北京大学裴伟伟有机化学讲义Chapter3.ppt

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1、第三章第三章第三章第三章 立体化学立体化学立体化学立体化学exit第一节第一节立体化学的任务，立体异构体的立体化学的任务，立体异构体的分类和定义分类和定义第二节第二节旋光性和分子结构的对称性因素旋光性和分子结构的对称性因素第三节第三节手性分子的分类及情况分析手性分子的分类及情况分析第四节第四节消旋、拆分和不对称合成消旋、拆分和不对称合成本章提纲本章提纲本章提纲本章提纲立体异构体的定义：分子中的原子或原子团互相连接立体异构体的定义：分子中的原子或原子团互相连接的次序相同，但在空的次序相同，但在空间的排列方向不同而引起的异构体。间的排列方向不同而引起的异构体。任务：研究分子的立体形象及与立体形象相

2、联系的特殊任务：研究分子的立体形象及与立体形象相联系的特殊物理性质和化学性质的科学。物理性质和化学性质的科学。立体异构体立体异构体构型异构体构型异构体构象异构体构象异构体几何异构体几何异构体旋光异构体旋光异构体第一节第一节立体化学的任务立体化学的任务立体异构体的分类和定义立体异构体的分类和定义分分类类第二节第二节旋光性和分子结构的对称性因素旋光性和分子结构的对称性因素不能与其镜象叠合的分子为手性分子；不能与其镜象叠合的分子为手性分子；手性分子有旋光性。手性分子有旋光性。一一手性分子手性分子二二判别手性分子的依据判别手性分子的依据有有更迭对称轴更迭对称轴无无手性手性旋转旋转+反射反射更迭对称轴更

3、迭对称轴(Sn)（或旋转反或旋转反射轴）射轴）有有对称中心对称中心无无手性手性倒反倒反对称中心对称中心(i)（或反演中心）或反演中心）不能作为区别手不能作为区别手性的依据性的依据旋转旋转对称轴对称轴(Cn）有有对称面对称面无无手性手性反映（射）反映（射）对称面（对称面（）判别手性的依据判别手性的依据对称操作对称操作对称元素对称元素S1=S2=i第三节第三节手性分子的分类及情况分析手性分子的分类及情况分析一一含手性碳原子的手性分子含手性碳原子的手性分子二二不含手性碳原子的手性分子不含手性碳原子的手性分子一一含手性碳原子的手性分子含手性碳原子的手性分子1.含一个手性碳原子的化合物含一个手性碳原子的

4、化合物2.含两个或多个不对称碳原子的化合物含两个或多个不对称碳原子的化合物3.含两个或多个相同（相象）手性碳原子的化合物含两个或多个相同（相象）手性碳原子的化合物4.含手性碳原子的单环化合物含手性碳原子的单环化合物（1）手性碳原子）手性碳原子（2）对映体）对映体（3）外消旋体）外消旋体（4）Fischer投影式投影式（5）相对构型和绝对构型）相对构型和绝对构型（6）旋光度的表示（偏振光）旋光度的表示（偏振光）（7）分子的潜非对称性）分子的潜非对称性1.含一个手性碳原子的化合物含一个手性碳原子的化合物具有镜像与实物关系的一对旋光异构体。具有镜像与实物关系的一对旋光异构体。（2）对映体）对映体(S

5、)-(+)-乳酸乳酸(R)-(-)-乳酸乳酸()-乳酸乳酸mp53oCmp53oCmp18oC D=+3.82 D=-3.82 D=0pKa=3.79(25oC)pKa=3.83(25oC)pKa=3.86(25oC)151515外消旋乳酸外消旋乳酸（1）手性碳原子（已讲）手性碳原子（已讲）特特点点*1结构：镜影与实物关系结构：镜影与实物关系*2内能：内能相同。内能：内能相同。*3物理性质和化学性质在非手性环境中相同，在手性环境物理性质和化学性质在非手性环境中相同，在手性环境中有区别。中有区别。*4旋光能力相同，旋光方向相反。旋光能力相同，旋光方向相反。外消旋体与纯对映体的物理性质不同，旋外消

