有机化学第3章立体化学.ppt
第三章 立体化学,在三维空间对分子的结构、性质进行的研究,掌握手性分子的概念(分清对映体、非对映体；内、外消旋体与旋光性的关系).掌握对映异构体的表示方法及构型的标记法（重点R/S法）.学会Fischer 投影式的书写规则,以及与Newman式间的转换.,主要内容,同分异构现象,构造异构constitutional,立体异构Stereo-,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),构型异构configurational,构象异构conformational,顺反异构对映异构（旋光异构）,同分异构isomerism,一、构造异构(Constitution)：具有相同的分子式，而分子 中原子的结合顺序不同。,二、立体异构(Stereoisomerism)：具有相同的分子式，相同的原子连接顺序，但原子在空间的排布方式不同。,对映异构(Enantiomerism),实物与其镜像不能重叠，它们互为镜像的关系，称该实物与镜像为一对对映异构体,20 世纪初，科学家在肌肉的提取物中发现了左旋肉碱，后来确认它是一种广泛存在于人体内的一种氨基酸，参与人体的许多代谢过程，是体内脂肪氧化代谢的必须物质。肉碱有两个光学异构体：左旋肉碱、右旋肉碱。在这两种构型中，只有左旋肉碱有生物活性，通常所指的肉碱都是左旋肉碱。,肉碱,右旋肉碱,左旋肉碱,手性分子与手性生物受体之间的相互作用,举例：反应停事件：于1956年在原西德上市，主要治疗妊娠呕吐反应，临床疗效明显，因此迅速流行于欧洲、亚洲（以日本为主）、北美、拉丁美洲的17个国家。到1960年左右，上述国家突然发现许多新生儿的上肢、下肢特别短小，其形状酷似“海豹”。部分新生儿还伴有心脏和消化道畸形、多发性神经炎等。大量的流行病学调查和大量的动物实验证明这种“海豹肢畸形”是由于患儿的母亲在妊娠期间服用反应停所引起。“海豹肢畸形”患儿在日本大约有1000名，在西德大约有8000名！全世界超过1万人！这就是著名的“反应停事件”。,3.1 对映异构和四面体碳(P61),1848年，巴斯德(法国）借助放大镜拆分酒石酸钠铵。,1848年，法国科学家巴斯德（Louis pasteur）为了获得酒石酸盐结晶方面的数据，发现了物质的手性，具有手性的分子叫手性分子。凡具有手性的分子都有旋光性。没有手性的分子没有旋光性，因此，物质的手性是判断其是否具有旋光性的必要条件。,Pasteur：法国化学家和微生物学家。他在牛奶消毒（巴氏消毒法）及食品保存方面作出的贡献永远造福人类。,分子构造完全相同，实物与镜象互相对映，却不能叠合。,对映异构体,乳酸分子的一对对映体,C,四面体碳,平面偏振光：通过Nicol棱镜后，只在一个方向上振动的光,旋光性(光学活性,optical activity)：物质使平面偏振光发生旋 转的性质,旋光度：a,3.2 偏振光和分子的旋光性(P61),旋光性能使偏振光的振动方向旋转一定角度的性质 右旋(+)；左旋(),旋光度旋光性物质使偏振光的振动平面所旋转的角度用表示溶液的旋光度与浓度、盛液管长度成正比,一对对映体对偏振光的作用不同，一个使偏振光向顺时针方向偏转，另一个使偏振光向逆时针方向偏转，两者偏转数值相同。,据此可把化合物分成两类:一类有旋光性另一类没有旋光性,比旋光度单位浓度、单位盛液管长度下测得的旋光度，用 t表示。,式中：测量时所采用的光波波长;t 测量时的温度;由仪器测得的溶液的旋光度；l 盛液管的长度,单位为dm(1dm=10cm);C 溶液的浓度,单位为g.mL-1。