有機(jī)化學(xué)課件：第五章 立體化學(xué)基礎(chǔ)

第五章立體化學(xué)基礎(chǔ)OrganicStereochemistry一、掌握旋光性、比旋光度、手性、對映體、內(nèi)消旋體、外消旋體等重要概念二、掌握D、L命名法和R、S命名法三、熟悉取代環(huán)烷烴的立體異構(gòu)四、掌握分子結(jié)構(gòu)與對映異構(gòu)的關(guān)系五、了解物質(zhì)產(chǎn)生旋光性的原因，了解立體化學(xué)在研究反應(yīng)機(jī)理中的應(yīng)用和外消旋體的拆分。[目的要求]作業(yè)題(p157)：4.5.9.10.12.

13.

一般說來，含有n個(gè)不同的手性碳原子，理論上有（2n）個(gè)立體異構(gòu)體。C47H51NO14

紫杉醇是一種全新的光譜抗癌藥，副作用小，國際醫(yī)療界認(rèn)為紫杉醇是近10年來發(fā)現(xiàn)的最有希望的抗癌藥物。紅豆杉紫杉醇（taxol）構(gòu)型異構(gòu)碳鏈異構(gòu)位置異構(gòu)官能團(tuán)異構(gòu)構(gòu)象異構(gòu)構(gòu)造異構(gòu)立體異構(gòu)同分異構(gòu)順反異構(gòu)旋光異構(gòu)對映異構(gòu)非對映異構(gòu)一、平面偏振光及比旋光度平面偏振光：普通光經(jīng)過尼克爾棱鏡后，只在一個(gè)平面上振動(dòng)的光。振動(dòng)面：偏振光前進(jìn)的方向和其質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的方向所構(gòu)成的平面。振動(dòng)面第一節(jié)概述偏振光能否透過第二個(gè)Nicol棱鏡(檢偏鏡)取決于兩個(gè)棱鏡的晶軸是否平行，平行則可透過；否則不能通過。如果在兩個(gè)棱鏡之間放一個(gè)盛液管，里面裝入兩種不同的物質(zhì)。結(jié)論：物質(zhì)有兩類（1）旋光性物質(zhì)(光學(xué)活性物質(zhì)):具有旋光性的物質(zhì)。（2）非旋光性物質(zhì):不具有旋光性的物質(zhì)。

旋光性：能使偏振光振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)旋光性物質(zhì)使偏振光旋轉(zhuǎn)的角度，稱為旋光度（observedrotation）

，以“

”表示。旋光性物質(zhì)的旋光方向和旋光度大小用旋光儀測定從面對光線的入射方向觀察旋光儀(polarmeter)：定量測量液體或溶液的旋光程度的儀器WXG-4圓盤旋光儀WZZ-3自動(dòng)旋光儀旋光度的大小，除了與分子的結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與測定溶液的濃度成正比，也與測定溶液的厚度（旋光管的長度）成正比。還與測定的溫度,光源波長以及

測量溶劑有關(guān)系。比旋光度（specificrotation）:注意單位λ---

光波波長t---

測定溫度，單位為℃a---

實(shí)測的旋光度；L---樣品池的長度，單位為dm；C---為樣品的濃度，單位為g?ml-1。

葡萄糖：氯霉素：－比旋光度是物理常數(shù)摩爾旋光度：分子量不同的兩個(gè)物質(zhì)具有相同的比旋光度時(shí)，分子的旋光能力是不同的。明確表示某物質(zhì)的旋光特性，采用摩爾旋光度的概念。二、對映異構(gòu)和手性實(shí)物與鏡像的關(guān)系叫對映關(guān)系。實(shí)物與鏡像生活中的對映關(guān)系觀察自己的雙手,左手與右手有什么聯(lián)系和區(qū)別？左手的鏡像是右手右手的鏡像是左手左右手不能完全重合左右手能不能完全重合?手性左右手互為鏡像與實(shí)物關(guān)系，彼此又不能重合的現(xiàn)象。

