南開(kāi)大學(xué)高等有機(jī)化學(xué)課件-第二章立體化學(xué)原理

立體化學(xué)原理本章將探討分子中原子空間排列的幾何結(jié)構(gòu)及其與分子性質(zhì)的關(guān)系。通過(guò)對(duì)立體化學(xué)基本概念和定律的系統(tǒng)闡述，幫助同學(xué)們深入理解有機(jī)分子的構(gòu)型,為后續(xù)的有機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。ＯabyＯＯＯＯＯＯＯＯＯ手性分子的概念手性定義手性分子是無(wú)法和其鏡像重合的分子,具有非對(duì)稱(chēng)性結(jié)構(gòu)。它們沒(méi)有內(nèi)平面或內(nèi)心對(duì)稱(chēng)性,是一種非對(duì)稱(chēng)的分子。鏡像異構(gòu)體手性分子的兩個(gè)鏡像異構(gòu)體具有相同的化學(xué)式和連接關(guān)系,但空間構(gòu)型不同,無(wú)法重合。它們被稱(chēng)為對(duì)映異構(gòu)體。手性中心手性分子通常含有一個(gè)或多個(gè)手性中心,即碳原子周?chē)B接著四個(gè)不同的取代基,具有四面體幾何構(gòu)型。2.1.1手性分子的定義手性分子是指在鏡像中無(wú)法重合的分子。這種分子具有非重合的鏡像異構(gòu)體，即鏡像關(guān)系中的一對(duì)對(duì)映異構(gòu)體。手性分子可以通過(guò)其三維空間結(jié)構(gòu)來(lái)定義，通常由一個(gè)具有四個(gè)不同取代基的手性中心原子來(lái)決定。鏡像異構(gòu)體鏡像異構(gòu)體是具有相同分子式和連接關(guān)系,但空間構(gòu)型不同的化合物。它們就像一個(gè)物體和它在鏡中的反射,無(wú)法重合。鏡像異構(gòu)體具有相同的化學(xué)和物理性質(zhì),但在光學(xué)性質(zhì)上有所差異,如旋光性等。手性中心手性中心是指構(gòu)成手性分子的一個(gè)或多個(gè)碳原子上的四個(gè)不同原子基團(tuán)。這個(gè)碳原子上的四個(gè)鍵是非對(duì)稱(chēng)排列的,從而形成了左右手向鏡像關(guān)系的對(duì)映異構(gòu)體。例如,乳酸中羥基旁的碳原子就是一個(gè)典型的手性中心。手性分子的表示方法有機(jī)化合物的立體結(jié)構(gòu)可以通過(guò)多種方式表示,包括Fischer投影、球棍模型、流形等。這些表示手性分子結(jié)構(gòu)的方法各有優(yōu)缺點(diǎn),適用于不同的場(chǎng)合。通過(guò)理解這些表示方法,我們可以更好地分析和預(yù)測(cè)有機(jī)反應(yīng)的立體化學(xué)。2.2.1R/S命名法R/S命名法是描述手性分子構(gòu)型的一種重要方法。根據(jù)分子中手性中心上取代基的優(yōu)先級(jí)順序，可以將其標(biāo)記為R(來(lái)自拉丁語(yǔ)rectus右)或S(來(lái)自拉丁語(yǔ)sinister左)。這種命名方法為表示分子的三維構(gòu)型提供了一種簡(jiǎn)潔有效的方式，被廣泛應(yīng)用于有機(jī)化學(xué)及生命科學(xué)領(lǐng)域。D/L命名法D/L命名法是描述手性分子的一種方法。D和L代表分子在三維空間中的構(gòu)型:D代表手性碳原子上的取代基按順時(shí)針排列,L代表逆時(shí)針排列。這種方法常用于描述生物大分子,如氨基酸和糖類(lèi)化合物,反映了它們?cè)谏^(guò)程中的重要角色。Fischer投影公式Fischer投影公式是一種表示手性分子立體結(jié)構(gòu)的方法。使用這種方法可以直觀地表示分子中各原子的空間排列關(guān)系。投影圖中的交叉線表示位于觀察者后方的原子,直線表示位于觀察者前方的原子。這種表達(dá)方式簡(jiǎn)單直觀,便于理解和應(yīng)用。