有机化学对映异构全面剖析.ppt

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1、第六章第六章 对映异构对映异构8.掌握烯烃亲电加成反应的立体化学。掌握烯烃亲电加成反应的立体化学。1.掌握平面偏振光、旋光性、比旋光度等概念。掌握平面偏振光、旋光性、比旋光度等概念。2.掌握对映异构现象与分子结构的关系；掌握对映异构现象与分子结构的关系；3.掌握对映体、非对映体、外消旋体、内消旋体、手性、对掌握对映体、非对映体、外消旋体、内消旋体、手性、对 称因素等概念；称因素等概念；4.掌握掌握fischer投影式使用规定，及与投影式使用规定，及与Newman式、楔形式、式、楔形式、锯架式的转换；锯架式的转换；5.掌握含有一个和两个手性碳原子化合物的对映异构及掌握含有一个和两个手性碳原子化合

2、物的对映异构及R、S 命名规则；命名规则；6.了解环状化合物及不含手性碳原子化合物的对映异构；了解环状化合物及不含手性碳原子化合物的对映异构；7.了解外消旋体的拆分原理；了解外消旋体的拆分原理；教学要点：教学要点：同分异构现象同分异构现象碳链异构(如:丁烷/异丁烷)官能团异构(如:醚/醇)位置异构(如:辛醇/仲辛醇)互变异构(如：酮与烯醇)顺反异构对映异构构造异构constitutional立体异构stereo-同分异构isomerism构型异构configurational构象异构conformational环，双键的存在不能使碳碳键旋转造成的碳碳键旋转的结果分子式相同、构造式相同，构型不同

3、且互为镜像对映关系的立体异构现象。第一节第一节 物质的旋光性物质的旋光性一、平面偏振光和旋光性一、平面偏振光和旋光性只在一个平面上振动的光称为平面偏振光水、酒精乳酸、葡萄糖物质的旋光性：能使偏光振动平面旋转的性质旋光物质(光学活性物质)：具有旋光性的物质旋光物质能使偏光振动平面向右旋称为右旋体，用“+”表示；能使偏光振动平面向左旋称为左旋体，用“-”表示。旋光物质使偏光振动平面旋转的角度称为旋光度，用a表示二、旋光仪和比旋光度二、旋光仪和比旋光度1.旋光仪旋光仪ABCDEF2.比旋光度比旋光度t为测时温度，l为测定时光的波长一般采用钠光（波长为589 nm，用D表示）。为了能比较物质的旋光性能

4、，通常规定：1mL含1g旋光物质的溶液，放在1dm(10cm)长的盛液管中测得的旋光度为该物质的比旋光度。影响旋光度的因素:(a)被测物质;(b)溶液的浓度;(c)盛液管长度;(d)测定温度;(e)所用光的波长溶剂对比旋光度也有影响,所以也要注明溶剂.例:在20时,以钠光灯为光源测得葡萄糖水溶液的比旋光度为右旋52.5,记为:计算公式：纯液体任一浓度的溶液式中:C-溶液浓度(g/mL);l-管长(dm)例：20下用钠光灯测定某葡萄糖水溶液的旋光度，所用管长为1dm，测定的旋光度a为+3.2。已知葡萄糖在水中的比旋光度为+52.5，求这个溶液的质量浓度。第二节第二节 对映异构现象与对映异构现象与

5、 分子结构的关系分子结构的关系一、对映异构现象的发现一、对映异构现象的发现11808年，EMalus首次发现偏光。21815年，JBBiet发现有些石英结晶将偏光向右旋，有 些将偏光向左旋。31848年，Louis Pasteur首次成功地把一个外消旋体分成右旋 及左旋体。41874年，Vant Hof和Le.Bel提出，如果一个C原子连有四个不同基团，这四个基团在C原子周围可以有两种不同的排列形式，有两种不同的四面体空间构型，它们互为镜象，和左右手之间的关系一样，外形相似，但不能重合。生活中的镜像生活中的镜像生活中的镜像生活中的镜像左右手互为镜象左右手互为镜象C*连四个不同基团的中心C原子称

