立体化学基础手性分子.pptx

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1、第一节第一节 手性分子和对映体手性分子和对映体 一、手性观察自己的双手,左手与右手有什么联系和区别？第五章 立体化学基础：手性分子 第一节 手性分子和对映体(一、手性)上页上页下页下页首页首页左右手互为镜像与实物关系(称为对映关系)，彼此又不能重合的现象称为手性。第1页/共47页二、手性分子和对映体任何物体都有它的镜像，一个有机分子也会有它的镜像。若实物与其镜像能够完全重合，则实物与镜像所代表的两个分子为同一个分子。所有基团都重合丙酸分子没有手性第五章 立体化学基础 第一节 手性分子和对映体(二、手性分子和对映体)上页上页下页下页首页首页第2页/共47页但有些分子如乳酸,两个互为实物与镜像关系

2、的分子不能重合。不能与其镜像重合的分子称为手性分子手性分子(chiralmolecule)。它们是彼此成镜像关系，又不能重合的一对立体异构体，互称为对映异构体对映异构体(enantiomer)。第五章 立体化学基础 第一节 手性分子和对映体(二、手性分子和对映体)上页上页下页下页首页首页第3页/共47页三、如何判断一个分子有无手性？对称因素：1.对称面 凡有对称面的分子，不具旋光性，也没有对映异构体。凡有对称面的分子，不具旋光性，也没有对映异构体。第4页/共47页ClFFHHHHCl对称中心对称中心若分子中有一点若分子中有一点P，通过，通过P点画任何直线，如果在离点画任何直线，如果在离P点等距

3、离的直点等距离的直线两端有相同的原子或基团，则点线两端有相同的原子或基团，则点P称为分子的称为分子的对称中心对称中心。具有对称中心的化合物和它的镜象能够重合，因此不具有手具有对称中心的化合物和它的镜象能够重合，因此不具有手性性.P第5页/共47页一般地说，物质分子凡在结构上具有对称面或对称中心的，就不具有手性，也就没有旋光性。反之，同时不具有对称面和对称中心的分子就有手性。第6页/共47页有有机机化化合合物物分分子子具具有有手手性性的的最最常常见见情情况况是是存存在在手手性性碳碳原原子子。手手性性碳碳原原子子是是指指与与4个个不不相相同同的的原原子子或或原子团相连的碳原子原子团相连的碳原子，常

4、用，常用“*”号标出。如：号标出。如：必须指出的是：必须指出的是：1.有手性碳原子的分子并不一定是手性分子。有手性碳原子的分子并不一定是手性分子。2.没有手性碳原子的分子并不一定不是手性分子。没有手性碳原子的分子并不一定不是手性分子。3.一一个个分分子子中中只只有有一一个个手手性性碳碳原原子子时时，则则它它一一定定是是手性分子。手性分子。4.手性碳原子是判断分子是否手性的重要依据。手性碳原子是判断分子是否手性的重要依据。第7页/共47页问题：下列化合物哪些含手性碳原子下列化合物哪些含手性碳原子？4.5.1.CH2Cl22.CHCl33.CH3CHClCH2CH36.7.8.第五章 立体化学基础

5、 第一节 手性分子和对映体(二、手性分子和对映体)上页上页下页下页首页首页第8页/共47页四、判断手性分子的方法第五章 立体化学基础 第一节 手性分子和对映体(四、判断对映体的方法)1.最直接的方法是建造一个分子及其镜像的模型。如果两者能重合，说明分子无手性，没有对映异构现象；如果两者不能重合，则为手性分子，有对映异构现象，存在对映体。2.考察分子有无对称现象（对称面和对称中心）。如果分子有对称现象，则该分子与其镜像就能重合，没有对映异构现象。3.大多数情况下，可根据分子中是否存在手性碳原子(或手性中心)来判断分子是否有手性。上页上页下页下页首页首页第9页/共47页问题：下列化合物是否存在对映

6、异构体下列化合物是否存在对映异构体？第五章 立体化学基础 第一节 手性分子和对映体(四、判断对映体的方法)上页上页下页下页首页首页第10页/共47页第五章 立体化学基础 第二节 费歇尔投影式 第二节第二节 费歇尔投影式费歇尔投影式 对映异构体的结构可以用模型、透视式(立体结构式)或费歇尔(Fischer)投影式表示。(一)三维模型上页上页下页下页首页首页第11页/共47页(二)立体结构式第五章 立体化学基础 第二节 费歇尔投影式 上页上页下页下页首页首页第12页/共47页(三)费歇尔投影式u写Fischer投影式的要点：(1)水平线和垂直线的交叉点代表手性碳，位于纸平面上。(2)连于手性碳的横

