有机化学 第四章 立体异构

第四章立体异构(Stereoisomerism)JacobusHenricusvan‘tHoff(1852-1911)第一个Nobel化学奖获得者（1901）1874年，年仅22岁的荷兰科学家范霍夫（Herrvan’tHoff）发表了名为“原子的空间排布”（TheArrangementsofAtomsinSpace）一文，正式将有机化合物的结构推到了三维层次——立体化学（stereochemistry），帮助我们解释了有机化合物的立体结构不同可以导致它们的性质不同。分类同分异构构造异构立体异构碳链异构官能团异构位置异构构型异构构象异构顺反异构对映异构（互变异构）构造异构：分子中原子互相联接的方式和次序不同而产生的异构现象。碳链异构位置异构官能团异构CH3CHCH3CH3CH3CH2CH2CH3CH3CH2CHCH2CH3CHCHCH3CH2CHCHCH2CH3CH2CCH立体异构：分子中原子互相连接的方式和次序相同，但在空间的排列方式不同而出现的异构现象。构象异构顺反异构对映异构：本章学习。CH3CH3HHCCCH3CH3HHCCCH3CH3HHCH3CH3HH第一节顺反异构碳碳双键不能自由旋转：顺-2-丁烯反-2-丁烯由于组成双键的两个碳原子上连接的基团在空间位置不同而形成的构型不同的现象称为顺反异构现象。mp：-151.4℃mp：-136.0℃一、顺反异构的概念和形成条件C=CC2H5HHHC=CC2H5HHHH–C—–C–HCH3CH3HHCH3CH3H–C—–C–HHH==①分子中存在限制旋转的因素，如：双键②每个双键C，分别连两个不同的基团产生顺反异构的必要条件沿键轴旋转1800把分子旋转1800二、顺反异构体的命名2-丁烯cis-2-butene2-丁烯trans-2-butene1、顺、反命名：顺/反，cis/trans。CH3CH3HHCCCH3CH3HHCC顺-反-2、Z、E命名：构型的确定：1-氯-1-溴-2-碘乙烯(Z)-1-bromo-1-chloro-2-iodoetene优先基团在双键的同侧的构型为Z，分别将每个双键碳原子上连有的两个基团按“次序规则”确定出优先次序，优先基团在双键的两侧的构型为E。(Z)-同碳上下比较CCIHClBrCCBrH3CCH3HCCBrH3CHCH3顺-2-溴-2-丁烯反-2-溴-2-丁烯(E)-2-溴-2-丁烯(Z)-2-溴-2-丁烯第二节对映异构光是一种电磁波，它的传播方向与光振动方向相垂直。在普通光线里，光波可以在垂直于传播方向的各个不同的平面内振动。（一）、平面偏振光和旋光性一、对映异构体的旋光性将普通光线通过Nicol棱镜，它只允许与其晶轴平行的平面上振动的光线通过。Nicol棱镜平面偏振光：通过Nicol棱镜后只在一个平面上振动的光，简称偏振光。旋光物质：乳酸、葡萄糖等，能使偏振光的振动方向旋转一定的角度。旋光物质旋光性：能使平面偏振光振动方向发生旋转的性质。旋光物质的旋光方向旋光度α：左旋体(-)或l：使偏振光振动方向按逆时针方向旋转；右旋体(+)或d：使偏振光振动方向按顺时针方向旋转。和溶液的浓度、样品管的长度、温度、光的波长都有关系。使平面偏振光旋转的角度旋光仪的工作原理Nicol棱镜（二）、旋光仪和比旋光度WXG-4圆盘旋光仪质量浓度ρB=1g/ml的旋光物质溶液，放在l=1dm长的盛液管中测得的旋光度为这个物质的比旋光度。比旋光度：若所测的旋光物质为纯液体，只要把C换成液体的密度ρ即可。[]tλα=αl×ρ比旋光度测定温度波长旋光度（旋光仪上的读数）盛液管长度（dm）溶液的浓度（g/ml）α[]tλ1、手性（Chirality）Lookatyourhandscarefully,thenanswer:whatistherelationshipbetweenyourlefthandandrighthand?