6、旋体与纯对映体的物理性质不同，旋光必然为零。光必然为零。（i）外消旋混合物外消旋混合物（ii）外消旋化合物外消旋化合物（iii）固体溶液固体溶液（3）外消旋体）外消旋体一对对映体等量混合，得到外消旋体。一对对映体等量混合，得到外消旋体。立体结构立体结构锲锲形式形式投影式投影式Fischer投影式投影式（4）Fischer投影式投影式注意事项：注意事项：*1.不能在纸面上旋转不能在纸面上旋转90o*2.不能离开纸面翻转不能离开纸面翻转180o*3.基团两两交换次数不能为奇数次，但可以基团两两交换次数不能为奇数次，但可以是偶数次。是偶数次。D-(+)-甘油醛甘油醛L-(-)-甘油醛甘油醛D-(-)

7、-乳乳酸酸绝绝对对构构型型能能真实真实代表某一代表某一光活性化合物的光活性化合物的构型（构型（R、S）与与假定的假定的D、L甘油甘油醛相关联而确定的醛相关联而确定的构型。构型。相相对对构构型型HO（6）旋光的表示旋光的表示*1平面偏振光平面偏振光普通光通过尼可尔棱镜后产生只能在一个平面振动普通光通过尼可尔棱镜后产生只能在一个平面振动的光。这种只能在一个平面振动的光为平面偏振光。的光。这种只能在一个平面振动的光为平面偏振光。*2旋光物质旋光物质能使平面偏振光旋转一定角度的物质称为旋光性物质。能使平面偏振光旋转一定角度的物质称为旋光性物质。*3旋光度旋光度()影响旋光度的因素影响旋光度的因素1.(

8、a)被测物质被测物质;(b)溶液的浓度溶液的浓度;(c)盛液管长度盛液管长度;2.(d)测定温度测定温度;(e)所用光的波长所用光的波长在旋光仪中被测出的使偏振光旋转的角度称为旋光度。在旋光仪中被测出的使偏振光旋转的角度称为旋光度。*4比旋光度比旋光度25D=+90.01。Na:=5869AHg:=5461A(C1.15,C2H5OH)tD盛液管为盛液管为1分米长，被测物浓度为分米长，被测物浓度为1g/ml时的旋光度。时的旋光度。oo t100M=t分子量分子量*5分子比旋光度分子比旋光度比旋光度比旋光度 分子量分子量/100 旋光仪中测不出旋光度的化合物不一定是一个没有旋光仪中测不出旋光度的

9、化合物不一定是一个没有旋光性的化合物，也可能是一种等量的右旋体和左旋光性的化合物，也可能是一种等量的右旋体和左旋体的混合物。旋体的混合物。（7）潜非对称性和潜不对称碳原子）潜非对称性和潜不对称碳原子如果一个对称分子经一个基团被取代后失去了如果一个对称分子经一个基团被取代后失去了其对称性，而变成了一个非对称分子，那么原其对称性，而变成了一个非对称分子，那么原来的对称分子称为来的对称分子称为“潜非对称分子潜非对称分子”，或称为，或称为“原手性分子原手性分子”。而分子所具有的这种性质称。而分子所具有的这种性质称为为“潜非对称性潜非对称性”或或“原手性原手性”，而发生变化，而发生变化的碳原子称为的碳原

10、子称为“潜不对称碳原子潜不对称碳原子”或或“原手性原手性碳原子碳原子”。被被OH取代取代orS-(+)-乳乳酸酸R-(-)-乳酸乳酸潜不对称碳原子（原手潜不对称碳原子（原手性碳原子）性碳原子）潜潜非对称分子非对称分子（原手性分子）（原手性分子）2.含两个或多个不对称碳原子的手性分子含两个或多个不对称碳原子的手性分子（1）旋光异构体的数目）旋光异构体的数目（2）非对映体）非对映体（3）赤式和苏式）赤式和苏式（4）差向异构体）差向异构体2nn个个C*16D+D-D+D-D+D-D+D-D+D-D+D-D+D-D+D-四个四个C*8C+C-C+C-C+C-C+C-三个三个C*4B+B-B+B-两个两

