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1、第六章第六章 对映异构映异构StereochemistryEnantiomerism本章提本章提纲立体化学、立体异构体的定立体化学、立体异构体的定义和分和分类旋光性和手性旋光性和手性分子的手性和分子的手性和对称性称性含手性碳原子的手性分子含手性碳原子的手性分子消旋体、拆分和不消旋体、拆分和不对称合成称合成 立体异构体的定立体异构体的定义：分子中的原子或原子：分子中的原子或原子团相互相互衔接的次接的次序一序一样，但在空，但在空间的的陈列方向不同而引起的异构体。列方向不同而引起的异构体。立立体体化化学学是是有有机机化化学学的的重重要要组成成部部分分. .它它的的主主要要内内容容是是研研讨有有机机化
2、化合合物物分分子子的的三三维空空间构构造造( (立立体体构构造造),),及及其其对化化合合物物的的物理性物理性质和化学反响的影响和化学反响的影响. .立体化学、立体异构体的定立体化学、立体异构体的定义和分和分类几何异构体几何异构体旋光异构体旋光异构体立体异构体立体异构体stereomersstereomers构型异构体构型异构体configurationalconfigurational构象异构体构象异构体conformationalconformational 分分类 由双由双键引起的引起的顺反异构反异构环引起的引起的顺反异构反异构 构构造造异异构构、构构型型异异构构和和构构象象异异构构是是
3、不不同同层次次上上的的异异构构。其其中中构构造造异异构构属属于于较低低层次次的的异异构构方方式式，其其次次为构构型型异异构构，而而构构象象异异构构是是较高高层次次的的异异构构方方式式。其其中中低低层次次异异构构方方式式通通常常包包含含较高高层次次的的异异构构方方式式。对映异构体映异构体 enantiomerism enantiomerism 旋光性和手性旋光性和手性1 1 旋光性旋光性 (optical activity) (optical activity)偏振光偏振光 Plane-polarized lightPlane-polarized light普通光普通光经过尼科尼科尔棱棱镜构成的
4、只在一个方向上构成的只在一个方向上传播的平面光播的平面光旋光物旋光物质：具有光学活性：具有光学活性( (旋光性旋光性) )的物的物质。2. 2. 旋光性光学活性旋光性光学活性 optical activity 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 3. 3. 旋光旋光仪 polarmeter polarmeter： 定量丈量液体或溶液的旋光程度的定量丈量液体或溶液的旋光程度的仪器器4. 4. 旋光度旋光度observed rotationobserved rotation 旋光活性物旋光活性物质使偏振光振使偏振光振动平面旋平面旋转的角度，的
5、角度， 用用“表示表示左旋：使偏振光平面向左旋称左旋，用左旋：使偏振光平面向左旋称左旋，用 “l “l 或或“右旋：右旋：使偏振光平面向右旋称右旋，用使偏振光平面向右旋称右旋，用“d“d“影响旋光度的要素影响旋光度的要素: : (a) (a)被被测物物质; (b) ; (b) 溶液的溶液的浓度度; (c) ; (c) 盛液管盛液管长度度; ; (d) (d) 测定温度定温度; (e) ; (e) 所用光的波所用光的波长对映映体体是是一一对相相互互对映映的的手手性性分分子子, ,它它们都都有有旋旋光光性性, ,两两者者的旋光方向相反的旋光方向相反, ,但旋光才干是一但旋光才干是一样的的. .5.
6、5.比旋光度比旋光度 specific rotationspecific rotation 在一定温度和波在一定温度和波长条件下，条件下，样品管品管长度度为1dm, 样品品浓度度为1gml-1时测得的旋光度。得的旋光度。比旋光度只决比旋光度只决议于物于物质的构造的构造.各种化合物的各种化合物的比旋光度是它比旋光度是它们各自特有的物理常数各自特有的物理常数.D-钠光源，波光源，波长为589nmT-测定温度，定温度，单位位为-实测的旋光度的旋光度l-样品池的品池的长度，度，单位位为dmc-为样品的品的浓度，度，单位位为gml-1对映体和手性映体和手性Louis Pasteur (1822-1895
7、.9.25)法法国微生物学家、化国微生物学家、化学家，近代微生物学家，近代微生物学的奠基人。学的奠基人。1848年得到的酒石酸年得到的酒石酸盐晶体晶体生活中的生活中的对映体对映体 镜象镜象井冈山风景桂林风情左右手互为镜象左右手互为镜象在立体化学中在立体化学中, ,不能与镜象叠合的分子叫手性分子不能与镜象叠合的分子叫手性分子, ,而能叠合的叫非手性分子而能叠合的叫非手性分子. .镜象与手性的概念镜象与手性的概念 一个物体假设与本身镜象不能叠合一个物体假设与本身镜象不能叠合, ,叫具有手叫具有手性性. .左手和右手不能叠合左手和右手不能叠合 左右手互为镜象左右手互为镜象在有机化学中在有机化学中,
