第五章旋光異構(gòu)

第五章旋光異構(gòu)本章要求：掌握旋光異構(gòu)的基本概念。掌握正確書寫費(fèi)歇爾投影式的方法掌握構(gòu)型的D、L和R、S標(biāo)記法。熟練掌握判斷分子手性的方法(enantiomers)手性、對(duì)映體、非對(duì)映體、外消旋體、內(nèi)消旋體等。同分異構(gòu)構(gòu)造異構(gòu)立體異構(gòu)構(gòu)型異構(gòu)構(gòu)象異構(gòu)對(duì)映異構(gòu)順反異構(gòu)

20世紀(jì)60年代的“反應(yīng)?！笔录且粋€(gè)典型的藥物導(dǎo)致胎兒畸形的例子。當(dāng)時(shí)一家西德藥廠生產(chǎn)了一種治療早期妊娠反應(yīng)的新藥，有很好的止吐作用。許多有嘔吐反應(yīng)的早期妊娠婦女，服用此藥后，可迅速把妊娠反應(yīng)性嘔吐停住，因而取名為“反應(yīng)停”。由于止吐效果顯著，頗受早孕婦女的歡迎。在很短的時(shí)間里便風(fēng)靡全世界。特別是在十幾個(gè)經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家內(nèi)，成為非常暢銷的藥。但是隨后不久，這些國(guó)家內(nèi)不斷出生了許多沒有胳膊也沒有腿的海豹樣新生嬰兒。僅在生產(chǎn)此藥的西德，10個(gè)月中，就有5500多個(gè)這樣的怪胎出生。在英國(guó)也在短時(shí)間內(nèi)，登記到的這種怪胎就有8000多個(gè)。日本也發(fā)現(xiàn)300多個(gè)。引言(S)-thalidomide(R)-thalidomide

反應(yīng)停：五十年恩怨鎮(zhèn)靜作用強(qiáng)烈致畸作用

反應(yīng)停（halidomide，α-苯肽茂二酰亞胺，塞利多米）后來(lái)經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)停是消旋體，其右旋體有鎮(zhèn)靜作用，而左旋體對(duì)胚胎有很強(qiáng)的致畸作用。手性藥物療效的極大差異促進(jìn)了手性藥物的研究開發(fā)與及分離分析的發(fā)展。目前普遍使用的2000多種合成藥物中有600余種為手性藥物，而活性的單一對(duì)映體藥物不足100種，其余的500余種都是左右旋混在一起的消旋體藥物手性藥物帶來(lái)的市場(chǎng)效益及增長(zhǎng)的需求2000年手性藥物銷售1320億美元，比1999年增加13%1999年手性藥物銷售1170億美元1997年手性藥物銷售910億美元，比1996年增加21%1993年手性藥物銷售356億美元，比1992年增加22%1990年手性藥物銷售180億美元1997年全世界100個(gè)熱銷藥物中，

50個(gè)是單一對(duì)映體(手性藥物)100個(gè)熱銷藥物852億美元

50個(gè)手性藥物428億美元1993年

97個(gè)熱銷藥物中，手性藥物僅占20%光是一種電磁波，其振動(dòng)方第一節(jié)物質(zhì)的旋光性一、偏振光向與前進(jìn)方向垂直普通光可在所有垂直于其前進(jìn)方向的平面上振動(dòng)Nicol棱鏡偏振光：只在一個(gè)平面上振動(dòng)的光。能使偏振光振動(dòng)平面旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)。旋光性：(光學(xué)活性)具有光學(xué)活性的物質(zhì)。旋光物質(zhì)：ex:乳酸、葡萄糖等。旋光性物質(zhì)使偏振光旋轉(zhuǎn)的角度，旋光度：以“α”表示。左旋體(-)：右旋體(+)：使偏振光振動(dòng)平面按反時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。使偏振光振動(dòng)平面按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。二、旋光儀起偏鏡檢偏鏡旋光管WXG-4圓盤旋光儀

α與溶液的濃度、樣品管的長(zhǎng)度、溫度、光的波長(zhǎng)等因素有關(guān)濃度為ρ=1g/ml的旋光性物質(zhì)溶液，放在l=1dm式中t表示溫度，λ表示所用光的波長(zhǎng)。若被測(cè)物為純液體，只要把ρ換成液體的密度d即可。比旋光度是旋光性物質(zhì)特有的物理常數(shù)。

