物理有机化学 第2章 立体化学

《物理有机化学 第2章 立体化学》由会员分享，可在线阅读，更多相关《物理有机化学 第2章 立体化学（112页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第 2 章立体化学原理有机化合物的异构现象异构体：具有相同的分子式的不同化合物异构现象：由化学键的刚性和方向性引起的构造：分子中各原子间相互结合的顺序（连 接顺序）构型：原子或基团在空间的排列方式对映异构体：互为镜象的两种构型异构体。分子的手性是存在对映异构体的必要和充分 条件。手性：一个物体若与自身镜象不能叠合，叫 具有手性。不能与镜象叠合的分子叫手性分子；手性分 子都具有旋光性。旋光性物质（光活性物质）：能使偏振光旋 转的物质。光学活性的物质总是成对出现，一个左旋， 一个右旋，互为对映体； 手性(Chirality)实物与其镜像不能完全重合的特性生活中的手性现象手性分子(S)-(+)-乳酸

2、(R)-(-)-乳酸具有手性特征的分子(一). 分子的对称性对称要素：对称轴 (Cn)：分子围绕通过分子中心、并且垂直于分子所在 平面的直线旋转一定的角度后，同原来的分子重合， 此直线为一般对称轴。分子旋转的角度为360n时，称 n重对称轴 (Cn)。一. 分子的对称因素和手性C3C4C5C6n重：当分子旋转360时，已经重复了 n 次围绕对称轴的旋转操作。对称平面 ():1. 所有的原子共同处于的平面2. 通过分子中心，且将分子平均分成互成实物与镜象关系的两部分的平面请你各举一例。对称中心 (i)：点分子中心等距离相同的原子交替对称轴 (Sn):反射重合通过反射的 操作，上、下 方的基团交换

3、 位置，基团的 构型改变。垂直于对称轴 的镜面S4-古柯间二酸对称分子 (Symmetric Molecules)：具有、i、Sn 分子。非对称分子 (Dissymmetric Molecules)：仅具有Cn的分子。请各举一例不对称分子 (Asymmetric Molecules)： 不含有任何对称要素的分子。27D= +42.9 27D= -42.9 非对称分子 不对称分子手性分子 (Chiralmolecule)对映体旋光活性手性分子一定 不含有,i, Sn(二) 手性分子的几种类型判断分子具有手性的充分必要条件：分子既没有对称面，没有对称中心，也没有四重交替对 称轴。一般情况下，只要分

4、子中既没有对称面也没有对称中 心，即可判断它是手性分子。分子含有手性中心即不对称碳原子（连接四个不同取 代基的碳原子）非碳手性中心（Si,N,S,P As以及B等）；非碳原子 所形成的不对称四面体（或三角锥体）化合物也有对映异构 现象。如手性膦、手性氮与手性砜类化合物：四级铵盐不能翻转 ,可分出对映体3含手性轴的化合物：。a. 丙二烯衍生物 （具手性轴）b. 联芳基型化合物（具手性轴）(R)-(+)(S)-(-) -2,2-二氨基-6,6-二甲基联苯 联苯型丙二烯型下列哪些化合物为手性分子 手性分子手性分子非手性分子非手性分子判断下列是否为手性分子?4 手性面分子（分子中无手性中心，无手性 轴

5、）取代对苯二酚双环醚衍生物。二. 含两个（或多个）手性中心的分子(2R, 3S)(2S, 3R)(2R, 3R)(2S, 3S)赤（藓型 (ery-)：相同原子或基团碳链同侧Fischer 投影式： 氧化态高的基团在上端。苏（阿型 (threo-):相同原子或基团碳链异侧D-赤藓糖L-赤藓糖L-苏阿糖D-苏阿糖非对映体 (Diastereomers)和内消旋体(mesomer):不是对映体的立体异构体称非对映体 。结构特征：至少在一个不对称中心上具有相同的结构， 至少在一个不对称中心上具有不同的结构。物理性质、化学性质不同如：(I)与(III)、(II)与(IV)内消旋体 (meso)：同一分

