第三章立体结构化学课件.ppt

1、第三章第三章 立体结构化学立体结构化学1 1、对映异构、不对称碳原子、手性分子、对映异构、不对称碳原子、手性分子2 2、判断手性分子、判断手性分子3 3、旋光度、旋光度4 4、外消旋体、内消旋体、外消旋体、内消旋体5 5、构型的表示：、构型的表示：FischerFischer投影式，其特点投影式，其特点6 6、构型的标记：、构型的标记：D/LD/L法法和和R/SR/S法法7 7、含多个手性碳原子化合物的立体异构、含多个手性碳原子化合物的立体异构8 8、外消旋体的拆分、外消旋体的拆分9 9、环状化合物的立体异构、环状化合物的立体异构 具有相同分子式，但原子的连接方式或空间排列不同具有相同分子式，

2、但原子的连接方式或空间排列不同 的化合物可称为的化合物可称为异构体异构体。1 1、对映异构、不对称碳原子、手性分子、对映异构、不对称碳原子、手性分子同分异构同分异构构造异构构造异构立体异构立体异构构象异构构象异构顺反异构顺反异构对映异构对映异构*CH3CH2CH2CH3 CH3CHCH3CH3CH3CH2CH2CH2OH CH3CHCH2CH3OH正丁烷异丁烷正丁醇丁醇2构构型型异异构构 构造异构体构造异构体：由原子连接顺序导致的不同结构由原子连接顺序导致的不同结构 构型异构体构型异构体：原子之间的连接顺序相同，但原子或基原子之间的连接顺序相同，但原子或基 团在空间的伸展方向不同团在空间的伸展

3、方向不同 构象异构体构象异构体：原子之间的连接顺序相同，但通过原子之间的连接顺序相同，但通过键键 的转动而引起分子中各原子在空间的伸展的转动而引起分子中各原子在空间的伸展 方向不同方向不同手性异构（对映异构）手性异构（对映异构）一个饱和碳原子如果与四个不同原子或基团相一个饱和碳原子如果与四个不同原子或基团相连，这个化合物在空间就有两种不同的排列连，这个化合物在空间就有两种不同的排列CH3CCH2CH3HBr 2-溴丁烷溴丁烷HBrC2H5CH3BrHC2H5CH3HBrC2H5CH3对映异构体对映异构体CH3CHHOCOOHCCH3HOHHOOCOHCH3OHCH3互为镜象的两种构型叫对映体，

4、对映互为镜象的两种构型叫对映体，对映体之间的转化必须断裂两个共价键体之间的转化必须断裂两个共价键。环氧丙烷环氧丙烷u对于一个分子来说不能与自身镜象重合称为对于一个分子来说不能与自身镜象重合称为手性分子手性分子u 一个物体若与自身镜象不能重合，就叫一个物体若与自身镜象不能重合，就叫手性手性或或手征性手征性与四个不同的原子或原子团相连的碳原子。与四个不同的原子或原子团相连的碳原子。用用“*”号标出。又叫手性碳。号标出。又叫手性碳。不对称碳原子不对称碳原子例例手性碳手性碳【练习练习】请指出下列分子中的手性碳原子请指出下列分子中的手性碳原子CH3CH2-OHCH3-CH-COOHOH3 2 1CH3C

5、H(OH)COOH判断下列化合物是否有手性碳？判断下列化合物是否有手性碳？是否是手性分子是否是手性分子?有两个手性碳却不是手性分子！有两个手性碳却不是手性分子！w含一个手性碳原子的分子一定是个手性分子。含一个手性碳原子的分子一定是个手性分子。w含多个手性碳原子的分子含多个手性碳原子的分子不不一定是个手性分子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不能仅从分子中有无手性原子来判断其是否为手性分子对称元素与分子的手性对称元素与分子的手性 n在绝在绝大多数大多数情况下，分子中没有情况下，分子中没有对称面对称面和和对称对称中心中心，与其镜象就不能叠合，分子就会有手性，与其镜象就

