立体化学基础药学专升本

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1、一、对映异构体和手性二、结构的表示方法三、对映体构型的命名四、手性和对称性五、对映体的光学活性六、外/内消旋体, 非对映体七、对映体的性质八*、含其它手性中心的化合物九*、脂环化合物的对映异构十*、外消旋体的拆分与光学纯度十一*、立体化学反应第三章 立体化学基础第三章第三章 立体化学基础立体化学基础构造异构构造异构立体异构立体异构构型异构(分子中原子间的排列顺序、结合方式)(构造相同，原子在空间排布方式不同)碳架异构位置异构官能团异构顺反异构对映异构对映异构构象异构同分异构同分异构 对对映映异异构构又又叫叫光光学学异异构构或或旋旋光光异异构构。它它是一类与物质的旋光性质有关的立体异构是一类与物

2、质的旋光性质有关的立体异构。一、平面偏振光一、平面偏振光(plane-polarized light )和比旋光度和比旋光度光束前进方向(a)前进方向与振动方向垂直(b)普通光线的振动平面 光电磁波，它的振动方向与其前进方向垂直(图a).普通光的光波可在垂直于它前进方向的任何可能的平面上振动(图b). 1、平面偏振光和旋光性第一节第一节 概述概述图 光的偏振 如果将普通光线通过1个nicol棱镜，如图。它好象1个栅栏，只允许与棱晶晶轴相互平行的平面上振动的光线AA透过棱晶，而在其他平面上振动的光线如BB、CC、DD则被阻挡住。这种只在一个平面上振动的光叫平面偏振光平面偏振光。简称偏振光偏振光或

3、偏光偏光.(a) 水等不旋光物质(b) 乳酸等旋光物质图 物质的旋光性A为盛液体或溶液的管子 若使偏振光透过一些物质(液体或溶液)，有些物质如水、酒精等对偏振光不发生影响, 偏振光仍维持原来的振动平面(图a)； 但有些物质如乳酸、葡萄糖等，能使偏振光的振动平面旋转一定的角度 a a(图b).能旋转偏振光振动方向的性质叫旋光性旋光性 (optical activity ) ，具有这种性质的物质称旋光性物质或光学活性物质。2. 旋光仪和比旋光度旋光仪和比旋光度 (1) 旋旋光光仪仪 在实验室中要测定物质的旋光度，可用旋光仪。常用的旋光仪的横截面示意图如下：A光源；B起偏棱晶；C盛液管；D检偏棱晶；

4、E回转刻度盘；T目镜 面对光源顺时针旋转的叫右旋，以“+”或“d”表示；反时针旋转的叫左旋，以“”或“l”表示。右右旋旋 比例常数 a 称为比比旋旋光光度度。它是单位长度和单位浓度下的旋光度。上述公式又称为Biot定律。 旋旋光光度度 a 的大小，不仅与测定溶液的浓度成正比，也与测定溶液的厚度（盛液管的长度）成正比。L CaDt =t：测定温度()D：光源(钠D线，589nm)L：旋光管长度(dm) C：溶液浓度(gml-1or kgL-1),纯液体为密度通常还要注明溶剂a = a LC如：aD20 = +98.3o (C, 0.05, CH3OH) Problem 10：将5%葡萄糖水溶液放

5、在10cm长的盛液管中，在20下测得旋光度 +3.2，求葡萄糖在水溶液中的比旋光度？它的对映体的比旋光度又是多少？把同样溶液放在20cm长的盛液管中，测得的旋光度又是多少？+3.2o1 0.05a aD20 = +64o (C, 0.05, H2O) 观察自己的双手，左手与右手有什么联系和区别？二、对映异构体和手性二、对映异构体和手性左、右手对映而不能重合，这种性质称为“手性手性”。左手的镜像是右手左手的镜像是右手对映关系对映关系左手 镜 右手左手和右手不能重合 任何物体都有它的镜像。一个有机分子在镜子内也会出现相应的镜像。实物与镜像相应部位与镜面具有相等的距离。实物与镜像的关系叫对映关系对映