8、,凡是手性分子都具有旋光性凡是手性分子都具有旋光性( (有些手有些手性分子旋光度很小性分子旋光度很小););而非手性分子那么没有旋光性而非手性分子那么没有旋光性. .不不对称碳原子称碳原子不不对称碳原子称碳原子: : (asymmetric carbon atom)(asymmetric carbon atom)与四个互不一与四个互不一样的基的基团相相连的碳原子叫不的碳原子叫不对称碳原子称碳原子.不对称碳原子是一种手性中心不对称碳原子是一种手性中心, ,但手性中心不一定是不对称碳原子但手性中心不一定是不对称碳原子. .有不对称碳的分子不一定是手性分子有不对称碳的分子不一定是手性分子. .C*C
9、*w 饱和碳原子具有四面体构造饱和碳原子具有四面体构造. (sp3杂化杂化)w例例: 乳酸乳酸(2-羟基丙酸羟基丙酸CH3-CHOH-COOH)w 的立体构造：的立体构造：乳酸的分子模型图乳酸的分子模型图两个乳酸模型不能叠合两个乳酸模型不能叠合 乳酸的两个模型的关系象左手和右手一样乳酸的两个模型的关系象左手和右手一样, ,它们不能相它们不能相互叠合互叠合, ,但却互为镜象但却互为镜象. .1 1 对称性和称性和对称元素称元素分子的手性与分子的手性与对称性要素称性要素想想象象分分子子中中有有一一条条直直线, ,当当分分子子以以此此直直线为轴旋旋转360/n360/n后后,(n=,(n=正正整整数
10、数),),得得到到的的分分子子与与原原来来的的分分子子一一样, ,这条直条直线就是就是n n重重对称称轴. .有有2 2重对称轴的重对称轴的(2-(2-丁烯丁烯) )1 对称轴对称轴(旋转轴旋转轴) Cn线型分子有型分子有CC对称称轴找出以下化合物的对称轴找出以下化合物的对称轴. .想想象象分分子子中中有有一一平平面面, ,它它可可以以把把分分子子分分成成互互为镜象的两半象的两半, ,这个平面就是个平面就是对称面称面. .如如: :2 2 对称面对称面( (镜面镜面) ) 不在对称面上的原子数一定为偶数。不在对称面上的原子数一定为偶数。以下化合物有几个以下化合物有几个对称面称面?想想象象分分子
11、子中中有有一一个个点点, ,从从分分子子中中任任何何一一个个原原子子出出发, ,向向这个个点点作作不不断断线, ,再再从从这个个点点将将直直线延延伸伸出出去去, ,那那么么在在与与该点点前前一一线段段等等间隔隔处, ,可可以以遇遇到到一一个个同同样的的原原子子, ,这个点就是个点就是对称中心称中心. .有对称中心的分子有对称中心的分子3 对称中心对称中心 i找出以下化合物的对称中心找出以下化合物的对称中心想想象象分分子子中中有有一一条条直直线,当当分分子子以以此此直直线为轴旋旋转360/n后后,再再用用一一个个与与此此直直线垂垂直直的的平平面面进展展反反映映(即即作作出出镜象象),假假设得得到
12、到的的镜象象与与原原来来的的分分子子完完全全一一样,这条条直直线就是交替就是交替对称称轴.4 交替对称轴交替对称轴(旋转反映轴旋转反映轴Sn) Cn+ 有有4 4重交替对称轴的分子重交替对称轴的分子5 5 甲烷及其衍生物的对称性甲烷及其衍生物的对称性4个个C33个个C26个个 甲甲烷衍生物的衍生物的对称性称性C(aaab)型型1C3+3 C(aabb)型型1C2+2 C(aabc)型型1 C(abcd)型无型无对称要素称要素wA: A: 非手性分子非手性分子凡具有凡具有对称面、称面、对称中心或交替称中心或交替对称称轴的分子的分子. .wB: B: 手性分子手性分子既没有既没有对称面称面, ,又
13、没有又没有对称中心称中心, ,也也没有没有4 4重交替重交替对称称轴的分子的分子, ,都不能与其都不能与其镜象叠合象叠合, ,都是都是手性分子手性分子. .wC:C:对称称轴的有无的有无对分子能否具有手性没有决分子能否具有手性没有决议作用作用. . 在在有有机机化化学学中中, ,绝大大多多数数非非手手性性分分子子都都具具有有对称称面或面或对称中心称中心, ,或者同或者同时还具有具有4 4重重对称称轴. . 没没有有对称称面面或或对称称中中心心, ,只只需需4 4重重交交替替对称称轴的的非非手性分子是个手性分子是个别的的. . 判判别手性分子的根据手性分子的根据含手性碳原子的手性分子含手性碳原子
14、的手性分子含一个手性碳原子的化合物含一个手性碳原子的化合物含两个或多个不含两个或多个不对称碳原子的化合物称碳原子的化合物含两个或多个一含两个或多个一样相象手性碳原子的化合物相象手性碳原子的化合物含手性碳原子的含手性碳原子的单环化合物化合物含一个手性碳原子的化合物含一个手性碳原子的化合物1.1.手性碳原子手性碳原子: :与四个互不一与四个互不一样一价基一价基团(chiral carbon atom) (chiral carbon atom) 衔接的碳原子接的碳原子C*C*具有具有镜像与像与实物关系的一物关系的一对旋光异构体。旋光异构体。2. 2. 对映异构体映异构体 (S)-(+)-乳酸乳酸 (