腳,鞋子，耳朵是否具有手性？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。如乙醇：

對于某些分子，兩個(gè)互為實(shí)物與鏡像關(guān)系的分子不能重合。如2-丁醇：實(shí)物與鏡像不能完全重合它們是不同化合物mirror鏡像

實(shí)物對映異構(gòu)體：具有對映關(guān)系而不相同的一對化合物，彼此互稱為對映異構(gòu)體（簡稱對映體

enantiomers）對映體的旋光性不同，又叫旋光異構(gòu)體。手性：左、右手對映而不能重合的這種性質(zhì)。手性分子：有對映異構(gòu)體的分子?；蚍Q分子具有手征性或手性。手性中心（chiralcenter）使分子具有手性的一個(gè)特定的原子或分子骨架的中心稱為手性中心。常見的手性中心有：手性碳原子，多價(jià)雜原子如N、P、S等*******練習(xí)題5.3三、分子的對稱性和手性分子與其鏡像能否互相重合取決于分子本身是否有對稱性（一）對稱因素判斷一個(gè)分子的對稱性，是將分子進(jìn)行某一種對稱操作后，看結(jié)果能否與原來的立體分子完全一致。若重合就說該分子具有某種對稱因素。對稱因素可以是一個(gè)點(diǎn)、一個(gè)面或一個(gè)軸。怎樣判斷分子是否具有手性？對稱面（symmetricplane,符號σ）

假如一個(gè)分子能被一個(gè)假設(shè)的平面切分為互為具有實(shí)物和鏡像關(guān)系的兩半，此平面就稱為對稱面。相應(yīng)的對稱操作是將物體部分所有的點(diǎn)移到對應(yīng)于此平面的對稱位置上去。σ順-1,2-二氯乙烯順-1,2-二甲基環(huán)丙烷有對稱面的分子能和它的鏡像重合，沒有手性。2.對稱中心（symmetriccenter,符號i）分子中的任一個(gè)原子到某一假想點(diǎn)（i）的連線，再延長到等距離處，遇到一個(gè)相同的原子時(shí)，這個(gè)假想的點(diǎn)就稱為對稱中心。i反-1,4-二甲基環(huán)丁烷有對稱中心的分子能和它的鏡像重合，沒有手性。3.對稱軸（symmetricaxis,符號C）分子環(huán)繞通過該分子中心的軸旋轉(zhuǎn)一定的角度，得到的分子與本身完全重合時(shí)，此軸即為對稱軸。三重對稱軸二重對稱軸六重對稱軸角度旋轉(zhuǎn)360/n度后，n重對稱軸（符號Cn）練習(xí)題5.4有無對稱軸不能作為判斷分子是否具有手性的條件?；仡櫍旱谌铝Ⅲw化學(xué)基礎(chǔ)一、平面偏振光及比旋光度二、對映體異構(gòu)和手性三、分子的對稱性和手性手性分子對映體一、含一個(gè)手性碳原子的化合物第二節(jié)對映異構(gòu)和非對映異構(gòu)ab想一想

(+)-乳酸(-)-乳酸()-乳酸

mp53oCmp53oCmp18oC[]D=+3.82[]D=-3.82[]D=0pKa=3.79(25oC)pKa=3.79(25oC)pKa=3.79(25oC)兩種乳酸分子的模型（一）對映異構(gòu)體的理化性質(zhì)

對映異構(gòu)體的旋光度大小相同，旋光方向相反。物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)在一般條件下都相同。1.物理性質(zhì)（1）手性溶劑中溶解度不同（2）用單一的圓偏振光時(shí)折射率不同2.化學(xué)性質(zhì)與手性試劑反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)活性不同生物活性可能相同，但多數(shù)不同。對映異構(gòu)體中的一種可能具有療效，而另一種可能不但無效甚至有害：(+)葡萄糖能被動(dòng)物代謝，(-)葡萄糖不能被動(dòng)物代謝。左旋的氯霉素有抗菌作用，但其對映體則無療效。在歐洲出售的一種叫反應(yīng)停（沙利度胺thalidomide)的藥物卻導(dǎo)致1.2萬個(gè)海豹畸形兒出生的慘劇。