7、键代表朝向纸平面前方的键。(3)连于手性碳的竖键代表朝向纸平面后方的键。横前横前竖后竖后第五章 立体化学基础 第二节 费歇尔投影式 上页上页下页下页首页首页第13页/共47页在符合“横前竖后横前竖后”规则的前提下,亦可得到不同Fischer投影式。第五章 立体化学基础 第二节 费歇尔投影式 上页上页下页下页首页首页严严格格的的FischerFischer投投影影式式：一般将主链放在竖直线上，把命名时编号最小的碳原子放在上端(主链下行主链下行)。第14页/共47页可用以下方法判断不同Fischer投影式是否表示相同构型的化合物。(1)Fischer式的平移或纸平面内旋转180，其构型不变。但Fi

8、scher式不能离开纸面翻转或沿纸面旋转90(或270)。(2)Fischer式中同一个手性碳上所连原子或基团两两交换偶数次，其构型不变。第五章 立体化学基础 第二节 费歇尔投影式 上页上页下页下页首页首页第15页/共47页同一个异构体可以用几种不同的方法表示其立体结构。如：2R,3S-2,3,4-三羟基丁醛：Fischer投影式 立体结构式锯架式Newman投影式第五章 立体化学基础 第二节 费歇尔投影式 上页上页下页下页首页首页第16页/共47页将下列透视式转换成Fischer投影式，把Fischer投影式转换成透视式：第17页/共47页18第五章 立体化学基础 第三节 旋光性(一、偏振光

9、和旋光性)第三节第三节 旋光性旋光性 一、偏振光和旋光性上页上页下页下页首页首页光波振动方向与光束前进方向关系示意图普通光平面偏振光：通过Nicol棱镜，仅在一个平面上振动的光。第18页/共47页(a)(a)水等不旋光物质水等不旋光物质(b)(b)乳酸等旋光物质乳酸等旋光物质A A为盛液体为盛液体或溶液的管子或溶液的管子 能使平面偏振光的振动方向发生旋转的性质称为物质能使平面偏振光的振动方向发生旋转的性质称为物质的的旋光性旋光性，具有旋光性的物质，称为，具有旋光性的物质，称为旋光物质旋光物质，又称，又称光活性物质光活性物质或或旋光体旋光体。手性化合物都具有旋光性。第19页/共47页第五章 立体

10、化学基础 第三节 旋光性(一、偏振光和旋光性)上页上页下页下页首页首页二、旋光度与比旋光度（一）旋光度：通常用旋光仪测定物质的旋光性，偏振面被旋光性化合物所旋转的角度称为旋光度,用 表示。旋光仪旋光仪 能使平面偏振光向右旋转(顺时针方向)的物质叫做右旋体，用符号()或d表示；能使平面偏振光向左旋转(逆时针方向)的物质叫做左旋体，用符号()或l表示。第20页/共47页21（二）比旋光度(specificrotation)为了使一个化合物的旋光度成为特征物理常数，通常用1dm长的旋光管，待测物质的浓度为1g/ml，用波长为589nm的钠光(D线)条件下，所测得的旋光度，称为比旋光度。t:测定时的温

11、度(C)D:钠光D线，波长589nm:实验观察的旋光值()l:旋光管的长度(dm)C:溶液浓度(g/ml),(纯液体用密度g/cm3)一对对映体的比旋光度大小相等，方向相反。第五章 立体化学基础 第三节 旋光性(二、旋光度与比旋光度)上页上页下页下页首页首页第21页/共47页22例题：例题：将胆固醇样品260mg溶于5ml氯仿中,然后将其装满5厘米长的旋光管,在室温（20）通过偏振的钠光测得旋光度为-2.5,计算胆固醇的比旋光度。答：胆固醇的比旋光度为96(氯仿)。=96文献中通常用如下格式报导一个旋光性化合物的比旋光度值：D20=+98.3o(c0.05,CH3OH)第五章 立体化学基础 第

12、三节 旋光性(二、旋光度与比旋光度)上页上页下页下页首页首页第22页/共47页物质产生旋光性的根本原因是分子的手性，即任何一个具有旋光性的分子必定是手性分子。手性分子通常必定产生旋光性，但也有极少数手性分子没有或旋光活性很小，或者在某些波长的光段不表现出旋光性。第23页/共47页第五章 立体化学基础 第四节 构型标记法 (D/L构型标记法)第四节第四节 构型标记法构型标记法 一、D/L构型标记法相对构型上页上页下页下页首页首页以以甘甘油油醛醛为为标标准准，人人为为规规定定：严严格格的的费费歇歇尔尔投投影影式式中羟基在碳链右边的为中羟基在碳链右边的为D型，它的对映体为型，它的对映体为L型。型。D