11、个C*2A-A+一个一个C*(1)旋光异构体的数目旋光异构体的数目不呈不呈镜影关系的旋光异构体为镜影关系的旋光异构体为非对映体非对映体。非对映体具有不同。非对映体具有不同的旋光能力，不同的物理性质和不同的化学性质。的旋光能力，不同的物理性质和不同的化学性质。含含两个不对称碳的分子，若在两个不对称碳的分子，若在Fischer投影式中，两个投影式中，两个H在在同一侧，称为同一侧，称为赤式赤式，在不同侧，称为，在不同侧，称为苏式苏式。（3）赤式和苏式）赤式和苏式（2）非对映体）非对映体(i)(ii)(iii)(iv)(2R,3R)-(-)-赤藓赤藓糖糖(2S,3S)-(+)-赤藓赤藓糖糖(2S,3R

12、)-(+)-苏苏阿阿糖糖(2R,3S)-(-)-苏阿苏阿糖糖HOCH2-CH(OH)-CH(OH)-CHO(i)(ii)对映体，对映体，(iii)(iv)对映体。对映体。(i)(iii),(i)(v),(ii)(iii),(ii)(v)为非对映体。为非对映体。（4）差向异构体）差向异构体两个含多个不对称碳原子的异构体，如果，只两个含多个不对称碳原子的异构体，如果，只有一个不对称碳原子的构型不同，则这两个旋有一个不对称碳原子的构型不同，则这两个旋光异构体称为光异构体称为差向异构体差向异构体。如果构型不同的不。如果构型不同的不对称碳原子在链端，称为对称碳原子在链端，称为端基差向异构体端基差向异构体

13、。其。其它情况，分别根据它情况，分别根据C原子的位置编号称为原子的位置编号称为Cn差差向异构体。向异构体。()阿拉伯糖阿拉伯糖()耒苏耒苏糖糖()木糖木糖()核糖核糖(i)和和(iii),(ii)和和(iv)是是C2差向差向异构体。异构体。(i)和和(iiv),(ii)和和(viii)是是C3差差向异构体。向异构体。(i)和和(vi),(ii)和和(v)是是C4差向异差向异构体。构体。3.含两个或多个相同（相象）手性碳原子的化合物含两个或多个相同（相象）手性碳原子的化合物（1）假不对称碳原子）假不对称碳原子（2）内消旋体）内消旋体一个碳原子（一个碳原子（A）若和两个相同取代的不对称碳原子若和两

14、个相同取代的不对称碳原子相连而且当这两个取代基构型相同时。该碳原子为对相连而且当这两个取代基构型相同时。该碳原子为对称碳原子，而若这两个取代基构型不同时，则该碳原称碳原子，而若这两个取代基构型不同时，则该碳原子为不对称碳原子，则（子为不对称碳原子，则（A）为假不对称碳原子。为假不对称碳原子。假假不对称碳原子的构型用小不对称碳原子的构型用小r,小小s表示。表示。在判别构型时，在判别构型时，R S，顺顺 反。反。(1)假假不不对称碳原子对称碳原子对对称称碳碳原原子子不不对对称称碳碳原原子子(2R,4R)-2,3,4-三羟基戊二酸三羟基戊二酸(2S,4S)-2,3,4-三羟基戊二酸三羟基戊二酸(2R

15、,3s,4S)-2,3,4-三羟基戊三羟基戊二酸二酸(2R,3r,4S)-2,3,4-三羟基戊三羟基戊二酸二酸三羟基戊二酸三羟基戊二酸(2)(2)内消旋体内消旋体分子内含有平面对称性因素的没有旋光性分子内含有平面对称性因素的没有旋光性的立体异构体称为内消旋体。的立体异构体称为内消旋体。(meso)(I)(I)(2)(3)(+)-酒石酸酒石酸(-)-酒石酸酒石酸(R)(R)(R)(R)(S)(S)(S)(S)mp D(水水)溶解度溶解度(g/100ml)pKa1pKa(+)-酒石酸酒石酸170oc+12.01392.984.23(-)-酒石酸酒石酸170oc-12.01392.984.23()-