6、不能叠合，分子就会有手性反之反之,有对称面有对称面或或对称中心就没有手性。对称中心就没有手性。分子中是否存在分子中是否存在对分子是否对分子是否具有手性没有决定作用！具有手性没有决定作用！2 2、如何依据结构判断分子有、如何依据结构判断分子有手性手性？对称面对称面：如果组成分子的所有原子在同一平如果组成分子的所有原子在同一平面上，或者有一个平面通过分子能够把这个分子分面上，或者有一个平面通过分子能够把这个分子分成成互为镜象的两半互为镜象的两半，这两种平面都是分子的对称面，这两种平面都是分子的对称面 对称中心对称中心 ：分子中有一个点，从分子中的任何一个原子出发分子中有一个点，从分子中的任何一个原

7、子出发 向这个点作一直线，再将直线延长，则在该点等向这个点作一直线，再将直线延长，则在该点等 距离处可以遇到一个同样的原子，距离处可以遇到一个同样的原子，此点为对称中心此点为对称中心1,3二氯二氯2,4二氟环丁烷二氟环丁烷 4、旋光性和比旋光度、旋光性和比旋光度 旋光性旋光性 能使偏振光的振动方向发生偏移的介质称为旋光性物能使偏振光的振动方向发生偏移的介质称为旋光性物 质或光活性物质质或光活性物质。普通光普通光 偏振光偏振光 通过旋光性物质后通过旋光性物质后 旋光性物质旋光性物质尼克尔棱镜尼克尔棱镜旋光度旋光度旋光性旋光性能使偏振光的振动方向旋转一定角度的性质能使偏振光的振动方向旋转一定角度的

8、性质 右旋右旋(+)(+)；左旋左旋 ()据此可把化合物分成两类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一类有旋光性另一类没有旋光性 一对对映异构体，它们的熔点、沸点、密度、一对对映异构体，它们的熔点、沸点、密度、折光率、溶解度及光谱图的物性都相同，它们只是折光率、溶解度及光谱图的物性都相同，它们只是对偏振光的作用不同，一个使偏振光向左偏移，另对偏振光的作用不同，一个使偏振光向左偏移，另个使偏振光向右偏移个使偏振光向右偏移（左旋（左旋，右旋，右旋+）左旋左旋右旋右旋 检检 偏偏 镜镜旋光度旋光度与比旋光度与比旋光度t=cll：样品管长度（：样品管长度（dm，分米），分米）c：溶液浓

9、度（：溶液浓度（g/ml，每毫升溶液中所含溶质克数），每毫升溶液中所含溶质克数）：波长，（：波长，（nm，纳米），纳米），D表示钠光，表示钠光，589.3nmt：温度（：温度（）：旋光度：旋光度为了表示为了表示,比较不同物质旋光能力，引入比旋光度比较不同物质旋光能力，引入比旋光度 从粥样硬化动脉中分离出来的胆固醇样品从粥样硬化动脉中分离出来的胆固醇样品260mg溶于溶于5ml氯仿中，然后，装满长度为氯仿中，然后，装满长度为5cm长的样品管内，在长的样品管内，在20用钠光用钠光作光源，测得旋光度作光源，测得旋光度为为2.5。那么，其比旋光度为多少？。那么，其比旋光度为多少？【例题例题】20=cl

10、D=-2.5(0.26/5)0.5=-0.96(氯仿)5、外消旋体、外消旋体 含有一个手性碳原子的分子必定是手性子含有一个手性碳原子的分子必定是手性子 存在一对对映异构体存在一对对映异构体例如：例如：乳酸 CH3C*H(OH)COOH =D152.6。=D152.6。=D150 右旋右旋 左旋左旋外消旋体外消旋体 m.p 53 m.p 53 m.p 18反应停反应停(thalidomide)事件事件NNHOOOO(S)-thalidomideNNHOOOO(R)-thalidomide 19531953年瑞士年瑞士CibaCiba药厂首次合成了名为药厂首次合成了名为”反应停反应停”的药物的药物