二、对映异构现象和手性手性：物质分子与自己的镜像不能重合的性质。手性分子：具有手性的分子，有互为镜像但不能重叠的对映异构体存在。Someoforganicmoleculesaresuperimposableontheirmirrorimages.CHCH33HHCOCO22HHCCHH33CCHHCOCO22HHCHCH33HHCOCO22HHCCHCH33HHCOCO22HHCCHCH33HHCOCO22HHC非手性分子Butsomeoforganicmoleculesarenon-superimposableontheirmirrorimagesCNH2RCOOHHCNH2HCOOHRaminoacid手性分子CNH2RCOOHHCHCH33HHCOCO22HHCCHCH33HHCOCO22HHCAminoacidpossessesacarbonwithfourdifferentattachedgroups(R,NH2,H,COOH);thereisnosuchcarboninpropanoicacid.手性碳原子（手性中心）:连有四个不同基团的碳原子*Notice:具有手性碳原子的分子不一定是手性分子，没有手性碳原子的分子也不一定不是手性分子。含一个手性碳原子的分子一定是手性分子，有一对对映异构体。CNH2HCOOHR2、对映异构体乳酸的左旋体和右旋体，互为镜像但不能叠合。CH3OHCOOHHCHOOCCH3OHHCOHCH3CHCOOHOHCH3CHHOOC互为镜像的异构体称为对映异构体，简称对映体。3、手性分子的判断手性分子都具有对映异构体存在。判断一个分子是不是手性分子，最直接的办法就是，看这个分子能否和它的镜像重合。画出分子的镜像，进行比较。分子有无手性，也可以从它具有的对称因素来判定。（1）、对称面（σ）假设分子中有一平面能把分子切成互为镜象的两半，该平面就是分子的对称面。有对称面的分子能和它的镜像重合，没有手性对称面COOHCOOHHCOH*HCOH*对称中心有对称中心的分子能和它的镜像重合，没有手性ClHHClHFFH（2）、对称中心（i）从分子中任何一个原子向i引一条直线，再延长到对面等距的地方，总有一个相同的原子。PlaneofSymmetry一般来讲，一种分子不能重叠镜像的条件是这种分子没有对称面，也没有对称中心。对映异构体RacemicMixtures对映体的物理性质和化学性质一般都相同，比旋光度的数值相等，但旋光方向相反；等量对映体的混合物称为外消旋体（Racemate），用dl或（±）表示。COOHCOOHHCOH*HCOH*对称面这种分子内含有多个手性碳原子，但因存在对称因素而使分子无手性、无旋光性的化合物称为内消旋体（mesomer).楔形透视式：CH3CHCOOHOH*CH3HOCOOHHCCOOHCH3OHHC三、对映异构体的表示方法球棒模型式费歇尔（Fischer）投影式：CH3OHCOOHHCH3COOHHHOCH3OHCOOHHCOOHCH3HOHCFischer投影式1、投影时要将主链放在竖键上，编号最小的碳原子放在上端。投影规则：２、把手性碳原子置于纸平面，横竖两线的交点代表手性碳原子，竖的两个基在纸面的下方，横的两个基在纸面的上方。1、将Fischer投影式沿纸面旋转180°或其倍数，构型不变（为原分子构型）；若沿纸面旋转90°或270°，则构型改变成为该分子的对映异构体。书写Fischer投影式注意事项：2、将手性碳原子上所连接的任何两个原子或基团相互交换奇数次，将会使构型变为其对映体的构型；若交换偶数次则不会改变原化合物的构型。