6、不对称C原子，又称手性C原子。用C*表示。二、手性和对称因素二、手性和对称因素左手和右手不能叠合 左右手互为镜象 一个物体若与自身镜象不能叠合,叫具有手性.在立体化学中,不能与镜象叠合的分子叫手性分子,而能叠合的叫非手性分子.乳酸的两个模型的关系象左手和右手一样,它们不能相互叠合,但却互为镜象.在有机化学中,凡是手性分子都具有旋光性(有些手性分子旋光度很小);而非手性分子则没有旋光性.在生物体内，大量存在手性分子。如在生物体内，大量存在手性分子。如D(+)葡萄糖在葡萄糖在动物代谢中有营养价值，动物代谢中有营养价值，D(-)葡萄糖没有。左旋氯霉葡萄糖没有。左旋氯霉素有抗菌作用，而其对映异构体无疗

7、效。素有抗菌作用，而其对映异构体无疗效。在药物中，手性化合物占50%以上。一对对映异构体是两种不同的化合物，它们的化学性质、一对对映异构体是两种不同的化合物，它们的化学性质、物理性质无差别，差别是对偏振光有不同的反映。一个可物理性质无差别，差别是对偏振光有不同的反映。一个可以把偏振光向左旋，另一个则把偏振光向右旋。以把偏振光向左旋，另一个则把偏振光向右旋。偏振光是检验手性分子的一种最常用的方法。偏振光是检验手性分子的一种最常用的方法。对称因素对称因素1.对称面对称面(s)(s)定义：若有一个平面，能将分子切成两部分，一部 分正好是另一部分的镜象，这个平面就是这个分子的对称面。HC CClClH

8、平面内翻转一定角度，实物和镜象重叠。它们是一种化合物。分子中有一个对称面。有两个对称面：平面内翻转180度，实物和镜象重叠。结论：有对称面的分子，实物和镜象能重叠，结论：有对称面的分子，实物和镜象能重叠，无手性，无对映异构体，无旋光性。无手性，无对映异构体，无旋光性。无数个2个1个个2.对称中心对称中心(i)定义：分子中有一点i ，以分子任何一点与其连线，都能在延长线上找到自己的镜象，则 i 点为该分子的对称中心。i有对称中心的分子，实物和镜象能重叠，无有对称中心的分子，实物和镜象能重叠，无手性，无对映异构体，无旋光性。手性，无对映异构体，无旋光性。iHCOOHCOOHHCH3CH3HHCOO

9、HHHCOOHHHCH3CH33.对称轴对称轴 定义:穿过分子画一直线,以它为轴旋转一定角度后,可以获得于原来分子相同的构型,这一直线叫对称轴.当分子沿轴旋转360/n，得到的构型与原来的分子相重合，这个轴即为该分子的n重对称轴，用Cn表示。线型分子有C对称轴对称轴不能作为分子有无光学活性的判据。对称轴不能作为分子有无光学活性的判据。HHHClClHHHHClClH判别手性分子的依据判别手性分子的依据A 非手性分子非手性分子-凡具有凡具有对称面或对称中心对称面或对称中心 B 手性分子手性分子-既没有对称面既没有对称面,又没有对称中心的分子又没有对称中心的分子,都都不能与其镜象叠合不能与其镜象叠

10、合,都是都是手性分子手性分子.C 对称轴对称轴的有无对分子是否具有手性没有决定作用的有无对分子是否具有手性没有决定作用.有，无手性无，无 i 有手性有 i，无手性第三节第三节 含有一个手性碳原子含有一个手性碳原子 的化合物的对映异构的化合物的对映异构一、对映体一、对映体含有一个不对称碳原子的化合物有两个互为镜象的对映体。含有一个不对称碳原子的化合物有两个互为镜象的对映体。两个对映体都有手性。两个对映体都有手性。乳酸通常对映异构体的物理性质和化学性质都相同，差通常对映异构体的物理性质和化学性质都相同，差别就是旋光方向不同。别就是旋光方向不同。20()乳酸 m.p 53 D 3.82 pKa 3.