6、关系。实物与镜像镜面CH3HHOHCCH3HHOHCCH3HHOHCCH3HHOHC 若实物与其镜像能够完全重合，则实物与镜像所代表的两个分子为同一个分子。所有基团都重合乙醇分子模型的重叠操作 对于某些分子，两个互为实物与镜像关系的分子不能重合，如乳酸。 具有对映而不能重合关系的立体异构体，互称为对映异构体对映异构体（简称对映体）。 有对映异构体的分子称为手手性性分分子子（Chiral molecule），或称分子具有手手性性(chirality).乙醇没有对映体，因此是非手性分子非手性分子。*手性分子手性分子CH3HHOHCCH3HHOCO2HCH3CHOHCO2HC非手性分子非手性分子CC

7、H2OHHCH3H5C2CCH2OHHC2H5H3C对映体对映体 又如：又如： 能引起分子具有手性的一个特定原子或分子骨架的中心称为手性中心，最常见的手性中心为手性碳原子。与4个不同基团相连的碳原子称为手手性性碳碳原原子子(常用*C表示),正是这种碳原子使乳酸分子产生了手性。*C只是手性原子(又称手性中心)的一种，其他多价杂原子如N、P等也可形成手性中心。手性中心Question :下列化合物哪些是手性的？指出它们所含的手性碳原子。1. CH2Cl2 2. CHCl33.CH3-CHCl-CH2CH3 4. CH3-CH-CH2CH35. CH3-CH-CH-CH2CH3 CH2CH3 OH

8、OHH CH3 CH3 6.7. H CH3* * 一个手性分子必然具有手性中心、手性轴或手性面，最常见的是具有手性碳原子的化合物。但是具有手性碳原子的化合物，不一定都是手性分子和具有旋光性（如内消旋体）。 要判断一个分子是否具有手性，最可靠的方法是将这个分子本身以及它的镜像都作成模型，再来比较实物和镜像是否能完全重合。若不能完全重合，则该分子有手性，存在对映异构体。 也可以从考察这个分子有无对对称称因因素素（symmetry of elements）入手。如如果果分分子子中中没没有有对对称称面面、对对称称轴轴或或对称中心对称中心，则该分子是手性分子，存在对映异构体，则该分子是手性分子，存在对

9、映异构体。 三、分子的对称性和手性三、分子的对称性和手性（一）对称因素（一）对称因素 1、对对称称面面(m)：假如有一个平面可以把分子切开成两部分，而一部分正好是另一部分的镜像，这个平面就是分子的对称面。具具有有对对称称面面的的分分子子与其镜像能够重合，因而无手性无手性。丙酸分子丙酸分子的对称面的对称面 分子的对称面具有对称面的分子为非手性分子具有对称面的分子为非手性分子ClFFHHHHCl 2.对称中心对称中心 若分子中有一点P，通过P点画任何直线，如果在离P点等距离的直线两端有相同的原子或基团，则点P称为分子的对称中心对称中心。 具有对称中心的化合物和它的镜象具有对称中心的化合物和它的镜象

10、能够重合，因此也是非手性分子能够重合，因此也是非手性分子.P3.对称轴对称轴当分子环绕通过该分子中心的轴旋转一定的角度，当分子环绕通过该分子中心的轴旋转一定的角度，得到的分子形象与原来的完全重合时，此轴即为得到的分子形象与原来的完全重合时，此轴即为对称轴。当旋转对称轴。当旋转360/n360/n角度后，此轴即称为角度后，此轴即称为n n重对重对称轴（符号称轴（符号CnCn）。）。一个三重对称轴一个六重对称轴，六个二重对称轴Problem 8:下列化合物哪些有什么对称因素？CH3 CH3 C C HH1CH3CH3BrBrHHHH2ClFFHHHHCl34练习题3.31、反1，2-二甲基环丙烷2

11、、环己烷的船式构象3、乙烷的交叉式构象没有对称因素有对称轴、对称面有对称中心4、丁烷的对位交叉式构象5、乙烷的重叠式构象有对称中心有对称面一、含一个手性碳原子的化合物 含有含有1个手性碳原子的化合物具有个手性碳原子的化合物具有1对对映体对对映体(21个)COOH COOHHOHHOHCH3 CH3 D-(-)-乳酸 L-(+)-乳酸 一对对映体具有相同的熔点、沸点、密度，两者的比旋光度大小相等，方向相反。熔点： 5353比旋光度：-3.82 +3.82第二节第二节 对映异构和非对映异构对映异构和非对映异构 手手性性分分子子的的立立体体结结构构与与受受体体的的立立体体结结构构(受受体体靶靶位位)

