有机化学 第3章 对映异构

第3章对映异构本章内容3.1物质的旋光性和比旋光度3.2分子的手性与对称性3.3含有一个手性碳原子的化合物3.4含两个手性碳原子的化合物3.5环状化合物的立体异构3.6不含手性碳原子的化合物的立体异构3.7不对称合成3.7不对称合成研究有机分子的立体结构以及立体结构对有机分子的物理性质和化学反应的影响，称为立体化学。3.1．物质的旋光性和比旋光度3.1.1物质的旋光性偏振光光波是一种横波，其振动方向垂直于前进方向。普通光是在不同方向上振动的，但当光通过尼柯尔（Ｎｉｃｏｌ）棱镜时，则变成只在一个平面上振动的光，这种光称为平面偏振光，简称偏振光。旋光性和旋光性物质（光学活性物质）当偏振光通过某介质时，有的介质对偏振光没有作用，即通过介质的偏振光的振动方向没有变化；而有的介质却能使偏振光的振动方向发生旋转，这种能使偏振光的振动方向旋转的性质叫旋光性，具有旋光性的物质叫做旋光性物质或光学活性物质。右旋物质左旋物质旋光度*能使偏正光的振动方向向右旋的物质，叫右旋物质，用“d”或“+”表示右旋物质。*能使偏正光的振动方向向左旋的物质，叫左旋物质，用“l”或“-”表示左旋物质。*偏正光振动方向的旋转角度，叫做旋光度，用“α”表示。3.1.2比旋光度一种旋光性物质的旋光度与测定时的温度、光源的波长、浓度、样品管长度等因素有关。为了便于比较，国际上通常规定在２0℃，波长为５８９ｎｍ（钠光谱的Ｄ线），偏振光通过长为１ｄｍ，装有浓度为１.0g/ml溶液的样品管时，测得的旋光度为比旋光度，用[]20D表示。比旋光度[]ＴＤ与实测旋光度的关系为：比旋光度和温度，光源，溶剂有关，指出方向葡萄糖水溶液水（）[α]20D=+52.5°3.2分子的手性与对称性3.2.1分子的手性酒石酸实物和镜像不能重合的性质称为手性具有手性的分子，称为手性分子(立体化学中，不能与镜象叠合的分子叫做手性分子)互成实物和镜像对映的两个异构体，称为对映异构体（简称对映体）。对映体能使偏光转向，对映异构体又称为光学活性异构体。每个对映体的分子又叫光学活性分子。手性是物质具有旋光性的充分必要条件。能叠合的分子叫做非手性分子COOHCH3HHOCOOHCH3HOH乳酸分子的中心碳原子连有H、COOH、CH3、OH四个不相同的基团，将连有四个不同基团的碳原子称为手性碳或不对称碳原子，用C*表示。CH3CHOHCOOH*3.2.2对称因素分子的手性和分子的对称性有关手性分子的判别对称因素（1）对称轴（2）对称面（3）对称中心1.对称面（镜面）设想分子中有一个平面，它可以把分子分成互为镜象的两半，这个平面就是对称面(用σ表示)2.对称轴分子中有一直线，当以此直线为轴旋转360/n后（n为正整数），得到的分子与原来的分子形象相同，这条直线成为n重对称轴，用Cn表示。CCCH3CH3HHClClClCl二重对称轴C2四重对称轴C43.对称中心分子中有一点，从分子中任何一个原子出发，通过这个点作一直线，在该直线这个点的另一方向相同距离处能找到相同的原子，这个点称对称中心，用i表示。ClClClClii对称中心分子中找不到任何对称中心或对称面，这种结构特点叫手性分子，最普遍的手性因素是手性碳原子手性分子的结构特点但分子内有对称轴，分子有可能是手性分子，CH3CHOHCOOH*ClClClClC2C2反-1,2-二氯环丙烷分子内有一个二重对称轴，但实物和镜像不能重合，分子为手性分子。3.3含有一个手性碳原子的化合物含有一个手性碳原子的分子一定是手性分子，有一对对映体，每个对映体都具有旋光性，一个分子是右旋，另一个分子则是左旋。CH3CHOHCOOH*[α]15D熔点=53=+2.6°℃[α]15D熔点=53=-2.6°℃3.3.1对映体和外消旋体对映体的性质差别相同点：熔点，沸点，相对密度，拆光率，一般溶剂中溶解度都相同；非手性条件下化学性质相同。不相同：对偏振光作用不同,对映体比旋光度数值相等，但符号相反。