高等有机立体化学原理省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

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1、第二章 立体化学原理高等有机化学1第1页异构体分类：异构体分类：同同分分异异构构结构异构：分子式结构异构：分子式相同，分子中原子相同，分子中原子相互相互 连接方式和次连接方式和次序不一样。序不一样。碳链异构碳链异构官能团异构官能团异构官能团位置异构官能团位置异构互变异构互变异构n n 立体化学：以立体化学：以立体化学：以立体化学：以三维空间三维空间三维空间三维空间研究分子结构和性质科学。研究分子结构和性质科学。研究分子结构和性质科学。研究分子结构和性质科学。立体异构立体异构2第2页立体异构立体异构：结构式：结构式相同，分子中原子相同，分子中原子在空间排列方式不在空间排列方式不一样。一样。顺反异

2、构顺反异构构型异构构型异构非对映异构：非实非对映异构：非实物与镜像关系物与镜像关系旋光异构旋光异构烯烃顺反异构烯烃顺反异构脂环烃顺反异构脂环烃顺反异构（不能相（不能相（不能相（不能相互转化）互转化）互转化）互转化）构象异构构象异构对映异构：实物与对映异构：实物与镜像关系镜像关系3第3页构象异构构象异构（可相互转化）（可相互转化）（可相互转化）（可相互转化）单键旋转单键旋转叔胺翻转叔胺翻转R1、R2、R3是烃基是烃基4第4页两种异构体两种异构体A和和BA和和B分子中原子含有相同连接次序吗？分子中原子含有相同连接次序吗？结构异构体结构异构体立体异构体立体异构体否否是是A和和B含有相互不能重合实物与

3、镜像关系吗？含有相互不能重合实物与镜像关系吗？非对映异构体非对映异构体对映异构体对映异构体否否是是5第5页化合物对称性能够用对称元素加以确定，而对称元素化合物对称性能够用对称元素加以确定，而对称元素又能够用一定对称操作加以描述。对称元素能够分为又能够用一定对称操作加以描述。对称元素能够分为对称轴、对称面、对称中心和更迭对称轴对称轴、对称面、对称中心和更迭对称轴（或旋转反（或旋转反射对称轴）。射对称轴）。一一.对称性与分子结构对称性与分子结构 对称轴对称轴 Cn：经过分子一条直线，以这条直线为轴旋转经过分子一条直线，以这条直线为轴旋转 360/n（n=2、3、4、）角度，得到物角度，得到物体或分

4、子形象和原来形象完全相同，这种体或分子形象和原来形象完全相同，这种轴称为对称轴，并对应地称之为轴称为对称轴，并对应地称之为n重对称重对称轴轴。比如：比如：反反-2-丁烯丁烯有一个二重对称轴有一个二重对称轴C2（垂直于碳碳双键中心）。（垂直于碳碳双键中心）。6第6页水分子水分子NH37第7页对称面对称面 ：某一平面将分子分为两半某一平面将分子分为两半某一平面将分子分为两半某一平面将分子分为两半，就象一面镜子，实就象一面镜子，实物（二分之一）与镜象（另二分之一）彼此能物（二分之一）与镜象（另二分之一）彼此能够重合，则该平面是对称面。够重合，则该平面是对称面。经过经过N原子和任何两原子和任何两个个H

5、 H组成平面组成平面经过经过O和两个和两个H组成平面，与组成平面，与此平面垂直平面此平面垂直平面8第8页对称中心对称中心 i 分子中有一中心点分子中有一中心点，经过该点所画直线都，经过该点所画直线都以等距离到达相同基团，则该中心点是对称中心。以等距离到达相同基团，则该中心点是对称中心。反反1 1，3 3二甲基环丁烷二甲基环丁烷反反1 1，2 2二氯乙烯二氯乙烯9第9页更更迭迭对对称称轴轴（又又称称为为旋旋转转轴轴）Sn：围围绕绕某某轴轴旋旋转转360/n（n=2、3、4、）然然后后对对垂垂直直于于该该轴轴平平面面作作反反射射，若若与与原原化化合合物物相相同同，对对应应称称之之为为n重重更更迭迭