11、97例 (+)乳酸 m.p 53 D +3.82 pKa 3.9720但在特殊条件下，对映异构体的性质有差别，即在手性条件下（手性试剂、手性溶剂、手性催化剂存在下）左旋、右旋的物理性质和化学性质相差特别大。例：右旋葡萄糖在生物体内作用很大。氯霉素左旋可以治病而右旋不能。二、外消旋体二、外消旋体1.定定义义：对对映映体体中中等等量量左左、右右旋旋体体的的混混合合物物。用用()表示表示 外消旋体没有旋光性。外消旋体没有旋光性。外外消消旋旋体体和和相相应应的的左左旋旋或或右右旋旋，除除旋旋光光性性能能不不同同外外，其它物理性质也有差异，化学性质则基本相同。其它物理性质也有差异，化学性质则基本相同。2

12、.性质性质()乳酸 m.p 18(+)乳酸 m.p 53 ()乳酸 m.p 53 在在生生理理作作用用方方面面，外外消消旋旋体体仍仍各各发发挥挥其其所所含含右右旋旋和和左左旋的相应效能。旋的相应效能。三、构型表示方法三、构型表示方法-费歇尔投影式费歇尔投影式竖线在纸面下，横线在纸竖线在纸面下，横线在纸面上方。面上方。(横前竖后横前竖后)主碳链竖的排列，氧化最高主碳链竖的排列，氧化最高的的C原子放在碳链的顶端。原子放在碳链的顶端。手性碳在纸面上手性碳在纸面上投影式在纸面上旋转投影式在纸面上旋转180，其构型不变。，其构型不变。使用使用E.FischerE.Fischer投影式注意问题投影式注意问

13、题 CH3COOHHHOCH3COOHHHO旋转180ABA=B 投影式不能在纸面上旋转投影式不能在纸面上旋转90、270,变成其对映体。变成其对映体。CH3COOHHHOCH3COOHHHO旋转90AB 保保持持1个个基基团团固固定定，而而把把其其它它三三个个基基团团顺顺时时针针或或逆逆时时针地调换位置，构型不变。针地调换位置，构型不变。任意两个基团调换奇数次，构型改变。任意两个基团调换奇数次，构型改变。任意两个基团调换偶数次，构型不变。任意两个基团调换偶数次，构型不变。投影式不能离开纸面翻转投影式不能离开纸面翻转180。透视式透视式这种表示方法比较生动形象，缺点是书写不方便。将手性碳原子表

14、示在纸面上，用实线表示在纸面上的键，虚线表示伸向纸后方的键，用锲形实线表示伸向纸前方的键。第四节第四节 含两个手性碳原子含两个手性碳原子 的化合物的对映异构的化合物的对映异构一、含有两个不同手性C原子的化合物两个手性碳原子所连的四个基团是不完全相同。两个手性碳原子所连的四个基团是不完全相同。其中:和,和是对映体；和，和，和，和为非对映异构体。非对映异构体：不呈镜象对映关系的立体异构。简称非对映体非对映异构体：不呈镜象对映关系的立体异构。简称非对映体 a.物理性质不同。物理性质不同。b.比旋光度也不同比旋光度也不同,旋光方向可能一样旋光方向可能一样,也可能不一样也可能不一样.c.化学性质相似化学

15、性质相似.性质：随手性C原子数目增多，其对映异构体的数目也增多。分子中有n个不相同的手性C原子时，就可有2n个对映异构。可组成2n-1个外消旋体。二、含有两个相同手性C原子的化合物()=()内消旋体内消旋体:由于分子中含有两个相同由于分子中含有两个相同的手性的手性C原子原子,分子的两半部分互为分子的两半部分互为物体与镜象关系物体与镜象关系,从而使分子内部旋从而使分子内部旋光性相互抵消的光学活性化合物为光性相互抵消的光学活性化合物为内消旋体。用内消旋体。用meso表示。表示。凡是含有两个相同的不对称凡是含有两个相同的不对称C原子的化合物原子的化合物,都有三都有三种立体异构体种立体异构体:一个是左