三、比旋光度長(zhǎng)的盛液管中測(cè)得的旋光度為這個(gè)物質(zhì)的比旋光度。左手的鏡像右手左手右手左右手不能完全重合左手左手的鏡像可以完全重合四、分子的手性手性：物質(zhì)的分子與其鏡像不能重合的性質(zhì)。具有手性的分子稱為手性分子。觀察自己的雙手左手與右手有什么聯(lián)系和區(qū)別？生活中的對(duì)映體-鏡象井岡山風(fēng)景桂林風(fēng)情左右手互為鏡象沙漠胡楊生活中的對(duì)映體-鏡象生活中的對(duì)映體-鏡象對(duì)映異構(gòu)體牛奶發(fā)酵得到出汗時(shí)肌肉分泌

如果兩物體之間的關(guān)系相當(dāng)于其中一物體與其鏡象的關(guān)系，相似而不能疊合，則這兩個(gè)物體互稱為對(duì)映異構(gòu)體，簡(jiǎn)稱為對(duì)映體。對(duì)映異構(gòu)體的比旋光度數(shù)值相等，方向相反右旋乳酸D為鈉光的D線(黃色)波長(zhǎng)為589.3nm（出汗時(shí)肌肉分泌）（牛奶發(fā)酵得到）對(duì)映異構(gòu)體的比旋光度是否相同？左旋乳酸光學(xué)異構(gòu)體對(duì)映異構(gòu)體Question：手性碳原子：蘋果酸具有手性碳原子的分子不一定是手性分子；酒石酸注意連有四個(gè)不同的原子或基團(tuán)的sp3雜化碳原子。而手性分子也不一定具有手性碳。手性分子都具有對(duì)映異構(gòu)體存在。

判斷一個(gè)分子是不是手性分子，最直接的辦法就是，看這個(gè)分子能否和它的鏡像重合。畫出分子的鏡像，進(jìn)行比較。分子有無(wú)手性，也可以從它具有的對(duì)稱因素來(lái)判定。對(duì)稱中心i對(duì)稱面σ對(duì)稱因素如何判斷一個(gè)分子是否具有手性？Question：一個(gè)平面能把分子分割成兩部分，一部分正好是另一部分的鏡像。

有對(duì)稱面的分子能和它的鏡像重合，沒有手性。

對(duì)稱面對(duì)稱面σ對(duì)稱中心有對(duì)稱中心的分子能和它的鏡像重合，沒有手性。

從分子中任何一個(gè)原子向i

引一條直線，再延長(zhǎng)到對(duì)面等距的地方，總有一個(gè)相同的原子。

若一個(gè)分子既沒有對(duì)稱面，也沒有對(duì)稱中心結(jié)論：～手性分子。對(duì)稱中心i第二節(jié)含手性碳原子化合物的旋光異構(gòu)互為實(shí)物與鏡像關(guān)系的一對(duì)旋光異構(gòu)體，簡(jiǎn)稱對(duì)映體。

含有一個(gè)手性碳的化合物既沒有對(duì)稱面也沒有對(duì)稱中心，是手性分子，有一對(duì)對(duì)映異構(gòu)體（左旋體+右旋體）。

對(duì)映體的等量混合物，用(±)表示。

一、含一個(gè)手性碳的化合物對(duì)映異構(gòu)體外消旋體除了對(duì)偏振光振動(dòng)平面的旋轉(zhuǎn)方向不同外，對(duì)映體的其他物理性質(zhì)是相同的；除了對(duì)旋光性的試劑作用不同外，對(duì)映體的其他化學(xué)性質(zhì)是相同的；對(duì)映體的生理作用有很大差別：氯霉素的左旋體有療效，它的對(duì)映體則無(wú)抗菌作用；在培養(yǎng)青霉菌時(shí)，右旋酒石酸被消耗掉，剩余為左旋體；左旋尼古丁的毒性比右旋尼古丁大得多。對(duì)映體的性質(zhì)外消旋體和左旋體、右旋體相比，物理性質(zhì)有所改變。

(S)-(+)-乳酸(R)-(-)-乳酸()-乳酸外消旋乳酸

m.p：53oC53oC18oC[]D：+3.82-3.820pKa：3.793.833.86二、對(duì)映異構(gòu)體的表示方法1.透視式（三維結(jié)構(gòu)）COOHCH3HOHCOOHCH3HOH原則：橫前豎后2.Fischer投影式COOHCH3HOHCOOHCH3HOH手性碳位于紙平面上，用橫豎線的交叉點(diǎn)表示；碳鏈豎放，編號(hào)小的碳在上。以橫線相連的原子或基團(tuán)在紙面前方；以豎線相連的原子或基團(tuán)在紙面后方；Fischer投影式不能離開紙面進(jìn)行翻轉(zhuǎn)使用Fischer投影式注意：≠翻轉(zhuǎn)