15、R)-(-)-乳酸乳酸 ( )-乳酸乳酸 mp 53oC mp 53oC mp 18oC D=+3.82 D=-3.82 D=0 pKa=3.79(25oC) pKa=3.83(25oC) pKa=3.86(25oC)151515外消旋乳酸外消旋乳酸特特 点点 构造：构造：镜影与影与实物关系物关系内能：内能一内能：内能一样。物理性物理性质和化学性和化学性质在非手性在非手性环境中一境中一样，在手性，在手性环境中有区境中有区别。旋光才干一旋光才干一样，旋光方向相反。，旋光方向相反。对映体的生理性映体的生理性质不同。不同。 外消旋体与外消旋体与纯对映体的物理性映体的物理性质不同，旋光必然不同，旋光必
16、然为零。零。外消旋体外消旋体一一对对映体等量混合，得到外消旋体。映体等量混合，得到外消旋体。立体构造立体构造锲方式锲方式投影式投影式Fischer投影式投影式4. 4. 对映体的表达式对映体的表达式 透视式和透视式和 Fischer Fischer投影式投影式两个两个竖立的立的键向向纸面背后伸去的面背后伸去的键; ; 两个横在两两个横在两边的的键向向纸面前方伸出的面前方伸出的键. .书写写费歇歇尔投影式的投影式的规那么那么 本卷本卷须知：知：不能在不能在纸面上旋面上旋转90o ,90o ,或或90o90o的奇数倍的奇数倍. .不能分开不能分开纸面翻面翻转180o180o不能翻身不能翻身基基团两
17、两交两两交换次数不能次数不能为奇数次，但可以是偶数次。奇数次，但可以是偶数次。坚持一个基持一个基团不不变，顺时针或逆或逆时针交交换三个基三个基团构构 型不型不变对映体的命名对映体的命名 RS RS命名原那命名原那么么1按次序规那么排出各取代基的顺序按次序规那么排出各取代基的顺序ABCDa.原子序数大小原子序数大小规那么那么序数大的原子序数大的原子优先先b.同位素同位素规那么那么原子量大原子量大优先先c.外推外推规那么那么层层外推，先比外推，先比较最大的最大的d.d. 相当相当规那么那么重重键看作多个看作多个单键如：如：C=C2 等等2方向盘法方向盘法 最小基团最小基团D放在操作杆上，放在操作杆
18、上， 从从D的对面看，顺时针为的对面看，顺时针为R,反时针为反时针为S. R-S标志法标志法RS顺时针顺时针反时针反时针基团次序为：基团次序为：abcd3三角形法三角形法 按大小按大小顺序画三角序画三角 形，形， 最小基最小基团在在竖线上，上，顺R反反S 最小基最小基团在横在横线上，上，顺S反反R (右旋右旋): S-(+)-乳酸乳酸(左旋左旋): R-(-)-乳酸乳酸例如：乳酸手性碳原子的四个基团排队：例如：乳酸手性碳原子的四个基团排队：OH COOH CH3 H.因此乳酸的两种构型可分别如下识别和标志：因此乳酸的两种构型可分别如下识别和标志：R、S只表示构型，而不表示旋光方向。只表示构型，
19、而不表示旋光方向。 旋光方向以旋光方向以“+(右旋右旋)、“-(左旋左旋)表示。表示。判判别以下化合物的构型是以下化合物的构型是R还是是S.D-(+)-D-(+)-甘油醛甘油醛L-(-)-L-(-)-甘油醛甘油醛D-(-)-D-(-)-乳乳酸酸绝对构构型型能真实代表某一能真实代表某一光活性化合物的光活性化合物的构型构型R R、S S与假定的与假定的D D、L L甘油甘油醛相关联而确定的醛相关联而确定的构型。构型。相相对构构型型H O以甘油以甘油醛这种人种人为的构型的构型为规范，范，再确定其他化合物的相再确定其他化合物的相对构型构型关关联比比较法。法。潜非潜非对称性和潜不称性和潜不对称碳原子称碳
20、原子假假设一个一个对称分子称分子经一个基一个基团被取代后失去了其被取代后失去了其对称称性，而性，而变成了一个非成了一个非对称分子，那么原来的称分子，那么原来的对称分子称分子称称为“潜非潜非对称分子，或称称分子，或称为“原手性分子。而分原手性分子。而分子所具有的子所具有的这种性种性质称称为“潜非潜非对称性或称性或“原手性，原手性，而而发生生变化的碳原子称化的碳原子称为“潜不潜不对称碳原子或称碳原子或“原手原手性碳原子。性碳原子。被被OH取代取代orS-(+)-乳酸乳酸R-(-)-乳酸乳酸潜不对称碳原子潜不对称碳原子原手性碳原子原手性碳原子潜非对称分子潜非对称分子原手性分子原手性分子含两个或多个不
21、含两个或多个不对称碳原子的手性分子称碳原子的手性分子1 1旋光异构体的数目旋光异构体的数目 2 2非非对映异构体映异构体 3 3赤式和赤式和苏式式 2nn个个C*16D+D- D+D-D+D-D+D-D+D- D+D-D+D-D+D-四个四个C*8C+ C- C+ C-C+ C- C+ C-三个三个C*4B+ B-B+ B-两个两个C*2A-A+一个一个C*(1) 旋光异构体的数目旋光异构体的数目例如例如: 一个一个C* 二个二个C* 三个三个C* RSRRSS RSSRRRRSSS RRSSRRRSRSRS RSSRRS(i)(i)(ii)(ii)(iii)(iii)(iv)(iv)(2R,