16、酒石酸酒石酸(dl)206oc020.62.964.24meso-酒石酸酒石酸140oc01253.114.80酒石酸的情况分析酒石酸的情况分析化合物的旋光性与熔点、沸点一样，是许多分子所化合物的旋光性与熔点、沸点一样，是许多分子所组成组成的集体性质。的集体性质。只要分子中任何一种构象有对称面或对称中心，其只要分子中任何一种构象有对称面或对称中心，其他有手性的构象都会成对地出现。他有手性的构象都会成对地出现。内消旋酒石酸的对称性分析内消旋酒石酸的对称性分析旋转旋转180oC3右旋右旋60oC2左旋左旋60o交叉式交叉式(I)有对称中心有对称中心交叉式交叉式(II)交叉式交叉式(III)交叉式交

17、叉式(II)与与(III)是是一对对映体，其内能相等，一对对映体，其内能相等，在构象平衡中所占的百分含量相等在构象平衡中所占的百分含量相等研究表明：研究表明：一个含有一个含有n个不对称碳原子的直链化合个不对称碳原子的直链化合物，物，如果它有可能出现内消旋型的旋光异构体，那么如果它有可能出现内消旋型的旋光异构体，那么它的旋光异构体的数目将少于它的旋光异构体的数目将少于2n个。个。如果如果n为偶数，为偶数，将可能存在将可能存在2n-1个旋光异构体和个旋光异构体和个内消旋型的异个内消旋型的异构体。如果构体。如果n为奇数，则可以存在总共个为奇数，则可以存在总共个2n-1立体异构立体异构体，其中体，其中

18、个为内消旋型异构体。个为内消旋型异构体。22有内旋体时旋光异构体的计算有内旋体时旋光异构体的计算4.含手性碳原子的单环化合物含手性碳原子的单环化合物判别单环化合物旋光性的方法判别单环化合物旋光性的方法实验证明：单环化合物有否旋光性可以通过实验证明：单环化合物有否旋光性可以通过其平面式的对称性来判别，凡是有对称中心和对其平面式的对称性来判别，凡是有对称中心和对称平面的单环化合物无旋光性，反之则有旋光性。称平面的单环化合物无旋光性，反之则有旋光性。无旋光（对称面）无旋光（对称面）有旋光有旋光无旋光（对称中心）无旋光（对称中心）有旋光有旋光无旋光无旋光(对称面对称面)无旋光（对称面）无旋光（对称面）

19、无旋光（对称面）无旋光（对称面）有旋光有旋光无旋光（对称面）无旋光（对称面）有旋光有旋光取代环己烷旋光性的情况分析取代环己烷旋光性的情况分析例一：顺例一：顺-1,2-二甲基环己烷二甲基环己烷旋转旋转120o(1)(2)(1)的构象转换体的构象转换体(1)和和(2)既是既是构象转换体，构象转换体，又是对映体。又是对映体。能量相等，所能量相等，所以构象分布为以构象分布为(1):(2)=1:1。结论：用平面式分析，化合物是内消旋体。结论：用平面式分析，化合物是内消旋体。用构象式分析，化合物是外消旋体。用构象式分析，化合物是外消旋体。SS结论：用平面式分析，结论：用平面式分析，(1R,2R)-1,2-

20、二甲基环己烷或二甲基环己烷或(1S,2S)-1,2-二甲二甲基基环己烷是一种有旋光的化合物。环己烷是一种有旋光的化合物。用构象式分析，用构象式分析，(1R,2R)-1,2-二甲基环己烷或二甲基环己烷或(1S,2S)-1,2-二甲二甲基基环己烷是无数种有旋光的构象式环己烷是无数种有旋光的构象式组合而成的混组合而成的混合物。合物。例三例三:（1S，2S）-1,2-二甲基环己烷二甲基环己烷例二：（例二：（1R，2R）-1,2-二甲基环己烷二甲基环己烷RR二二不含手性碳原子的手性分子不含手性碳原子的手性分子1.有手性中心的旋光异构体有手性中心的旋光异构体2.有手性轴的旋光异构体有手性轴的旋光异构体3.

