第三章立体化学基础(药学、临药)

第三章立体化学基础一.平面偏振光及比旋光度(Plane-PolarizedLightandRotation)1.偏振光光是一种电磁波，电场或磁场的振动方向与光前进的方向垂直。自然光是一束在各个不同平面上，垂直于光前进的方向上振动的光。表示一束自然光朝着我们直射过来，光波在一切可能的平面上振动。2、旋光性与比旋光度如果让光通过一个象栅栏一样的Nicol棱镜(起偏镜)就不是所有方向的光都能通过，而只有与棱镜晶轴方向平面偏振光平行的光才能通过。这样，透过棱晶的光就只能在一个方向上振动，象这种只在一个平面上振动的光，称为平面偏振光，简称偏振光或偏光。那么，偏振光能否透过第二个Nicol棱镜(检偏镜)取决于两个棱镜的晶轴是否平行，平行则可透过；否则不能通过。偏振光穿过手性物质时，会发生偏转现象，也就是光会在一个不同的平面内振动。如果在两个棱镜之间放一个盛液管，里面装入两种不同的物质：亮丙酸α亮暗乳酸结论：物质有两类：（1）旋光性物质——能使偏振光振动面旋转的性质，叫做旋光性；具有旋光性的物质，叫做旋光性物质。（2）非旋光性物质——不具有旋光性的物质，叫做非旋光性物质。旋光性物质使偏振光旋转的角度，称为旋光度，以“”表示。这两种物质之间称为光学异构体或对映异构体。其旋光方向顺时针右旋，以“d”或“+”表示。逆时针左旋，以“l”或“”表示。但旋光度“”是一个变量，它受温度、光源、浓度、管长等许多因素的影响，为了便于比较，就要使其成为一个常量，故用比旋光度[]来表示：比旋光度：每毫升含1克旋光物质的溶液，在1分米盛液管测得的旋光度。式中：α为旋光仪测得试样的旋光度；为试样的质量浓度，单位g.mL;若试样为纯液体则为密度.1l为盛液管的长度，单位dm。t测样时的温度。为旋光仪使用的光源的波长（通常用589nm的钠光，以D表示）。tDlCCD左手的镜像是右手右手的镜像是左手二、对映异构和手性什么是手性？手性是指实物和镜象不能叠合的一种性质。任何物体都有它的镜像，一个有机分子也会有它的镜像。CCOOHHHCH3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。CCOOHHHCH3CCOOHHHCH3CCOOHHHCH3所有基团都重合丙酸分子没有手性实物和镜象关系这种具有手性，实物和镜象不能叠合而引起的异构就是对映异构。实物和镜象是一对对映体。例：CH3CHCH2CH3OHCOOHCH3OHHCOOHCH3OHHCCCOOHCOOHCH3H3CHOOHHH--但有些分子如乳酸,两个互为实物与镜像关系的分子不能重合。仔细考察没有手性的丙酸分子和有手性的乳酸分子，它们的差别在哪里？CHCH33HHCOCO22HHCCHCH33HHCOCO22HHCCHCH33OHOHHCOCO22HHCCHCH33OHOHHCOCO22HHC乳酸分子中有一个碳原子(C2)所连的四个基团(COOH,OH,CH3,H)均不相同。凡是连有4个不同的原子或基团的碳原子称为手性碳原子(chiralcarbonatom),也可称为手性中心(chiralcenter)。丙酸乳酸*问题：下列化合物哪些含手性碳原子？HCH3CH3-CH-CH2CH3CH2CH3CH3-CH-CH2CH3CH2CH34.5.CH3-CH-CH-CH2CH3OHOHCH3-CH-CH-CH2CH3OHOHCH3CH3OCH3H3CCH31.CH2Cl22.CHCl33.CH3CHClCH2CH36.7.8.与镜象不能重叠的分子，称为手性分子。分子的构造相同，但构型不同，形成实物与镜象的两种分子，称为对映异构体（简称：对映体）。结构特点：中间碳原子连的四个原子（基团）不同，这个中间碳原子叫手性碳原子或不对称碳原子。在生物体内，大量存在手性分子。如D–(+)–葡萄糖在动物代谢中有营养价值，D–(-)–葡萄糖没有。左旋氯霉素有抗菌作用，而其对映异构体无疗效。