外消旋体由等量的对映体相混合而形成的混合物叫做外消旋体。外消旋体没有旋光性，其它物理性质和单纯旋光体不同。如：乳酸外消旋体熔点18度，右旋53度3.3.2构型的表示方法。交叉式HHHHHHCCHHHHHHHHHHHH透视式楔形式纽缦式常用的构型表示方法是费歇尔（Fischer）投影式费歇尔（Fischer）投影式使分子中横键的两个基团朝前，竖键的两个基团朝后，将这样摆放的分子投影到平面上，用“＋”字交叉线表示，中间的碳原子不要写出，这样的投影式称为Fischer投影式。COOHCH3HOHCOOHCH3HOHCOOHCH3OHHCOOHCH3HOHFischer投影式时要注意以下几点：(1)投影式不能离开纸面翻转，在纸面上向左或向右旋转180o，其构型保持不变。HOHCOOHCH3COOHCH3HOH(2)投影式在纸面上旋转90o或270o后变成它的对映体的投影式。旋转90o对映体对映体或270oCOOHCH3HHOCH3HOHCOOHCH3OHHHCOOHCH3OHCOOH（3）投影式中的四个基团，固定一个基团，其余三个基团顺时针或逆时针旋转，构型保持不变。COOHCH3HOHCOOHOHCH3HCOOHOHHCH3(4)投影式中任意两个基团对调一次后变成它的对映体的投影式。对映体对映体对调H和CH3COOHCH3HOHCH3HOHCOOHCH3OHHHCOOHCH3OHCOOH3.3.3构型的命名背景：1951年后，Ｘ－射线衍射技术的发展，人们可以直接测定对映体结构中的原子或基团的空间排列位置，这样就可以得到它们的真实构型，因此叫绝对构型。绝对构型的标记是英果尔和凯恩确立的，以手性碳原子所连接的基团在空间不同方向上的排布为特征的构型标记法。即ＲＳ构型标记法。1.R/S标记法绝对构型的确定abcd绝对构型的确定1．把手性碳原子所连的四个不同的基团（或原子）根据英果尔-凯恩规则，确定先后次序。2．将次序最后的基团（或原子）d指向背离我们的方向，其它三个基团指向我们，然后观察这三个基团的排列次序。3．如果这三个基团从最优先基团A到第二优先基团B，再到第三优先基团C的次序是顺时针方向排布，则该分子的构型为R-构型；若逆时针方向排布则为S-构型。HCOHCOOHHCCH3OHCOOHCH3(a)(b)(d)(c)(c)(d)(b)(a)(R)-乳酸(S)-乳酸从费雪尔投影式确定手性分子的R-Sd在坚立键上，abcd,顺时针方向轮转为Ｒ，反时针方向轮转为Ｓ(S)-构型dacbcbad(R)-构型最小基团在竖键上abcabc顺时针旋转逆时针旋转如果最小基团在横键上，若从a→b→c顺时针方向转，则手性碳的真实构型为S，若是逆时针方向转，则手性碳的真实构型为R。(S)-构型bacddbac(R)-构型最小基团在横键上abcabc顺时针旋转逆时针旋转分子的构型与分子的旋光性没有直接关系2.D/L标记法甘油醛选定作为构型标准化合物（相对构型）CHOCH2OHCOHHCHOCH2OHCHOHD-（+）-甘油醛L-（-）-甘油醛羟基在右羟基在左3.4含两个手性碳原子的化合物3.4.1含两个不同手性碳原子的化合物若有二个手性碳原子的化合物，有2n个旋光异构体,有２ｎ－１组对映体(即外消旋体)。2,3,4-三羟基丁醛的四个旋光异构体I和II,III和Ⅳ互为对映异构体(它们分别可组成二组外消体)。I，II和III，Ⅳ之间不成对映关系，它们是非对映旋光异构体。非对映异构体理化性质，旋光性各不相同，不能组成外消旋体。由于非对映体的沸点、熔点及溶解度不同，所以，一般可用分馏或分步结晶等方法将它们分离，也可用色谱法分离它们。分子内含有二个手性碳，且两个手性碳至少含有一个相同的基团时，还可用“赤式”和“苏式”表示两个非对映异构体的构型。这种方法是以赤鲜糖和苏阿糖为基础命名的。CH2OHCH2OHHOHCHOHOHcabaR2R1caHOHCHOHOHR1R2ab(D)-赤鲜糖赤式(D)-苏阿糖苏式将两个手性碳中相同的基团写在横键上，如果相同基团在同侧，称为“赤式”，在两侧则称为“苏式”。