11、 19571957年在前西德上市年在前西德上市,以其镇静、催眠及镇吐作用（用于以其镇静、催眠及镇吐作用（用于改善睡眠和妊娠早期的恶心、呕吐反应）改善睡眠和妊娠早期的恶心、呕吐反应）19591959年仅在联邦德国就有近年仅在联邦德国就有近100100万人服用过反应停，月销万人服用过反应停，月销量达量达1 1吨吨20世纪最大的世纪最大的药物性灾难药物性灾难 胎儿耳朵畸形和胎儿耳朵畸形和听力缺失听力缺失 胎儿上肢缺失胎儿上肢缺失 胎儿双手呈海豹胎儿双手呈海豹样样3指畸形指畸形 胎儿拇指畸形胎儿拇指畸形 大量婴儿夭折大量婴儿夭折找到了有机合成反应中的高效手性催化剂和立体选找到了有机合成反应中的高效手性

12、催化剂和立体选择性反应的方法，可以高效、方便地合成手性分子择性反应的方法，可以高效、方便地合成手性分子的单一异构体。他们在发展不对称催化反应方法的的单一异构体。他们在发展不对称催化反应方法的同时也促进了化学工业和制药工业的进展，以满足同时也促进了化学工业和制药工业的进展，以满足人们的健康需求人们的健康需求。20012001年诺贝尔化学奖得主年诺贝尔化学奖得主（从左到右依次为威廉（从左到右依次为威廉.诺尔斯，野依良治，巴里诺尔斯，野依良治，巴里.夏普雷斯）夏普雷斯）6、构型的表示、确定和标记、构型的表示、确定和标记 (1)构型表示构型表示 Ball and Stick Model不方便不方便CH

13、HCHHHH12HHHHHH1212HHHHHH1伞形式伞形式(透视式透视式)锯架式锯架式 (从斜侧面看分子模型的形象从斜侧面看分子模型的形象)投影式投影式(从碳碳键轴的延长线上来观察从碳碳键轴的延长线上来观察 )COOHCH3HBrFischer投影式投影式Fischer投影式投影原则投影式投影原则：将手性碳原子放在纸面上将手性碳原子放在纸面上 竖键表示基团伸向纸面的后方竖键表示基团伸向纸面的后方 横键伸向纸面的前横键伸向纸面的前 方方书写规则 HOHCH3COOHHCOOHCH3OHHCOOHCH3OHR-乳酸 特点特点 任意对换费歇尔式中的两个基团，构型改变任意对换费歇尔式中的两个基团，

14、构型改变 在纸平面上旋转在纸平面上旋转180，构型不变，构型不变；在纸平面上旋转；在纸平面上旋转90，构型改变，构型改变 保持其中任一个基团不动，基余三个基团依顺（或保持其中任一个基团不动，基余三个基团依顺（或逆）时针轮换，其构型不变逆）时针轮换，其构型不变 COOHCH3HBrCOOHCH3H Br对换费歇尔式中的两个基团，构型改变对换费歇尔式中的两个基团，构型改变 对映异构体对映异构体不动COOHCH3HOHCOOHOHH3CH构型不变不动COOHCH3HOHCOOHHHOCH3构型不变COOHCH3HOHHOHH3CCOOHCOOHCH3HOHCH3COOHHOH构型改变构型改变构型不变

15、构型不变HOHCH3HHOOHHCH3HOHCH3HHOOHHCH3HOHCH3HHOHHOCH3HOHCH3HHOCH3HOHABCD化合物化合物A是对映异构体的是是对映异构体的是(?)(2)构型的确定构型的确定 一对对映体的两个结构互为镜象，确定哪个一对对映体的两个结构互为镜象，确定哪个 为右旋、哪个为左旋，不能由分子的结构式确为右旋、哪个为左旋，不能由分子的结构式确 定，只能由旋光仪来确定定，只能由旋光仪来确定 (3)构型的标记构型的标记 标记标记根据分子中各基团的空间排列根据分子中各基团的空间排列 按一定原则进行标记按一定原则进行标记 D/L法：法：将手性分子与一对对映体甘油醛进行比较