6、对对称轴。称轴。Sn=Cn+（垂直于（垂直于Cn）10第10页结论结论：判断一个分子有没有手性，普通只要判断这个分：判断一个分子有没有手性，普通只要判断这个分子子有没有对称面、对称中心。若既没有对称面又没有对称有没有对称面、对称中心。若既没有对称面又没有对称中心，那么这个分子有手性，有对映异构体，有旋光中心，那么这个分子有手性，有对映异构体，有旋光性；若分子中有对称面或者有对称中心，则这个分子无性；若分子中有对称面或者有对称中心，则这个分子无手性。手性。二二.旋光化合物分类旋光化合物分类 1.有手性碳原子化合物有手性碳原子化合物若分子中只含有一个手性碳原子若分子中只含有一个手性碳原子（连接四个

7、原子（连接四个原子或基团都不相同），或基团都不相同），则化合物含有手性。则化合物含有手性。11第11页例：例：乳酸，乳酸，2-羟基丙酸羟基丙酸分子中只含有一个不对称碳原子，有手性。分子中只含有一个不对称碳原子，有手性。一对对映体一对对映体从肌肉中提取，右旋乳酸从肌肉中提取，右旋乳酸 D-(+)乳酸；乳酸；葡萄糖发酵制取，左旋乳酸葡萄糖发酵制取，左旋乳酸 L-(-)乳酸；乳酸；从酸牛奶中提取，对偏光无影响，外消旋乳酸从酸牛奶中提取，对偏光无影响，外消旋乳酸（）乳酸。）乳酸。12第12页 2.含有其它手性原子化合物含有其它手性原子化合物分子中含有四个键指向四面体四个顶点原子，若四个分子中含有四个键

8、指向四面体四个顶点原子，若四个基团不一样就有旋光性。基团不一样就有旋光性。13第13页 3.含有三价手性原子化合物含有三价手性原子化合物棱锥结构分子中，中心原子若与三个不一样基团相连棱锥结构分子中，中心原子若与三个不一样基团相连会产生旋光性。如：会产生旋光性。如：铵类化合物铵类化合物膦化合物膦化合物亚砜类化合物亚砜类化合物14第14页1.含两个不相同不对称碳原子化合物含两个不相同不对称碳原子化合物手性碳与立体异构体数目关系：若分子有 n 个手性碳，理论上有 2n 个立体异构体（2n/2对 对映体）。若手性碳组成相同，数目有所减少。三三.含两个及多个手性碳原子化合物含两个及多个手性碳原子化合物旋

9、光异构旋光异构15第15页例：例：总结：总结：（）（）（）（）（）（）（）（）一对对映体一对对映体 一对对映体一对对映体 16第16页等摩尔一对对映体混合物组成等摩尔一对对映体混合物组成外消旋体外消旋体。非对映异构体非对映异构体不成镜象关系对映异构体。不成镜象关系对映异构体。2.含有两个以上不相同不对称碳原子化合物含有两个以上不相同不对称碳原子化合物不相同不对不相同不对不相同不对不相同不对称碳原子数称碳原子数称碳原子数称碳原子数对映异构体数对映异构体数对映异构体数对映异构体数外外外外 消旋体数消旋体数消旋体数消旋体数1 12 21 12 24 42 23 38 84 44 416168 8n

10、n2 2n n2 2n-1n-117第17页3.含有两个相同不对称碳原子化合物含有两个相同不对称碳原子化合物例：例：例：例：酒石酸酒石酸酒石酸酒石酸有对称面，无对有对称面，无对映异构体，无旋映异构体，无旋光性光性内消旋体内消旋体。分子中有对称面化合物分子中有对称面化合物2个手性个手性C，最多有，最多有2n个异构体，相同手性个异构体，相同手性C降低其异构体数目降低其异构体数目l 若分子含有对称面或对称中心，为非手性分子若分子含有对称面或对称中心，为非手性分子18第18页 对映异构体表示方法对映异构体表示方法常有三种表示方法常有三种表示方法透视式透视式费歇投影式（费歇投影式（Fischer）（R,

