有机化学徐寿昌立体化学.pptx

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1、构造异构constitution立体异构 Stereo-碳链异构(如:丁烷/异丁烷)官能团异构(如:乙醚/丁醇)位置异构(如:1-丁烯/2-丁烯)构型异构configuration构象异构(如:乙烷的交叉式与重叠式)conformation顺反；Z、E异构(烯烃)对映异构同分异构 isomerism本章主要讨论立体化学中的对映异构.（2）有机化合物的同分异构现象及分类第1页/共66页镜象:物体通过镜面反映出来的形象.特征是以镜面为对称轴,实物与镜象互相对称,但不能重合.例1:自然中的镜象8.1 镜象、手性、对称因素与对映体例2:左右手的镜象第2页/共66页立体化学中,不能与镜象叠合的分子叫手性

2、分子,而能叠合的分子叫非手性分子.手性(Chirality)与手性分子的概念 一个物体若与自身镜象不能叠合,叫具有手性.左手和右手不能叠合 左右手互为镜象第3页/共66页例:乳酸2-羟基丙酸 CH3-CHOH-COOH的立体结构:饱和碳原子饱和碳原子(sp(sp3 3杂化杂化)具有四面体结构具有四面体结构.乳酸的分子模型图两个乳酸模型不能叠合 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,乳酸是手性分子。一个分子是否能与镜象叠合,与分子的对称性相关,通过考察分子的对称性可以判断是否手性分子.第4页/共66页 考察分子的对称性,要考察的对称因素对称因素有以下四种:设想分子

3、中有一条直线,当分子以此直线为轴旋转360/n后,(n=正整数),得到的分子与原来的分子相同,这条直线就是分子的n重对称轴.有2重对称轴的分子(C2)(1)对称轴(旋转轴)-Cn旋转180 n=2例:2-丁烯 分子的对称性与手性的关系第5页/共66页设想分子中有一平面,它可以把分子分成互为镜象的两半,这个平面就是对称面.有对称面的分子(2)对称面(镜面)-例:氯乙烷第6页/共66页设想分子中有一一个个点点,从分子中任任何何一一个个原原子子出发,向这个点作一直线,再从这个点将直线延长出去,在与该点前一线段等等距距离离处,可以遇到一一个个同同样样的原子的原子,这个点就是对称中心对称中心.有对称中心

4、的分子(3)对称中心-i1,3-二甲基环丁烷1,2-二氯乙烯第7页/共66页设想分子中有一条直线,当分子以此直线为轴旋转360/n后,再用一个与此直线垂直的平面进行反映(即作出镜象),如果得到的镜象与原来的分子完全相同,这条直线就是交替对称轴交替对称轴.()旋转90后得()，()作镜象得()，()等于()。该分子为有4重交替对称轴的分子，记为S4.(4)交替对称轴(旋转反映轴)-Sn4n=4第8页/共66页以下分子中存在哪些对称因素?ClClClClClCl ClClClClClCl绕轴旋转90镜面C2;2;无i;S4 重 合第9页/共66页 手性分子既没有对称面,又没有对称中心,也没有4重交

5、替对称轴的分子,都不能与其镜象叠合,都是手性分子.非手性分子凡具有对称面、对称中心或交替对称轴的分子.对称轴的存在与否对分子是否具有手性没有决定作用.在有机化学中,绝大多数非手性分子都具有对称面或对称中心,或者同时还具有4重对称轴.没有对称面或对称中心,只有4重交替对称轴的非手性分子是个别的.手性分子的一般判断:只要一个分子既没有对称面，又没有对称中心，就可以初步判断它是手性分子.总结:对称因素与手性的关系第10页/共66页 凡凡是是手手性性分分子子,必必有有互互为为镜镜象象的的构构型型.分分子子的手性是存在对映体的必要和充分条件的手性是存在对映体的必要和充分条件.互为镜象的两种构型的异构体叫