在紙面上旋轉(zhuǎn)180°仍為原來(lái)的構(gòu)型旋轉(zhuǎn)180°旋轉(zhuǎn)180°≡不能在紙面上旋轉(zhuǎn)90°或其奇數(shù)倍旋轉(zhuǎn)90°旋轉(zhuǎn)90°≠旋轉(zhuǎn)270°旋轉(zhuǎn)270°≠如何判斷Fischer投影式是否相同？將Fischer投影式在紙面上旋轉(zhuǎn)180°，得到的構(gòu)型和原來(lái)相同?；鶊F(tuán)兩兩互換位置偶數(shù)次，構(gòu)型不變；奇數(shù)次～對(duì)映體1次2次Question：固定任意一個(gè)基團(tuán)不動(dòng)，依次輪換其余三個(gè)基團(tuán)的位置，如何區(qū)分不同排列，命名不同的異構(gòu)體呢?得到的構(gòu)型和原來(lái)相同。D、L命名法（甘油醛）其Ficher投影式為:D-(+)-甘油醛L-(-)-甘油醛三、對(duì)映異構(gòu)體的命名*規(guī)定-OH在標(biāo)準(zhǔn)的Fischer式右邊的～為D型甘油醛-OH在標(biāo)準(zhǔn)的Fischer式左邊的～為L(zhǎng)型甘油醛D、L與“+、-”沒有必然的聯(lián)系～相對(duì)構(gòu)型標(biāo)記法當(dāng)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)時(shí)，如果與手性中心相連的鍵不斷裂,則化合物的構(gòu)型不會(huì)改變,由此演變而來(lái)的一系列化合物的構(gòu)型與其原來(lái)的化合物相同。這樣得來(lái)的化合物的構(gòu)型稱為相對(duì)構(gòu)型。[O][H]D-(+)-甘油醛D-(-)-甘油酸D-(-)-乳酸相對(duì)構(gòu)型在碳水化合物的研究中仍然非常有用。相對(duì)構(gòu)型:D-(+)-葡萄糖L-(-)-葡萄糖葡萄糖的Fischer式你能標(biāo)出葡萄糖分子手性中心的構(gòu)型嗎？Question：R、S標(biāo)記法將與手性碳相連的四個(gè)基團(tuán)按次序規(guī)則進(jìn)行排列：R型S型a>b>c>da、b、c以逆時(shí)針方向排列把最小的原子或基團(tuán)d放到紙面后方，依次觀察abc。a、b、c以順時(shí)針方向排列如何根據(jù)楔形透視式確定構(gòu)型？乳酸手性碳上的四個(gè)基團(tuán)：OH>COOH>CH3>H。S型R型S型R型若把排在最后的原子或原子團(tuán)d放到前方，觀察ab

c。當(dāng)a、b、c以順時(shí)針方向排列時(shí)，該C*為S構(gòu)型，當(dāng)a、b、c以逆時(shí)針方向排列時(shí)該C*為

R構(gòu)型。abcd由Fischer投影式確定構(gòu)型(R)-α-羥基丙酸由Fischer投影式判斷R,S構(gòu)型時(shí)，若最小基團(tuán)在垂直線上，則按高低順序直接得到C*為R或S構(gòu)型；若最小基團(tuán)在左右，即橫線上，按順，反時(shí)針方向所得到的構(gòu)型與實(shí)際構(gòu)型相反。小上下，順R反S；小左右，順S反Rabc(S)-α-羥基丙酸(R)-(+)-甘油醛(S)-(-)-甘油醛(-)、(+)表示旋光方向～實(shí)驗(yàn)測(cè)定；R、S由分子的實(shí)際構(gòu)型判定。驗(yàn)證：在Fischer投影式中，任意兩個(gè)基團(tuán)對(duì)調(diào)，變成對(duì)映體，三個(gè)基團(tuán)輪換，分子構(gòu)型保持不變。這種變換僅對(duì)同一手性碳所連的四個(gè)基團(tuán)有效。R型S型R型abcabcex:判斷下列化合物手性中心的構(gòu)型：RSRRSRcbaaaaaabbbbbcccccex:

當(dāng)化合物分子中含有兩個(gè)不同的手性碳時(shí)，每個(gè)手性碳原子各有兩種不同的構(gòu)型，因此應(yīng)有4種構(gòu)型。三、含兩個(gè)手性碳的化合物1.兩個(gè)手性碳原子不同2,3,4-三羥基丁酸2,3,4-三羥基丁酸可以寫出多少種構(gòu)型異構(gòu)體？Question：ⅠⅡⅢⅣ2S3S2R3R2S3R2R3S取代基的次序C2：OH>COOH>CHOHCOOH

>HC3：OH>CHOHCOOH>CH2OH>H對(duì)映異構(gòu)體對(duì)映異構(gòu)體非對(duì)映異構(gòu)體非對(duì)映異構(gòu)體非對(duì)映異構(gòu)體非對(duì)映異構(gòu)體是立體異構(gòu)體，但又不是鏡像關(guān)系。非對(duì)映體的比旋光度不同，熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、溶解度、相對(duì)密度、折射率等物理性質(zhì)也很不同，化學(xué)性質(zhì)雖然相似，但也不完全相同，如反應(yīng)速度有差異。當(dāng)分子中有n個(gè)不同的手性碳時(shí)，異構(gòu)體數(shù)目為2n。異構(gòu)體的名稱(2R,3R)-2-羥基-3-氯丁二酸RR怎樣確定嗎啡的異構(gòu)體數(shù)目?問題25=32個(gè)當(dāng)兩個(gè)手性碳原子所連的四個(gè)基團(tuán)完全相同時(shí)，兩個(gè)手性碳是相同的。ex:酒石酸也可以寫出幾種構(gòu)型的Fischer投影式？2.兩個(gè)手性碳原子相同酒石酸Question：ⅠⅡⅢ內(nèi)消旋體(meso)ⅣRRSSRS取代基的次序OH>COOH>CHOHCOOH>H含有手性C，但由于分子中存在對(duì)稱因素而使分子不內(nèi)消旋體：具有手性的化合物。內(nèi)消旋體是單一純凈物，而外消旋體是混合物內(nèi)消旋體中兩個(gè)手性C的構(gòu)型必定相反由于內(nèi)消旋體的存在，對(duì)含n個(gè)相同手性C的化合物旋光異構(gòu)體的數(shù)目外消旋體的數(shù)目ex:寫出(2R,3R)-2,3-二氯丁烷的Fischer投影式。SSRRSR(2R,3R)-2,3-二氯丁烷取代基的次序：Cl>CHClCH3>CH3>H?meso在轉(zhuǎn)換時(shí)，要想象出它們的立體形象。構(gòu)型式的相互轉(zhuǎn)換RabcRTheEnd四、環(huán)狀化合物的對(duì)映異構(gòu)（一）、三元環(huán)1.A、A型二元取代：2.A、B型二元取代：RSRRSS順式反式SRRSRRSScab順式反式有三個(gè)異構(gòu)體。有22=4個(gè)異構(gòu)體，兩對(duì)對(duì)映體。（meso-)（二）、四元環(huán)

HHCOOHHOOCHCOOHHOOCHHHHOOCCOOH順式反式HHCOOHHOOCHHCOOHHOOC順式反式1（meso-)1.1、2取代2.1、3取代ex:1,2-二甲基環(huán)己烷前面的分析都是建立在“環(huán)是平面結(jié)構(gòu)”的基礎(chǔ)上的，實(shí)際上，除了三元環(huán)，都不是平面結(jié)構(gòu)。（三）、六元環(huán)

?問題如果把構(gòu)象也考慮進(jìn)去，結(jié)論是否一樣結(jié)論：用平面式分析，化合物是內(nèi)消旋體--無(wú)手性用構(gòu)象式分析，對(duì)映體可以互變--無(wú)手性構(gòu)象分析的結(jié)論與平面結(jié)構(gòu)的分析相同為方便起見，可用平面結(jié)構(gòu)來(lái)分析當(dāng)丙二烯分子兩端碳上都連有不同的基團(tuán)時(shí)，spsp2sp2四、不含手性碳原子化合物的對(duì)映異構(gòu)丙二烯型化合物分子沒有對(duì)稱面也沒有對(duì)稱中心，有對(duì)映異構(gòu)。

若用兩個(gè)環(huán)來(lái)代替兩個(gè)雙鍵，則所得到的螺環(huán)化合物也應(yīng)當(dāng)有對(duì)映異構(gòu)。

當(dāng)(a+c)及(b+d)的半徑大于0.29nm時(shí)，苯環(huán)繞單鍵的旋轉(zhuǎn)受到阻礙，整個(gè)分子沒有對(duì)稱面和對(duì)稱中心，有對(duì)映異構(gòu)。聯(lián)苯型化合物