22、3R)-(-)(2R,3R)-(-)- -赤赤藓糖糖(2S,3S)-(+)(2S,3S)-(+)- -赤赤藓糖糖(2S,3R)-(+)(2S,3R)-(+)- -苏阿糖阿糖(2R,3S)-(-)(2R,3S)-(-)- -苏阿糖阿糖HOCH2-CH(OH)-CH(OH)-CHO2,3,4-三三羟基丁基丁醛(i)(ii)(i)(ii)对映体，映体，(iii)(iv)(iii)(iv)对映体。映体。(i)(iii),(i)(iv),(ii)(iii),(ii)(iv)(i)(iii),(i)(iv),(ii)(iii),(ii)(iv)为非非对映体。映体。不呈镜影关系的旋光异构体为非对映异构体。非
23、对映不呈镜影关系的旋光异构体为非对映异构体。非对映体具有不同的旋光才干，不同的物理性质和不同的化体具有不同的旋光才干，不同的物理性质和不同的化学性质。学性质。含两个不含两个不对称碳的分子，假称碳的分子，假设在在FischerFischer投影式中，投影式中，两个两个H H在同一在同一侧，称，称为赤式，在不同赤式，在不同侧，称，称为苏式。式。3 3赤式和赤式和苏式式2 2非非对映体映体内消旋体内消旋体分子内含有平面分子内含有平面对称性要素的没有旋光性的立体异称性要素的没有旋光性的立体异构体称构体称为内消旋体。是非手性分子。内消旋体。是非手性分子。含两个或多个一含两个或多个一样相象手性碳原子的化合
24、物相象手性碳原子的化合物 mp D(水水) 溶解度溶解度(g/100ml) pKa1 pKa(+)-酒石酸酒石酸 170oc +12.0 2.98 4.23(-)-酒石酸酒石酸 170oc -12.0 2.98 4.23()-酒石酸酒石酸 (dl) 206oc 0 20.6 2.96 4.24meso-酒石酸酒石酸 140oc 0 125 3.11 4.80(I)(I)(2)(3)(+)-酒石酸酒石酸(-)-酒石酸酒石酸(R)(R)(R)(R)(S)(S)(S)(S)酒石酸的情况分析酒石酸的情况分析 化合物的旋光性与熔点、沸点一化合物的旋光性与熔点、沸点一样，是，是许多分多分子所子所组成成 的
25、集体性的集体性质。 只需分子中任何一种构象有只需分子中任何一种构象有对称面或称面或对称中心，称中心，其他有手性的构象都会成其他有手性的构象都会成对地出地出现。由于有手性的构象。由于有手性的构象对旋光的影响相互抵消，所以分子没有旋光性。旋光的影响相互抵消，所以分子没有旋光性。内消旋酒石酸的内消旋酒石酸的对称性分析称性分析旋光性与构象旋光性与构象 差差向向异异构构体体在在立立体体化化学学中中，含含有有多多个个手手性性碳碳原原子子的的立立体体异异构构体体中中，只只需需一一个个手手性性碳碳原原子子的的构构型型不不一一样，其其他的构型都一他的构型都一样的非的非对映体，又叫差向异构体。映体，又叫差向异构体
26、。 例例：内内消消旋旋酒酒石石酸酸与与有有旋旋光光性性的的酒酒石石酸酸只只需需一一个个碳碳原原子子的构型一的构型一样，所以它，所以它们是差向异构体：是差向异构体： I II III IV (2R,3R) (2S,3S) (2R,3S) (2S,3R) 内消旋内消旋有内消旋体时旋光异构体的计算有内消旋体时旋光异构体的计算研讨阐明：一个含有研讨阐明：一个含有n n个不对称碳原子的直链化合物，假设个不对称碳原子的直链化合物，假设它有能够出现内消旋型的旋光异构体，那么它的旋光异构它有能够出现内消旋型的旋光异构体，那么它的旋光异构体的数目将少于体的数目将少于2n2n个。假设个。假设n n为偶数，将能够存
27、在为偶数，将能够存在2n-12n-1个旋个旋光异构体和光异构体和 个内消旋型的异构体。假设个内消旋型的异构体。假设n n为奇数，那为奇数，那么可以存在总共个么可以存在总共个2n-12n-1立体异构体，其中立体异构体，其中 个为内个为内消旋型异构体。消旋型异构体。含手性碳原子的含手性碳原子的单环化合物化合物 判判别单环化合物旋光性的方法化合物旋光性的方法实验证明：明：单环化合物有否旋光性可以化合物有否旋光性可以经过其平面式的其平面式的对称性来判称性来判别，凡是有，凡是有对称中心和称中心和对称平面的称平面的单环化合物无化合物无旋光性，反之那么有旋光性。旋光性，反之那么有旋光性。无旋光无旋光对称面称
28、面有旋光有旋光顺式和反式互式和反式互为非非对映异构体映异构体无旋光对称面无旋光对称面有旋光有旋光无旋光对称面无旋光对称面有旋光有旋光1 1 奇数环奇数环当当ABAB不同时，顺式和反式都有手性。不同时，顺式和反式都有手性。无旋光对称中心无旋光对称中心有旋光有旋光无旋光无旋光( (对称面对称面) )无旋光对称面无旋光对称面2 2 偶数环偶数环思索：当思索：当ABAB一样和不同时有什么区别？一样和不同时有什么区别？H HC C H H 3 3H HC C H H 3 3112233445566H HC C H H 3 3C C H H 3 3H HH HC C H H3 3H HC C H H3 3
