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1、教学指导,物质的旋光性,手性和对称性,含有一个手性碳原子的开链化合物的对映异构,含有两个手性碳原子的开链化合物的对映异构,教学目的： 了解手性分子产生旋光性的原因； 掌握对映体构型的表示方法； 熟悉分子绝对构型的表示方法。 教学重点： 手性的概念，费歇尔式的表示方法。 教学难点： 确定R、S构型的表示方法。,物质的旋光性 一、偏振光 光是一种电磁波。光波振动的方向是与光的前进方向垂直的。普通光的光波在各个不同的方向上振动。但如果让它通过一个尼科尔(Nicol)棱镜（用冰洲石制成的棱镜），则透过棱镜的光就只在一个方向（偏振面）上振动。这种光就叫做平面偏振光。偏振光能完全通过晶轴与其偏振面平行的尼
2、科尔棱镜，而不能通过晶轴与其偏振面垂直的尼科尔棱镜。,二、旋光物质和不旋光物质 当偏光通过某些天然有机物（糖、酒石酸等）的溶液时，这些有机物能使偏光振动平面转动一个角度。这种性质叫做物质的旋光性或光学活性。这种物质叫做旋光物质或光学活性物质。从自然界得到的葡萄糖可使偏光振动平面向右转动（顺时针转动），叫右旋葡萄糖。这种使偏振光的偏振面向右旋的物质，叫做右旋物质；从自然界中得到的果糖可使偏光振动平面向左转动，这类物质叫做左旋物质。通常用“d”或“+”表示右旋；用“l”或“-”表示左旋。甲醇、乙醇、甲酸、乙酸等有机物不能使偏光振动平面转动，这些物质为不旋光物质或非光学活性物质。,三、旋光度和比旋光
3、度 偏振光的偏振面被旋光物质所旋转的角度，叫做旋光度，用“”表示。物质旋光性的大小可用比旋光度表示。 1mL种含有1g溶质的溶液放在1dm长的盛液管中所测得的旋光度，叫做比旋光度。比旋光度可用下式表示：,式中代表比旋光度；t 时测定时的温度；是所用光源的波长；是旋光仪中测出的旋光度数；B是溶液的质量浓度（g/mL）；l是盛液管的长度（dm）。,若被测物质是纯液体，则按下式进行换算。式中：液体的密度。,因偏振光的波长和测定时的温度对比旋光度也有影响，故表示比旋光度时，还要把温度及光源的波长标出，将温度写在的右上角，波长写在右下角，即 。溶剂对比旋光度也有影响，故也要注明所用溶剂。例如某物质的比旋
4、光度为： （C,1,CH3OH），这说明该物质的比旋光度为右旋98.3，测定时的温度为20，使用D钠光，溶剂为甲醇，溶液浓度为1%。,手性和对称性 一、手性的概念 如果把左手放在一面镜子前，可以观察到镜子里的镜像与右手完全一样。所以左右手具有互为实物与镜像的关系，两者不能重合。因此，把这种物体与其镜像不能重合的性质称为手性。,二、分子的手性和旋光性 手性不仅是一些宏观物质的特征。有些分子也具有手性。任何分子不能与其镜像重合者，称为手性分子。手性分子都有旋光性。具有旋光性的分子都是手性分子。 饱和碳原子具有四面体结构，其立体结构可用模型清楚地表达出来。当四面体结构模型的中心碳原子连有四个不同的原
5、子或原子团时，如乳酸分子中C2连着H、CH3、OH和COOH，则可得到两种结构的模型，无论把它们怎样放置，都不能使它们完全重叠。因此，它们并不是相同的。,三、对映体和外消旋体 像乳酸这样，构造相同，构型不同，互为镜像与实物关系的两个分子互为对映异构体（简称对映体）。 对映体是互为镜像的立体异构体。它们具有相同的熔点、沸点、偶极矩、折光率、相对密度和在一般溶剂中的溶解度，也具相同的光谱性质。与非手性试剂作用时，其化学性质也一样。但对映体在立体结构上的差异，必然在性质上有所反映。对映体在物理性质上的不同，反映在具有不同的旋光性，即对偏振光的作用不同。 对映体是一对互相对映的手性分子，它们都有旋光性