6、做对对映映异异构构体体,简称简称对映体对映体.一对对映体的构造相同,只是立体结构不同,这种立体异构就叫对映异构对映异构.对映异构与对映异构体例如:乳酸是手性分子，故有对映体存在.对映体之间性质差异?第11页/共66页对映体的一般物理性质(熔点,沸点,相对密度.,以及光谱)都相同，只有对偏振光的作用不同。偏正光的形成偏正光的旋转8.2 旋光性和比旋光度8.2.1 旋光性第12页/共66页 旋光性旋光性:能旋转偏正光的振动方向的性质.旋光性物质旋光性物质(或光活性物质光活性物质):具有旋光性的物质.旋光的相关概念及旋光性的表示方法:在有机化学中,凡是手性分子都具有旋光性;而非手性分子则没有旋光性.

7、对映体是一对相互对映的手性分子,它们都有旋光性,两者的旋光方向相反,但旋光度(能力)相同.右旋物质-能使偏正光的振动方向向右旋的物质.通常用“d”或“+”表示右旋.左旋物质-能使偏正光的振动方向向左旋的物质.通常用“l ”或 “-”表示左旋.旋光度-偏正光振动方向的旋转角度.用“”表示.第13页/共66页 由旋光仪测得的旋光度,甚至旋光方向,不仅与与物物质质结结构构有有关关,而且与测定的条件(样品浓度,盛放样品管的长度,偏正光的波长及测定温度等)有关.(1)比旋光度在溶液浓度规定为1g/mL,盛液管的长度规定为1dm的条件下测得的旋光度叫比旋光度.一般用表示.比旋光度只决定于物质的结构,各种化

8、合物的比旋光度是它们各自特有的物理常数.8.2.2 比旋光度第14页/共66页 用任一浓度的溶液,在任一长度的盛液管中进行测定,然后将实际测得的旋光度,按下式换算成比旋光度:=式中:C-溶液浓度(g/ml);l -管长(dm)若被测得物质是纯液体,则按下式换算:=/l 式中:-液体的密度(g/cm3).lC(2)比旋光度的测定与换算第15页/共66页通常将测定时的温度和偏正光的波长标出:t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:“D”代表钠光波长.因钠光波长589nm相当于太阳光谱中的D线.20=+52.5(水）D(

9、3)比旋光度的表示方法第16页/共66页手手性性碳碳原原子子 有机化合物中手性分子大都含有与与四四个个互互不不相相同同的的基基团团相相连连的的碳碳原原子子。这种碳原子没有任何对称因素,叫不对称碳原子或手性碳原子.在结构式中通常用*标出手性碳原子。含有一个手性碳原子的分子一定是手性分子.一个手性碳原子可以有两种构型。具有手性的物质与分子中有无手性碳原子无关.8.3 含有一个手性碳原子的化合物的对映异构第17页/共66页例：乳酸 CH3CHOHCOOH*右旋乳酸 15=+2.6 熔点=53 左旋乳酸15=-2.6 熔点=53 外消旋体不仅没有旋光性，且其他物理性质也往往与单纯的旋光体不同.例如：外

10、消旋体乳酸熔点为18.*DD外消旋体由等量的对映体相混合而成的混合物.第18页/共66页乳酸的分子模型和投影式两个竖立的键表示向纸面背后伸去的键;两个横在两边的键表示向纸面前方伸出的键.在纸面上旋转180构型不变；旋转90或270或翻身镜象牢记8.4 构型的表示法，构型的确定和构型的标记8.4.1 构型的表示法（1）菲舍尔（Fischer）投影式第19页/共66页将手性碳原子表示在纸面上，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。Fischer投影式锲形式锲形式Fischer投影式（2）锲形式比较直观第20页/共66页8.4.2 构型的确定 菲舍尔投影式、锲