一对对映异构体是两种不同的化合物，它们的化学性质、物理性质无差别，差别是对偏振光有不同的反映。一个可以把偏振光向左旋，另一个则把偏振光向右旋。偏振光是检验手性分子的一种最常用的方法。在药物中，手性化合物占50%以上。三.分子的手性与对称性(ChiralityandSymmetryofMolecule)分子与其镜象是否能互相叠合决定于分子本身的对称性。即分子的手性与分子的对称性有关。对称元素：对称面、对称中心。1.对称面（σ）定义：若有一个平面，能将分子切成两部分，一部分正好是另一部分的镜象，这个平面就是这个分子的对称面。CHClClH有两个对称面：CHHClCCl可看出H-C-H平面上下翻转180度，实物和镜象重叠。它们是一种化合物。CHClClH结论：有对称面的分子，实物和镜象能重叠，无手性，无对映异构体，无旋光性。2.对称中心(i)定义：分子中有一点P，以分子任何一点与其连线，都能在延长线上找到自己的镜象，则P点为该分子的对称中心。HHHHHHH3CCH3结论：有对称中心的分子，实物和镜象能重叠，无手性，无对映异构体，无旋光性。例：环丁烷HHHHHHHHPHHHHHHHH镜象和实物能重叠，无手性。有对称中心故：分子的手性是对映体存在的必要和充分条件。3.对称轴定义:穿过分子画一直线,以它为轴旋转一定角度后,可以获得与原来分子相同的构型,这一直线叫对称轴.HHHHHHHHCn36090C4()HHClHCC3ClHCHCClC2以设想直线为轴旋转360。/n，得到与原分子相同的分子，该直线称为n重对称轴（又称n阶对称轴）。HHClClHHClClC2镜象和实物不能重叠，用旋光仪测定，一个是左旋，另一个则是右旋，是两种化合物。结论：对称轴不能作为分子有无手性的判据。B.大多数非手性分子都有对称轴或对称中心至于对称轴并不能作为分子是否具有手性的判据。A.有对称面、对称中心的分子均可与其镜象重叠，是非手性分子；反之，为手性分子。结论：∴既无对称面也没有对称中心的，一般可判定为是手性分子。故：分子的手性是对映体存在的必要和充分条件。判断对映体的方法：1、建造一个分子和它的镜像的模型；2、寻找一个对称面。3、寻找手性碳原子（或手性中心）实验事实：CH3CHCOOHOH从肌肉中得到的肌肉乳酸+3.82。葡萄糖发酵得到的乳酸3.82。酸牛奶中得到的乳酸0。来源旋光性α羟基丙酸(乳酸)同为乳酸，为什么会具有不同的光学性质呢？(一）外消旋体四、含一个手性碳原子化合物的对映异构外消旋体：等量对映体的混合物。一对对映体对光的影响是比旋光度值相等，旋光方向相反；外消旋体通常用（±）表示；熔点、密度和溶解度等常有差异。但沸点与纯对映体相同不具有旋光性；外消旋体：是混合物，可拆分出单独对映体。内消旋体：是化合物，不能拆分。外消旋体与内消旋体均无旋光性，但本质不同：（二）对映异构体的表示法：1.透视式（三维结构）：略2.Fischer投影式：COOHCH3HOHCOOHCH3HOHCCO2HCH3HHO123CO2HCH3HOH13写Fischer投影式的要点：(1)水平线和垂直线的交叉点代表手性碳，位于纸平面上。(2)连于手性碳的横键代表朝向纸平面前方的键。(3)连于手性碳的竖键代表朝向纸平面后方的键。横前竖后COOHHCH3OHHCOOHOHCH3HOHCH3COOH乳酸对映体的费歇尔投影式课堂练习：试根据模型写出Fischer投影式。CHOCH2OHOHHCHOCH2OHHOHCHOHOCH2OHHOHCCH2OHOHHCHOCH2OHOHHCHOCH2OHOHHCHOCH2OHHOHCHOCH2OHHOHCHOHOCH2OHHCHOHOCH2OHHOHCCH2OHOHHOHCCH2OHOHH在符合“横前竖后”规则的前提下,亦可得到不同Fischer投影式。一般将主碳链放在竖直线上，把命名时编号最小的碳原子放在上端(主链下行)。