鎮(zhèn)靜劑無致畸作用無鎮(zhèn)靜作用致畸變RS（二）外消旋體（racemate）等量的對映體組成的混合物稱為外消旋體。外消旋體無旋光性外消旋體用符號（）或dl表示外消旋體的化學(xué)性質(zhì)一般與對映體相同物理性質(zhì)有差異（三）對映異構(gòu)體過量百分率和光學(xué)純度對映體過量百分率表示：光學(xué)純度百分率：（四）對映異構(gòu)體的表示方法最好方法：傘形式和球棍模型傘形式：球棍模型CH3CH3OHOHCOOHCOOHHH常用方法：費(fèi)歇爾（Fischer）投影式費(fèi)歇爾投影式傘形式手性碳原子橫前豎后含多個(gè)手性碳的分子，將分子處于重疊式構(gòu)象，再投影

Fischer投影式表現(xiàn)的是重疊式構(gòu)象!COOHHOHCOOHHHOCO2HHOHCO2HHOHCO2HCO2HOHHOHHCOOHHHHOOHHOOC含一個(gè)手性原子的Fischer

投影式的注意事項(xiàng)：（1）手性碳原子上所連任何兩個(gè)原子或基團(tuán)相互

交換奇數(shù)次，成其對映體。

交換偶數(shù)次，其構(gòu)型不變。（a）（b）（c）（a）和（b）互為對映體，（c）和（b）互為對映體，（a）和（c）為同一化合物。2.不離開紙面轉(zhuǎn)----1800×n，是原來的分子。----900×n，是其對映異構(gòu)體。對映異構(gòu)體同一化合物同一物質(zhì)同一物質(zhì)對映體3.將其中一個(gè)取代基位置不變，順或逆轉(zhuǎn)其它三個(gè)基團(tuán)，得到的化合物，原有空間關(guān)系不變。CH3HC2H5ClCH3ClC2H5H4.判別不同的費(fèi)歇爾投影式是否重合，不能離開紙面，只能在紙面內(nèi)平移。一對對映體若其一離開紙面翻1800，就成為同一物質(zhì)。練習(xí)題5.7指出下列結(jié)構(gòu)式的相互關(guān)系(同一化合物？對映異構(gòu)體?)練習(xí)題5.7（五）對映異構(gòu)體構(gòu)型的命名1.D、L命名法D-(+)-甘油醛X-光衍射法未問世，費(fèi)歇爾選甘油醛為標(biāo)準(zhǔn)氧化態(tài)高氧化態(tài)低L-(-)-甘油醛L-(-)-甘油醛L-(+)-甘油酸化合物的構(gòu)型與旋光方向沒有直接的對應(yīng)關(guān)系D、L與“+、-”沒有必然的聯(lián)系與人為規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)物相聯(lián)系而得出的構(gòu)型稱相對構(gòu)型（relativeconfiguration）X-光衍射法問世后，確定了（＋）-酒石酸鈉銣的絕對構(gòu)型，恰好與人為規(guī)定的構(gòu)型相一致。左旋酒石酸右旋酒石酸絕對構(gòu)型：分子真實(shí)的三維空間立體關(guān)系（absoluteconfiguration）COOHHCH3H2NL-2-氨基丙酸因其局限性且由于習(xí)慣，只適用糖類化合物和氨基酸2.R、S命名法方法：次序規(guī)則排次序，方向盤上定構(gòu)型。假設(shè)：A>B>C>DABCDACDBACBABCDD順時(shí)針----R逆時(shí)針----S

R-S標(biāo)記法RS順時(shí)針反時(shí)針基團(tuán)次序?yàn)椋篴>b>c>d怎樣比較基團(tuán)大?。?？？？回顧次序規(guī)則：1.原子序數(shù)大的優(yōu)先，同位素原子量大的也優(yōu)先。(R)-1-氯代乙磺酸(R)-1-氘代乙磺酸Cl>S>C>HS>C>D>H

2.與手性碳相連的兩個(gè)原子相同時(shí)，比較連在這兩個(gè)