11、形式看不出左、右旋；旋光仪可测定旋光方向，但不能判断构型。甘油醛标准比较法:人为指定()为右旋甘油醛(+)的构型；()为左旋甘油醛(-)的构型。以甘油醛这种的构型为标准，比照其他化合物的的结构来确定相对构型。第21页/共66页左旋乳酸D-测定此乳酸旋光方向为左旋比照方法：利用反应过程中与手性碳原子直接相连的键不发生断裂，以保证手性碳原子的构型不发生变化，最后和规定构型的甘油醛进行结构比照。例如：通过系列化学反应证明，左旋乳酸和右旋甘油醛的构型一致 D-。右旋甘油醛指定构型D-Na-Hg第22页/共66页两种甘油醛的绝对构型-和规定的一致右旋酒石酸铷钠的绝对构型：（1）标准比较法得出此构型，测得

12、结果为右旋。（2）X X光光衍衍射射直直接接确确定定右旋酒石酸铷钠与此推出的构型一致。（3）所以人人为为指指定定的的甘甘油油醛醛的的构构型型也也是是其其绝绝对对构构型型。以此为标准确定的其它相对构型也是绝对构型。注意:从构型上不能判定物质的旋光方向(须测定).构型的确定在于阐明左、右旋某物质的构型形式（即分子中各原子或基团在空间的排列方式）。第23页/共66页 构造相同而构型不同的异构体在命名时，有必要对其构型予以标记。构型的标记方法有两种：右旋甘油醛的构型定为D型，左旋甘油醛的构型定为L型.凡通过实验证明其构型与D-相同的化合物，都叫D型，在命名时标以“D”;而构型与L-甘油醛相同的，都叫L

13、型，在命名时标以“L”.例：左旋乳酸：D-(-)-乳酸;右旋乳酸:L-(+)-乳酸 D、L只表示构型，而不表示旋光方向。旋光方向以“+”(右旋)、“-”(左旋)表示。D-L标记法只适合分子中含有一个C*的构型.8.4.3 构型的标记（1）以甘油醛为对照标准的DL法:第24页/共66页 根据手性碳原子所连接的四个不同基团在空间的排列次序来标记构型的方法：假 定 手 性 碳 原 子 所 连 接 的 四 个 基 团 为a,b,c,d,并将它们按次序（烯烯烃烃次次序序规规则则:原原子子序序数数大大小小）排队.若a,b,c,d四个基团的顺序是abcd,将该手性碳原子在空间作如下安排：(2)R-S标记法

14、把排在最后的基团d放在离观察者最远的位置，然后 按轮转方向a b c观察其他三个基团。轮转方向为顺时针,该C*的构型标记为“R”(右)；轮转方向为逆时针,该C*的构型标记为“S”(左).第25页/共66页例如：锲形式的R-S标记法RS顺时针反时针基团次序为：abcdR:Rectus(右)S:Sinister(左)第26页/共66页（1）将次序排在最后的基团d放在一个竖立的（即指向 后方的）键上，然后依次轮看a、b、c。（2）轮转顺序为顺时针顺时针，该投影式代表的构型为R型；轮转顺序为逆时针，逆时针，该投影式代表的构型为S型。c基团次序为：abcd顺时针逆时针(一)菲舍尔投影式中最小的基团d在竖

15、键上(3)菲舍尔投影式的R-S标记法：第27页/共66页 顺时针方向轮转的-该投影式代表的构型为S型 逆时针方向轮转的-该投影式代表的构型为R型。基团次序为：abcd(二)菲舍尔投影式中最小的基团d在横键上d在竖键上d在横键上顺时针逆时针RS逆时针顺时针第28页/共66页例如：乳酸CH3CHCOOH手性碳原子的四个基团排队：OH 基团次序:OH COOH CH3 H.因此乳酸的两种构型可识别和标记如下：(右旋):S-(+)-乳酸(左旋):R-(-)-乳酸S 楔形式投影式RH在竖键第29页/共66页 判断下列物质菲舍尔投影式的构型:BrHClCH3H2NHCH3CH3ClCOOHCH(CH3)2

