手性分子

第五章立体化学基础：手性分子本章重点：掌握对映异构的基本概念；掌握对映异构的书写和构型标记；熟悉物质的旋光性了解手性分子的生物应用。英文词汇:enantiomerism,chirality,opticalactivity,enantiomer,diastereomer,racemate,mesocompound构造异构立体异构构型异构(分子中原子间的排列顺序、结合方式不同)(构造相同，原子在空间排布方式同)碳架异构位置异构官能团异构顺反异构对映异构构象异构同分异构对映异构enantiomerism属于光学异构或旋光异构。它是一类与物质的旋光性质有关的立体异构。观察自己的双手，左手与右手有什么联系和区别？第一节手性分子和对映体一、手性chirality(左、右手)互为实物与镜像关系,对映而不能重叠，这种性质称为“手性”(chirality)。左手和右手不能重叠左手镜右手左手的镜像是右手Question1：下述物质哪些具有手性？手套、剪刀、螺丝钉、脚、鼻子、耳朵答案：手套、剪刀、螺丝钉、脚、耳朵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。镜面实物与镜像二、手性分子和对映体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（简称对映体enantiomers）。不能与其镜像重叠(有对映异构体)的分子称为手性分子（Chiralmolecule），这种分子具有手性(chirality)，乳酸分子即为手性分子。乙醇没有对映体，因此是非手性分子。与4个不同基团相连的碳原子称为手性碳原子(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。CH3HHOHCOHH3CHCO2HC*CH3HHOCO2HC*Question2：下列化合物哪些是手性的？指出它们所含的手性碳原子。1.CH2Cl22.CHCl33.CH3-CHCl-CH2CH34.CH3-CH-CH2CH35.CH3-CH-CH-CH2CH3CH2CH3OHOHHCH3CH36.7.HCH3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称因素入手。如果分子中没有对称面，则该分子是手性分子，存在对映异构体。在大多数情况下，可根据分子中是否存在手性碳原子来判断分子是否有手性。三、对称面和非手性分子对称面：假如有一个平面可以把分子切开成实物和镜像两部分，这个平面就是分子的对称面。具有对称面的分子与其镜像能够重合，因而无手性。丙酸分子的对称面分子的对称面具有对称面的分子为非手性分子四、判断对映体的方法观察分子的实物与其镜像能否重合。寻找分子中是否存在对称面。寻找分子中是否存在手性碳原子（手性中心）。一般不存在对称面，有手性碳的分子具有对映体，为手性分子。凡是具有手性的分子都具有旋光性。非手性分子没有旋光性。练习：下列分子中那些是手性分子？答案：a、b为手性分子；c、d存在对称面，非手性分子。CH3OHCHOHCH3CH3CH2CHCH2CH3OHCH3CHCOOHNH2abcd第二节费歇尔投影式Fischerdiagram常用Fischer投影式来表示一对对映体的立体结构。“十”字交叉点代表*C；碳链放在竖线，1号C在上端；竖线上基团向纸里伸，横线上基团向纸外伸。书写规则：*注：Fischer式平面内旋转180º，构型不变。COOHCH3OHHCOOHHHOCH3（－）-乳酸（+）-乳酸Question4：用Fisher式表示2-溴丁烷一对对映体。CH3CH2CH3BrHCH3HBrCH2CH31、Fischer投影式不能离开纸面进行翻转。2、若要知道两个投影式是否能重合，只能使它在纸面上转动180°,而不能旋转90°或270°。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数次。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，不改变其构型。HNH2CO2HCH3CO2HNH2HCH3CO2HNH2HCH3CO2HNH2HCH3Problem:下列Fischer式是否表示同一化合物？COOHCH2OHHOHHOHCH2OHCOOH12COOHOHHOHHOCH2COOHCH2OHH34旋转180℃后可重叠镜像关系--对映体交换偶数次后与1同第三节旋光性能旋转偏振光振动面的性质叫旋光性(opticalactivity)，对映体对偏振光的振动面有一定的旋转能力,故又叫旋光异构体或光学异构体。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一.平面偏振光和旋光性光电磁波，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).图光的偏振如果将普通光线通过1个nicol棱镜，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。只在一个平面上振动的光叫平面偏振光。简称偏振光或偏光.