16、旋的一个是左旋的,一个是右旋的一个是右旋的,一个是一个是内消旋的。内消旋的。内消旋体和外消旋体外消旋体是混合物，可分离出具有旋光性的两种物质。外消旋体是混合物，可分离出具有旋光性的两种物质。都不具有光学活性。都不具有光学活性。内消旋体是一种纯物质，不能分离成具有旋光性的化合物。内消旋体是一种纯物质，不能分离成具有旋光性的化合物。mp D(水水)溶解度溶解度(g/100ml)pKa1 pKa(+)-酒石酸酒石酸 170oc +12.0 139 2.98 4.23(-)-酒石酸酒石酸 170oc -12.0 139 2.98 4.23()-酒石酸酒石酸(dl)206oc 0 20.6 2.96 4

17、.24meso-酒石酸酒石酸 140oc 0 125 3.11 4.80第五节第五节 构型的构型的R、S命名规则命名规则R-S标记法是根据手性碳原子所连接的四个基团在空间的排列来标记的：(1)先把手性碳原子所连接的四个基团设为：先把手性碳原子所连接的四个基团设为：a,b,c,d。并将它。并将它们按次序排队。们按次序排队。abcd(2)方向盘法：最小基团方向盘法：最小基团d放在操作杆上，从放在操作杆上，从d的对面看，的对面看，ab c，顺时针为，顺时针为R,反时针为反时针为S.RS顺时针顺时针反时针反时针基团次序为：基团次序为：abcd次序规则次序规则a.原子序数大小规则原子序数大小规则,序数大

18、的原子优先。序数大的原子优先。b.同位素规则同位素规则:原子量大优先。原子量大优先。c.外推规则外推规则:层层外推，先比较第一个原子，若第一个原层层外推，先比较第一个原子，若第一个原子相同，则顺次比较与第一个原子相连的原子。如果第子相同，则顺次比较与第一个原子相连的原子。如果第二个原子相同，则比较第三个原子，依次类推。二个原子相同，则比较第三个原子，依次类推。-OR-OH,-CH2Cl-CH3,-NR2-NHR-NH2d.相当规则相当规则:含有双键或三键时，认为连有两个或三个相同原子含有双键或三键时，认为连有两个或三个相同原子(O)COH(C)CHO CCH2H(C)CCH2H(C)CRO C

19、HOCH2OHS构型构型R构型构型S构型构型R构型构型S构型构型CHOHCOOH=S构型构型三角形法三角形法 按大小顺序画三角按大小顺序画三角 形，形，最小基团在竖线上，顺最小基团在竖线上，顺R反反S 最小基团在横线上，顺最小基团在横线上，顺S反反R C-2所连接的四个基团的次序:OH CHOHCH2CH3 CH3 HC-3所连接的四个基团的次序:OH CHOHCH3 CH2CH3 HSR(2S,3R)-2,3-戊二醇COOHHHOCOOHHOHSR R/S构型与物质的旋光性之间没有必然的联系。构型与物质的旋光性之间没有必然的联系。R构型的对映体一定是构型的对映体一定是S构型。构型。内消旋体中

20、两个手性内消旋体中两个手性C原子原子,其中一个是其中一个是R构型构型,另一个另一个S 构型。构型。一个手性一个手性C原子的构型为原子的构型为R或或S,与所连的原子或基团在与所连的原子或基团在 空间的相对位置次序有关。空间的相对位置次序有关。第六节第六节 环状化合物的立体异构环状化合物的立体异构一、环丙烷衍生物环环烷烷烃烃只只要要在在环环上上有有两两个个碳碳原原子子各各连连有有一一个个取取代代基基,就就有有顺顺反反异异构构。如如环环上上有有手手性性碳碳原原子子,则则有有对对映映异构现象。异构现象。可把环看成是平面多边形，其结果与实际情况一致。环状化合物手性碳原子的判断：看考察的碳原子所在的环：左

