第五章手性分子和旋光异构12030课件1.ppt

1、Some chiral objects in our life自然界的手性自然界的手性在在贝类贝类中较普遍的方向中较普遍的方向是往是往右旋转右旋转，但也有些，但也有些种类的贝壳，如大西洋种类的贝壳，如大西洋海边熠熠发光的海螺一海边熠熠发光的海螺一般是往左旋转。般是往左旋转。1957年年1962年，造成年，造成数万名婴儿严重畸形。数万名婴儿严重畸形。进一步研究表明，其致畸进一步研究表明，其致畸作用是由沙利度胺其中的作用是由沙利度胺其中的一个异构体（一个异构体（S-异构体）异构体）引起的，而引起的，而R-构型即使大构型即使大剂量使用，也不会引起致剂量使用，也不会引起致畸作用。畸作用。手性与人类健康

2、手性与人类健康:“反应停反应停”悲剧悲剧(R)-thalidomideNNHOOOONNHOOOO(S)-thalidomide1.平面偏振光平面偏振光(plane-polarized light)-能通过起偏镜（尼克尔棱镜）的平面光。能通过起偏镜（尼克尔棱镜）的平面光。2.光学活性光学活性(optical activity)-物质能使偏振光发生偏转的性质。物质能使偏振光发生偏转的性质。旋光仪旋光仪(polarimeter)l3.右旋和左旋右旋和左旋(dextrorotatory and levorotatory)-使偏振光振动平面向右旋转称使偏振光振动平面向右旋转称右旋，右旋，“+”-使偏振

3、光振动平面向左旋转称使偏振光振动平面向左旋转称左旋，左旋，“-”4.旋光度（旋光度（observed rotation)-旋光活性物质使偏振光振动平面旋转的角旋光活性物质使偏振光振动平面旋转的角度，用度，用“a”表示表示5.比旋光度（比旋光度（specific rotation)-在一定温度和波长（通常为钠光灯，波长为在一定温度和波长（通常为钠光灯，波长为589 nm）条件下，样品管长度为）条件下，样品管长度为1dm，样品浓，样品浓度为度为1g/mL 时测得的旋光度。用时测得的旋光度。用a表示。表示。-是一物理常数。是一物理常数。clDTD-钠光源，波长为钠光源，波长为589nmT-测定温度，

4、单位为测定温度，单位为 -实测的旋光度实测的旋光度l-样品池的厚度，单位为样品池的厚度，单位为dmc-为样品的浓度，单位为为样品的浓度，单位为g/mL 1848年，法国化学家巴斯顿年，法国化学家巴斯顿（L.Pasteur,18221895）发现酒石酸两种不同的存在发现酒石酸两种不同的存在形式：形式：左旋酒石酸左旋酒石酸右旋酒石酸右旋酒石酸图：巴斯顿把酒石酸晶体分图：巴斯顿把酒石酸晶体分 开成两个镜像异构体开成两个镜像异构体6.分子的对称性和对称因素分子的对称性和对称因素对称因素对称因素对称轴对称轴对称中心对称中心 对称面对称面象转轴象转轴72o（1）对称轴）对称轴 Cn-这种轴是通过物体或分子

5、的一条直线，以这条直这种轴是通过物体或分子的一条直线，以这条直线为轴旋转一定的角度，得到的物体或分子的形象线为轴旋转一定的角度，得到的物体或分子的形象和原来的形象完全相同，这种轴称为对称轴。和原来的形象完全相同，这种轴称为对称轴。n指指绕轴一周，有绕轴一周，有n个形象与原形象相同（个形象与原形象相同（n重对称）。重对称）。一、旋光活性与一、旋光活性与 分子的对称性分子的对称性（2）对称面）对称面 s s -某一平面将分子分为两半，就象一面镜子，实物某一平面将分子分为两半，就象一面镜子，实物（一半）与镜象（另一半）彼此可以重叠，则该平（一半）与镜象（另一半）彼此可以重叠，则该平面是对称面。面是对

