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1、第五章 立 体 化 学,主要内容 1. 基本概念介绍 2.立体结构的表示方法 3.对映异构体和非对映异构体 4. 描述立体构性的 D / L 体系 5. 获得手性化合物的方法，外消旋体的拆分 6. 立体化学在研究化学反应和反应机理上的应用 7. 化合物立体结构式的变换方法 8. 手性碳的构型 R型和S型，手性分子的命名 9. 外消旋体和内消旋体,目 标 要 求 1.掌握旋光异构的基本概念 2.掌握立体结构的表示方法（重点：Fischer投影式） 3.对映异构体和非对映异构体 4.掌握化合物立体结构之间的相互转换。 5.熟练掌握手性碳的R/S构型，掌握手性分子的命名方式。 6.了解手性化合物的类
2、型，熟练区分手性分子和非手性分子。 7.掌握对映异构体和非对映异构体，外消旋体和内消旋体在物理和化学性质上的异同。 8.手性分子的获得方法（重点：化学拆分法） 9.反应中的立体化学（构型转换和保持、消旋化；顺式加成和反式加成、顺式消除和反式消除） 10.立体化学在研究中的应用,引 言,立体异构由原子或基团空间排列或取向不同所产生的异构现象。,立体化学(Stereochemistry) 以三维空间研究分子结构和性质的科学,构象异构体 （可互相转化）,构型异构体（顺反异构） （不能相互转化）,1.平面偏振光,一束普通光通过尼科尔（Nicol）棱镜或其他偏振片，只有在与棱镜晶轴平行的平面上振动的光能
3、透过，透过的光叫平面偏振光，简称偏光。,一、旋光异构的基本概念,2.旋光性和旋光性物质,能使偏光振动平面转动一定角度的物质，有旋光性，称为旋光性物质, 如乳酸，丙氨酸等； 另一类无旋光性，称为无旋光性物质，如乙醇，丙酮等。,光是一种电磁波，它振动着前进，振动方向垂直于前进方向。,平面偏振光,普通光,只在一个平面上振动，这种光就是 平面偏振光。,平面偏振光,普通光在所有可能的平面上振动。,在盛液管中放入旋 光性物质后，偏振光将发生偏转。能使偏振光向右旋转的，称为右旋化合物，用(+) 表示； 能使偏振光向左旋转的，称为左旋化合物，用(-) 表示。,旋光仪示意图,3.旋光仪的工作原理,4. 手性分子
4、旋光能力的表示方式 比旋光度at,at =,a t l c,at : 实验观察到的旋光度 l : 样品管长度（dm, 分米） c : 样品浓度（g / cm3）,t : 测试时温度 : 波长,例：,(R, R)-(+)-酒石酸,a25D = +12o (水,20%),( 钠光，D线，l=589nm),specific rotation,左旋和右旋,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。,例：,右旋(dextrorotatory)：使偏振光向顺时针方向偏转，表示为(+) 左旋(levorotatory) ：使偏振光向逆时针方
5、向偏转，表示为(),(R, R)-(+)-酒石酸,(S, S)-(-)-酒石酸,旋光异构体（对映异构体）,左旋,5. 手性分子和非手性分子,手性(chirality)：实物和其镜像不能重叠的现象 Chiral is derived from the Greek word cheiros, meaning “hand”.,手性分子（chiral molecules）：有手性现象的分子,手性分子,手性碳 手性分子的特征,连有四个不同原子或基团的碳原子 手性碳(chiral carbon) 手性中心 (Chiral center),手性碳标记,例：,非手性分子,非手性分子：与镜像相重合 （非手性分子