,为了表示、比较不同物质旋光能力，引入比旋光度,比旋光度（教材3.5(P65)）,例如，在温度为20C时，用钠光灯为光源测得的葡萄糖水溶液的比旋光度为右旋52.2,应记为：D20=+52.2（水）,物质的比旋光度与测量时的温度、光源的波长以及所使用的溶剂有关。表示比旋光度时，需要标明。,比旋光度的符号和大小是旋光性物质的一个物理常数。,3.3 对称元素和手性(P62),如何依据结构判断分子是否有旋光性？,与分子的对称性有关需要考虑的对称元素主要有以下三种:,(甲)对称轴（Cn）,以设想直线为轴旋转360。/n，得到与原分子相同的分子，该直线称为n重对称轴axis symmetry（又称Cn阶对称轴）,(1)有一个穿过分子并能把它分成互为物体和镜像两部分的平面。,(乙)对称面（）,(2)一个分子的所有原子都处在该平面上(平面分子)；,结论：具有对称面的分子，其实物与镜像能完全重合，分子无手性，没有旋光性。,设想分子中有一个点，从分子中任何一个原子出发，向这个点作一直线，再从这个点将直线延长出去，则在该点前一线段等距离处，可以遇到一个同样的原子，这个点就是对称中心,H,Cl,H,F,Cl,H,F,H,(丙）对称中心,当分子中有对称面或对称中心时,其实物与镜象的分子可以完全重合,分子就没有旋光性。,依据对称元素判断旋光性:,反之,当分子中没有对称面或对称中心时，(在绝大多数情况下)其实物与镜象就不能叠合，产生对映异构现象,如同左右手的关系,故又称为手性。,手性分子 旋光性,判断下列化合物是否有手性碳？是否是手性分子?,*,没有手性碳,有对称面,不是手性分子！,有一个手性碳，无对称元素,是手性分子！,3.4 手性分子和手性碳(P64),*,Locating a Stereocenter(Chiral Carbon),标出手性碳,毒芹碱,判断下列化合物是否有手性碳？是否是手性分子?,有两个手性碳却不是手性分子！,含一个手性碳原子的分子一定是个手性分子。含多个手性碳原子的分子不一定是个手性分子,不能仅从分子中有无手性原子来判断其是否为手性分子,手性分子的获得,获得手性分子的重要意义药物与人类的关系 构成生命体系的生物大分子的主要部分大多数是以一种对映体形式存在的。故药物与其作用也是以手性的方式进行的。,手性分子的来源自然界:糖类、氨基酸、生物碱、萜类、甾体化合物不对称有机合成反应,球棍模型不方便,透视式锯架式(从斜侧面看分子模型的形象)和纽曼投影式(从碳碳键轴的延长线上来观察),一、手性分子的表示方法,3.6 含一个手性碳原子的化合物(P66),乙烷重叠式和交叉式构象的透视式、锯架式和Newman投影式,复习烷烃构象的表示方法,手性分子的表示法,一对对映体的透视式表示法,直观，但书写麻烦,二、Fischer投影式,i）十字线交叉点表示手性碳原子；ii）主链碳放在垂直方向，氧化态高的在上端；iii）横前，竖后（左右朝前，上下朝后）。,Fischer 投影式,2-丁醇,-由四面体进行投影而得到,Fischer投影式描述的立体结构全是重叠式结构。所以，Fischer式是Newman式的重叠式加以平板化。,例：2,3-丁二醇,Rules:,(1)如将投影式在纸平面上旋转90o，则得到它的对映体。,(2)在纸平面上旋转180o，则构型保持不变。,(3)固定一个基团，依次旋转其余三个，投影式的构型不变。,一般将含碳的基团放在竖直线上，且把氧化数高的放在上面,.R/S构型标记法,R拉丁字Rectus（右）；S 拉丁字Sinister（左）R/S标记法是根据手性碳原子上所连的四个原子或原子团在空间的实际排列方式来标记的。