立体化学基础 药本

立体化学基础立体化学(stereochemistry)描述分子中的原子或者原子团在空间的分布以及由于不同的空间分布对化合物理化性质的影响。同分异构构造异构立体异构碳架异构位置异构官能团异构碳架异构位置异构官能团异构顺反异构旋光异构构象异构构型异构构型异构(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不同)旋光异构又叫光学异构或对映异构。这种异构可以通过旋光仪测出来。普通光源起偏镜（Nicol棱镜）入射偏振光样品管（装有旋光性物质）旋光度检偏镜（可旋Nicol棱镜）旋光性和比旋光度旋光性——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。不具有旋光性的物质，叫做非旋光性物质。左旋和右旋：一对对映体对偏振光的作用不同，一个使偏振光向顺时针方向偏转（右旋），另一个使偏振光向逆时针方向偏转（左旋），两者偏转数值相同。表示方法：“+”——右旋，“–”——左旋。旋光性物质使偏振光旋转的角度，称为旋光度，以“α”表示。旋光度“α”受温度、光源、浓度、管长等许多因素的影响不是固定的。为了便于比较，就要使其成为一个常量，故用比旋光度(specificrotation)[α]来表示：[]t=/(lc)α为旋光仪测得试样的旋光度；l:盛液管长度（dm,分米）c:样品浓度（g/cm3）t:测试时温度:旋光仪使用的光源的波长(通常用钠光，以D表示)表示比旋光度时，需要标明测量时的温度、光源的波长以及所使用的溶剂。例如，在温度为20°C时，用钠光灯为光源测得的葡萄糖水溶液的比旋光度为右旋52.2°,应记为：[α]D20=+52.2°（水）“D”代表钠光波长。钠光波长589nm相当于太阳光谱中的D线。比旋光度是旋光性物质的一个物理常数。有旋光性的对映异构体，在结构上有什么特点?观察自己的双手,左手与右手有什么联系和区别？左手的镜像是右手，右手的镜像是左手。彼此成镜像关系，又不能重合的一对立体异构体，互称为对映异构体(enantiomer)。因为它们的旋光性不同，也叫旋光异构体。镜像的不重合性是产生对映异构体的充分必要条件。也可以说手性是产生对映异构体的充分必要条件。有对映异构体的分子叫手性分子左旋乳酸，由蔗糖发酵得到右旋乳酸，由肌肉运动产生实物镜子镜象CHOHCOOHH3CCHCOOHCH3HO分子的对称性和手性1对称面σ：一个平面能把分子分割成两部分，一部分正好是另一部分的镜像，而且能重合。CH3HCH3HHHCH3HCH3HCH3HCH3HHH有对称面的分子由于镜像重合，因此没有对映异构体存在，称为非手性分子(achiralmolecule)。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。HHHHHHH3CCH3有对称中心的分子能和它的镜像重合，没有手性。3对称轴Cn：当分子以设想直线为轴旋转360°/n，得到与原分子相同的分子，该直线称为分子的n重对称轴（又称n阶对称轴）。有无对称轴不能作为判断分子是否具有手性的条件。C3CHHHClCCHH3CHCH3C2CH3H3CC2CH3H3CC2左旋酒石酸有一个C2轴，但它是手性分子，有对映异构体。手性因素1手性中心：能引起分子具有手性的一个特定的分子骨架的中心称为手性中心(chiralcenter)手性碳原子：连接四个不同的原子或者基团的碳原子为手性碳原子(chiralcarbon)CCOOHHOHCH3CHOOCHHOH3C*2手性面：分子的手性是由于某些基团对分子中某一个平面的不同分布引起的，此平面就叫做手性面含一个手性碳原子的化合物与对映异构体实物镜子镜象CHOHCOOHH3CCHCOOHCH3HO乳酸含有一个手性碳原子，是手性分子，有一对对映异构体存在一对对映体有相同的物理性质除了与手性试剂反应外,对映体的化学性质也相同两者还有十分重要的不同