29、11233445566H HC C H H3 3C C H H3 311233445566H HH HC C H H 3 3C C H H 3 3112233445566H HC C H H 3 3C C H H3 3C C H H3 3C C H H 3 3顺顺 式式 ：反反 式式 ：a a、e e键键a a、e e键键a a、a a键键e e、e e键键取代取代环己己烷旋光性的情况分析旋光性的情况分析例一：例一：顺-1,2-1,2-二甲基二甲基环己己烷旋旋转120o(1)(2)(1)(1)的构象的构象转换体体(1)(1)和和(2)(2)既是构既是构象象转换体，又体，又是是对映体。能映体。能
30、量相等，所以量相等，所以构象分布构象分布为(1):(2)=1:1(1):(2)=1:1。结论：用平面式分析，化合物是内消旋体。：用平面式分析，化合物是内消旋体。 用构象式分析，化合物是外消旋体。用构象式分析，化合物是外消旋体。 是非手性分子。是非手性分子。S SS S结论：用平面式分析，：用平面式分析，(1R,2R)-1,2-(1R,2R)-1,2-二甲基二甲基环己己烷或或(1S,2S)-1,2-(1S,2S)-1,2-二甲基二甲基 环己己烷是一种有旋光的化合物。是一种有旋光的化合物。 用构象式分析，用构象式分析，(1R,2R)-1,2-(1R,2R)-1,2-二甲基二甲基环己己烷或或(1S,
31、2S)-1,2-(1S,2S)-1,2-二甲基二甲基 环己己烷是无数种有旋光的构象式是无数种有旋光的构象式 组合而成的混合物。合而成的混合物。例三例三: : 1S1S，2S2S反反-1,2-1,2-二甲基二甲基环己己烷例二：例二：1R1R，2R2R反反-1,2-1,2-二甲基二甲基环己己烷R RR R不含手性碳原子的手性分子不含手性碳原子的手性分子1.1.有手性中心的旋光异构体有手性中心的旋光异构体2.2.有手性有手性轴的旋光异构体的旋光异构体3.3.有手性面的旋光异构体有手性面的旋光异构体1.1.有手性中心的旋光异构体有手性中心的旋光异构体一一对对映体已拆分映体已拆分C6H5H3CNCH2C
32、6H5C H2CHCH2+未拆分出光活异构体未拆分出光活异构体未共用未共用电子子对起不起不到一个到一个 键的作用。的作用。除除C C外，外，N N、S S、P P、As As 等也能作等也能作 手性中心手性中心2. 2. 有手性有手性轴的旋光异构体的旋光异构体1 1丙二丙二烯型的旋光异构体型的旋光异构体2 2联苯型的旋光异构体苯型的旋光异构体3 3把手化合物把手化合物1 1丙二丙二烯型的旋光异构体型的旋光异构体A A两个双两个双键相相连Vont Hoff荷荷兰Bel法法1901年年诺贝尔奖实例：例：a=苯基，苯基，b=萘基，基，1935年拆分。年拆分。B一个双一个双键与一个与一个环相相连190
33、9年拆分年拆分C C螺螺环形形D = 81.4o ( 乙醇乙醇 )25C C原子与原子与X1X1或或X3X3的中心的中心间隔和隔和C C原子与原子与X2 X2 或或X4X4的的中心中心间隔之和超越隔之和超越290pm290pm，那，那么在室温么在室温25oC25oC以下，以下，这个化合物就有能个化合物就有能够拆分成旋拆分成旋光异构体。光异构体。2 2联苯型的旋光异构体苯型的旋光异构体n=8n=8，可析解，光活体，可析解，光活体稳定。定。n=9n=9，可析解，可析解， 95.5oC 95.5oC时，半衰期，半衰期为444444分。分。n=10n=10，不可析解。，不可析解。3 3把手化合物把手化
34、合物蒄无手性蒄无手性六螺并苯有手性六螺并苯有手性3. 3. 有手性面的旋光异构体有手性面的旋光异构体消旋、拆分和不消旋、拆分和不对称合成称合成外消旋化外消旋化 外消旋体的拆分外消旋体的拆分 不不对称合成称合成消旋化消旋化 一个一个纯的光活性物的光活性物质，假，假设体系中的一半量体系中的一半量发生构型生构型转化，就得外消旋体，化，就得外消旋体，这种由种由纯的光活性物的光活性物质转变为外消旋体的外消旋体的过程称程称为外消旋化。假外消旋化。假设构型构型转化未到达半量，就叫部分外消旋化。化未到达半量，就叫部分外消旋化。D-(-)-乳酸乳酸L-(+)-乳酸乳酸经烯醇化醇化发生生外消旋化。外消旋化。 含手
35、性碳含手性碳的化合物，假的化合物，假设手性碳上的手性碳上的氢在在酸或碱的催化作酸或碱的催化作用下，易用下，易发生生烯醇化，在醇化，在烯醇化醇化的的过程中常会程中常会发生外消旋化。生外消旋化。D-(-)-D-(-)-麻黄素有生麻黄素有生理活性，易理活性，易结晶晶L-(+)-假麻黄素生理活假麻黄素生理活性只需麻黄素的性只需麻黄素的1/5。碳正离子碳正离子经构成正碳离子、构成正碳离子、负碳碳离子、自在基等中离子、自在基等中间体体发生外消旋化。生外消旋化。含有手性碳原子的化合物，假含有手性碳原子的化合物，假设手性碳很容易构成正碳离子、手性碳很容易构成正碳离子、负碳离子、自在基等中碳离子、自在基等中间体
