二羧酸COOHHOOCHHCOOHHCOOHH內消旋體內消旋體內消