16、，与将手性分子与一对对映体甘油醛进行比较，与D-甘油甘油醛构型相似称为醛构型相似称为D-型，型，L-甘油醛构型相似则称为甘油醛构型相似则称为L-型。型。CHOCH2OHHOHCHOCH2OHH HO D-甘油醛甘油醛 L-甘油醛甘油醛COOHCH3H HO L-乳酸乳酸 R/S法法：R/S法是根据手性碳原子上不同的四个原子或基法是根据手性碳原子上不同的四个原子或基 团的空间排列顺序，以一定的方法给予标记。团的空间排列顺序，以一定的方法给予标记。Cahn-Ingold-Prelog 次序规则次序规则：（）与碳原子直接相连的原子，按与碳原子直接相连的原子，按原子序数大小原子序数大小排排 列，原子序

17、数大的为优先基团。列，原子序数大的为优先基团。（）如果比较的基团第一个原子相同，则依次比较以后原）如果比较的基团第一个原子相同，则依次比较以后原 子子 的序数，较大者为优先。的序数，较大者为优先。（）当与双键直接相连的是）当与双键直接相连的是双键双键或或三键基团三键基团时可进行等时可进行等 效处理。效处理。若基团若基团 a b c d ,则将最小基团则将最小基团d放在观察者最远放在观察者最远端，然后依端，然后依a（大）（大）b（中）（中）c（小）顺序，（小）顺序，顺时顺时针标记为针标记为R，逆时针标记为，逆时针标记为SS-乳酸乳酸HOHCH3COOH大中小HH3CCOOHOHR-乳酸乳酸大中小

18、C dab c abcdabcd 吖吖顺时针：顺时针：R-R-构型构型 ！1)1)排序：排序：将手性碳原子上所连的将手性碳原子上所连的4 4个原子或原子团按个原子或原子团按照原子系数照原子系数(次序规则次序规则)排列，确定大小次序。排列，确定大小次序。2)2)观察：观察：眼眼-手性碳手性碳-最小原子（团）成一线，并将最最小原子（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。小基团放在后边，按优先次序依次轮看其余三个基团。3)3)定构型：定构型：顺时针为顺时针为 R R，逆时针为，逆时针为S S。R/SR/S构构型型标标记记法法C dac b 嗷 逆时针，S-构型！在费歇尔投

19、影式中确定在费歇尔投影式中确定R R、S S构型构型 最小基团：在竖线上S-最小基团：在横线上S-COOHCH3HOHCH3CH2CH3ClBrS-型型R-型型最小基团在竖线上：一致。最小基团在竖线上：一致。最小基团在横线上：相反。最小基团在横线上：相反。注注 意意R RS S标记法与标记法与D DL L标记法的依据不同：标记法的依据不同：R RS S法依据与法依据与C C相连的四个原子或原子团相连的四个原子或原子团的大小顺序；的大小顺序；D DL L法依据与法依据与D D甘油醛的构型是否相同；甘油醛的构型是否相同；R/SR/S构型是绝对构型，构型是绝对构型，D DL L标记一个手性碳标记一个

20、手性碳的相对构型。的相对构型。7、含多个手性碳原子化合物的立体异构、含多个手性碳原子化合物的立体异构 含一个手性碳原子的化合物必定存在一对对映含一个手性碳原子的化合物必定存在一对对映 体，若含有多个手性碳原子，则立体异构体的数目体，若含有多个手性碳原子，则立体异构体的数目 要多一些，最多可达要多一些，最多可达 2n。氯代苹果酸氯代苹果酸 HOOCCH(OH)CH(Cl)COOH *COOHOHClHHCOOHCOOHHOClHHCOOHCOOHCOOHOHHHClCOOHCOOHHOHClH 氯代苹果酸 HOOCCH(OH)CH(Cl)COOH *COOHOHClHHCOOHCOOHHOClH