11、S)3氯氯2戊醇戊醇纽曼投影式（纽曼投影式（Newman）透视式透视式费歇投影式费歇投影式纽曼投影式纽曼投影式19第19页1、外消旋化：旋光物质转变为不旋光外消旋体过程。外消旋化：旋光物质转变为不旋光外消旋体过程。比如比如(s)-2-溴代苯乙烷溶于液态溴代苯乙烷溶于液态SO2中，其旋光性逐步减小，中，其旋光性逐步减小，为何？为何？主要是反应过程中发生外消旋化，发生外消旋化必须具备两主要是反应过程中发生外消旋化，发生外消旋化必须具备两个条件个条件（1）底物有一个手性中心；（）底物有一个手性中心；（2）活性中间体有平面）活性中间体有平面构型。构型。四四.动态立体有机化学几个基本概念动态立体有机化学

12、几个基本概念20第20页比如比如(s)-2-甲基环己酮在碱性溶液中，其旋光性逐甲基环己酮在碱性溶液中，其旋光性逐步减小，为何？步减小，为何？21第21页2、差向异构化：在含有多个手性碳化合物中，使其中、差向异构化：在含有多个手性碳化合物中，使其中一个手性碳发生构型转化过程。一个手性碳发生构型转化过程。条件：条件：（1）有两个或多个手性原子；（有两个或多个手性原子；（2）生成不是）生成不是对映体。对映体。22第22页3 3、Walden Walden 转化转化转化转化R-2-R-2-溴辛烷在碱性条件下溴辛烷在碱性条件下溴辛烷在碱性条件下溴辛烷在碱性条件下S SN N2 2亲核取代反应：亲核取代反

13、应：亲核取代反应：亲核取代反应：23第23页许多合成反应中，产物往往是一对对映体，而普通一个单一构许多合成反应中，产物往往是一对对映体，而普通一个单一构型应用更为广泛，尤其是在医药卫生行业。型应用更为广泛，尤其是在医药卫生行业。用普通物理方法（分馏、分步结晶等）不能把一对对映体分离用普通物理方法（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。开来。必须用特殊方法。拆分拆分将外消旋混合物分离成两个独立对映体过程通常叫做将外消旋混合物分离成两个独立对映体过程通常叫做“拆分拆分”。五五.外消旋体拆分外消旋体拆分R configuration S configuration24第24页惯

14、用拆分方法普通有以下几个：惯用拆分方法普通有以下几个：（1）机械拆分法机械拆分法：利用外消旋体中对映体：利用外消旋体中对映体结晶形态结晶形态上上差异，借差异，借肉眼直接识别肉眼直接识别，或经过放大镜进行识别，或经过放大镜进行识别，而把两种结晶体挑捡分开。而把两种结晶体挑捡分开。(1848年年Pasteur首次拆首次拆分成功两种不一样晶型酒石酸钠铵，当前极少用分成功两种不一样晶型酒石酸钠铵，当前极少用)（2）诱导结晶拆分法诱导结晶拆分法（晶种结晶法）：在外消旋体过（晶种结晶法）：在外消旋体过饱和溶液中，加入一定量一个纯光学异构体作为饱和溶液中，加入一定量一个纯光学异构体作为晶晶种种，形成非平衡结

15、晶，从而优先结晶出这种对映体，形成非平衡结晶，从而优先结晶出这种对映体，母液经浓缩再用另一个对映体晶体为晶种，如此重母液经浓缩再用另一个对映体晶体为晶种，如此重复进行，可到达一定拆分目标。复进行，可到达一定拆分目标。25第25页（3）生物化学法生物化学法：利用一些微生物或它们所产生酶：利用一些微生物或它们所产生酶立立体专一性体专一性，对对映体中一个异构体有选择分解作用。，对对映体中一个异构体有选择分解作用。（4）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，：用某种旋光性物质作为吸附剂，使之使之选择性地吸附选择性地吸附外消旋体中一个异构体（形成两外消旋体中一个异构体（形成两个非对映