6、，而且它们的旋光能力是相同的，所不同的是两者的旋光方向相反，即一个对映体是左旋的，另一个对映体,是右旋的。也就是：一对对映体分子，如果其中之一在一定条件下右旋多少度，则另一个在同样条件下左旋相同的度数。 外消旋化：在非手性条件下合成手性化合物时，得到的都是外消旋产物。左旋体或右旋体转变成为外消旋体失去旋光性的过程，称为外消旋化。,四、对称性对称面和对称中心 分子能否与其镜像重合，即分子是否具有手性，与分子的对称性有关。因此，只要考察分子的对称性就能判断它是否具有手性。考察分子的对称性，需要考察的对称因素有四种，即：对称面、对称中心、对称轴和交替对称轴。,凡具有对称面、对称中心、交替对称轴其中一
7、种对称因素的分子，都能与其镜像分子叠合，都是非手性分子。反之，都不具有上述对称因素的分子，是手性分子。是否有对称轴对分子是否有手性没有决定作用。,在有机化合物中，绝大多数非手性分子都具有对称面或对称中心，或者同时还具有4重交替对称轴。没有对称面或对称中心，只有4重交替对称轴的非手性分子是极个别的。因此，只要能判断一个分子既没有对称面，也没有对称中心，一般能初步断定它是一个手性分子。,含有一个手性碳原子的开链化合物的对映异构 一、构型表示法 分子的构型是三维的（立体的），而子面则是二维的（平面)。在二维的纸面上表示手性碳原子，通常用模型、透视式或费歇尔投影式。 1.模型,上式是乳酸模型。图中表示
8、法中，手性碳原子是在纸面上，用棒表示原子或基团与手性碳原子之间的共价键。共价键伸入手性碳原子内，表示出在纸平面前面；共价键连在手性碳原子周边上，表示出在纸平面后面。这种表示法书写较麻烦。 2.透视式,上图是乳酸构型的透视式。词中表示法中，手性碳原子也是在纸面上，用实线相连的原子或基团表示处在纸平面上；用楔形线相连的原子或基团表示处在纸面的前面，用虚线相连的原子或基团表示出在纸平面后面。这种表示法清晰、直观，但书写较麻烦。,3.费歇尔投影式 费歇尔投影结构式书写方法。这种投影式是按照碳的四面体结构，按规定的原则将分子结构投影到平面上，用所得到的平面投影式来表示分子的立体结构。其书写规则为： 将手
9、性碳原子和其四个价键用“+”表示，主碳链表示为垂直的“直链”，并将命名时编号较小的末端碳原子置于上方，序号较大的末端碳原子置于下方，横线上的价键表示在平面后方、竖线上的价键表示在平面前方的化学键，如乳酸用费歇尔投影式可表示为：,把一个分子模型写成费歇尔投影式时，要记住下列要点： 水平线和垂直线的交叉点代表模型中的手性碳，它处于纸面； 连于手性碳的水平线代表模型中向纸面前方伸出的键； 连于手性碳的垂直线代表模型中向纸面背后伸去的键 费歇尔投影式只能在纸面内旋转180，构型保持不变。绝对不能在纸面内旋转90或270，也不能把费歇尔投影式离开纸面翻动。 二、构型的标记 为使构型已确定的手性化合物能无
10、误地、毫不混淆地表明其构型，R-S构型标记法是普遍使用的一种方法。,将与手性碳原子相连的四个原子（基团）按优先次序规则排出其优先次序；例abcd(“”表示“优先于”）； （2）将排序时最小的基团放在距观察者眼睛最远的地方，然后观察另外三个原子（基团）从大到小在平面上的走向,如abd为顺时针，则其构型为R，若为逆时针，则构型为S。例：,用费歇尔所表示的旋光异构体的构型，用R-S标记法来标记其构型时，要注意手性碳原子所连的四个原子（基团）并非共平面，而是横线上的基团在平面上方（前方），竖线上的基团在平面下方（后方）。例如下列旋光异构体的构型可用上述原则进行标记：,利用简易方法标记手性碳原子时，将四