6、不含有手性碳）,二 化合物的立体结构式,例1：2-丁醇,常用的立体结构表达式,伞形式,Fischer 投影式,横向两个基团在手性碳的前方， 竖向两个基团在手性碳的后方； 主链放在纵向上,编号最小的碳放上方。,错误的表示方法,立体透视式,例2：2, 3-丁二醇,将主链转至同一方向,互为镜像，不能重合(投影式只能在纸平面上移动或转动180，不允许将其离开纸面而翻转）,2, 3-丁二醇三种立体异构体的十字表达式,例：2, 3-丁二醇（有三个立体异构体，各含有两个手性碳）,三 对映异构体与非对映异构体,I 与 II 互为镜像，且不重合，均为手性分子I 与 II 互为对映异构体,对映异构体(enanti
7、omers) ：一对互为镜像且不互相重合的分子 （一类特殊的立体异构体）,对映关系,转 180o,III为非手性分子（与其镜像 III可完全重合）,I 与 III, 或 II 与 III 不成镜像，互为非对映异构体,非对映异构体 (diastereoisomers)： 相互不为镜像的立体异构体,小结,两者不能重合,手性分子和非手性分子、手性碳,手性分子,两者可以重合,手性碳,非手性分子,立体结构表达式,伞形式,Fischer 投影式,对映异构体和非对映异构体,对映异构体互为镜像且不互相重合,对映异构体,非对映异构体相互不为镜像,四 立体结构式的变换,两种常用的改变基团位置的方法：交换基团法旋转
8、法,交换基团法,手性碳上的两个基团或原子交换奇数次得对映体, 交换偶数次回到原来结构,旋转法,分子以手性碳上化学键为轴旋转，所得到的结构不变， 仍为原来的分子（因为手性碳的构型未变化）,例 1: 试说明化合物I和II是否为同一化合物?,用基团交换法,甘油醛,I和II为对映体,例 2: 判断I和II是否为同一化合物,用基团交换法（C2和C3都要交换）,（接下页）,（接上页）,两者相同,I 和 II 为同一化合物（C2、C3均交换了偶数次）,五 手性碳构型的表示方法（手性碳的绝对构型）,手性碳的绝对构型R/S 构型，手性化合物的命名,例： 2-丁醇,选择优先顺序最小的原子或基团远离观察者，其余原子
9、或基团依优先顺序排列,(S)-2-丁醇,(R)-2-丁醇,有一个手性碳,观察方向,S型 （逆时针方向）,R型 （顺时针方向）,基团的优先顺序（遵循“顺序规则”，第六章）,（1）原子序数大者优先，同位素质量大者优先如： I Br Cl S P F O N C D H（2）基团的第一个原子相同时，比较与其相连的下一个原子如：-CH2CH3 -CH3-CH2Cl -CH2F -CH2OCH3 -CH2OH -CH(CH3)2 -CH2CH(CH3)2,（3）对不饱和基团，可认为与同一原子连接 2 或 3 次,如：,例:,例: 比较以下基团的优先顺序,1,2,例: 2, 3-丁二醇的三个立体异构体的命
10、名,非手性分子,S型,S型,(2S, 3S)-2, 3-丁二醇,R型,R型,S型,S型,(2S, 3R)-2, 3-丁二醇 或 (2R, 3S)-2, 3-丁二醇,(2R, 3R)-2, 3-丁二醇,非手性分子,六 如何判断一个分子是否有手性,最直接法: 画其对映体，看是否重合 观察有无手性碳： 若分子只含有一个手性碳，即为手性分子 分子含有二个以上手性碳，情况较为复杂,手性碳与立体异构体数目的关系：若分子有 n 个手性碳，理论上有 2n 个立体异构体 （2n / 2对 对映体）。若手性碳组成相同，数目有所减少。,2, 3-丁二醇,2, 3-戊二醇,有4个立体异构体 与理论数目相同,例：,手性