12、有有互互补补关关系系时时，其其活活性性部部位位才才能能进进入入受受体体的的靶靶位位，产产生生应应有有的的生生理理作作用用。而而一一对对对对映映体体只只有有其其中中一一个个适适合合进入一个特定受体靶位，产生生理效应。进入一个特定受体靶位，产生生理效应。 如：(1R,2R)-(-)-氯霉素有效，而其他对映体几乎无效，它们的抗菌活性为100:0.4。生物学性质生物学性质如：如： HOHONH2COOHHOHOHH2NHOOCH (+)-多巴多巴（无生理效应）（无生理效应） (-)-多巴多巴（抗帕金森病）（抗帕金森病） 手性分子与手性生物受体之间的相互作用手性分子与手性生物受体之间的相互作用 a. 对

13、映体的构型完全适合与受体靶位作用b. 对映体不能合适地进入相同的受体靶位（二）外消旋体 外外消消旋旋体体 一对对映体的等等量量混混合合物物。是一种特殊的混合物。常用()或 dl 表示。 （如实验室中合成乳酸）Question ：外消旋体是否显旋光性？为什么？外消旋体是否显旋光性？为什么？ COOHCOOHHOHHOHCH3 CH3 D-(-)-乳酸乳酸 L-(+)-乳酸乳酸熔点： 5353比旋光度：-3.82 +3.82外消旋乳酸外消旋乳酸dl-乳酸-乳酸180 答答：不不显显旋旋光光性性。因因为为一一对对对对映映体体的的等等量量混混合合物物其其旋光性正好相互抵消。旋光性正好相互抵消。外外消消

14、旋旋体体的的化化学学性性质质一一般般与与旋旋光光对对映映体体相相同同，而而物理性质则有差异。物理性质则有差异。COOHCH3OHHCOOHCH3HOH（三）、对映异构体的表示方法（三）、对映异构体的表示方法COOHCH3OHHCOOHCH3HHO或： 1、立体结构式、立体结构式COOHHHHOOHHOOCCOOHHOHCOOHHHO锯架式锯架式 Newman投影式投影式 CO2HCO2HNO2NO2CH3CH3透视式透视式2、Fischer投影式投影式 （1）“横横前前竖竖后后”：与*C结合的两个横键代表朝向纸平面的前方,两个竖键代表朝向纸平面的后方。（这一条必须遵守！）Fischer投影式书

15、写规则（投影规则）（2） 一一般般将将主主碳碳链链放放在在竖竖直直线线上上，把把命命名名时时编编号号最最小小的碳原子放在上端。的碳原子放在上端。 然后, 将这样固定下来的分子模型中各个原子或基团投影到纸面上。这样，在投影式中，两条直线的垂直交点(“十”字交叉点)相当于*C，它位于纸面上。 按此方式得到的Fischer投影式为最严格的Fischer式，用D/L法命名时必须用这种Fischer式。COOHCH2OHHOH HO HCH2OHCOOH12COOHOHHO H HOCH2COOHCH2OHH34Problem : 下列Fischer式是否表示同一化合物？ （1）、）、 Fischer投

16、影式不能离开纸面进行翻转。投影式不能离开纸面进行翻转。 （2）、若若要要知知道道两两个个投投影影式式是是否否能能重重合合，只只能能使使它在纸面上转动它在纸面上转动180, 而不能旋转而不能旋转90或或270。比较投影式时必须遵守下列规则：比较投影式时必须遵守下列规则： （3）、 Fischer式中*C上所连原子或基团可以两-两交换偶偶数数次次。若交换奇数次，将会使构型变为它的对映体。（4）、三基团轮换操作三基团轮换操作，不改变其构型不改变其构型。HNH2CO2HCH3CO2HNH2HCH3CO2HNH2HCH3CO2HNH2HCH3Problem : 下列Fischer式是否表示同一化合物？C

17、OOHCH2OHHOHHOHCH2OHCOOH1 2 COOHOHHOH HOCH2COOH CH2OHH34旋转180后可重叠镜像关系-对映体交换偶数次后与1同CHOCHOH OH HO HCH2OHCH2OH D-(+)-甘油醛 L-(-)-甘油醛 命命名名具具有有立立体体特特征征的的化化合合物物时时，应应标标出出分分子子中中连连在手性碳上各个基团在空间的排布方式（即构型）。在手性碳上各个基团在空间的排布方式（即构型）。 1、构构型型的的D/L命命名名法法（相相对对构构型型）：选择甘油醛作为标准，并人为地规定它的构型。 （碳链竖直，醛基在上端）（四）、对映异构体构型的命名（四）、对映异构体