碳原子上的其他原子，直至比較出優(yōu)先順序。(C,H,H)(H,H,H)(O,H,H)(C,C,H)(R)-2-氯丁烷(R)-3-甲基-2-氯-1-丁醇3.雙鍵和叁鍵看作連接兩個(gè)或三個(gè)相同的原子等于等于等于等于4.取代基互為對映異構(gòu)體:R構(gòu)型優(yōu)先于S

構(gòu)型取代基互為幾何異構(gòu)體:順式（Z)優(yōu)先于反式(E)(R)-4-甲基-3-苯基-3-氨基-1-戊烯43214321

4321

clockwiseRcounterclockwiseS

確定費(fèi)歇爾投影式R,S構(gòu)型的方法：（1）最小基團(tuán)位于豎線上，比較其他三個(gè)基團(tuán)的優(yōu)先順序確定構(gòu)型。S-構(gòu)型R-構(gòu)型S-構(gòu)型S-構(gòu)型

確定費(fèi)歇爾投影式R,S構(gòu)型的方法：（1）最小基團(tuán)位于豎線上，比較其他三個(gè)基團(tuán)的優(yōu)先順序確定構(gòu)型。（2）最小基團(tuán)位于橫線上，有三種方法確定構(gòu)型。1）交換基團(tuán)位置：R-構(gòu)型固定甲基，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)另三個(gè)基團(tuán)2）手當(dāng)模型：3）平面內(nèi)構(gòu)型與實(shí)際構(gòu)型相反：平面內(nèi)構(gòu)型：SS實(shí)際構(gòu)型：RR(R)-2-氯丁烷(R)-2-甲基-1-戊烯確定構(gòu)型時(shí)，要記住投影式代表的是分子的立體形態(tài)練習(xí)題5.8二、含多個(gè)手性碳原子的化合物1.含兩個(gè)不同手性碳原子的分子（有4個(gè)構(gòu)型異構(gòu)體）SSRRSSRR(1)(2)(3)(4)和(2)，(3)和(4)為對映體(1)和(3)或(4)，(2)和(3)或(4)為非對映體-7.10+7.10-9.30+9.30

表5－2麻黃堿及偽麻黃堿的物理性質(zhì)非對映體的旋光性不同，物理和化學(xué)性質(zhì)也有差異含一個(gè)手性碳原子的分子有兩個(gè)旋光異構(gòu)體含兩個(gè)不同手性碳原子的分子有四個(gè)旋光異構(gòu)體含不同手性碳原子的分子的旋光異構(gòu)體數(shù)目有2n個(gè)，n為不相同手性碳原子的數(shù)目，對映體有2n-1對。赤式（erythro-）和蘇式（threo-）：D-(-)-赤蘚糖L-(+)-赤蘚糖D-(-)-蘇阿糖L-(+)-蘇阿糖赤型蘇型2.含兩個(gè)相同手性碳原子的分子（有3個(gè)構(gòu)型異構(gòu)體）相同是指兩個(gè)手性碳原子上所連接的基團(tuán)具有一一對應(yīng)的關(guān)系內(nèi)消旋體

分子內(nèi)含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。是非手性分子。內(nèi)消旋體：分子內(nèi)部形成對映兩半的化合物。(有平面對稱因素)。具有兩個(gè)手性中心的內(nèi)消旋結(jié)構(gòu)一定是（RS）構(gòu)型內(nèi)消旋體無旋光性(兩個(gè)相同取代、構(gòu)型相反的手性碳原子，處于同一分子中，旋光性抵消)。