11、个原子（基团）视为在同一平面上，按优先次序排列四个原子（基团）的优先次序，若最小基团在横线方向上，那么另外三个原子（基团）,在平面上的走向如为顺时针，则其构型为S，若另外三个原子（基团）在平面上的走向为逆时针，则其构型为R；若最小原子（基团）在竖线方向上，另外三个原子（基团）在平面上走向为顺时针，则其构型为R，如为逆时针，则其构型为S。即： 最小的基团在横线上，顺时针S；逆时针R 最小的基团在竖线上，顺时针R；逆时针S,含有两个手性碳原子的开链化合物的对映异构 一、含有两个不相同的手性碳原子 含有一个手性碳原子的化合物有两个对映异构体（一对对映体）。含有两个不同的手性碳原子的化合物就有四个对映
12、异构体（两对对映体）。例如，2-羟基-3-氯丁二酸有下列两对对映体。,上述四个异构体中， （1）与（2）、（3）与（4）为对映体，但（1）与（3）或（4）、（2）与(3)或(4)，虽为异构体，但并不互为镜像，因此，它们不是对映体。这种没有对映关系的构型异构体，称为非对映体。 当分子中含有n个不同的手性碳原子时，其构型异构体的数目2n个，有2n-1对对映体。,二、含有两个相同的手性碳原子 2,3-二羟基丁二酸C2上连有-H、-OH、-COOH和-CH（OH）COOH， C3上也连有-H、-OH、-COOH和-CH（OH）COOH四个基团，即C2、C3二个手性碳原子所连的基团完全相同，因为一个手性
13、碳可写出两个旋光异构体，故该化合物也可写出四个旋光异构体：,其中（1）与（2）可组成一对对映体。（3）与（4）好像也是一对对映体，但若将（3）或（4）任意一个在平面止旋转180，即得到另一个旋光异构体，因此（3）和（4）实质上是一个物质。（1）、（2）、（3）这三种旋光异构体的构型分别为2S,3S、2R,3R、2R,3S。 在（3）中，红色的横线若代表一个平面，则这个平面可以把这个分子分为互为实物与镜像关系的两部分，因此，在（3）中存在一个对称面，因此，它是非手性分子，没有旋光性。由于分子内互为镜像关系的两半所产生的旋光性相互抵消使分子成为无旋光性化合物，称为内消旋体。故2,3-二羟基丁二酸有
14、三个旋光异构体。由此可见，含有手性碳原子的化合物不一定有旋光性。 外消旋体和内消旋体虽然都没有旋光性，但两者并不相同。外消旋体是混和物，可拆分，内消旋体是纯净物，不能拆分。,异构体的分类 异构体：分子式相同的不同化合物叫做异构体。 构造：分子中原子间相互连接的顺序和方式叫做构造。 构造异构体：分子式相同，构造不同的化合物叫构造异构体。正丁烷CH3CH2CH2CH3和异丁烷、乙醇CH3CH2OH和甲醚CH3OCH3时构造异构体。 立体异构体：分子式相同，分子构造相同，仅仅是由于分子中原子在空间的排列不同（包括由于绕着分子内一个或几个单键转动而引起的排列不同）而产生的异构体叫做立体异构体。立体异构
15、体一方面分为构型异构体和构象异构体；另一方面分为对映异构体（简称对映体）和非对映异构体（简称非对映体）。顺反异构体属于非对映体。,构型：分子中原子在空间的排列叫构型。排列相同叫构型相同；排列不同叫构型不同。分子构造相同，构型不同的化合物叫构型异构体。如：（R）（）乳酸和（S）（+）乳酸是乳酸的两个构型异构体，顺-2-丁烯和反-2-丁烯是2-丁烯的两个构型异构体。,构象：绕着分子内一个或几个单键转动而引起的原子在空间的不同排列。,构象异构体：构型一定的分子可以有无穷多个构象。在能量-转动角曲线上能量极小的构象叫构象异构体。如：丁烷绕着C2-C3单键转动有三个构象异构体。,对映体：立体异构体中，互为物像关系的叫对映体。不是物像关系的叫非对映体。 如：（+）-酒石酸和（-）-酒石酸是对映体，（+）-酒石酸和内消旋酒石酸、（-）-酒石酸和内消旋酒石酸是对映体。顺反异构体是非对映体的一部分。如：顺-2-丁烯和反-2-丁烯也是非对映体。,异构体的分类总结：,