16、吸附物）。通常是利用手性色谱柱来分离。个非对映吸附物）。通常是利用手性色谱柱来分离。（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：将外消旋体与旋光性物质作用，得到到非对映体非对映体混合物，依据非对映体不一样物理性质混合物，依据非对映体不一样物理性质（溶解度、沸点、蒸汽压、吸附特征等），将它们（溶解度、沸点、蒸汽压、吸附特征等），将它们拆分后再经过反应分别恢复到原来组成组分。拆分后再经过反应分别恢复到原来组成组分。26第26页 对于酸，拆分步骤可用以下通式表示：对于酸，拆分步骤可用以下通式表示：拆分酸时拆分酸时，惯用光学活性碱，如天然生物碱（，惯用光学活性碱，如天然生物碱（-）-奎

17、宁、奎宁、（-）-马钱子碱、（马钱子碱、（-）-番木鳖碱）和合成得到光学纯胺类番木鳖碱）和合成得到光学纯胺类等。等。27第27页拆分碱时拆分碱时，惯用天然光活性酸，如酒石酸、樟脑，惯用天然光活性酸，如酒石酸、樟脑-磺酸等。磺酸等。如如a a-苯乙胺拆分：苯乙胺拆分：28第28页对对非酸非碱非酸非碱外消旋体，能够设法在分子中外消旋体，能够设法在分子中引入酸性基团引入酸性基团，然后，然后按拆分酸方法拆分；也能够选适当旋光性物质与外消旋体作用按拆分酸方法拆分；也能够选适当旋光性物质与外消旋体作用而生成非对映体混合物，然后分离。而生成非对映体混合物，然后分离。比如：拆分比如：拆分醇醇时时 方法方法1：

18、先使醇与丁二酸酐或邻苯二甲酸酐作用生成酸性酯：先使醇与丁二酸酐或邻苯二甲酸酐作用生成酸性酯：然后再将这种含有羧基酯与然后再将这种含有羧基酯与旋光性碱旋光性碱作用生成非作用生成非对映体后分离。对映体后分离。29第29页 方法方法2：使醇与旋光性：使醇与旋光性酰氯酰氯作用，形成非对映体酯混作用，形成非对映体酯混合物，然后分离；合物，然后分离；拆分醛、酮时拆分醛、酮时，可使醛、酮与以下旋光性肼作用，然后，可使醛、酮与以下旋光性肼作用，然后分离：分离：30第30页 不对称合成反应是最近有机化学中发展最为快速也是最有成就研究领域之一。它泛指:一类反应因为手性反应物、试剂、催化剂以及物理原因(如偏振光)等

19、造成手性环境,使得反应物前手性部位在反应后变为手性部位时形成立体异构体不等量,或在已经有手性部位上一对立体异构体以不一样速度反应,从而形成一对立体异构体不等量产物和一对立体异构体不等量未反应原料。研究不对称合成反应,含有十分主要实际意义和重大理论价值。对于不对称化合物来讲,制备单一对映体是非常主要,因为对映体生理作用往往有很大差异。6.1 不对称合成反应意义不对称合成反应意义(+)-抗坏血酸含有抗坏血酸含有抗坏血病抗坏血病功效功效,(-)-抗坏血酸则抗坏血酸则无此活性无此活性；(R)-天冬酰胺是天冬酰胺是甜甜,(S)-天冬酰胺是天冬酰胺是苦苦;L-四咪唑是四咪唑是驱虫剂驱虫剂,D-四咪唑四咪唑