1CH3CH2CH3OHHCH3CH2CH3HOH＊CH3CH2CHCH3OH四、对映异构体构型的标记１、D、L命名法CHOCH2OHOHHCHOCH2OHHOHCHOCH2OHOHHHCHOCH2OHHOD-甘油醛L-甘油醛以甘油醛为标准来确定对映体的相对构型1951年，J.M.Bijvoet利用特种的X-射线技术对右旋酒石酸铷钠进行分析，确定其绝对构型后，再根据甘油醛与酒石酸构型之间的关系而得知D-甘油醛是右旋的，L-甘油醛则是左旋的。在既要表示构型又要标出旋光性时，可同时用D，L表示构型和（+），（-）表示旋光性，不再使用d,l。例如：右旋甘油醛可用D-（+）-甘油醛来表示。CHOCH2OHHOHHgO[O]COOHCH2OHHOHD-（+）-甘油醛D-（-）-甘油酸CHOCH2OHOHHCOOHCH3HH2ND-glyceraldehydeL-alanineIfthe—OHor—NH2whichattachestothechiralcarbonatomliesontheright，themoleculeiscalled“D”；ifontheleft，itiscalled“L”.COOHOHHCH3COOHHHOCH3D-(-)-乳酸L-(+)-乳酸２、R、S标记法Assigning(R)and(S)AbsoluteConfiguration三维结构１＞２＞３＞４２、若优先次序最小的原子或原子团d位于Fischer式的横键时(不论在左还是在右)，则当a、b、c顺时针方向排列时，则手性碳具有S-构型，相反则为R-构型。R、S标记法规则：１、将连在手性碳上的四个基团（a、b、c、d)按顺序规则排出它们的优先次序为abcd。cdabdbcaS-构型R-构型3、若d位于Fischer式的竖键时(不论在上还是在下)，则当a、b、c顺时针方向排列时，则手性碳具有R-构型，相反则为S-构型。acbdbadcR-构型S-构型例题HOHCOOHCH2OHH基团次序：COOHOHCH2OH最小基团Ｈ位于横线R-构型R-2,3-二羟基丙酸HOHCH3CH2CHCH2HH2CCHCH2OHCH3基团次序：最小基团Ｈ位于横线S-构型S-4-戊烯-2-醇HH2NCOOHCH3HNH2COOHCH3最小基团Ｈ位于竖线基团次序：R-构型R-2-氨基丙酸CH3ClCH(CH3)2ClCH2CH3ClCH2CH-CH3CH3ClCH3最小基团CH3位于竖线基团次序：S-构型S-2,3-二甲基-1,2-二氯丁烷五、对映异构体在医学上的意义除了对偏振光振动平面的旋转方向不同外，对映体的其他物理性质、化学性质是相同的；对映体的特点：对映体的生理作用有很大差别：氯霉素的左旋体有疗效，它的对映体则无抗菌作用；在培养青霉菌时，右旋酒石酸被消耗掉，剩余为左旋体；左旋尼古丁的毒性比右旋尼古丁大得多。Ibuprofen直接止痛在体内转化成左式发挥止痛作用由上可知，Ibuproven尽管原子组成相同，但互为对映异构体，构型不同，药效不同，说明生命体对异构体具有偏爱，这是一种不对称行为。又如：RSCCH2CHH3CH3CHHOOCCH3CCH2CHH3CCOOHHCH3CH3布洛芬1957年～1962年，反应停的服用造成数万名婴儿严重畸形。研究发现，其致畸作用是由右式所代表的S异构体引起，而左式所代表的R异构体不引起致畸作用。沙利度胺（Thalidomide)——又名反应停镇静剂无致畸作用无镇静作用致畸变NOOHNHOONOHONHOORSDopa（多巴）HOHOCOOHH2NH（S）-异构体，具有治疗帕金森综合症的生物活性（R）-异构体，造成粒状白细胞减少症（极度危险）20世纪初，科学家在肌肉的提取物中发现了左旋肉碱，后来确认它是一种广泛存在于人体内的一种氨基酸，参与人体的许多代谢过程，是体内脂肪氧化代谢的必须物质。肉碱有两个光学异构体：左旋肉碱、右旋肉碱。在这两种构型中，只有左旋肉碱有生物活性，通常所指的肉碱都是左旋肉碱。OOHONNOOHO肉碱右旋肉碱左旋肉碱