36、体时，常会，常会发生外消旋化。生外消旋化。n n 外消旋体的拆分外消旋体的拆分外消旋体的拆分外消旋体的拆分ResolutionResolutionResolutionResolution巴斯德，巴斯德，巴斯德，巴斯德，L.L.L.L.Louis Pasteur Louis Pasteur Louis Pasteur Louis Pasteur (1822(1822(1822(18221895)1895)1895)1895)1848年，巴斯德年，巴斯德借助放大镜拆分借助放大镜拆分外消旋的酒石酸外消旋的酒石酸外消旋的酒石酸外消旋的酒石酸钠铵钠铵l l仪仪器拆分器拆分器拆分器拆分GC, HPLCGC
37、, HPLCGC, HPLCGC, HPLCHPLCHPLC用手性柱用手性柱用手性柱用手性柱GCGC用手性柱用手性柱用手性柱用手性柱外消旋的拆分外消旋的拆分w 外外消消旋旋体体是是由由一一对对映映体体等等量量混混合合而而成成，对映映体体除除旋旋光光方方向外，其它物理性向外，其它物理性质均一均一样。w 用用普普通通的的物物理理方方法法分分馏、分分步步结晶晶等等不不能能把把一一对对映映体体别分开来。必需用特殊方法。分开来。必需用特殊方法。w 拆分拆分将外消旋体分将外消旋体分别成旋光体的成旋光体的过程叫程叫“拆分。拆分。w 拆分的方法普通有以下几种：拆分的方法普通有以下几种：w1 1机机械械拆拆分分
38、法法： 利利用用外外消消旋旋体体中中对映映体体的的结晶晶形形状状上上的的差差别，借借肉肉眼眼直直接接识别，或或经过放放大大镜进展展识别，而而把把两种两种结晶体挑晶体挑捡分开。分开。( (目前很少用目前很少用) )w2 2微微生生物物拆拆分分法法： 利利用用某某些些微微生生物物或或它它们所所产生生的的酶，对对映体中的一种异构体有映体中的一种异构体有选择的分解作用。的分解作用。3 3选选择择吸吸附附拆拆分分法法： 用用某某种种旋旋光光性性物物质质作作为为吸吸附附剂剂，使使之之选选择择性性地地吸吸附附外外消消旋旋体体中中的的一一种种异异构构体体构构成两个非对映的吸附物。成两个非对映的吸附物。4 4诱
39、诱导导结结晶晶拆拆分分法法晶晶种种结结晶晶法法：在在外外消消旋旋体体的的过过饱饱和和溶溶液液中中，参参与与一一定定量量的的一一种种旋旋光光体体的的纯纯晶晶体体作作为为晶晶种种，于于是是溶溶液液中中该该旋旋光光体体含含量量多多，在在晶晶种种的的诱诱导导下优先结晶析出。下优先结晶析出。5 5化化学学拆拆分分法法： 将将外外消消旋旋体体与与旋旋光光性性物物质质作作用用，得得到到非非对对映映体体的的混混合合物物，根根据据非非对对映映体体不不同同的的物物理理性性质，用普通的分别方法将它们分别。如酸：质，用普通的分别方法将它们分别。如酸：l l 化学法拆分化学法拆分化学法拆分化学法拆分常用拆分常用拆分常用
40、拆分常用拆分试剂试剂天然手性生物碱：天然手性生物碱：天然手性生物碱：天然手性生物碱：(-)-(-)-马钱马钱子碱、子碱、子碱、子碱、(-)-(-)-奎宁、奎宁、奎宁、奎宁、(-)-(-)-番木番木番木番木鳖鳖碱、碱、碱、碱、 (+)- (+)- 辛可宁辛可宁辛可宁辛可宁手性酸：酒石酸、樟手性酸：酒石酸、樟手性酸：酒石酸、樟手性酸：酒石酸、樟脑脑磺酸磺酸磺酸磺酸例例例例: : : : 外消旋外消旋外消旋外消旋a-a-a-a-苯乙胺的化学拆分苯乙胺的化学拆分苯乙胺的化学拆分苯乙胺的化学拆分接下页接下页在甲醇中溶解性差在甲醇中溶解性差在甲醇中溶解性差在甲醇中溶解性差接上页接上页l l 酶酶解法拆分利
41、用解法拆分利用解法拆分利用解法拆分利用酶酶的的的的选择选择性反响性反响性反响性反响进进展拆分展拆分展拆分展拆分 例例例例: DL-: DL-: DL-: DL-丙氨酸的丙氨酸的丙氨酸的丙氨酸的酶酶解拆分解拆分解拆分解拆分选择性去乙酰基选择性去乙酰基1g R 氨基醇氨基醇5g S +5g R 氨基氨基醇醇饱和液和液80，100ml析出析出2g R 氨基醇氨基醇余下余下4g R,5g S分去晶体，剩下母液分去晶体，剩下母液过滤加水至加水至100ml冷却至冷却至2080加加2g消旋体消旋体冷却至冷却至202g S 氨基氨基醇析出醇析出接种接种结晶析解法晶析解法不对称合成不对称合成对称的反响选向率为对
42、称的反响选向率为0 0不对称不对称的反响的反响立体选向性反响立体选向性反响00选向率选向率100% (S)假假设 (R) (S)关于不关于不对称合成的几个根本概念称合成的几个根本概念假假设产物是一物是一对对映体，当映体，当R构型的构型的产物大于物大于S构构型型的的产物物时，%ee 为 当当S构型的构型的产物大于物大于R构型的构型的产物物时，%ee 为 2对映体映体过量百分率量百分率(%ee); 简称称ee值手性分子的手性分子的手性分子的手性分子的获获得得得得2. 2.获获得手性分子的重要意得手性分子的重要意得手性分子的重要意得手性分子的重要意义义药药物与人物与人物与人物与人类类的关系的关系的关