20、有毒且不能驱虫有毒且不能驱虫;六六.不对称合成不对称合成31第31页 6.2 不对称合成中立体选择性和立体专一性不对称合成中立体选择性和立体专一性立体选择性反应普通是指反应能生成两种或两种以上立体立体选择性反应普通是指反应能生成两种或两种以上立体异构体产物（有时反应只生成一个立体异构体），但其中异构体产物（有时反应只生成一个立体异构体），但其中仅一个异构体占优势反应。仅一个异构体占优势反应。32第32页立体专一性立体专一性反应是指在相同反应条件下，由立体异构起始物得反应是指在相同反应条件下，由立体异构起始物得出立体异构不一样产物，立体专一过程中，起始物都是一对立出立体异构不一样产物，立体专一过

21、程中，起始物都是一对立体异构体，如：亲核取代反应，产物也是立体异构体。体异构体，如：亲核取代反应，产物也是立体异构体。33第33页 6.3 不对称合成反应效率不对称合成反应效率 不对称合成反应实际上是一个立体选择反应不对称合成反应实际上是一个立体选择反应,反应产物能够是反应产物能够是对映体对映体,也能够是非对映体也能够是非对映体,只是两种异构体量不一样而已。立体只是两种异构体量不一样而已。立体选择性越高不对称合成反应选择性越高不对称合成反应,产物中两种对映体或两种非对映体产物中两种对映体或两种非对映体数量差异就越为悬殊。不对称合成效率数量差异就越为悬殊。不对称合成效率,正是由二者数量差异来正是

22、由二者数量差异来表示。若产物彼此为对映体表示。若产物彼此为对映体,则其中则其中某一对映体过量百分率某一对映体过量百分率(percent enantiomeric excess,简写为简写为%e.e)可作为衡量该不对称可作为衡量该不对称合成反应效率高低标准合成反应效率高低标准,表示方法以下表示方法以下:式中R和S分别为主要对映体产物量和次要对映体产物量。如两个对映体产物比是95:5，则%e.e是95-5=90(或e.e=90%)34第34页 通常情况下通常情况下,可假定比旋光度与对映体组成含有线性关系，可假定比旋光度与对映体组成含有线性关系，因而在试验测量误差略而不计时，上述因而在试验测量误差略

23、而不计时，上述%e.e即等于下述所谓即等于下述所谓光学纯度百分率光学纯度百分率(percent optical purity,简写为简写为%O.P).若产物为非对映异构体时若产物为非对映异构体时,不对称合成反应效率用不对称合成反应效率用非对非对映过量百分率映过量百分率(percent diastereomeric excess，简写为，简写为%d.e)来表示。来表示。式中A和B分别为主要非对映体产物量和次要非对映体产物量。35第35页 6.4 不对称合成反应不对称合成反应6.4.1 用化学计量手性物质进行不对称合成用化学计量手性物质进行不对称合成 1.由手性反应物进行不对称合成由手性反应物进行

24、不对称合成36第36页2 2用手性试剂进行不对称合成用手性试剂进行不对称合成1)不对称烷氧基铝还原剂不对称烷氧基铝还原剂37第37页2）手性硼试剂）手性硼试剂38第38页 该实例说明应用手征性硼烷进行手征性合成反应含有很高立体选择性。该实例说明应用手征性硼烷进行手征性合成反应含有很高立体选择性。在反应过程中，形成两种能量差异相当大过渡态（在反应过程中，形成两种能量差异相当大过渡态（A）和（）和（B），而（），而（A）能量小于（能量小于（B）能量。在）能量。在(A)中顺中顺-2-丁烯甲基靠近丁烯甲基靠近C3上体积较小氢原子上体积较小氢原子,在在(B)中该甲基靠近于体积较氢原子大得多中该甲基靠近于体积较氢原子大得多C3上上M基团基团,这就造成两种过渡这就造成两种过渡态在能量上悬殊态在能量上悬殊,从而使反应含有较高立体选择性。从而使反应含有较高立体选择性。39第39页3 3反应底物中手性诱导不对称合成反应底物中手性诱导不对称合成40第40页6.4.2 不对称催化反应不对称催化反应1手性催化剂不对称反应手性催化剂不对称反应41第41页Mn（）-Salen-Complexe 42第42页