13、-()-甘油醛甘油醛L-()-甘油醛甘油醛()()第24页/共47页以甘油醛为基础,通过化学方法合成其它化合物,如果与手性原子相连的键没有断裂,则仍保持甘油醛的原有构型。第五章 立体化学基础 第四节 构型标记法 (D/L构型标记法)上页上页下页下页首页首页D-()-甘油醛D-()-甘油酸D-()-乳酸D-()-乳酸L-()-乳酸这种人为规定的构型，叫做相对构型。旋光性化合物的旋光方向与构型之间没有固定的关系。D-L构型表示方法中，费歇尔投影式必需是严格的,如果投影式不符合这样的规定，应按前述两种方法加以调整。D-L构型表示法有一定的局限性。第25页/共47页二、R/S构型标记法绝对构型第五章

14、立体化学基础 第四节 构型标记法 (R/S构型标记法)上页上页下页下页首页首页根据基团的顺序规则，确定与手性碳原子相连的4个基团优先顺序的大小，假设顺序为abcd。将优先顺序最小的基团d处于眼睛对面最远的位置上，然后再看abc的排列顺序，如顺时针方向的定为R构型(拉丁文Rectus的缩写)，假若abc是逆时针方向的则定为S构型(拉丁文Sinister的缩写).R构型S构型(abc顺时针)(abc逆时针)R-S命名法R-S构型法标记时，无须调整费歇尔投影式为严格的。第26页/共47页第27页/共47页练习：练习：SS第28页/共47页第五章 立体化学基础 第四节 构型标记法 (R/S构型标记法)

15、上页上页下页下页首页首页nR-S标记法应用较广泛，当分子中含有多个手性碳原子时，它能标记出每一个手性碳原子的构型。n目前D-L构型标记法仍在使用，特别是糖类化合物和氨基酸。nD/L与R/S无对应关系n无论是D/L还是R/S标记方法，都不能通过其标记的构型来判断旋光方向。第29页/共47页名名称称熔点熔点 CpKa溶解度溶解度(g/100mLH2O)D-(+)-乳酸乳酸L-(-)-乳酸乳酸()-乳酸乳酸262618+3.8-3.803.763.763.76 第五节第五节 外消旋体外消旋体 第五章 立体化学基础 第五节 外消旋体 一对对映体的等量混合物称为外消旋体(racemicmixture或r

16、acemate)。通常用()或dl表示。外消旋体是混合物。一对对映体具有相同的熔点、沸点、密度、pKa,两者的比旋光度大小相等，方向相反。外消旋体的物理性质与单一对映体有些不同，它不具有旋光性，熔点、密度和溶解度等常有差异。但沸点与纯对映体相同。上页上页下页下页首页首页第30页/共47页第六节第六节 非对映体和内消旋化合物非对映体和内消旋化合物 第五章 立体化学基础 第六节 非对映体和内消旋化合物 一、非对映体含有nn个不相同手性碳原子的化合物,其光学异构体的数目是2 2nn个！如2,3-二氯丁醛有4个光学异构体。(a)(b)(c)(d)2S,3R2R,3S2S,3S2R,3R上页上页下页下页

17、首页首页第31页/共47页(a)(b)(c)(d)(a)和(c)是彼此不成镜像关系的光学异构体,叫作非对映体(diastereomers);同样,(a)和(d)之间也是非对映体。彼此不成镜像关系的立体异构体叫非对映体。非对映体具有不同的物理性质。如沸点、溶解度、旋光性等都不相同。第五章 立体化学基础 第六节 非对映体和内消旋化合物 上页上页下页下页首页首页第32页/共47页二、内消旋化合物酒石酸分子中有2个相同手性碳。如果按照2n规则,可有4个立体异构体。但实际上酒石酸分子只有3个立体异构体。(a)(b)(c)(d)(a)和(b)是对映体(a)和(c)是非对映体(b)与(c)是非对映体2R 3

18、R 2S 3S 2R 3S 2S 3R 第五章 立体化学基础 第六节 非对映体和内消旋化合物 上页上页下页下页首页首页第33页/共47页(a)(b)(c)(d)将(d)在纸平面上旋转180，就和(c)完全相同。象(c)(c)这种构型的分子,虽然有两个手性中心,但作为分子整体来说是非手性的。(c)(c)称为内内消旋化合物消旋化合物(mesocompound)，用符号m或meso表示。内消旋化合物是纯净物，不具有旋光性。第五章 立体化学基础 第六节 非对映体和内消旋化合物 上页上页下页下页首页首页第34页/共47页熔点（熔点（）溶解度溶解度(g/100mLH2O)()-酒石酸酒石酸170139.0