18、构型的命名 规规则则：在在严严格格的的Fischer投投影影式式中中，C*上上取取代基处于右侧为代基处于右侧为D-构型；处于左侧为构型；处于左侧为L-构型。构型。 COOHHCH3H2NL-2-氨基丙酸CHOCHOH OH HO HCH2OHCH2OH D-(+)-甘油醛 L-(-)-甘油醛D/L标记法一般用于糖类和氨基酸的构型标记。标记法一般用于糖类和氨基酸的构型标记。 1970年，国际上根据IUPAC的建议采用了R/S构型系统命名法，这种命名法的适应性更广。直接根据化合物的实际构型或投影式命名，不需要与其他化合物联系比较。2、构型的、构型的R/S命名法命名法 首先把手性碳上所连的四个原子或

19、基团根据顺序规则排出大、中、小、最小。然后把最小的基放在方向盘的连杆上，其它三个基就在方向盘上。然后再观察这三个基的大、中、小走向，顺时针为顺时针为R，反时针为反时针为S。方法：次序规则排次序，方向盘上定构型次序规则排次序，方向盘上定构型。abc顺时针顺时针: R构型构型abc反时针反时针：S构型构型顺序规则(sequence rule)的主要原则： (1) 先先大大后后小小，先先重重后后轻轻：按原子序数的大小，大者优先；同位素则按原子量大小，重者优先。（此为顺序规则的核心）-I-BrCl-SH-OH-NH2-CH3-D-H : (2) 当与碳原子直接相连的原子相同时，就延伸下去，逐个比较次接

20、原子，若还是相同，则继续顺着原子链找下去，直到找到优先基团为止。（顺藤摸瓜顺藤摸瓜）-CH2CH2CH3 -CH2CH3 -CH3 -CH2CH2CH3 -CH-CH3 CH3 C C H CH CCHBr Cl SO3H SH F OCR OR OOH NO2 NR2 NHR NH2 CCl3 CO2H C NH2 CH CH2OH CN O OCCH C(CH3)3 CH=CH2 CH(CH3)2 CH2CH2CH3 CH2CH3 CH3 D H （孤对电子）；（4）取代基互为对映异构体时，Z-型双键 E-型双键；取代基互为几何异构体时，R 构型 S 构型 n下列几个基团根据次序规则判断最

21、优基团(最大基团)是( )。n A. -COOH B. CHO C. -CH2SH D. -CH2OH E. -CH3 直接利用Fischer投影式命名：ClC2H5 CH3HClHCH3C2H5还原为立体式还原为立体式S-2-氯丁烷氯丁烷COOHCOOHHOHHOHCH3CH3 CH2ClH HOCH2Cl HOCH2 ClHCH2Cl直接根据直接根据Fischer投影式命名的简便方法介绍：投影式命名的简便方法介绍：R-(-)-乳酸S-(+)-乳酸S-2,3-二氯丙醇Problem : 用R/S法命名下列化合物。R-2,3-二氯丙醇中大小中大小最小基在横键上，纸面走向与实际走向相反，顺时针为

22、S型，逆时针为R型。最小基在竖键上，纸面走向与实际走向相同，顺时针为R型，逆时针为S型。COOH HHHOHC=C CH3HClH CH3 COOHCHC H CH3(2R,3S)-2-羟基-3-氯丁二酸大中4R-(2Z,5E)-4-甲基-2,5-庚二烯Problem : Give the names of the following compounds。(by R/S nomenclature)2331234572COOHCOOH HNH2 HNH2CH3CH2SHQuestion ：D/L 法和 R/S 有什么联系吗？ D/L 法和 R/S 是两种不同的构型表示方法，二者间无直接逻辑联系，

23、D和R以及L和S有时一致，有时不一致。D-，R- D-，S-QUESTION ：物物质质的的旋旋光光方方向向与与物物质质的的构构型型有有联联系系吗吗？是是否否右右旋旋体体的的构构型型就就一一定定为为D-或或R-构构型型，左左旋旋体体的的构构型型一一定定为为L-或或S-构构型？型？ R-或或S-构型标志着手性分子的绝对构型，构型标志着手性分子的绝对构型，至今尚不知道化合物的旋光方向与构型的关至今尚不知道化合物的旋光方向与构型的关系。系。 CO2H CO2H CO2H CO2H HO H HOHH OH HOH Cl H HClCl H HCl CO2H CO2H CO2H CO2H（1） （2）