11、碳组成相同 只有3个立体异构体,2, 3-戊二醇的两对对映体,3. 观察分子的有无对称性,（无手性碳）,（有手性碳）,若分子含有对称面或对称中心，为非手性分子,如：有对称面和对称中心的非手性分子,与镜像重合,含假手性碳的分子（了解）：,非手性分子（有对称面）,手性分子(为对映体),一些不含手性碳的手性分子,连二烯型（含有两个互相垂直的平面）,比较：,与镜像无法重合，是手性分子,螺环型,与镜像无法重合，是手性分子,联苯型(位阻型),大基团使单键旋转受阻,构象型（构象转换受阻）,反-环辛烯,螺旋型,七 立体异构体之间的物理、化学性质比较,对映异构体和非对映异构体,例：酒石酸(tartaric ac
12、id), （2, 3-二羟基丁二酸）,有2个组成相同的手性碳,有3个立体异构体,(R,R)-酒石酸,(S,S)-酒石酸,(R,S)-酒石酸,一对对映体,相同,非对映体之间性质有明显差别,酒石酸立体异构体性质比较,2. 外消旋体和内消旋体,外消旋体等量的左旋体和右旋体的混合物,例：,（旋光性相互抵消消旋）,产物无旋光性,外消旋体性 (racemic mixture),例：,(R, S)-meso-酒石酸,内消旋体表示方法,分子有对称面，无旋光性。一个手性碳的旋光性正好被分子内另一构型相反的手性碳所抵消,内消旋体(meso compounds),外消旋体和内消旋体性质的比较,立体异构体：由原子或基
13、团在空间的排列（或连接）方式不同所产生的异构体（包括构型异构体和构象异构体）,立体异构体、构型异构体与构象异构体,构型异构体,不可转换理论上可分离,构象异构体,可通过单键旋转转换,一般无法分离,小结 1: 手性碳的绝对构型R/S 构型,(2S, 3R)-2, 3-丁二醇,(2R, 3R)-2, 3-丁二醇,(2S, 3S)-2, 3-丁二醇,(R)-甘油醛,(S)-甘油醛,描述立体构性的 D / L 体系（相对构型）,基准物,D-(+)-甘油醛,L-(-)-甘油醛,D-(+)-葡萄糖,D-(-)-乳酸,L-(+)-乳酸,小结 2: 外消旋体和内消旋体,50,50,外消旋体,（）酒石酸,内消旋体
14、,meso-酒石酸,八 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， 生物体的酶和细胞表面受体是手性的, 故对外消旋药物的识别、消化和降解过程也是不同的。,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 外消旋体的拆分 不对称有机合成反应,(S)-天冬酰胺 苦味,(R)-天冬酰胺 甜味,麻醉剂,致痉挛,巴比吐酸衍生物,(R)型,有效，不致畸形,(S)型，致畸形,Thalidomide(反应停) 镇静和止吐药物,(-)-L-DOPA治疗帕金森氏病,(+)-D-DO
15、PA 在体内集聚，不能被代谢,外消旋体是由一对对映体等量混合而成，对映体除旋光方向外，其它物理性质均相同。用一般的物理方法（分馏、分步结晶等）不能把一对对映体分离开来。必须用特殊方法。拆分将外消旋体分离成旋光体的过程叫“拆分”。 拆分的方法一般有以下几种： （1） 利用外消旋体中对映体的结晶形态上的差异，借肉眼直接辨认，或通过放大镜进行辨认，而把两种结晶体挑捡分开。(目前很少用) （2） 利用某些微生物或它们所产生的酶，对对映体中的一种异构体有选择的分解作用。,机械拆分法：,微生物拆分法：,九 外消旋体的拆分,（3） 用某种旋光性物质作为吸附剂，使之选择性地吸附外消旋体中的一种异构体（形成两个非对映的吸附物）。（4） （晶种结晶法）：在外消旋体的过饱和溶液中，加入一定量的一种旋光体的纯晶体作为晶种，于是溶液中该旋光体含量多，在晶种的诱导下优先结晶析出。（5） 将外消旋体与旋光性物质作用，得到非对映体的混合物，根据非对映体不同的物理性质，用一般的分离方法将它们分离。如酸：,