21、HCOOHCOOHCOOHOHHHClCOOHCOOHHOHClH(2S,3S)(2R,3R)(2S,3R)(2R,3S)四种异构体相互间关系四种异构体相互间关系:与与,与与 是对映体是对映体;与与和和,与与和和是非对映异构体是非对映异构体.COOHOHHHCOOHHOCOOHHOHOHCOOHHHCOOHCOOHOHOHHCOOHCOOHHOHH HO HCOOHCOOHOHOHH 纸面旋转180COOHCOOHHOHH HO 对称面对称面COOHCOOHOHHHOH对称中心对称中心CH3C2H5HOHHOHCHOOHHHHOHHCH2OHCH3CH3BrBrHH2R,3R-2,3-戊二醇戊

22、二醇2R,4S-2,4,5-三羟基戊醛三羟基戊醛 R,S-2,3-二溴丁烷二溴丁烷 8 8、外消旋体的拆分、外消旋体的拆分 外消旋体是由一对对映体的等量混合外消旋体是由一对对映体的等量混合 （1）机械拆分机械拆分：用眼挑选不同晶形的对映体固体。：用眼挑选不同晶形的对映体固体。1848年年Louis Pasteur分离酒石酸钠。分离酒石酸钠。（2）微生物拆分微生物拆分：利用某些微生物对外消旋体中：利用某些微生物对外消旋体中 的一种组分有选择性地消耗，得到另一组分。的一种组分有选择性地消耗，得到另一组分。青霉菌能消耗右旋酒石酸，剩下左旋酒石酸。青霉菌能消耗右旋酒石酸，剩下左旋酒石酸。（3）选择性吸

23、附选择性吸附：用某种旋光性物质作选择性吸：用某种旋光性物质作选择性吸 附，达到拆分目的。附，达到拆分目的。（4）诱导结晶拆分：在外消旋体的饱和溶液中，）诱导结晶拆分：在外消旋体的饱和溶液中，加入一定量的一种旋光体的纯晶体作为晶种加入一定量的一种旋光体的纯晶体作为晶种（5）化学拆分法：如果在一对映体分子中引入非）化学拆分法：如果在一对映体分子中引入非 手性组分，形成新的分子仍然是一对对映体手性组分，形成新的分子仍然是一对对映体 非对映异构体非对映异构体 如果在一对映体分子中引入手性组分，形成如果在一对映体分子中引入手性组分，形成新的分子是一对非对映异构体，可以通过物理方新的分子是一对非对映异构体

24、，可以通过物理方法给予分离。法给予分离。9、环状化合物的立体异构、环状化合物的立体异构 环烷烃在结构上与烯烃双键相似，成环环烷烃在结构上与烯烃双键相似，成环键不能键不能自由绕键轴旋转，当环上有两个或更多的取代基时，自由绕键轴旋转，当环上有两个或更多的取代基时，就会有顺反异构产生；若环上有手性碳原子时，还会就会有顺反异构产生；若环上有手性碳原子时，还会产生对映异构体。产生对映异构体。例如：1,2-二甲基环丙烷CH3CH3CH3CH3CH3CH3顺式顺式反式反式内消旋内消旋 对映体对映体CH3CH3CH3CH3l连二烯型连二烯型（含有两个互相垂直的平面）（含有两个互相垂直的平面）CCCHClHClCCCHClHClCCCHClHHCCCHClHH手性异构（对映异构）手性异构（对映异构）n手性分子的判断手性分子的判断：既没有既没有对称面对称面，也没有，也没有对称中对称中心心的分子的分子n旋光性和比旋光度旋光性和比旋光度n构型表示（构型表示（Fischer投影式投影式）n构型的标记构型的标记 R/S法法：根据手性碳原子上不同的四个原子或基团的空间根据手性碳原子上不同的四个原子或基团的空间排列顺序排列顺序3-23-43.53-6 （1）（2）（3）（8）3-83-8