分子的對(duì)映異構(gòu)1定義對(duì)映異構(gòu)體指分子具有相同的化學(xué)式,但其空間結(jié)構(gòu)鏡像關(guān)系的兩個(gè)構(gòu)型異構(gòu)體。這種異構(gòu)現(xiàn)象被稱(chēng)為對(duì)映異構(gòu)。2性質(zhì)對(duì)映異構(gòu)體具有相同的物理化學(xué)性質(zhì),但對(duì)偏振光的旋轉(zhuǎn)方向相反,生物活性通常不同。3分離采用色譜、結(jié)晶、酶催化等方法可以分離和獲得純的對(duì)映異構(gòu)體。這對(duì)于手性藥物的研發(fā)非常重要。2.3.1對(duì)映異構(gòu)體的性質(zhì)對(duì)映異構(gòu)體具有相同的化學(xué)結(jié)構(gòu)和分子式,但空間構(gòu)型不同對(duì)映異構(gòu)體在無(wú)偏振光下具有相同的物理性質(zhì),如熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、密度等對(duì)映異構(gòu)體在偏振光下具有相反的光學(xué)性質(zhì),如旋光度對(duì)映異構(gòu)體在生物環(huán)境中通常具有不同的生物活性和藥理效應(yīng)對(duì)映異構(gòu)體的分離由于對(duì)映異構(gòu)體具有相同的化學(xué)性質(zhì),很難通過(guò)一般的分離手段將其分離。常見(jiàn)的分離方法包括：手性色譜分離、結(jié)晶分離、酶催化動(dòng)力學(xué)拆分等。這些方法利用對(duì)映異構(gòu)體微妙的物理化學(xué)差異,如分子形狀、旋光性、溶解度等,從而實(shí)現(xiàn)有效的分離。通過(guò)精心設(shè)計(jì)的手性分離方法,可以高選擇性地獲得純度高達(dá)99.9%的單一對(duì)映異構(gòu)體。2.4手性分子的光學(xué)活性手性分子具有光學(xué)活性,即能夠旋轉(zhuǎn)偏振光的性質(zhì)。這是由于手性分子的空間結(jié)構(gòu)不同于其鏡像異構(gòu)體,導(dǎo)致其對(duì)左旋光和右旋光的吸收不同。通過(guò)測(cè)量旋光度,可以確定手性分子的絕對(duì)構(gòu)型。2.4.1旋光儀的原理旋光儀是用于測(cè)量光學(xué)活性物質(zhì)旋轉(zhuǎn)平面偏振光角度的儀器。它的原理是基于這樣一個(gè)事實(shí)：當(dāng)平面偏振光通過(guò)光學(xué)活性物質(zhì)時(shí),光的偏振平面會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)角度的大小與物質(zhì)的濃度、層厚和比旋光度有關(guān)。通過(guò)測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度,就可以推算出物質(zhì)的光學(xué)純度和濃度。旋光儀通常由光源、偏振器、樣品池、檢偏器和檢測(cè)器等部分組成。利用旋光儀可以方便地測(cè)定手性分子的光學(xué)活性,從而反映其立體構(gòu)型。這在生命科學(xué)研究、藥物研發(fā)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。2.4.2旋光度的測(cè)定要測(cè)量旋光度,需要使用一種稱(chēng)為旋光儀的精密儀器。該儀器利用偏振光的性質(zhì),通過(guò)測(cè)量樣品對(duì)偏振光的旋轉(zhuǎn)角度來(lái)得出樣品的旋光度。旋光度測(cè)量過(guò)程需要考慮樣品的濃度、溫度、溶劑等因素。儀器會(huì)自動(dòng)計(jì)算出樣品的摩爾旋光度,為后續(xù)研究提供重要數(shù)據(jù)。2.4.3摩爾旋光度旋光度常用來(lái)表示一個(gè)光學(xué)活性化合物的手性特性。摩爾旋光度是指溶液濃度為1mol/L時(shí)的旋光度。它可以用來(lái)定量描述手性分子的光學(xué)活性,是一個(gè)更標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)活性參數(shù)。