21、有手性面的旋光异构体有手性面的旋光异构体1.有手性中心的旋光异构体有手性中心的旋光异构体一对对映体已拆分一对对映体已拆分C6H5H3CNCH2C6H5C H2CHCH2+未拆分出光活异构体未拆分出光活异构体（未分电子对起不到一（未分电子对起不到一个个 键的作用。）键的作用。）除除C外，外，N、S、P、As等也能作等也能作手性中心手性中心2.有手性轴的旋光异构体有手性轴的旋光异构体（1）丙二烯型的旋光异构体）丙二烯型的旋光异构体（2）联苯型的旋光异构体）联苯型的旋光异构体（3）把手化合物）把手化合物（1）丙二烯型的旋光异构体）丙二烯型的旋光异构体（A）两个双键相连两个双键相连VontHoff（荷

22、兰）荷兰）Bel（法）法）（1901年诺贝尔奖）年诺贝尔奖）实例：实例：a=苯基，苯基，b=萘基，萘基，1935年拆分。年拆分。（B）一个双键与一个环相连（一个双键与一个环相连（1909年拆分）年拆分）（C）螺环形螺环形 D=81.4o(乙醇乙醇)25C原子与原子与X1（或或X3）的中心的中心距离和距离和C原子与原子与X2（或或X4）的中心距离之和超过的中心距离之和超过290pm，那么在室温那么在室温（25oC）以下，这个化合以下，这个化合物就有可能拆分成旋光异物就有可能拆分成旋光异构体。构体。C-H（94104）C-CH3（94150）C-COOH（94156）C-NO2（94192）C-N

23、H2（94156）C-OH（94145）C-F（94139）C-Cl（94163)C-Br（94183）C-I（94200）（2）联苯型的旋光异构体）联苯型的旋光异构体C-NO2与与C-NO2384pmC-NO2与与C-CH3365pm由于位阻太大引起的旋光异构体称为由于位阻太大引起的旋光异构体称为位位阻异构体。阻异构体。除了考虑基团的大小，还要考虑基团的形象除了考虑基团的大小，还要考虑基团的形象反应温度：反应温度：118。X=CH3NO2COOHOCH3消旋化消旋化t1/21.501.921.561.45179分分125分分91分分9.4分分半衰期越短，说明旋转的阻力越小。半衰期越短，说明旋

24、转的阻力越小。IBrCH3ClNO2COOHNH2OCH3OHFH阻转能力下降阻转能力下降旋光异构体在适当的条件下会发生消旋。旋光异构体在适当的条件下会发生消旋。n=8，可可析解，光活体稳定。析解，光活体稳定。n=9，可可析解，析解，95.5oC时，半衰期为时，半衰期为444分。分。n=10，不可析解。不可析解。（3）把手化合物）把手化合物n=4m=4可析解可析解43oCn=8半衰期半衰期170分。分。蒄（无手性）蒄（无手性）六螺并苯（有手性）六螺并苯（有手性）3.有手性面的旋光异构体有手性面的旋光异构体第四节第四节消旋、拆分和不对称合成消旋、拆分和不对称合成一一外消旋化外消旋化二二差向异构化

25、差向异构化三三外消旋体的拆分外消旋体的拆分四四不对称合成不对称合成一一外消旋化外消旋化一个纯的光活性物质，如果体系一个纯的光活性物质，如果体系中的一半量发生构型转化，就得外消中的一半量发生构型转化，就得外消旋体，这种由纯的光活性物质转变为旋体，这种由纯的光活性物质转变为外消旋体的过程称为外消旋体的过程称为外消旋化外消旋化。如果。如果构型转化未达到半量，构型转化未达到半量，就叫就叫部分外消部分外消旋化。旋化。含有手性碳原子的化合物，若手性含有手性碳原子的化合物，若手性碳很容易形成正碳离子、负碳离子、自碳很容易形成正碳离子、负碳离子、自由基等中间体时，常会发生外消旋化。由基等中间体时，常会发生外消