16、ClCH2基团次序 Br Cl CH3 H H2N COOH CH3 H Cl CH2ClCH(CH3)2 CH3SSR第30页/共66页(4)分子中有多个手性碳原子的化合物：命名时可用 R-S标记法将每个手性碳原子的构型一一标出。例如：C-2所连接的四个基团的次序:OH CHOHCH2CH3 CH3 H所连接的四个基团的次序:OH CHOHCH3 CH2CH3 HR:S:H在横键;顺时针H在横键;逆时针第31页/共66页(2S,3R)-2,3-戊二醇（5）手性化合物的命名：将手性碳原子的位次连同构型写在括号里：例如：第32页/共66页注意:R和S是手性碳原子的构型根据所连基团的排列顺序所作的

17、标记.在一个化学反应中,如果手性碳原子构型保持不变,产物的构型与反应物的相同,但它的R或S标记却不一定与反应物的相同.反之,如果反应后手性碳原子的构型发生了转化,产物构型的R或S标记也不一定与反应物的不同.因为经过化学反应,产物的手性碳原子上所连接的基团与反应物的不样了,产物和反应物的相应基团的排列顺序可能相同,也可能不同。产物构型的R或S标记,决定于它本身四个基团的排列顺序,与反应前后构型是否保持不变无关。第33页/共66页例如：RS第34页/共66页 结论：含有一个手性碳原子的化合物有一对对映体。分子中若有多个手性碳原子，立体异构的数目就要多些：若含有n个手性碳原子的化合物，最多可以有2n

18、种立体异构。有些分子的立体异构数目少于 2n这个最大数。8.5 含有多个手性碳原子化合物的立体异构第35页/共66页例:2-羟基-3-氯丁二酸HOOC-CH-CH-COOH的立体异构 OH Cl*这四种异构体中(I)和(II)是对映体;(III)和(IV)是对映体.(I)和(II)等量混合物是外消旋体；(III)和(IV)等量混合物也是外消旋体。(I)或(II)和(III)、(IV)是非对映体。第36页/共66页非非对对映映体体(I)和(III)或(IV)以及(II)和(III)或(IV)也是立体异构，但它们不是互为镜象，不是对映体，这种不对映的立体异构体叫做非对映体非对映体.非对映体旋光度不

19、相同,而旋光方向则可能相同,也可能不同,其它物理性质都不相同:非对映体混合在一起,可以用一般的物理方法将它们分离出来.2-羟基-3-氯丁二酸的物理性质第37页/共66页例:酒石酸 HOOC-CH-CH-COOH的立体异构 OH OH*这四种异构体中(I)和(II)是对映体;(III)和(IV)是同一种物质(它们平面旋转180可以相互叠合，如下图）：I II III IV(2R,3R)(2S,3S)(2R,3S)(2S,3R)有些分子的立体异构数目少于2n这个最大数第38页/共66页 (III)通过C(2)-C(3)键中心点的垂直线为轴旋转180,就可以看出它可以与(IV)是叠合的:以黑点为中心

20、在纸面上旋转180(III)和(IV)是同一种物质的本质原因？两个手性碳原子连接的基团完全相同第39页/共66页在它的全重叠式构象中可以找到一个对称面。在它的对位交叉式构象中可以找到一个对称中心。内消旋体：(III)和(IV)分子内存在对称面，能与其镜象叠合，不是手性分子，因此也没有旋光性这种物质叫内消旋体。内消旋体与外消旋体均无旋光性，但它们的本质不同.第40页/共66页酒石酸之所以有内消旋体，是由于它的两个手性碳原子所连接基团的构造完全相同。当这两个手性碳原子的构型相反时，它们在分子内可以互相对映，因此整个分子不再具有手性。含含有有多多个个手手性性碳碳原原子子的的分分子子却却不不一一定定都

21、都有有手手性性.所所以以不能说不能说凡是含有手性碳原子的分子都是手性分子凡是含有手性碳原子的分子都是手性分子.内消旋酒石酸(III)和有旋光性的酒石酸(I)或(II)是非对映体,它不仅没有旋光性,并且物理性质也相差很大：酒石酸对映异构体小结酒石酸的物理性质酒石酸酒石酸熔点熔点/（）右旋）右旋（）左旋）左旋（）内消旋）内消旋 170 170 146+12-120外消旋体206第41页/共66页例如：戊醛糖（2,3,4,5-四羟基戊醛）:含三个C*的化合物最多可能有23=8种立体异构。第42页/共66页如果把戊醛糖的两端氧化成羧基,就只有四种立体异构体：假手性碳原子：(III)、(IV)中尽管C-