性质：对偏振光的作用不同;生理作用上有着显著的不同对映异构体的理化性质HNCHCl2OHOOHO2N氯霉素(R)-form,有效异构体(S)-form,无效异构体ONHMeClKetamine(S)-form,麻醉剂(R)-form,致幻剂HSOHNH2OPenicillamine(S)-form,治疗关节炎(R)-form,突变剂NHHNOHOHEthambutol(S)-form,治疗结核病(R)-form,致盲*******NNHOOOOThalidomide(R)-form,镇静剂(S)-form,严重致畸NNHOOOONNHOOOO(R)-thalidomide(S)-thalidomide沙利度胺也叫反应停，它的R体有镇静作用，但是S－对映体对胚胎有很强的致畸作用外消旋体外消旋体(racemate)——等量对映体的混合物。外消旋体没有旋光性。外消旋体的物理性质与左旋体或右旋体不同。例如：左旋或右旋乳酸的熔点是26℃；外消旋乳酸的熔点是18℃。对映异构体的表示方法透视式：直观，但书写麻烦，不适用于复杂化合物Fischer投影式：使用方便，适用于简单和复杂化合物两种方法CHOHCOOHH3C透视式投影式FischerCH3COOHOHHCCOOHCH3OHH观察Fischer投影式的书写原则：一般是将含有碳原子的碳链放在竖直方向上，同时氧化态较高的基团放在上端。手性碳位于纸平面上，用横竖线的交叉点表示；以横线相连的原子或基团表示在纸面前方，以竖线相连的原子或基团表示在纸面后方。CH3OHCOOHHCOOHCH3HOHCCH3OHCOOHHCH3COOHHHO使用Fischer投影式的注意事项：(1)Fischer投影式不能离开纸面旋转900×偶数，构型不变；Fischer投影式不能离开纸面旋转900×奇数，构型改变。HCOOHCH3OHHCOOHCH3HO旋转180°HCOOHCH3OH旋转90°HCOOHCH3OH(2)Fischer投影式基团两两交换偶数次，构型不变；Fischer投影式基团两两交换奇数次，构型改变。COOHCH3HOHCOOHCH3HOHCOOHCH3HOH1次2次COOHCH3HOH(3)Fischer投影式一个基团固定不动，其余基团按顺时针或逆时针旋转，构型不变；COOHCH3HOHCOOHCH3HOH对映异构体构型的命名1.D/L命名法CHOCH2OHHOH--CHOCH2OHHHOD-(+)-甘油醛L-(-)-甘油醛D、L与“+、-”没有必然的联系CH2OHOHHCOOHOHHCOOHCH3HCOOHCH3H2NHCOOHH2NCH2OHL－丝氨酸L－丙氨酸D－甘油酸D－乳酸CHOCH2OHHOH--CHOCH2OHHHOD-(+)-甘油醛L-(-)-甘油醛D／L标记法经典、方便，但它只能标出一个手性碳的构型。目前，D／L标记法主要用于糖和蛋白质的构型标记。R—拉丁字Rectus（右）；S—拉丁字Sinister（左）R/S标记法是根据手性碳原子上所连的四个原子或原子团在空间的排列方式来标记的。R/S构型是绝对构型。用R/S标记构型的步骤为：①按照基团大小次序规则，确定大小次序；②将最小的原子或原子团置于距观察者最远处；③观察其余三个原子或原子团由大到小的排列方式。顺时针——R；逆时针——S。2.R/S命名法和(a)(b)CHCOOHCH3HOCHOHCOOHH3C例1：的构型标记。根据次序规则：OH＞COOH＞CH3＞H(a)(b)CHCOOHCH3HOCHOHCOOHH3C观察观察OHCOOHCH3OHCOOHCH3顺时针方向为逆时针方向为R－型S－型例2CHCOOH观察ClBrCOOHBrCl顺时针方向为R－型：为逆时针方向S－型CH观察ClCl：例3CH3CH2OHCH2OHCH3最小基团在横键上,纸面走向与实际走向相反；最小基团在竖键上,纸面走向与实际走向相同。