6、子两个相同的手性 中心，构型相反。(V)、(VI)为内消旋体 的两种表示v非对映异构体之间不是物体与其镜象的 关系的立体异构体。当分子中有n个手性碳原子时，则最多有2n个立体异构 体。酒石酸分子中有两个相同的手性碳。如果按照2n规则， 最多可有四个立体异构体。但实际上酒石酸分子只有三个立 体异构体. 内消旋酒石酸的两个邻位交叉式构象，相互对映，不 能重合，有手性。但由于它们的能量相同，存在的几率相同 ，室温下又不能分离，所以相互抵消了旋光性，整体表现不 具旋光性。 L. Pasteur(1848)对映异构体的物理性质旋光性对映异构 体熔点(oC)D密度 (g/cm3)溶解度 20oC(g/10

7、0mL H2O) 右旋(+)168-170+12o1.7598139.0左旋(-)168-170-12o1.7598139.0酒石酸盐酒石酸立体异构体的物理性质 熔点（ ） 溶解度（g ） ()酒石酸()酒石酸内消旋酒石 酸()酒石酸170170140206139.0139.0125.020.0-12+120020D含n个手性碳原子化合物的对映异构紫杉醇是一种全新的光 谱抗癌药，副作用小， 国际医疗界认为紫杉醇 是近10年来发现的最有 希望的抗癌药物。C47H51NO14 Taxol一般说来，含有n个不同的手性碳原子， 理论上有（2n）个异构体。11个手性碳 2112048个对映异构环状化合物

8、的对映异构: 环中的键不能自由旋转，产生顺反异 构；也可能出现对映异构体。反式异构体对映体对顺式异构体对映体对非对映异构体非对映异构体内消旋体 mp: 130反式 (+) 异构体 mp:175反式 (-) 异构体 mp: 175 对映体对内消旋体反式异构体对映体对楔形式透视式Fischer投影式Emil Fischer (18521919) 德国 1902年获奖“横前 竖后”横线纸面上竖线纸面下【注意】碳链 写在竖线上， 而氧化态高的 基团写在上面代表手性碳原子Fischer投影式Fischer投影式书写规则 碳链竖写，氧化态较高的基团写在顶端；水平线与垂直线交叉点代表C*； 水平线上基团伸向

9、纸前面，垂直线上基团伸向纸后面；4多个手性碳以重叠式进行投影。 例如：(+)- 酒石酸 透视式 Fischer投影式 其它表示立体异构的方法透视式 Newman投影式 透视式与费歇尔投影式之间的转换费歇尔投影式与纽曼投影式之间的转换三. 外消旋体1 外消旋化一个纯的光活性物质，如果体系 中的一半量发生构型转化，就得外消 旋体，这种由纯的光活性物质转变为 外消旋体的过程称为外消旋化。如果 构型转化未达到半量，就叫部分外消 旋化。含有手性碳原子的化合物，若手性 碳很容易形成正碳离子、负碳离子、自 由基等中间体时，常会发生外消旋化。经形成正碳离子、负 碳离子、自由基等中 间体发生外消旋化。H+-H+

10、-H+H+-H2O-H2OH2OH2O60-70oC4小时（+）-肾上线素 （无药效）（-）-肾上线素 （有药效）H+D-(-)-麻黄素有生理活性，易结晶L-(+)-假麻黄素生理活性只有麻黄素的1/5 。碳正离子含手性碳的化合物，若手性碳上的氢 在酸或碱的催化作用下，易发生烯醇化， 在烯醇化的过程中常会发生外消旋化。经烯醇化发生 外消旋化。D-(-)-乳酸L-(+)-乳酸除了考虑基团的大小，还要考虑基团的形象反应温度：118。 X=CH3 NO2 COOH OCH3消旋化 t1/21.50 1.92 1.56 1.45179分 125分 91分 9.4分半衰期越短，说明旋转的阻力越小。IBrC