若有一個(gè)苯環(huán)上的兩個(gè)取代基相同時(shí)，則分子有對(duì)稱面，沒有對(duì)映異構(gòu)。

當(dāng)n≤8時(shí)，由于取代基的阻礙使苯環(huán)無(wú)法任意轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)分子有對(duì)映體存在。

其它化合物五、動(dòng)態(tài)立體化學(xué)由非手性的化合物合成手性化合物時(shí)，總是得到等量的左旋體和右旋體的混合物，即外消旋體。(R)-2-氯丁烷

(S)-2-氯丁烷

立體選擇反應(yīng)原因：烷烴的鹵代是自由基反應(yīng)，活性中間體自由基為平面型結(jié)構(gòu)，Cl2從自由基平面的兩邊進(jìn)攻的幾率是相等的。Cl2

由2-丁烯和Br2加成時(shí)，可以得到2,3-二溴丁烷。順-2-丁烯和溴加成時(shí)得到的是一對(duì)對(duì)映體，反-2-丁烯和溴加成時(shí)得到的是內(nèi)消旋體。(±)meso原因：溴對(duì)烯烴的加成反應(yīng)，是通過環(huán)狀的溴離子中間體歷程進(jìn)行的，為反式加成。立體專一反應(yīng)：由某一立體異構(gòu)的反應(yīng)物只得到某一特定的立體異構(gòu)產(chǎn)物的反應(yīng)。立體專一反應(yīng)HHCH3CH3Br+BrHCH3BrHCH3HCH3BrBrBr-BrBrCH3HCH3HBrBrCH3HCH3H2R,3R2S,3SBrBrCH3HCH3Hcab2R,3ScabcbacbaBrHCH3BrHCH3BrBrHCH3(Z)-2-丁烯加溴生成等量的(2R,3R)和(2S,3S)的事實(shí)，是對(duì)反式加成機(jī)理最有力的支持。若是順式加成TheEnd將2-氯丁烷再進(jìn)行氯代，有2,3-二氯丁烷生成。只取其中之一進(jìn)行這樣的氯代，則生成的兩種產(chǎn)物的產(chǎn)率有所不同。29%

71%

在已有一個(gè)手性中心的分子中引進(jìn)第二個(gè)手性中心時(shí)，得到的立體異構(gòu)體的量是不均等的；即第一個(gè)手性中心對(duì)第二個(gè)手性中心的構(gòu)型有控制作用。立體選擇反應(yīng)：在反應(yīng)中有幾種立體異構(gòu)體生成，其有中一種為主要產(chǎn)物。五、外消旋體的拆分原理：通過化學(xué)方法，把對(duì)映體變成非對(duì)映體，利用非對(duì)映體的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、溶解度等的不同進(jìn)行分離。

常用試劑：手性生物堿(-)-馬錢子堿、(-)-奎寧、(-)-番木鱉堿、(+)-辛可寧，手性酸：酒石酸、樟腦磺酸等。

化學(xué)方法在色譜柱中用手性物質(zhì)作固定相，可以直接將對(duì)映體分開。如一種市售的手性填料是將纖維素醚負(fù)載在硅膠上。

色譜法HPLC用手性柱GC用手性柱生物體中的酶或細(xì)菌等具有旋光性，當(dāng)它們與外消旋體作用時(shí)，具有較強(qiáng)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。生物法TheEnd（三）.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：?jiǎn)苇h(huán)化合物有否旋光性可以通過其平面式的對(duì)稱性來(lái)判別，凡是有對(duì)稱中心和對(duì)稱平面的單環(huán)化合物無(wú)旋光性，反之則有旋光性。無(wú)旋光（對(duì)稱面）有旋光順式和反式互為非對(duì)映異構(gòu)體無(wú)旋光（對(duì)稱面）有旋光無(wú)旋光（對(duì)稱面）有旋光1奇數(shù)環(huán)當(dāng)AB不同時(shí)，順式和反式都有手性。無(wú)旋光（對(duì)稱中心）有旋光無(wú)旋光(對(duì)稱面)無(wú)旋光（對(duì)稱面）2偶數(shù)環(huán)思考：當(dāng)AB相同和不同時(shí)有什么區(qū)別？取代環(huán)己烷旋光性的情況分析例一：順-1,2-二甲基環(huán)己烷旋轉(zhuǎn)120o(1)(2)(1)的構(gòu)象轉(zhuǎn)換體(1)和(2)既是構(gòu)象轉(zhuǎn)換體，又是對(duì)映體。能量相