(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、酒精等对偏光不发生影响，偏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，能使偏光的振动平面旋转一定的角度a(图b)——a旋光性(opticalactivity)二、旋光度与比旋光度（一）旋光度偏振面被旋光性物质所旋转的角度——旋光度，用“a”表示。顺时针——右旋，用“d”或“+”表示。逆时针——左旋，用“l”或“”表示方向一般一对对映体旋光性相反，即a大小相等，符号相反.（二）比旋光度用[a]表示，是旋光性物质的物理常数，对于鉴定和判断其纯度很重要。tD第四节外消旋体racemate由于一对对映体a相等，但旋光方向相反。因此如等量混合后——无旋光性。外消旋体——一对对映体的等量混合物，用“”或“dl”表示。来源：肌肉葡萄糖酸牛奶(+)-乳酸()-乳酸()-乳酸[a]20D+3.83.80第五节构型标记法一、D、L命名法——相对构型CH2CHCHOOHOH甘油醛*CHOCH2OHOHHCHOHHOCH2OH规定：*C2-OH，右侧*C2-OH，左侧D-甘油醛L-甘油醛D-(-)-乳酸L-(+)-乳酸*注：化合物构型与旋光方向无对应关系。CHOCH2OHOHHCHOHHOCH2OHCOOHCH3OHHCOOHCH3HHOD-(+)-甘油醛L-(-)-甘油醛二、R、S命名法——绝对构型按次序法则确定基团优先次序构型命名：如abde，最小基团e对着观察者（最远），沿abd旋转顺时针方向——R构型；逆时针方向——S构型Ceabd如：甘油醛一对对映体CCHOCH2OHOHHCOHCHOH2CHOH顺逆OHCHOCH2OHR-甘油醛S-甘油醛简便判断规则：*按Fischer投影式，最小基团（H）在横键。逆时针——R构型；顺时针——S构型。沿基团大中小旋转（平面上）如：CHOCH2OHOHHHOHCHOCH2OHR-甘油醛S-甘油醛如最小基团（H）在竖键上，沿基团大中小旋转（平面上）顺时针——R构型；逆时针——S构型。Question5：用R、S构型法命名下列化合物构型。R-氯溴碘甲烷S-2-丁醇R-丙氨酸S-苹果酸又如：HHOCH3COOHCOOHHOHCH3R-乳酸S-乳酸BrIHClHOHCH3CH2CH3HCOOHCH3NH2HHOOCCH2COOHOHQuestion6：写出下列化合物的Fischer投影式。1.R-苹果酸(2-羟基丁二酸)2.(2S,3S)-4-羟基-2,3-二氯丁醛3.R-2-氯丁醛COOHHOHCH2COOH1.2.CHOHClCH2OHClHCHOHClCH2CH33.COOHCH2OHHOHHOHCH3CH2SHQuestion7：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，D和R以及L和S有时一致，有时不一致。D-，R-D-，S-CO2HCO2HCO2HCO2HHOHHOHHOHHOHClHHClClHHClCO2HCO2HCO2HCO2H（1）（2）（3）（4）[a]D-7.1°[a]D+7.1°[a]D+9.3°[a]D-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-HC3:-Cl-CO2H-CHOHCO2H-H非对映异构体diastereomer(彼此不成镜像关系的旋光异构体非对映异构体)对映体对映体RRSSSRRS1、含两个不同手性碳的化合物第六节非对映体和内消旋化合物2、含两个相同手性碳的化合物CO2HCO2HCO2HCO2HHOHHOHHOHHOHHOHHOHHOHHOHCO2HCO2HCO2HCO2H（1）（2）（3）（4）(2S,3S)-酒石酸(2R,3R)-(2S,3R)-(2R,3S)-3,4为具有手性中心的非手性分子，称为内消旋化合物。(mesocompound)对映体对映体?C2及C3(相同手性碳)：-OH-CO2H-CHOHCO2H-H非对映异构体（diastereomer）(光学异构体数目2n)相同化合物外消旋体与内消旋化合物的区别等量对映体的混合物叫做外消旋体racemate。无旋光性。如果一个分子有两个或两个以上手性中心，并有一个内在的对称面，这个分子就叫做内消旋化合物mesocompound，是非手性分子；而外消旋体是由具有手性的两个对映异构体等量混合而得的混合物。两者都无旋光性,但有本质不同。具有对映而不能重合关系的一对分子彼此互称为对映异构体，简称为对映体；没有对映关系，构造相同、只是手性碳原子的构型不完全相同的光学异构体之间互称为非对映异构体。一个对映体和一个非对映体不能组成外消旋体，其物理性质也不同。对映体与非对映体的区别第七节手性分子的生物作用手性分子的一对对映体，在生理活性上作用有很大差异。如治疗帕金森病的药物多巴，存在一对对映体。只有（）-多巴有治疗作用。如：HOHONH2COOHHOHOHH2NHOOCH(+)-多巴（无生理效应）(-)-多巴（抗帕金森病）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。手性分子与手性生物受体之间的相互作用a.对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小结：1.手性分子、对映体、非对映体、内消旋体及外消旋体的概念。2.Fischer投影式表示对映体构型和两种命名法（D、L和R、S）。作业：P84/8、9、11、13阅读Section3Opticalisomerism全文,翻译P7第一段;P8第二段(前6行)