43、系的关系3. 3.构成生命体系的生物大分子的主要部分大多数是以一种构成生命体系的生物大分子的主要部分大多数是以一种构成生命体系的生物大分子的主要部分大多数是以一种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对映体方式存在的。故映体方式存在的。故映体方式存在的。故映体方式存在的。故药药物与其作用也是以手性的方式物与其作用也是以手性的方式物与其作用也是以手性的方式物与其作用也是以手性的方式进进展的，展的，展的，展的，4. 4.生物体的生物体的生物体的生物体的酶酶和和和和细细胞外表受体是手性的胞外表受体是手性的胞外表受体是手性的胞外表受体是手性的, , 故故故故对对外消旋外消旋外消旋外消旋药药
44、物物物物的的的的识别识别、消化和降解、消化和降解、消化和降解、消化和降解过过程也是不同的。程也是不同的。程也是不同的。程也是不同的。1. 1.手性分子的来源手性分子的来源手性分子的来源手性分子的来源2. 2.自然界自然界自然界自然界: : 糖糖糖糖类类、氨基酸、生物碱、氨基酸、生物碱、氨基酸、生物碱、氨基酸、生物碱、萜类萜类、甾体化合物、甾体化合物、甾体化合物、甾体化合物3. 3.外消旋体的拆分外消旋体的拆分外消旋体的拆分外消旋体的拆分4. 4.不不不不对对称有机合成反响称有机合成反响称有机合成反响称有机合成反响(S)-(S)-天冬天冬天冬天冬酰酰胺胺胺胺苦味苦味苦味苦味(R)-(R)-天冬天
45、冬天冬天冬酰酰胺胺胺胺甜味甜味甜味甜味麻醉麻醉麻醉麻醉剂剂致致致致痉挛痉挛巴比吐酸衍生物巴比吐酸衍生物巴比吐酸衍生物巴比吐酸衍生物(R)(R)型型型型, ,有效，不致畸形有效，不致畸形有效，不致畸形有效，不致畸形(S)(S)型，致畸形型，致畸形型，致畸形型，致畸形Thalidomide(Thalidomide(反响停反响停反响停反响停) ) 镇镇静和止吐静和止吐静和止吐静和止吐药药物物物物(-)-L-DOPA(-)-L-DOPA 治治治治疗疗疗疗帕金森氏病帕金森氏病帕金森氏病帕金森氏病(+)-D-DOPA(+)-D-DOPA在体内集聚，不能被代在体内集聚，不能被代在体内集聚，不能被代在体内集聚
46、，不能被代谢谢反响物反响物 + +试剂试剂*1.*1.手性反响物手性反响物 *2.*2.手性手性试剂 *3.*3.手性溶手性溶剂 *4.*4.手性催化手性催化剂 *5.*5.在反响物中引入手性在反响物中引入手性产物产物催化剂催化剂溶剂溶剂不不对称合成常采用的方法称合成常采用的方法非手性分子非手性分子有一个手性中心有一个手性中心外消旋体外消旋体少少多多反响物有一个反响物有一个手性中心手性中心产物有二个手性中心，物有二个手性中心，非非对映体。映体。大量的实验现实证明：大量的实验现实证明：一个非手性分子在反响过程一个非手性分子在反响过程中产生一个手性中心时，产中产生一个手性中心时，产物为外消旋体；但
47、一个手性物为外消旋体；但一个手性分子在反响过程中产生第二分子在反响过程中产生第二个手性中心时，将会产生二个手性中心时，将会产生二个不等量的非对映体。个不等量的非对映体。n n 不不不不对对称合成称合成称合成称合成(Asymmetric Synthsis)(Asymmetric Synthsis)(Asymmetric Synthsis)(Asymmetric Synthsis)n n 选择选择性地生成立体异构体性地生成立体异构体性地生成立体异构体性地生成立体异构体l l 选择选择性地生成非性地生成非性地生成非性地生成非对对映异构体映异构体映异构体映异构体例例例例1 1：手性底物控制手性底物控制
48、手性底物控制手性底物控制选择选择性性性性衡量衡量衡量衡量规规范：非范：非范：非范：非对对映体映体映体映体过过量量量量, , d.e. ( diastereomeric excess)d.e. ( diastereomeric excess)例例例例 2 2 2 2：手性底物手性底物l l 选择选择性地生成性地生成性地生成性地生成对对映异构体映异构体映异构体映异构体例例 1：手性手性手性手性试剂试剂控制控制控制控制选择选择性性性性衡量衡量衡量衡量规规范：范：范：范：对对映体映体映体映体过过量，量，量，量，e.e. (enantiomeric excess)e.e. (enantiomeric e
49、xcess)前手性分子前手性分子前手性分子前手性分子(prochiral)(prochiral)例例例例 2 2 2 2：前手性分子前手性分子前手性分子前手性分子手性手性手性手性试剂试剂( (催化催化催化催化剂剂) )控制控制控制控制选择选择性性性性William S. Knowles Ryoji Noyori Ryoji Noyori K. Barry Sharpless K. Barry Sharpless The Nobel Prize in Chemistry 2001 for their work on chirally catalysed hydrogenation reactio