26、旋化。经形成正碳离子、负经形成正碳离子、负碳离子、自由基等中碳离子、自由基等中间体发生外消旋化。间体发生外消旋化。H+-H+-H+H+-H2O-H2OH2OH2O60-70oC4小时小时（+）-肾上线肾上线素（无药效）素（无药效）（-）-肾上线素肾上线素（有药效）（有药效）H+含手性碳的化合物，若手性碳上的氢含手性碳的化合物，若手性碳上的氢在酸或碱的催化作用下，易发生烯醇化，在酸或碱的催化作用下，易发生烯醇化，在烯醇化的过程中常会发生外消旋化。在烯醇化的过程中常会发生外消旋化。经烯醇化发经烯醇化发生外消旋化。生外消旋化。D-(-)-乳酸乳酸L-(+)-乳酸乳酸含多个含多个C*的化合物，使其中一

27、个的化合物，使其中一个C*发生构型转发生构型转化的过程称为化的过程称为差向异构化差向异构化。如果是端基的。如果是端基的C*发生构发生构型转化，则称为型转化，则称为端基差向异构化端基差向异构化。二二差差向向异异构构化化D-(-)-麻黄素麻黄素有生理活性，易结晶有生理活性，易结晶L-(+)-假麻黄素假麻黄素生理活性只有麻黄素的生理活性只有麻黄素的1/5。碳正离子碳正离子将将外消旋体拆分成左旋外消旋体拆分成左旋体和右旋体，称为外消体和右旋体，称为外消旋体的拆分。旋体的拆分。三三外消旋的拆分外消旋的拆分1.化学析解法化学析解法形成和分离非对映体异构体的析解法形成和分离非对映体异构体的析解法(+)RCO

28、OH+(-)-RNH2成盐成盐分级结晶分级结晶HClHCl(+)-RCOO-(-)-RNH2(-)-RCOO-(-)-RNH2(+)-RCOOH+(-)-RNH3 Cl-(-)-RCOOH+(-)-RNH3 Cl-+-（1）析解剂与被析解剂之间易反应合成）析解剂与被析解剂之间易反应合成,又易被分解。又易被分解。（2）两个非对映立体异构体在溶解度上）两个非对映立体异构体在溶解度上有可观的差别。有可观的差别。（3）析解剂）析解剂应当尽可能地达到旋光纯度。应当尽可能地达到旋光纯度。（4）析解剂必须是廉价的，易制备的，）析解剂必须是廉价的，易制备的，或易定量回收的。或易定量回收的。析解试剂的条件析解试

29、剂的条件1g R氨基醇氨基醇5gS+5gR 氨基氨基醇饱和液醇饱和液（80，100ml）析出析出2gR氨基醇氨基醇（余下（余下4g R,5gS）分去晶体，剩下母液分去晶体，剩下母液过过滤滤加水至加水至100ml冷却至冷却至2080加加2g消旋体消旋体冷却至冷却至202gS 氨基氨基醇醇析出析出2.接种结晶析解法接种结晶析解法3.微生物或酶作用下的析解微生物或酶作用下的析解4.色谱分离法色谱分离法选择光活性物质作柱色谱的吸附剂选择光活性物质作柱色谱的吸附剂5.机械分离法机械分离法不对称合成不对称合成对称的反应（选向率为对称的反应（选向率为0）不对称不对称的反应的反应立体选向性反应立体选向性反应0

30、选向率选向率(S)若若(R)B时，立体选向百分率时，立体选向百分率为为 当当BA时，立体选向百分率时，立体选向百分率为为 反应物反应物+试剂试剂*1.手性反应物手性反应物*2.手性试剂手性试剂*3.手性溶剂手性溶剂*4.手性催化剂手性催化剂*5.在反应物中引入手性在反应物中引入手性产物产物催化剂催化剂溶剂溶剂不对称合成常采用的方法不对称合成常采用的方法非手性分子非手性分子有一个有一个手手性中心性中心外消旋体外消旋体（少）（少）（多）（多）反应物有一个反应物有一个手性中心手性中心产物有二个手性中心，非对映体。产物有二个手性中心，非对映体。大量的实验事实证明：大量的实验事实证明：一个非手性分子在反应过程中产生一个手性一个非手性分子在反应过程中产生一个手性中心时，产物为外消旋体；但一个手性分子中心时，产物为外消旋体；但一个手性分子在反应过程中产生第二个手性中心时，将会在反应过程中产生第二个手性中心时，将会产生二个不等量的非对映体。产生二个不等量的非对映体。