HOCH2ClCH2ClHHOHCO2HCH3HOCH2ClHCH2ClHOHCO2HCH3R-(-)-乳酸S-(+)-乳酸S-2,3-二氯丙醇2#1#3#1#3#R／S标记法也可直接应用于Fischer投影式：R-2,3-二氯丙醇CH2OHOHHCHOR－CH3HCOOHOHR－S－HOHCH3HCOOHHOS－OH＞COOH＞CH3CHOOH＞CHO＞CH2OHCH2OH乳酸甘油醛乳酸甘油醛CH3CH2CH3CH2OHHS－CH2OH＞CH2CH3＞CH3HO＞COOH＞C6H5OH＞CH＝CH2＞CH3CH3CH＝CH2OHHS－HOHCOOHC6H5S－D/L和R/S两种标记方法，都不能通过其标记的构型来判断旋光方向。因为旋光方向是化合物的固有性质。而对化合物的构型标记只是人为的规定。R／S标记法与D／L标记法的依据不同。R／S法依据与＊C相连的四个原子或原子团的大小顺序；D／L法依据与D－甘油醛的构型是否相同。含有两个手性碳原子的化合物2－羟基－3－氯丁二酸总共有四种旋光异构体：(一)含两个不同手性碳原子的化合物COOHCOOHOHHHClCOOHHOHClCOOHHOHCOOHCOOHHHClCOOHCOOHHOHHCl()I()II()III()IV(2R,3R)(2S,3S)(2R,3S)(2S,3R)(I)和(II)的等量混合物是外消旋体；(III)和(IV)的等量混合物也是外消旋体。外消旋体——等量对映体的混合物。非对映体——不对映的立体异构体。(I)与(III)或(IV)、(II)与(III)或(IV)、(III)与(I)或(II)、(IV)与(I)或(II)分别构成非对映体；2S,3R2R,3S2S,3S2R,3R对含有n个＊C的化合物：光学异构体数目=2n外消旋体数目=2n-1(n为不同手性碳的数目))例如：含3个＊C，最多有23＝8个旋光异构体。含4个＊C，最多有24＝16个旋光异构体。苏式构型和赤式构型与苏阿糖构型相似者为苏式构型；与赤藓糖构型相似者为赤式构型。例：CH2OHHCHOHOHOHOHCH3CH3HHClHOCH2OHCHOHHOHClCH3CH3HHOH赤藓糖苏阿糖赤式苏式相同的原子在同侧相同的原子不在同侧(二)含两个相同手性碳原子的化合物酒石酸分子中含有2个相同的＊C，可能的异构体有：(2R,3S)(2S,3R)IIIIVCOOHCOOHOHHHHOCOOHCOOHHOHHOHOHCOOHCOOHHHOHHHCOOHHOCOOHHOI(2R,3R)(2S,3S)II(III)与(IV)是同一种分子——内消旋酒石酸，其分子内有一对称面。(I)与(II)是对映体；(I)与(III)、(II)与(III)是非对映体。有一个简单的方法可以辨认内消旋化合物。就是它具有对称面。OHHCCHOHCOOHCOOH对称面的上半部分是下半部分的镜像。因此分子的上下两部分对偏振光的影响相互抵消，使整个分子不表现旋光性。内消旋酒石酸分子中的对称面外消旋体与内消旋体都没有旋光性，但它们有本质的不同：外消旋体是等量左旋体和右旋体的混合物，可拆分；内消旋体是分子内有对称面的单一化合物，不可拆分。外消旋和内消旋的区别:HClHCl(RS)-酸+(S)-碱(SS)-盐+(RS)-盐外消旋体非对映体物理方法分离(SS)-盐(RS)-盐(S)-碱HCl(R)-酸+通常是利用外消旋的酸(或碱)与光学纯的碱(或酸)反应生成非对映体的盐,再用分步结晶的方法一一分开。(S)-碱HCl(S)-酸+外消旋体的拆分2001年度诺贝尔化学奖授予了美国化学家诺尔斯(W.S.knowles)、日本化学家野依良治(R.Noyori)和美国化学家夏普雷斯(K.B.Sharpless)，以表彰他们在手性催化氢化反应和手性催化氧化反应研究方面做出的卓越贡献。瑞典皇家科学院指出：“这三位科学家的发现对科学研究以及新药、新材料的发展产生了极大的影响，并已在许多药物和其他生理活性化合物的商业合成上得到了广泛的应用。”这三位科学家获奖的意义还在于：他们的发明帮助人们在