21、右是否具有对称性，若无对称性则相当于两个不一样的官能团，则该碳原子是手性碳原子。有的环状化合物虽有手性碳原子，但分子可能是非手性的！（如内消旋体）对映体对映体对映体对映体例1：2-羟甲基环丙烷-1-羧酸（四种立体异构体）例2：将2-羟甲基环丙烷-1-羧酸氧化成环丙烷二羧酸，（三种立体异构体，有一个内消旋体）。对映体对映体内消旋体内消旋体(II)和(III)是一对对映体,(I)和(II)或(III)是非对映体.二、环己烷衍生物例：最稳定的构象是：既无又无 i，有对映异构体既无又无 i，有对映异构体，但由于单键的旋转，可转为，而与是相同的。所以无对映异构体。由构象引起的对映异构体可不考虑，将环作为

22、一 个平面对待。只要找出一个构象有对称面或有对称中心，可认为它只要找出一个构象有对称面或有对称中心，可认为它无手性。无手性。有无手性有 i无手性无、i有手性无、i有手性第七节第七节 不含手性碳原子不含手性碳原子 化合物的对映异构化合物的对映异构一、丙二烯化合物由于所连的四个取代基两两各在相互垂直的平面，整个分子就没有对称面和对称中心，而且有手性。两个平面相互垂直。如在任何一端的碳原子上连有相同的取代基，因分子中就有对称面，而不具有旋光性（即分子中就有一个平面的对称因素，光活性异构体就不存在。CCCABAA二、键旋转受阻碍的联苯型化合物邻位上有较大取代基时如果两个苯环上的取代基分布不对称如果两个

23、苯环上的取代基分布不对称,整个分子就具有手整个分子就具有手性性.(6,6-二硝基二硝基-2,2-联苯二甲酸联苯二甲酸)三、含有其他手性中心的化合物若在一个或两个苯环上所连的两个取代基是相同的，若在一个或两个苯环上所连的两个取代基是相同的，这个分子就有对称面，而没有旋光性。这个分子就有对称面，而没有旋光性。1.其它手性原子：N、P、S、Si等H3CPC6H5C2H52.类似丙二烯的螺环化合物。即两个环来代替二个双键，有旋光性。例：2,6-二羧基螺3,3庚烷就有两个对映异构体。3.还有一种扭曲型的化合物虽不具有手性C原子，但由于分子不具有对称面和对称中心。也有对映异构体存在。第八节第八节 外消旋体

24、的拆分外消旋体的拆分正丁烷氯代反应得到的2-氯丁烷为外消旋体。CHCH3C2H5Cl2(1)(2)CHCH3C2H5ClCHCH3C2H5Cl(1)(2)将外消旋体分离成旋光体的过程称为外消旋体的拆分。将外消旋体分离成旋光体的过程称为外消旋体的拆分。(2)微生物拆分法：微生物拆分法：利用某些微生物或它们所产生的酶，对对利用某些微生物或它们所产生的酶，对对映体中的一种异构体有选择的分解作用。映体中的一种异构体有选择的分解作用。拆分的方法一般有以下几种：拆分的方法一般有以下几种：(1)机械拆分法：机械拆分法：利用外消旋体中对映体的结晶形态上的差利用外消旋体中对映体的结晶形态上的差异，借肉眼直接辨认