通過(guò)測(cè)量摩爾旋光度,可以準(zhǔn)確地比較不同手性分子的光學(xué)性質(zhì),為手性分子的分析和應(yīng)用提供依據(jù)。2.5手性分子的手性來(lái)源手性分子可以由多種因素產(chǎn)生,主要包括以下三種形式:手性碳原子是最常見(jiàn)的手性來(lái)源,具有四個(gè)不同取代基的碳原子即可形成手性中心。手性軸存在于一些具有剛性的分子中,如聯(lián)苯等,它們?cè)谛D(zhuǎn)時(shí)沒(méi)有鏡像對(duì)稱(chēng)面。手性平面出現(xiàn)在一些含有螺旋或椎體結(jié)構(gòu)的分子中,缺乏鏡像對(duì)稱(chēng)平面。不同的手性來(lái)源決定了分子的立體結(jié)構(gòu),從而產(chǎn)生特異的光學(xué)活性。手性碳原子手性碳原子是具有四個(gè)不同取代基的碳原子。由于四個(gè)取代基的空間排列是不對(duì)稱(chēng)的,因此這種碳原子是手性中心。手性碳原子可以形成鏡像異構(gòu)體,擁有兩種相互鏡像對(duì)稱(chēng)的空間構(gòu)型。手性碳原子在有機(jī)化學(xué)及生命科學(xué)中扮演著重要角色,是立體化學(xué)的基礎(chǔ)。手性軸手性軸指分子中沒(méi)有對(duì)稱(chēng)中心但有一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸使分子結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不同的空間構(gòu)型。這種手性來(lái)源于分子上特定的取代基團(tuán)按順時(shí)針或逆時(shí)針順序排列。手性軸在許多自然界和合成有機(jī)分子中都可以觀察到,例如2-丁烯、2,2'-聯(lián)聯(lián)苯和許多螺環(huán)狀分子。2.5.3手性平面手性平面是指分子中存在一個(gè)平面并且存在兩種對(duì)映異構(gòu)體的情況。這種平面上的不對(duì)稱(chēng)會(huì)使分子呈現(xiàn)手性。典型的例子包括二苯并環(huán)丁烯和聯(lián)菜甲基二茂鐵等。這些分子通過(guò)在平面上的取代基差異而產(chǎn)生不同的對(duì)映異構(gòu)體。手性平面是一種重要的手性類(lèi)型,在幾種藥物和天然產(chǎn)物中都有體現(xiàn)。手性分子在生命科學(xué)中的重要性手性分子在生命科學(xué)中扮演著至關(guān)重要的角色。許多生物大分子,如蛋白質(zhì)和核酸,都具有手性結(jié)構(gòu)。這些手性分子可以識(shí)別和特異性地結(jié)合到其他手性分子,是生命活動(dòng)得以進(jìn)行的基礎(chǔ)。手性錯(cuò)配會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的藥物副作用,因此手性藥物研發(fā)至關(guān)重要。2.6.1藥物的手性許多藥物都是手性分子,也就是存在鏡像異構(gòu)體。這些手性異構(gòu)體通常具有不同的藥理活性和毒性。對(duì)于許多藥物來(lái)說(shuō),只有一種手性異構(gòu)體是有效的,而另一種則可能產(chǎn)生嚴(yán)重副作用甚至毒性。因此,了解手性藥物的立體化學(xué)性質(zhì)對(duì)于藥物設(shè)計(jì)和評(píng)估至關(guān)重要。生物大分子的手性生物體內(nèi)存在大量具有手性的生物大分子,如氨基酸、糖類(lèi)和核酸等。這些手性分子在生物體內(nèi)起著關(guān)鍵的作用,其立體結(jié)構(gòu)直接影響著生物體的生理功能。例如,蛋白質(zhì)中的氨基酸以及核酸中的堿基都是手性分子,它們的特定構(gòu)型是生命活動(dòng)的基礎(chǔ)。手性分子在生命活動(dòng)中的作用手性分子在生命活動(dòng)中扮演著重要的角色