22、3是手性原子（C-2和C-4所连基团虽构造相同，但构型不同），但(III)、(IV)却是非手性分子.像C-3这样的不能对分子的手性起作用的手性碳原子叫做假手性碳原子.RRRS第43页/共66页 在含有多个手性碳原子的立体异构体中，只有一个手性碳原子的构型不相同，其余的构型都相同的非对映体非对映体，又叫差向异构体差向异构体。例1：内消旋酒石酸与有旋光性的酒石酸只有一个碳原子的构型不相同，所以它们是差向异构体：I II III IV(2R,3R)(2S,3S)(2R,3S)(2S,3R)相同分子内消旋 差向异构体(I)和()、()和(III)都是差向异构体第44页/共66页例2：(I)和(II)、

23、(I)和(III)、(I)和(IV)也都是差向异构体第45页/共66页 外消旋体和内消旋体都无旋光性，内消旋体是一种纯物质；外消旋体是由一对旋光方向不同而其它物理性质相同的对映体等量混合而成，可以拆分。拆分将外消旋体分离成旋光体的过程叫“拆分”。用一般的物理方法（分馏、分步结晶等）不能把一对对映体分离开来，必须用特殊方法。拆分的方法（1）机械拆分法：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，或通过放大镜进行辨认，而把两种结晶体挑捡分开。(目前很少用)（2）微生物拆分法：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。8.6 外消旋体的拆分第46页/共66页

24、（3）选择吸附拆分法：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（形成两个非对映的吸附物）。（4）诱导结晶拆分法（晶种结晶法）：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。（5）化学拆分法：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，用一般的分离方法将它们分离。例如酸的化学拆分：第47页/共66页酸的拆分步骤可用下列通式表示：常用的旋光性碱主要是生物碱，如：（-）-奎宁、（-）-马钱子碱、（-）-番木鳖碱；常用的旋光性酸是酒石酸、樟脑-磺酸等。拆分酸时常用旋光性

25、碱；拆分碱时常用旋光性酸第48页/共66页拆分的意义 大多数化学合成产物都是外消旋体.但往往旋光性物质有独特的化学活性或化学活性要远优于外消旋体.例如化学合成的非甾体消炎镇痛药酮基布洛芬是外消旋体混合物。研究表明其中S-酮基布洛芬的药效是外消旋体的2倍，拆分意味着临床只需要一半剂量即可达到同样疗效。CH3 CHCOOHR酮基布洛芬第49页/共66页 不经过拆分利用某种手性条件直接合成出具有旋光性物质的方法，叫手性合成（或不对称合成）.通过化学反应能在非手性分子中形成手性碳原子:例1:烷烃氯化例2:丙酮酸还原2-氯丁烷2-羟基丙酸以上两个反应的产物并无旋光活性外消旋体。若在反应时存在某种手性条件

26、，则新手性碳原子形成时，两种构型生成的机会不一定相等（某种对映体的含量稍多些）:8.7 手性合成第50页/共66页例如：-酮酸直接还原，只能得到外消旋的-羟基酸；若将酮酸先与旋光性的醇作用，生成旋光性的酮酸酯后再还原，最后水解，则得到具有旋光性的羟基酸：在手性基团的影响下，新的手性碳原子两种构型的生成机会不是均等的。此时左旋体的含量多于右旋体的混合物。相对含量用ee值表示.第51页/共66页写出烯烃的溴代反应历程以及终产物的立体结构.互为镜像对称结构两个进攻方向产物不一样！第52页/共66页有对映体有对映体不对称结构，上下均可成环*第53页/共66页 环烷烃只要在环上有两个碳原子各连有一个取代