全重疊式（對稱面）對位交叉式（對稱中心）構(gòu)象分析說明內(nèi)消旋酒石酸不顯旋光性鄰位交叉式內(nèi)消旋酒石酸實(shí)際上是各種具有對稱因素的構(gòu)象及各種外消旋構(gòu)象所組成的動(dòng)態(tài)平衡體系。RSSR外消旋體內(nèi)消旋體和外消旋體的區(qū)別：1)內(nèi)消旋體為旋光異構(gòu)體之一，不能拆分得到對映體。2)外消旋體為等量的一對對映體的混合物。3)都無旋光性，但本質(zhì)不同。假手性碳原子（自學(xué)）一個(gè)碳原子（A）若和兩個(gè)相同取代的手性碳原子相連而且當(dāng)這兩個(gè)取代基構(gòu)型相同時(shí)。該碳原子為對稱碳原子，而若這兩個(gè)取代基構(gòu)型不同時(shí)，則該碳原子為手性碳原子，則（A）為假手性碳原子。假手性碳原子的構(gòu)型用小r,小s表示。在次序規(guī)則中，R優(yōu)先于S，順優(yōu)先于反。(2R,4R)-2,3,4-三羥基戊二酸(2S,4S)-2,3,4-三羥基戊二酸(2R,3s,4S)-2,3,4-三羥基戊二酸(2R,3r,4S)-2,3,4-三羥基戊二酸是手性碳，但整個(gè)分子是非手性分子，稱為假手性碳原子練習(xí)題5.9SRR練習(xí)題5.10SSSRR三、含手性軸化合物的旋光異構(gòu)體若分子中由若干原子組成的軸狀結(jié)構(gòu)，由于分子中的一些原子或基團(tuán)在此軸周圍的空間排列情況不同而產(chǎn)生手性，此軸稱為手性軸。1.

丙二烯型化合物的旋光異構(gòu)體雙鍵看作三元或三元以上的環(huán)：螺環(huán)化合物看作丙二型化合物：練習(xí)題5.11(1)(2)(3)(R)(S)2.聯(lián)苯型化合物的旋光異構(gòu)體阻轉(zhuǎn)異構(gòu)體（atropisomer）

——

由于單鍵旋轉(zhuǎn)受阻而形成的手性分子。手性軸3.手性面（chiralplane）分子的手性由于某些基團(tuán)對分子中某一平面的不同分布而引起，此面即稱為手性面把手化合物一個(gè)手性分子必然有手性中心、手性軸或手性面。具有手性碳原子的化合物，不一定是手性分子。練習(xí)題5.12（一）外消旋體的拆分（自學(xué)）

1848年

Pasteur（巴斯德,法國化學(xué)家）在顯微下用鑷子將外消旋酒石酸拆分成右旋和左旋酒石酸。

1.手工法四、獲得單一光學(xué)異構(gòu)體的方法主要原則：將一對對映體轉(zhuǎn)成一對非對映異構(gòu)體。2.化學(xué)法:拆分試劑的條件拆分劑與外消旋體之間易反應(yīng),又易被分解。兩個(gè)非對映立體異構(gòu)體在溶解度上有可觀的差別。拆分劑應(yīng)當(dāng)盡可能地達(dá)到旋光純度。拆分劑必須是廉價(jià)的，易制備的或易定量回收的。3.生物法:在酶的作用下進(jìn)行的拆分

4.色譜法:手性的固定相或手性流動(dòng)相利用旋光性化合物對對映體的吸附速度不同進(jìn)行分離Enzyme及細(xì)菌等具有旋光性,作用時(shí)具有較強(qiáng)的選擇性.過濾濾液[含過量(－)－氯霉素]加2g(±)－氯霉素1.9g(+)－氯霉素晶體冷卻過濾2.1g(－)－氯霉素濾液5.

誘導(dǎo)結(jié)晶法

是利用晶種來拆分外消旋體，是一種最經(jīng)濟(jì)的辦法100g(±)－合霉素加1g(+)－氯霉素加100ml水80℃溶解冷卻20℃80℃，溶解誘導(dǎo)結(jié)晶法------是利用晶種來拆分外消旋體，這是一種最經(jīng)濟(jì)的辦法。當(dāng)溶液中含有稍微過量的一種對映體，它在晶種的誘導(dǎo)下，優(yōu)先沉淀出來，而沉淀出的量比過量的量還多。過濾后，溶液中就含有過量的另一種對映體。升高溫度，加入外消旋體，冷卻時(shí)，另一種對映體優(yōu)先沉淀出來。通過這種方法，只要第一次加入少量左旋體（或右旋體）就能交替地把外消旋體分為左旋體和右旋體。合霉素就是運(yùn)用誘導(dǎo)結(jié)晶法進(jìn)行拆分的。（二）不對稱合成簡介(自學(xué))五、旋光異構(gòu)與生理活性(自學(xué))沙利度胺（Thalidomide)——又名反應(yīng)停