24、 （3）（4）a aD-7.1 a aD+7.1 a aD+9.3 a aD-9.3 当分子中有n个不相同C*，则有2n个旋光异构体。C2：-OH -CHClCO2H -CO2H -H C3: -Cl -CO2H -CHOHCO2H -H非对映异构体(彼此不成镜像关系的立体异构体)对映体对映体RRSSSRRS二、含两个手性碳的化合物二、含两个手性碳的化合物1 、含两个不同手性碳的化合物、含两个不同手性碳的化合物 具具有有对对映映而而不不能能重重合合关关系系的的一一对对分分子子彼彼此此互互称称为为对对映映异异构构体体，简简称称为为对对映映体体； 没没有有对对映映关关系系，构构造造相相同同、只只是

25、是手手性性碳碳原原子子的的构构型型不不完完全全相相同同的的光光学学异异构构体体之之间间互互称称为为非非对对映映异异构构体体。一一个个对对映映体体和和一一个个非非对对映映体体不不能组成外消旋体，其物理性质也不同。能组成外消旋体，其物理性质也不同。对映体与非对映体的区别对映体与非对映体的区别下列化合物哪对是互为对映体，哪对是互为非对映体？（4）2S，3S（1）和（4） ，（2）和（3）互为对映体（1）和（2）（3）， （4）和（2） （3）互为非对映体（1）2R，3R（2）2R，3S（3）2S，3R 当分子其中RC*abC*ad结构的化合物时通常将其与丁醛糖作比较来表示其构型。a、a两个相同基团在

26、费歇尔投影式处于同侧而与赤藓糖构型相似者，称为赤型或赤式，a、a处于异侧而与苏阿糖构型相似者，称为苏型或苏式，2、含两个相同手性碳的化合物、含两个相同手性碳的化合物CO2H CO2H CO2H CO2H HO H HOHHO H HOH H OH HOHHO H HOH CO2H CO2H CO2H CO2H（1） （2） （3）（4）D-12 D+12 D 0 D0 mp: 170 170 140 （3）分子中具有）分子中具有对称面对称面，分子上下两部分对偏振光，分子上下两部分对偏振光的影响相互抵消，整个分子不表现旋光性。的影响相互抵消，整个分子不表现旋光性。对映体对映体对映体 ?非对映异构

27、体(光学异构体数目光学异构体数目 99.9% 0.1%ea空间张力2. 二取代环己烷二取代环己烷HHCH3CH3HHCH3CH3HHHeeaa反-1,2-二甲基环己烷HCH3CH3HCH3CH3HHeaae顺-1,2-二甲基环己烷实验测定, 反式异构体比顺式异构体稳定7.8kJmol-1。(优势构象)CH3C(CH3)3大基团在e键 (优势构象)顺-1-甲基-4-叔丁基环己烷CH3(CH3)3C取代环己烷的优势构象为：(1)椅式构象是最稳定的构象。(2) e键取代基最多的构象。(3) 有不同取代基时，大基团处于e键的构象。练习3.10 写出下列化合物的两种构象，并指出哪个是优势构象。优势构象优

28、势构象优势构象（三）、二环环烷烃的构象十氢萘的两个环可以顺式或反式两种方式相连接。顺式十氢萘反式十氢萘或构象式：稳定构象a键e键e键a键反-十氢萘：刚性构象刚性构象，没有构象异构体。顺顺-十氢萘十氢萘：两种构象可通过单键的旋转而相互转化，故形成外消旋化合物而无旋光性。八、构象异构和构型异构构象异构：室温下往往能通过单键旋转而互换，室温下不易分开。构型异构：室温下不能通过单键旋转而互换，除非提供能量使共价键断裂，才能由一个对映体转成另一个对映体，因此室温下能以独立的异构体分别存在。费歇尔投影式与纽曼投影式间的互换：九、烷烃卤代反应的立体化学有机反应中如手性碳上的键未断裂，可认为该手性碳的构型不变。反应中手性碳上的键发生断裂，其构型的变化有三种：外消旋化、构型转化和构型保持，主要取决于反应机理。外消旋化：例1：反应中正丁烷C2在溴代后变成了手性碳原子，所以C2又称前手性（或潜手性）碳原子。例2：小结：反应的立体化学结果是研究反应机理很好的手段之一。