3.4.2含有两个相同手性碳原子的化合物含二个或二个以上手性碳原子的化合物中,若分子内部有对称面，则手性碳原子的旋光作用在分子内部就会互相抵消,整个分子不显示旋光性，称之为内消旋体.酒石酸的四个立体异构体用Fischer投影式：HOHHOHCOOHCOOHHOHHOHCOOHCOOHHOHHOHCOOHCOOHHOHHOHCOOHCOOHⅠⅡⅢⅣ(2R,3R)-(+)-(2S,3S)-(-)-（2R,3S）（2S,3R）酒石酸酒石酸内消旋洒石酸或meso-洒石酸一对对映体dl-酒石酸(i-酒石酸)3.4.3构象与光学活性分子的构象存在形式并不会影响分子的手性。分子是手性的，不管以哪种构象形式存在都是手性的；反之，分子是非手性的，不管以哪种构象形式存在都是非手性的，对于其它化合物也是如此。COOHCOOHOHOHHHCOOHCOOHHOHOHHC2C2ⅠⅡ（2R,3R）-(+)-酒石酸(2S,3S)–(-)-酒石酸Ⅰ和Ⅱ都是手性分子无对称面和对称中心COOHHHOCOOHOHHi酒石酸的交叉式稳定构象分子内有一个对称中心，非手性的3.5环状化合物的立体异构二取代以上的环状化合物，具有顺反异构体，如果含有手性碳，也可能具有对映异构体。CH3CH3CH3CH3环状化合物中的手性碳也可用R/S构型标记，环状化合物判断R/S构型时，环上两条碳链的优先次序可从手性碳开始依次比较CABabca'b'c'CH3CH2CH3136245C-1的构型为SC-3的构型SClClClClClClSSRRSR1,2-二氯环丙烷ⅠⅡⅢⅠ和Ⅱ是一对对映体;Ⅲ是非手性分子，为内消旋体。Ⅲ与Ⅰ或Ⅱ为非对映异构体。H3CCH3CH3CH3CH3CH3c2c2RRSSRS顺式结构中有一个对称面，分子无手性；反式结构中虽有C2对称轴，但实物与镜像不能重合，是手性分子，有一对对映异构体。3.6不含手性碳原子的化合物的立体异构有些化合物虽然分子内不具有手性碳，但其实物和镜像不能重合，这样的化合物也具有手性。3.6.1丙二烯型化合物的对映异构现象CCCHHHH如果两端的碳原子C1和C3分别连有两个不同的基团，分子的实物与镜像就不能重合，分子具有手性CCCHCH3CH3HCCCCH3CH3CH3H如果丙二烯两端的任何一个碳上连有两个相同的基团，整个分子不具有手性CCCH3CHCH3CH3对称面2-甲基-2，3-戊二烯2,3-戊二烯的对映异构体3.6.2联苯型化合物的对映异构现象未取代联苯的两个苯环在同一平面上。当苯环两个邻位连有体积较大的取代基时，两个苯环之间的单键旋转受阻，不再共平面。如每个苯环邻位所连的基团不同，整个分子就具有手性NO2COOHNO2COOHCOOHNO2NO2COOH如果联苯任何一个苯环的邻位连有两个相同的基团，整个分子不具有手性NO2COOHNO2NO2分子内有对称面3.7不对称合成在非手性条件下进行的反应，如果产物中生成了手性碳，则得到外消旋体,要想得到每个对映体必须经过拆分hvCl2CH3CH2CHCH3ClCH3CH2CH2CH3+_()3.7.1外消旋体的拆分将外消旋体分离成右旋体和左旋体的过程通常叫拆分1.化学拆分法应用范围广，其原理是将对映体转变为非对映体，然后用一般方法分离外旋消苦杏仁酸的拆分天然（-）-麻黄素苦杏仁酸HCH3NHCH3OHHC6H5OHOHO拆分过程2.生物拆分法微生物或它们所产生的酶，可选择地把从外消旋体中把一种旋光体拆分出来。3.诱导结晶法（晶种结晶法）在外消旋的过饱溶液中，加入一定量的一种旋光体的纯晶体作为晶种，在晶种的的诱导下优先结晶。再加入另一外消旋体制成过饱溶液，析出另一种异构体。4.柱层析法选用某种旋光性物质作吸附剂，这种吸附剂对左旋体和右旋体的吸附能力不同。选择地吸附某一旋光体，使其留在柱子上时间长一些，而另一旋光体先冲洗下来，然后另一被吸附的旋光体被冲洗下来，达到分离的目的，这种方法称