50、ns for his work on chirally catalysed oxidation reactionsl l 取代反响的立体化学取代反响的立体化学取代反响的立体化学取代反响的立体化学构型构型构型构型转换转换reversionreversionWalden Walden 转换转换构型构型构型构型坚坚持持持持retentionretention(外外)消旋化消旋化 recemization立体化学在研立体化学在研立体化学在研立体化学在研讨讨反响和反响机理上的运用反响和反响机理上的运用反响和反响机理上的运用反响和反响机理上的运用l l加成和消除反响中的立体化学加成和消除反响中的立体化学加
51、成和消除反响中的立体化学加成和消除反响中的立体化学顺式顺式 syn反式反式 anti例例例例 1 1：H. C. BrownH. C. Brown对对自在基取代机理的自在基取代机理的自在基取代机理的自在基取代机理的证证明明明明链增长步链增长步骤决速骤决速步骤有步骤有所区别所区别两种能够机理两种能够机理BrownBrown的的的的实验实验旋光异构体旋光异构体旋光异构体旋光异构体外消旋体，无光学活性外消旋体，无光学活性外消旋体，无光学活性外消旋体，无光学活性5050100l l假假假假设为设为机理机理机理机理 a a 产产物物物物应应无旋光性无旋光性无旋光性无旋光性l l假假假假设为设为机理机理机
52、理机理 b b 产产物仍物仍物仍物仍应应有旋光性有旋光性有旋光性有旋光性例例例例2 2 2 2： 解解解解释释以下以下以下以下实验实验景象景象景象景象29%29%71%71%(S)-2-氯丁烷氯丁烷(S, S)-2, 3-二氯丁烷二氯丁烷meso-2, 3-二氯丁烷二氯丁烷机理：机理：分析该中间体的构象分析该中间体的构象l自在基自在基的的Newman投影式投影式相对较不稳定的两种构象相对较不稳定的两种构象l l假假假假设设由构象由构象由构象由构象I I I I 反反反反响响响响对位交叉构象对位交叉构象过渡态稳定过渡态稳定对位交叉对位交叉l l假假假假设设由构象由构象由构象由构象II II II
53、 II 反反反反响响响响邻位交叉构象邻位交叉构象CH3在对位在对位邻位交叉邻位交叉CH3为邻位交叉构象为邻位交叉构象过渡态较不稳定过渡态较不稳定l l假假假假设设由构象由构象由构象由构象III III III III 反响反响反响反响HX+顺式加成式加成产物物反式加成反式加成产物物亲电加成反响的立体化学加成反响的立体化学n n烯烃烯烃与与与与卤卤素的加成的素的加成的素的加成的素的加成的环环正离子机理正离子机理正离子机理正离子机理环环正离子正离子正离子正离子环卤鎓环卤鎓离子离子离子离子由离去基由离去基由离去基由离去基团团反面反面反面反面进进攻攻攻攻n n 用用用用环环正离子机了解正离子机了解正离
54、子机了解正离子机了解释释反响的立体反响的立体反响的立体反响的立体选择选择性性性性SN2SN2，反面，反面，反面，反面进进攻攻攻攻 环环己己己己烯烯加溴的立体化学加溴的立体化学加溴的立体化学加溴的立体化学 烯烃烯烃与与与与X2 / H2OX2 / H2OX2 / H2OX2 / H2O或或或或X2 / HOX2 / HOX2 / HOX2 / HO反响的立体化学反响的立体化学反响的立体化学反响的立体化学只能在一个只能在一个位置上取代位置上取代两个两个两个两个BrBr在反式共平面上在反式共平面上在反式共平面上在反式共平面上原骨架构象原骨架构象原骨架构象原骨架构象变变化最小化最小化最小化最小由构象分
55、析由构象分析由构象分析由构象分析环环己己己己烯烯加加加加Br2Br2的立体化学的立体化学的立体化学的立体化学两者一两者一两者一两者一样样顺顺或反式或反式或反式或反式2-2-丁丁丁丁烯烯加加加加Br2Br2的立体化学的立体化学的立体化学的立体化学一一一一样样对对映映映映体体体体顺顺-2-2-丁丁丁丁烯烯反反反反-2-2-丁丁丁丁烯烯本章小结本章小结根本概念根本概念 立体异构、立体异构、对映异构、映异构、对映异构体、手映异构体、手 性、性、对称要素、比旋光度、手性中称要素、比旋光度、手性中心、心、 不不对称碳原子称碳原子构型的表示方法构型的表示方法 透透视式、式、Fischer投影式投影式对映体的命名：映体的命名：RS、D L 相相对构型、构型、绝对构型构型判判别化合物的手性化合物的手性含多个手性碳原子化合物旋光异构数含多个手性碳原子化合物旋光异构数不同手性碳原子：不同手性碳原子：2n 一一样手性碳原子手性碳原子: 2n-1手性合成：手性合成：O.P、e.e、d.e有机化学反响的立体反响有机化学反响的立体反响