27、基,就有顺反异构；如环上有手性碳原子,则有对映异构现象.观察碳原子所在的环左右是否具有对称性，若无对称性则相当于连接两个不一样的官能团，该碳原子是手性碳原子。含有手性碳原子环状化合物不一定是手性分子！（如内消旋体）薄荷醇的平面式3个*；8个光学异构体环状化合物手性碳原子的判断：8.8 环状化合物的立体异构第54页/共66页例1：2-羟甲基环丙烷-1-羧酸（四种立体异构体）对映体对映体第55页/共66页例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）.(II)和(III)是一对对映体,(I)和(II)或(III)是非对映体.对映体内消旋体第56页/共66页

28、例3:二元取代环丁烷的立体异构的数目与取代基的位 置有关:环丁烷-1,3-二羧酸 环丁烷-1,2-二羧酸第57页/共66页下列生成物是如何形成的？是否为同一物质？不对称结构，上下均可成环，每环一个进攻方向，(Br+加成符合马式规律)，形成不同的产物。上成环下成环第58页/共66页烯烃的硼氢化氧化反应产物只有一种吗？第59页/共66页 在有机化合物中,也有一些手性分子并不含有手性碳原子.这些手性分子都有对映体存在.例1:丙二烯:当第一和第三个碳原子分别连有不同基团时,整个分子就是一个手性分子,因而有对映体存在:8.9*不含手性碳原子化合物的对映异构中间的C为sp杂化C第60页/共66页例2:联苯

29、邻位上有较大取代基时，两个苯环不在一 个平面:对映体如果两个苯环上的取代基分布不对称,整个分子就具有手性。(6,6-二硝基-2,2-联苯二甲酸)这一对对映体实际上是构象异构体,它们的互相转换只要通过键的扭转,并不要对换取代基的空间位置.v基团的阻转能力大小：I2Br2Cl2CH3NO2COOHNH2OCH3OHFH第61页/共66页 除碳外，还有一些元素(如Si、N、S、P、As等)的共价键化合物也是四面体结构，当所连基团互不相同时，该原子也是手性原子。含有这些手性原子的分子也可能是手性分子。例1：例2：都是手性分子，都有对映体存在。8.10*含有其它手性原子化合物的对映异构第62页/共66页

30、判断下列说法正误:1.凡是含有手性碳原子的分子都是手性分子().2.只含有一个手性碳原子的分子一定是手性分子().3.对映体之间所有物理化学性质都相同().4.内消旋体和外消旋体都无旋光性().5.内消旋体和外消旋体都可进行拆分().6.含有个n手性碳原子的物质最多有2n个立体异构体().7.R或S构型取决于与手性碳原子相连的四个基 团的空 间排布顺序，与变化前后构型是否保持不变无关().第63页/共66页应用实例8：外消旋体的拆分意义畸胎剂镇静剂常规合成产物往往是外消旋的混合物。如果有n个手性原子，最多有2n种立体异构体，其中只有1/2n是effective.萨立多胺（tholidomide

31、）R-isomerFetus Deforming AgentS-isomerSeditive确切疗效;毒副作用;剂量与资源成本第64页/共66页本 章 小 结1.立体异构包括构型异构和构象异构，构型异构又分为顺反异 构和对映异构。2.不能与其镜象重叠的分子称为手性分子。该分子与其镜象互 称为对映体，对映体是结构不同的化合物，即对映异构。3.凡结构中不存在对称面、对称中心或四重更替对称轴的物质 分子具有手性，手性分子具有旋光活性。对映体之间物理性 质基本相同，旋光度也相同（需测定），但旋光方向相反。4.对映体构型可以用楔形式和Fischer投影式表示；构型的标记 有D-L标准比较法和以次序规则为基础的R-S标记法.5.含有n个手性碳原子的物质最多有2n个立体异构体，外消旋体 有2n-1个。6.内消旋体分子中含有2个或以上手性中心，有内在对称因素,分子无旋光性。7.内消旋体是单一物质，外消旋体是等量对映体的混合物，可 以用特殊手段拆分。第65页/共66页感谢您的观看。第66页/共66页