6、称面。一、旋光活性与一、旋光活性与 分子的对称性分子的对称性（3）对称中心）对称中心 i-分子中有一中心点，通过该点所画的直线都以分子中有一中心点，通过该点所画的直线都以等距离达到相同的基团，则该中心点是对称中等距离达到相同的基团，则该中心点是对称中心。心。一、旋光活性与一、旋光活性与 分子的对称性分子的对称性请分析甲烷分子的对称因素请分析甲烷分子的对称因素4个个C3对称轴对称轴3个个C2对称轴对称轴CHHHHC3C2请分析甲烷分子的对称因素请分析甲烷分子的对称因素4个个C3对称轴对称轴3个个C2对称轴对称轴CHHHHC3C26个对称面个对称面CHHHH7.手性、手性分子和旋光活性手性、手性分

7、子和旋光活性l 对称分子对称分子 -含有含有对称面对称面(s)、对称中心对称中心(i)或或四重象转轴四重象转轴(S4)的分子，其实物与镜影相互重叠。的分子，其实物与镜影相互重叠。l 手性手性 -如果分子中不存在对称面、对称中心和四重象如果分子中不存在对称面、对称中心和四重象转轴，则这个分子具有手性。其实物与镜影不能转轴，则这个分子具有手性。其实物与镜影不能完全重叠。完全重叠。l 手性分子手性分子 -实物与镜影不能完全重叠的分子实物与镜影不能完全重叠的分子。l 手性分子都具有光学活性手性分子都具有光学活性。7.手性、手性分子和旋光活性手性、手性分子和旋光活性Question：判定下列分子是否具有

8、手性：判定下列分子是否具有手性CCHClClHACCHClHClBCH3CH3CCH3CH3D2 Enantiomer(对映异构体对映异构体)-a nonidentical(nonsuperimposable)mirror image is called an enantiomer of the original molecule.二、对映异构与二、对映异构与R、S构型判断构型判断3 构型的表示方法构型的表示方法(R and S system)ABCDABCDACDBACBABCDDclockwise-Rcounterclockwise-S二、对映异构与二、对映异构与R、S构型判断构型判断基团

9、的大小排序遵循基团的大小排序遵循“次序规则次序规则”A.(R)-2-butanolB.(S)-1-methoxy-2-propanamineC.(S)-5-chloro-6-hepten-2-one使用使用“左右手法则左右手法则”是是十分方便的十分方便的3 构型的表示方法构型的表示方法(R and S system)二、对映异构与二、对映异构与R、S构型判断构型判断ABCABCABC4 Fischer projectionsCDBA上上-碳链头端碳链头端下下-碳链末端碳链末端横线横线-H及取代基及取代基ACDBFischer projectionABCDWedge form二、对映异构与二、对

10、映异构与R、S构型判断构型判断A.(2S,3S)-3-chloro-2-pentanolB.(2R,3S)-3-amino-4-penten-2-olC.(2S,3R,4R)-2-bromo-4-floro-3-hydroxy-5-phenylpentanoic acidCH3HOHCH2CH3ClHCH3HOHCH=CH2H2NHCOOHBrHHOHCH2C6H5HF5 Fischer projects的构型判断的构型判断SSRSSRR二、对映异构与二、对映异构与R、S构型判断构型判断建议使用纸面分析法建议使用纸面分析法D竖线，竖线，ABC逆时针，逆时针，S;ABC顺时针，顺时针，R;D横线

11、，横线，ABC逆时针，逆时针，R;ABC顺时针，顺时针，S;6 外消旋体外消旋体(racemic mixture,or racemate)lAll the physical properties of enantiomers are the same except their optical activity.l一对对映异构体，其比旋光度数值相等，旋一对对映异构体，其比旋光度数值相等，旋光方向相反。光方向相反。l外消旋体外消旋体-一对对映异构体的一对对映异构体的等量混合物等量混合物二、对映异构与二、对映异构与R、S构型判断构型判断7 光学纯度光学纯度(Optical Purity)-A mix