,三、R/S命名和次序规则(重要）,1)排序 2)观察 3)定构型,abcd,吖顺时针：R-构型！,1)排序：将手性碳原子上所连的4个原子或原子团按照原子序数(次序规则)排列，确定大小次序。2)观察：眼-手性碳-最小原子（团）成一线，并将最小基团放在后边，按优先次序依次轮看其余三个基团。3)定构型：顺时针（右）为 R，逆时针为S。,R/S构型标记法,嗷 逆时针，S-构型！,可形象记为 右手定则右-R；左-S,、次序规则：,（1）原子序数较大的为优先基团 I Br Cl S O N C,（2）同位素较重的为优先基团 D H,（3）第一个原子相同，则比较第二个，依次外推,（4）双键或三键相当于两个或三个相同的原子,3.次序规则的应用,标记构型,1)排序,2)观察,3)定构型,标记：的构型。,根据次序规则：OHCOOHCH3H,直接从Fischer投影式判断R/S构型概括地说：“横变竖不变”,锯架透视式,补充：各构型式间转换:(1)透视式或纽曼投影式改写成费歇尔投影式时，先把交叉式构象旋转成重叠式构象，然后按投影要求写出相应的费歇尔投影式。(2)判断每一个手性碳的R,S构型。,费歇尔投影式,纽曼投影式,一、命名手性化合物,（2S，3S）-2，3-二溴丁烷,无论是N,F,还是透视式,都要会判断其R/S构型.,课堂习题,三、从透视式标定构型,S,四、从Fischer投影式判断构型,如果不知道原子团在空间的实际排列方式来标记？,答：根据手性碳原子上所连的四个原子或原子团在空间的实际排列方式来标记的。,复习：R/S标记法是根据什么来标记的?,3.7 相对构型和绝对构型,D/L构型标记法(P70),绝对构型,相对构型,DL标记法是以甘油醛的构型为对照标准来进行的。,人为指定,先指定一个标准构型，然后通过已知反应进行关联：实验证明其构型与右旋甘油醛相同的化合物都为D型，与左旋构型相同的为L型。,右旋,这样许多分子的相对够型就可以通过化学反应与甘油醛联系起来而得到确定，即构型关联。,注 意,RS标记法与DL标记法的依据不同：RS法依据与C相连的四个原子或原子团的大小顺序；DL法依据与D甘油醛的构型是否相同；,R/S构型是绝对构型，DL标记一个手性碳的相对构型。,构型与旋光方向是两个不同的概念，无必然联系。,一、含两个取代不同手性碳原子的对映异构,2羟基3氯丁二酸总共有几种立体异构体？,3.8 含两个手性中心的对映异构(P73),外消旋体：等量的对映体相混合而构成的混合物。,(I)与(III)或(IV)、(II)与(III)或(IV)等分别构成非对映体：即不对映的立体异构体。,（I)与(II)，(III)和(IV)是对映体,二、含两个取代相同手性碳原子的对映异构,酒石酸分子中含有2个C，可能的异构体有：,(I)与(II)是对映体；(III)与(IV)是同一种分子内消旋酒石酸，其分子内有一对称面。有手性碳原子而没有旋光活性的分子称为内消旋体；,不是手性分子,注 意！,外消旋体与内消旋体都没有旋光性，但它们有本质的不同：外消旋体是等量左旋体和右旋体的混合物，可拆分；内消旋体是分子内有对称面的单一化合物，不可拆分。,3.9 对映异构体的特性(P75),对映体分子内能是相同的,其性质在非手性环境中相同,但在手性环境中不同,本章重点,手性、手性分子与手性碳、对映体与非对映体、内消旋体、外消旋体等的概念；对称因素与分子的手性间的关系；Fischer投影式的写法、R/S标记法。,(2Z,4S)-4-甲基-4-氯-2-己烯,（R）-2-氨基丙酸,（R）-2-氯 丁烷,（S）-2,3-二羟基丙酸,1.命名下列化合物,S,练习：,