CHOCH2OHOHHCHOCH2OHHOHCHOHOCH2OHHOHCCH2OHOHHCHOCH2OHOHHCHOCH2OHOHHCHOCH2OHHOHCHOCH2OHHOHCHOHOCH2OHHCHOHOCH2OHHOHCCH2OHOHHOHCCH2OHOHH√按此方式得到的投影式为最严格的Fischer投影式,用D/L法命名时必须用这种Fischer式。上页下页首页使用Fischer投影式的注意事项：(1)可以沿纸面旋转，但不能离开纸面翻转。COOHCH3HOHCOOHCH3HHO翻转翻转(2)可以旋转180。，但不能旋转90。或270。。COOHHOHCOOHCH3HHO旋转180旋转180CH3。。COOHHOHCOOHCH3HOH旋转90旋转90CH3。。（3）Fischer式中同一个手性碳上所连原子或基团两两交换偶数次，其构型不变。CH3OHCO2HHHOCH3CO2HHHOCH3CO2HH羧基与H交换位置羟基与甲基交换位置按主链下行写Fischer式按主链下行写Fischer式CH3OHCO2HHHOCH3CO2HHHOCH3CO2HHCH3OHCO2HHHOCH3CO2HHHOCH3CO2HHCH3OHCO2HHHOCH3CO2HHHOCH3CO2HHCH3OHCO2HHHOCH3CO2HHHOCH3CO2HHCH3OHCO2HHHOCH3CO2HHHOCH3CO2HHCH3OHCO2HHHOCH3CO2HHHOCH3CO2HHCH3OHCO2HHHOCH3CO2HHHOCH3CO2HHP84（4）Fischer式手性碳上一个原子或基团固定，另外三个基团顺时针或逆时针旋转，其构型不变。（三）对映异构体构型标记法（命名）：1.D/L标记法CHOCH2OHHOH--CHOCH2OHHHO**D、L与“+、-”没有必然的联系COOHCH3HNH2COOHCH3H2NHD－丙氨酸L－丙氨酸COOHCH3HNH2COOHCH3H2NHD－丙氨酸L－丙氨酸HOHC2H5CH3HOHC2H5CH3RSA.三维结构：2.R/S标记法HOHCH3C2H5ABDe要点:次序规则排次序，方向盘上定构型。C2H5HCH3OHR-2-丁醇S-2-丁醇B.Fischer投影式：HOHHCHOCH2OHHOHRCHOCH2OHHOCHOCH2OH结论：当最小基团处于横键位置时，其余三个基团从大到小的顺序若为逆时针，其构型为R；反之，构型为S。HCHOCH2OHHHORCHOCH2OHHO结论：当最小基团处于竖键位置时，其余三个基团从大到小的顺序若为顺时针，其构型为R；反之，构型为S。“手势法”：RSVivaldi五、含两个手性碳原子化合物的对映异构（一）含两个不同手性碳原子化合物的对映异构COOHCOOHHOClHH1234COOHCOOHHOClHH1234COOHCOOHHOClHH1234COOHCOOHHOClHH1234C:2OHCHClCOOHCOOHC:3ClCOOHCHOHCOOH(2R,3R)(2S,3S)(2R,3S)(2S,3R)----对映异构体数目为：四个；二对；相互关系：①与②、③与④为对映异构体；①与③④、②与③④为非对映异构体。随着手性碳原子数目的增加，异构体数目按2n（n为手性碳数目）增加，若分子中含有相同的手性碳，异构体数目会减少。(二)含两个相同手性碳原子化合物的对映异构COOHCOOHHOOHHH1234COOHCOOHHOHH1234COOHCOOHHOHOHH1234COOHCOOHHOOHHH1234C=2OHC:3COOHCHOHCOOH(2S,3S)(2R,3R)(2S,3R)(2R,3S)--HO--内消旋体(meso-)六、外消旋体的拆分不能设想通过蒸馏或分步结晶的方法拆分外消旋混合物。最常用的化学拆分法：把一对对映体设法转变为非对映体。①、外消旋体是一种酸，例如（±）-乳酸，就用光学纯的碱。如（+）-奎宁、（-）-马钱子碱和（+）-辛可宁等处理，所形成的盐就是非对映体，能用分步结晶的方法一一分开。CCH3OHHCOOHNRR'CCH3OHHCOONHRR'_