12、ture of enantiomers in a 75:25 ratio will have an observed rotation that is 50%of that for a single enantiomer.Such a mixture is said to have an optical purity(o.p.)of 50%.100%c lo.p.=二、对映异构与二、对映异构与R、S构型判断构型判断8 对映体过量值对映体过量值 enantiomeric excess(e.e.)Example:(S)-(+)-2-bromobutane =+23.1 sample =+9.2o.

13、p.=9.2/23.1=0.40 or e.e.=40%Means:70%S,30%R;40%is excess S,60%is racemice.e.=major enantiomer%-minor enantiomer%测定方法：测定方法：主要是色谱法，包括主要是色谱法，包括GC（气相色（气相色谱），谱），HPLC（液相色谱）（液相色谱）二、对映异构与二、对映异构与R、S构型判断构型判断8 对映体过量值对映体过量值 enantiomeric excess(e.e.)二、对映异构与二、对映异构与R、S构型判断构型判断o.p.o.p.值理论上等于值理论上等于e.e.e.e.，但实际上由于测定方

14、法，但实际上由于测定方法不同，两者可能不同。随着色谱技术的发展，不同，两者可能不同。随着色谱技术的发展，目目前前e.e.e.e.值更常用，值更常用，也更准确。也更准确。CH2CH3ClHCH3OHHCH3H3CH2C(2S,3R)-3-chloro-2-pentanol四、四、立体构型的表达式及相互转化立体构型的表达式及相互转化ClHHOHHClOHH练习练习请给出化合物的中英文系统名，并将其请给出化合物的中英文系统名，并将其表示为锯架式和表示为锯架式和Fischer投影式。投影式。RSClHHOH1 具有丙二烯结构的分子具有丙二烯结构的分子CCCababCCCbaab2 具有联苯类结构的化合

15、物具有联苯类结构的化合物-位阻异构体位阻异构体（atropisomer）-由于单键旋转受阻而形成的手性分子。由于单键旋转受阻而形成的手性分子。O2NCOOHNO2HOOCNO2COOHHOOCO2N3 具有螺旋型结构的化合物具有螺旋型结构的化合物(-)-6-螺苯(+)-6-螺苯(-)-6-hexahelicene(+)-6-hexahelicene季铵阳离子和季鏻阳离子季铵阳离子和季鏻阳离子CH2CH3N(H3C)2HCCH3C6H5CH2CH3NC6H5H3CCH(CH3)2CH2CH=CH2P(H3C)2HCCH3C6H5CH2CH=CH2PC6H5H3CCH(CH3)2叔胺和叔膦叔胺和叔

16、膦注意：叔胺的异构体转化十分迅速，有的书中将它注意：叔胺的异构体转化十分迅速，有的书中将它们归于构象异构体。们归于构象异构体。NH3CH2CCH3C6H5NC6H5CH3H3CH2CP(H3C)2HCCH3PC6H5H3CCH(CH3)2C6H5H3CH2CNCH3C6H5思考题思考题 试写出二取代环戊烷的所有可能的试写出二取代环戊烷的所有可能的结构（按两个取代基相同和不同时的结构（按两个取代基相同和不同时的情况分别说明）。情况分别说明）。构造异构构造异构constitutional立体异构立体异构Stereo-碳链异构碳链异构官能团异构官能团异构位置异构位置异构构型异构构型异构configu

17、rational构象异构构象异构conformational顺反异构顺反异构对映对映-非对映异构非对映异构同分异构同分异构isomerism单键旋转异构单键旋转异构叔胺翻转异构叔胺翻转异构l-由于分子中原子或基团的排列顺序及由于分子中原子或基团的排列顺序及性质不同而产生的同分异构体。性质不同而产生的同分异构体。碳链异构OOH官能团异构OHOH位置异构 C3H6O CH2=CHOCH3 CH2=CHCH2OH CH3C(OH)=CH2 CH3CH=CHOH CH3COCH3 CH3CH2CHOOHOOH3CEnantiomers and Diastereomers 对映异构与非对映异构（旋光异构