19、-12()-酒石酸酒石酸170139.0+12 内消旋酒石酸内消旋酒石酸140125.00()-酒石酸酒石酸20620.00 由于内消旋体的存在，酒石酸只有三种立体异构体,其数目少于按照2n规则所预测的数目。酒石酸立体异构体的物理性质第五章 立体化学基础 第六节 非对映体和内消旋化合物 上页上页下页下页首页首页第35页/共47页第七节第七节 无手性碳原子的手性分子无手性碳原子的手性分子 第五章 立体化学基础 第七节 无手性碳原子的对映体 大多数具有旋光性的化合物分子内都存在手性碳原子。但还有一些化合物虽无手性碳，就整个分子而言却包含手性因素，使它与其镜像不能重合。这类分子也是手性分子。1.单键

20、旋转受阻的联苯型化合物一对对映体上页上页下页下页首页首页第36页/共47页2.丙二烯型化合物当AB时，I和II互为镜像。彼此不能重合,为一对对映体。1,3-二氯丙二烯之所以具有手性,是因为分子的一半与另一半相互垂直。(+)-1,3-二氯丙二烯(-)-1,3-二氯丙二烯第五章 立体化学基础 第七节 无手性碳原子的对映体 上页上页下页下页首页首页第37页/共47页*3.螺苯型化合物()-6-螺苯(+)-6-螺苯 已拆分出六螺旋环烃的一对对映体。并已合成了九螺旋环烃及十二螺旋环烃。第五章 立体化学基础 第七节 无手性碳原子的对映体 上页上页下页下页首页首页第38页/共47页问题：下列哪些化合物为手性

21、分子下列哪些化合物为手性分子？2,7-2,7-二氯螺二氯螺3.53.5壬烷壬烷1-1-亚乙基亚乙基-4-4-氯环己烷氯环己烷2,3-戊二烯1,2-丁二烯第五章 立体化学基础 第七节 无手性碳原子的对映体 上页上页下页下页首页首页第39页/共47页1）物理性质 对映体：旋光方向不同，其他物理性质（熔点、沸点、溶解度、电离常数等）相同。非对映体：物理性质不同，包括旋光性（旋光方向可相同可不同，内消旋体则无旋光性）。非对映体之间可采用分步结晶、分馏等手段进行分离。2）化学性质 对映体：与非手性试剂反应时化学性质相同，反应速度也相同；若与手性试剂反应，化学性质相似，但反应速度有差异。非对映体：官能团相

22、同，化学性质相似，但反应速度存在差异。尤其是酶催化的反应，差别更大。对映异构体的性质对映异构体的性质第40页/共47页 手性分子的立体结构与受体的立体结构(受体靶位)有互补关系时，其活性部位才能进入受体的靶位，产生应有的生理作用。而一对对映体只有其中一个适合进入一个特定受体靶位，产生生理效应。对映体和非对映体的生物学性质往往大不相同。如：(1R,2R)-(-)-(1R,2R)-(-)-氯霉素有效，而其他对映体几乎无效，它们的抗菌活性为100:0.4100:0.4。(+)-(+)-多巴无生理效应；而(-)-(-)-多巴可抗帕金森病 3）生物学性质第41页/共47页手性分子与手性生物受体之间的相互

23、作用手性分子与手性生物受体之间的相互作用a.a.对映体的构型完全适合与受体靶位作用对映体的构型完全适合与受体靶位作用b.b.对映体不能合适地进入相同的受体靶位对映体不能合适地进入相同的受体靶位第42页/共47页第八节第八节 外消旋体的拆分外消旋体的拆分第五章 立体化学基础 第八节 外消旋体的拆分 l立体异构体倘若是非对映体关系,可以通过分步结晶或者蒸馏的方法分离,因为非对映体具有不同的物理性质。l一对对映体间除了比旋光度值相等,旋光方向相反外,其它物理和化学性质相同。所以不能设想通过蒸馏或分步结晶的方法拆分外消旋混合物。l最常用的化学拆分法是把一对对映体设法转变为非对映体。再用分步结晶方法或蒸

24、馏方法分开。上页上页下页下页首页首页第43页/共47页通常是利用外消旋的酸(或碱)与光学纯的碱(或酸)反应生成非对映体的盐,再用分步结晶的方法一一分开。非对映体 物理方法分离(SS)-盐(RS)-盐 第五章 立体化学基础 第八节 外消旋体的拆分 上页上页下页下页首页首页第44页/共47页(R)(R)盐(S)(S)盐盐 CH3NH2(R)(S)仍为一对对映体()-乳酸第五章 立体化学基础 第八节 外消旋体的拆分 上页上页下页下页首页首页第45页/共47页()-乳酸()-奎宁-(+)-乳酸盐()-奎宁-()-乳酸盐()-奎宁 非对映体非对映体 第五章 立体化学基础 第八节 外消旋体的拆分 上页上页下页下页首页首页第46页/共47页设计与制作 邓 健 吕以仙47感谢您的观看！第47页/共47页