25、，或通过放大镜进行辨认，而把两异，借肉眼直接辨认，或通过放大镜进行辨认，而把两种结晶体挑捡分开。种结晶体挑捡分开。(目前很少用目前很少用)(3)选择吸附拆分法：选择吸附拆分法：用某种旋光性物质作为吸附剂，使之用某种旋光性物质作为吸附剂，使之选择性地吸附外消旋体中的一种异构体选择性地吸附外消旋体中的一种异构体(形成两个非对形成两个非对映的吸附物映的吸附物)。(5)化学拆分法：化学拆分法：将外消旋体与旋光性物质作用，得到非将外消旋体与旋光性物质作用，得到非对映体的混合物，根据非对映体不同的物理性质，用对映体的混合物，根据非对映体不同的物理性质，用一般的分离方法将它们分离。如酸：一般的分离方法将它们

26、分离。如酸：(4)诱导结晶拆分法诱导结晶拆分法(晶种结晶法晶种结晶法)：在外消旋体的过饱在外消旋体的过饱和溶液中，加入一定量的一种旋光体的纯晶体作和溶液中，加入一定量的一种旋光体的纯晶体作为晶种，于是溶液中该旋光体含量多，在晶种的为晶种，于是溶液中该旋光体含量多，在晶种的诱导下优先结晶析出。诱导下优先结晶析出。RS-酸 +S-碱 SS-盐 +RS-盐溶解度不同，分步结晶法分离 S-酸+S-碱HCl SS-盐 RS-盐HClR-酸+S-碱 HClHCl拆分酸时，常用的旋光性碱主要是生物碱，如：（-）-奎宁、（-）-马钱子碱、（-）-番木鳖碱；拆分碱时，常用的旋光性酸是酒石酸、樟脑-磺酸等。对非酸

27、非碱的外消旋体，可以设法在分子中引入对非酸非碱的外消旋体，可以设法在分子中引入酸性基团，然后按拆分酸的方法拆分；也可以选酸性基团，然后按拆分酸的方法拆分；也可以选适当的旋光性物质与外消旋体作用而生成非对映适当的旋光性物质与外消旋体作用而生成非对映体的混合物，然后分离。体的混合物，然后分离。外消旋体拆分后可获得其组成的右旋体或左旋体。经拆分外消旋体拆分后可获得其组成的右旋体或左旋体。经拆分后得到某一旋光体的纯度一般用对映体过量百分数后得到某一旋光体的纯度一般用对映体过量百分数(即一个即一个对映体超过另一个对映体的百分数对映体超过另一个对映体的百分数)ee来表示。来表示。R：过量对映体的量S：其对

28、映体的量如果R=50,S=50 ee0%，产物为外消旋体R=100,S=0 ee100%，产物为纯光学活性第九节第九节 亲电加成反应的立体化学亲电加成反应的立体化学H3BrHCH3CHBr外消旋体HCCH3H3HBrBrCCCHHCH3CH3Br BrBrCCCHHCH3CH3Br BrBr说明顺-2-丁烯与溴的加成是反式加成。HCCH3H3BrBrHCCCHHCH3CH3BrBr内消旋体1.碳正离子中间体 若是顺式加成，得到的应为内消旋体。2.溴翁离子中间体 CCCHHCH3CH3Br BrHCCHCH3CH3Br+Br-BrBrHHCH3CH3CH3CH3HHBrBrHBrBrCH3CH3

29、HCH3CH3BrBrHH外消旋体CCCHCH3HCH3Br BrHCCHCH3CH3Br+Br-反-2-丁烯与溴加成生成内消旋体BrBrHHCH3CH3CH3CH3HHBrBrBrBrCH3CH3HH内消旋体环烯烃加溴也是生成环状中间体历程，进行反式加成。Br BrBr+BrHHBrBrHHBrBrHO ClCl+OHHHClOHHHClHO加成反应的立体选择性随着烯烃的结构、试剂和溶剂的不同而有所不同。烯烯 烃烃溶溶 剂剂Br2Cl2反式：顺式反式：顺式反式：顺式反式：顺式PhCH=CHCH3 顺顺(Z)CCl4 83 ：1732 ：68CH3COO H 73 ：27 22 ：73PhCH=CHCH3 反反(E)CCl4 88 ：1245 ：55CH3COOH83 ：1741 ：59