11、H3ClNO2COOHNH2OCH3OHFH阻转能力下降旋光异构体在适当的条件下会发生消旋。含多个C*的化合物，使其中一个C*发生构型转 化的过程称为差向异构化。如果是端基的C*发生构 型转化，则称为端基差向异构化。2 差 向 异 构 化外消旋体（racemic mixture 或racemate）：一对对映体的等量混合物，常用（）或dl表示。 v外消旋体是否显旋光性？为什么？不显旋光性。因为对映体间旋光角度相等，而其方向相反，正好相互抵消。外消旋体的拆分:v基于非对映体的物理性质的差别，设法制成非对映体。用 常规分离手段分开，再经一定方法处理使其转换回原来的对 映体。v拆分试剂：人工合成的；

12、天然产物。光学纯度100%。3 外消旋体的拆分例：外消旋酸拆分外消旋体的化学拆分实例：酶法动力学拆分实例 生物化学法 利用微生物或酶在外消旋体的稀溶液中生长时 破坏其中一种 对映体比另一种快的方法，分离出其中一种对映体。例如，在LD-氨基酸中 加入酵母，因酵母易与L-氨基酸作用而剩下D-氨基酸。又如：1-（- 呋喃）乙醇的外消旋体在脂酶催化下进行酰基化，其中 （S）构型异构体未作用，这样 所得2种产物极性不同，很容易通过柱层析 分离纯化。四. 前手性关系（一）前手性中心 非手性分子CX2Y2 如 CH3CH2CH3C-2上的两个H地位相等,（立体化学环境 相同）等位（homotopic）关系。

13、另一非手性分子如丙酸：(R) (S) C-2的两个H地位并不相等。象CX2YZ分子中的碳 原子被称为前手性中心(prochiral center)；分子中的X 被不同于X,Y,Z的基团取代后形成的对映体时，两个基 团(X)称为对映异位基团；两个基团的这一关系称为对 映异位关系。对映异位基团的标记：应用基团顺序规则： X伸向观察者方面相当于R构型标记为pro-R， 反之则为pro-S。习惯上是在相应原子的下角 标记上R或S。对映异位基团和非手性试剂作用时，产生 等量对映异构体；但与手性试剂作用时却表现 出非等同行为，此为不对称合成的基础。前（潜）手性碳和前（潜）手性氢v被取代后，成为手性碳 pr

14、o-Cv被D代后，得S-构型Hsv被D代后，得R-构型HR（二）前手性面(prochiral face)具有对称面的不饱和键经过加成得到一对对映体 ，可说明另一种前手性关系，即 Prochiral face.从左侧看，OCH的顺序，其转向是顺时 针的，称为R面；从右侧看，称为S面。R面与S面，对映异构关系，称为对映异 位面；特殊试剂可辨认。 Eg.五. 手性分子的生物作用 手性分子的立体结构与受体的立体结构(受体靶位)有互补关系时，其活性部位才能进入受体的靶位，产生应有的生理作用 。而一对对映体只有其中一个适合进入 一个特定受体靶位，产生生理活性效应。 手性分子与手性生物受体之间的相互作用 例

15、如： (+)-多 巴（无生理效应） (-)-多 巴（抗帕金森病） 六. 对映异构体的合成及化学1.手性中心的产生非手性分子转化成手性分子 如：正丁烷的氯代，控制条件可得到主要产物2- 氯丁烷，该分子存在手性碳，但产物不旋光。为什么？因为得到的是等量的左旋体和右旋体的混合物外消旋 体。2. 对映异构体与手性试剂及非手性试剂的反应v一对对映体与非手性试剂反应时，反应速度完全 相等。因过渡态也呈对映关系。v如：当与手性试剂反应时，反应速度不相等。当反应得到不等量的对映体或非对映体时，可用 对映体过量百分率或立体选向百分率来表示3、断裂与手性碳所连的键，随反应机理的不同而不 同。可有三种情况：v构型保持；构型翻转；外消旋化。如:C-2空间构型保持不变 C-2空间构型反转另：SN2反应中的瓦尔登翻转（构型翻转）。例如：（+）-2-碘辛烷与放射性128I-的反应又如；2-溴丁烷的碱性水解七. 动态立体化学(一)立体选择反应（stereoselective reaction ） 定义：同一反应物能够生成两种以上的立体异 构物时，其一异构体生成较多的反应。一般为反式消除60% 20% 20%2-碘丁烷的消除反应：较稳定的构象得到较多的 消除产