18、）对映异构与非对映异构（旋光异构）CH3HHHOHHCH3HOOH3Cb)HHHHHHHHMirrorHHOCH3CH2ClHOHClH2CH3CMirrorl-they can be interconverted by rotation about one or more sigma-bondsl-the interconversion are so rapid that we cannot separate them1)Rotation about single bonds2)Amine inversionl Nonbonding electron pair is requiredl In

19、version energy 25 kJ/mol,can rapidly interconvert at RTl构造异构、构型异构和构象异构是不同构造异构、构型异构和构象异构是不同层次上的异构。层次上的异构。l低层次异构形式通常包含有较高层次的低层次异构形式通常包含有较高层次的异构形式。异构形式。构造异构构造异构构型异构构型异构构象异构构象异构较低层次较低层次较高层次较高层次 Prochirallprochiral center:carbon,hydrogenlprochiral plane-symmetry planeACOOHHOHBCH3(S)-BCOOHAHOHCH3(R)-COOHA

20、HHBCH3CCCHAHBClHCH3H3CH2COHHBCH3H3CH2CHOHAOH3CH 3 CH 2 CABCH2H2CH2CCH2HBHAl手性环境对手性中心、潜手性中心的识别手性环境对手性中心、潜手性中心的识别CH2COOHHOOCH2CCOO-OH对潜手性中心的识别Table.Some properties of the stereoisomers of tartaric acid（酒石酸）（酒石酸）isomers m.p.(0C)20 Density Solubility in H2O (+)168-170 +12 1.7598 139.0g/100ml (-)168-170

21、-12 1.7598 139.0g/100ml meso 146-148 0 1.6660 125.0g/100ml ()206 0 1.7880 20.6g/100ml Tartaric acid:HOOCCH(OH)CH(OH)COOH1 手性化合物的物理性质手性化合物的物理性质l Enantiomers have identical melting points,solubility,and density,only differ in the sign of specific rotation.l Meso compound is diasteromeric with(+)-isome

22、r or (-)-isomer,and it has different physical properties.l The racemic mixture is different from the meso compound and either of the enantiomers.1 手性化合物的物理性质手性化合物的物理性质主要方法（参阅教材）：主要方法（参阅教材）：l 化学法：与光学活性胺成盐、或与光学活性醇化学法：与光学活性胺成盐、或与光学活性醇成酯使之转化为物理性质不同的非对映异构体成酯使之转化为物理性质不同的非对映异构体 (+)-羧酸羧酸+(+)胺胺 (+)(+)盐盐 (-)-

23、羧酸羧酸+(+)胺胺 (-)(+)盐盐l 晶种结晶法（晶种结晶法（crystallization）l 色谱法（色谱法（chromatograph,chiral column)l 酶解法酶解法（enzymatic hydrolysis）基本原则：基本原则：提供手性环境和条件，使对映提供手性环境和条件，使对映异构体表现出不同的性质从而得以拆分异构体表现出不同的性质从而得以拆分(Resolve，Resolution)1、对映异构与、对映异构与R、S构型判断构型判断2、多个手性碳分子的对映异构与非对、多个手性碳分子的对映异构与非对映异构映异构3、立体构型的多种表达式及相互转化、立体构型的多种表达式及相互转化4、环烷烃的构型异构、环烷烃的构型异构请预习教材中以下几部分内容：请预习教材中以下几部分内容：1、紫外光谱、紫外光谱2、红外光谱、红外光谱3、核磁共振氢谱、核磁共振氢谱4、实验教材中关于色谱的部分、实验教材中关于色谱的部分