鎮(zhèn)靜劑無致畸作用無鎮(zhèn)靜作用致畸變

1957年～1962年，反應(yīng)停的服用造成數(shù)萬名嬰兒嚴(yán)重畸形。研究發(fā)現(xiàn)，其致畸作用是由右式所代表的異構(gòu)體引起，而左式所代表的異構(gòu)體不引起致畸作用。左氧氟沙星抗菌藥

D-（-）-氯霉素抗生素左旋多巴治療帕金森病回顧：第三章立體化學(xué)基礎(chǔ)七、取代環(huán)烷烴的立體構(gòu)象六、外消旋體的拆分五、含兩個(gè)手性碳原子的化合物四、含一個(gè)手性碳原子的化合物重要內(nèi)容：外消旋體、內(nèi)消旋體、費(fèi)歇爾投影式

D/L

命名法、R/S命名法、次序規(guī)則判別單環(huán)化合物旋光性的方法一、取代環(huán)烷烴的構(gòu)型異構(gòu)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(shí)驗(yàn)證明：單環(huán)化合物是否有旋光性可以通過其平面式的對稱性來判別，凡是有對稱中心或?qū)ΨQ平面的單環(huán)化合物無旋光性，反之則有旋光性。無旋光（對稱面）有旋光第三節(jié)取代環(huán)烷烴的立體異構(gòu)無旋光（對稱中心）（對稱面）有旋光無旋光(對稱面)無旋光（對稱面）無旋光（對稱面）有旋光無旋光（對稱面）有旋光順-1,3-二甲基環(huán)丁烷反-1,3-二甲基環(huán)丁烷有對稱面無旋光性①②有對稱面和對稱中心無旋光性順-1,2-環(huán)丙烷二甲酸反-1,2-環(huán)丙烷二甲酸有對稱面無旋光性非手性分子（內(nèi)消旋體）SRRR④③沒有對稱面和手性中心有旋光性

手性分子(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)題5.13反-1,2-環(huán)丙烷二甲酸取代環(huán)烷烴的構(gòu)型異構(gòu)較復(fù)雜，有時(shí)只有順反異構(gòu)體，有時(shí)順反異構(gòu)和對映異構(gòu)同時(shí)存在。⑤④練習(xí)題5.13寫出下列化合物構(gòu)型異構(gòu)體，如有對映異構(gòu)體，試命名手性碳的構(gòu)型。RRSSSRRS二、取代環(huán)己烷的構(gòu)象分析1,3-效應(yīng)或1,3-雙豎鍵效應(yīng)5％95％1.單取代環(huán)己烷取代基位于e鍵的為優(yōu)勢構(gòu)象<0.01％接近100％2.二取代環(huán)己烷順-1,4-二甲基環(huán)己烷ea構(gòu)象ae構(gòu)象反-1,4-二甲基環(huán)己烷ee構(gòu)象aa構(gòu)象優(yōu)勢構(gòu)象較穩(wěn)定的異構(gòu)體：反式順-1,3-二甲基環(huán)己烷反-1,3-二甲基環(huán)己烷ee構(gòu)象aa構(gòu)象ea構(gòu)象ae構(gòu)象優(yōu)勢構(gòu)象較穩(wěn)定的異構(gòu)體：順式反-1-甲基-2-叔丁基環(huán)己烷順-1-甲基-2-叔丁基環(huán)己烷ee構(gòu)象aa構(gòu)象優(yōu)勢構(gòu)象ae構(gòu)象ea構(gòu)象優(yōu)勢構(gòu)象取代環(huán)己烷的優(yōu)勢構(gòu)象的判斷：椅式構(gòu)象為穩(wěn)定構(gòu)象。取代基占橫鍵越多的為優(yōu)勢構(gòu)象。含不同取代基時(shí)，體積較大的處于橫鍵為優(yōu)