第5.1节 手性分子与对映体

第5章立体异构基础(solidisomerism)主要内容立体异构体手性分子和非手性分子、手性碳对映异构体和非对映异构体立体结构的表示方法2掌握立体异构、旋光异构、手性碳原子、手性分子、对映体、非对映体、外消旋体、内消旋体等基本概念。1熟悉有机化学中同分异构现象的分类；3学会判断对映体和非对映体、外消旋体和内消旋体的存在；4掌握构型标记法；学习要求第5.1节手性分子与对映体(chiralityandenantiomerism)一、同分异构体的基本概念及分类二、手性三、手性分子与对映体四、对称面与非手性分子五、判断对映体的方法立体化学(Stereochemistry)——以三维空间研究分子结构和性质的科学主要研究有机化合物的立体结构及其对化合物的物理与化学性质的影响.立体异构由原子或基团空间排列或取向不同所产生的异构现象。一、同分异构体的基本概念及分类分子式相同，但性质和结构不相同的化合物叫做同分异构体。这种现象叫做同分异构现象。有机化合物的同分异构现象分为两大类：结构异构(构造异构)和立体异构。同分异构的分类归纳为：同分异构现象同分异构现象••碳链异构碳链异构••构造异构构造异构位置异构位置异构••官能团异构官能团异构••同分异构同分异构互变异构互变异构••顺反异构顺反异构••构型异构构型异构••立体异构立体异构旋光异构旋光异构••构象异构构象异构1．构造异构(结构异构)(1)碳链异构由于分子中碳链的骨架不同而产生的同分异构现象叫碳链异构。产生的原因：由于分子中原子或原子团相互连结的次序和方式不同。分为：正丁烷异丁烷例如：(2)位置异构因取代基或官能团在碳链上或碳环上的位置不同而产生的异构现象。例如：CH3CH2CH2OHCH3CH(OH)CH3丙醇异丙醇邻-甲苯酚间-甲苯酚对-甲苯酚(3)官能团异构CH3CH2OHCH3OCH3乙醇甲醚因分子中官能团不同而产生的异构现象。例如：CH3CH2CHOCH3COCH3丙醛丙酮(5)价键异构一种官能团异构体改变其结构成为另一种官能团异构体，互相迅速地变换，形成两种异构体的动态平衡。(4)互变异构例如：CCOHCCO烯醇式（不稳定）酮式（稳定）互变异构2．立体异构产生的原因：构造相同，由于分子中原子或原子团在空间的排列方式不同。分为构象异构和构型异构：构象异构：由于单键自由旋转而产生的立体异构。构象异构体•可通过单键旋转互相转换•一般无法分离HHHHHHHHHHHH交叉式重叠式构型异构又包括顺反异构和对映异构(旋光异构)。构型是指一个特定立体异构体分子中的原子或基团在空间的排列方式。HH3CHCH3HH3CHCH3H3CCH3H3CCH3cistrans顺反异构：因共价键旋转受阻而产生的立体异构（不能相互转化）旋光异构：因分子中手性因素而产生的立体异构•不可转换•理论上可分离二、手性和手性分子手性(chirality)：实物和其镜像不能重叠的现象。手性饱和C原子具有四面体结构，可用四面体结构模型清楚表达。手性分子（chiralmolecules）：有手性现象的分子。FBrClHFBrHClFBrClH两者不能重合手性分子镜像转180o连有4个不同原子或基团的饱和碳原子手性碳(chiralcarbon)手性中心(Chiralcenter)用*表示FCBrClH*手性碳标记FCHClBr手性碳——手性分子的特征CH3CH2CH2CH2CH2CCH2CH2CH2CH3BrH5-溴癸烷OCH3H2-甲基环己酮CH3CHCOHOHOLacticacid乳酸α-羟基丙酸例如：COOHCHOHCH3COOHCH3CHOHCOOHCH3-OH顺时针排列反时针排列透视式镜子一对互为镜像关系的乳酸分子的立体结构式乳酸分子中C2连着H、CH3、OH和COOH，则可得到两种结构的模型，无论把它们怎样放置，二者都类似左右手关系，不能使完全重叠。因此，它们并不是相同的。乳酸分子2种不同构型的特征(1)2个立体异构体之间彼此相似而不能完全重叠；(2)2个立体异构体之间呈实物和镜像相互对应关系（左右手关系）。分子的手性(chirality)——物质分子互为实物和镜象关系（象左手和右手一样），彼此不能完全重叠的特征。三、手性分子和对映体具有手性的分子叫做手性分子。和4个不相同的原子或原子团相连的碳原子称为手性碳原子（手性中心），常用“C*”表示。含有1个手性碳原子的有机化合物分子一般具有手性，是手性分子。WCXZYWCXYZ对映体一个手性碳原子所连的4个不同原子或基团在空间具有2种不同的排列方式，它们彼此互为镜像关系，又不能重叠的一对立体异构体，互为对映异构体（简称对映体）。含有1个手性碳原子的化合物必定是手性化合物。含有1个手性碳原子的化合物只有一对对映体。镜面一对对映体（互为镜像）对映体CH2CH3CClHH3CCH2CH3CClHCH3III镜面2-氯丁烷四、对称面与非手性分子对称面：2个H连线的中点、CH3和Cl可组成一个平面；该平面把分子分为对称的互为镜象两半。氯乙烷分子无手性，非手性分子。CH3-CH2-Cl假如有一个平面可以把分子分割成两半，而这两半互为镜像，那么这个平面就是分子的对称面。对称面丙酸存在对称面，无手性，非手性分子CH3-CH2-COOH氯溴甲烷有对称面，非手性分子结论：具有对称面的分子无手性，不具有旋光性，也没有对映异构体。有机化合物分子具有手性的最常见原因是：存在手性碳原子(不是唯一的原因)。但不是所有具有手性碳原子的分子都是手性分子。非手性分子两者互相重合非手性分子镜像转60oFClClHFClClHFClClH任何一个能够与其镜像完全重叠的分子，都不具有旋光性，这样的分子称为非手性分子。（非手性分子不含有手性碳）ClBrClBrClBrClBr转180oClBrClBr两者完全重合非手性分子分子是否具有手性的判断标准：分子中是否存在对称面、对称中心等对称因素。若分子中有对称面、对称中心两个元素之一，则为非手性分子。若分子中不具有上述对称因素则为手性分子。只有1个手性碳原子的分子为手性分子。手性分子都具有旋光性。第1.建造一个分子和它的镜像模型。如果两者不能重合，就是手性分子。第2.寻找有无对称面。有对称面，它就不存在对映体，为非手性分子。第3.寻找手性碳原子(或手性中心)。只要有一个手性碳原子，就是手性分子，有一对对映体（两个以上C﹡有例外。见内消旋体）五、判断对映体（手性分子）的方法例：2,3-丁二醇（有3个立体异构体，各含有2个手性C）对映异构体(enantiomers)：一对互为镜像且不互相重合的分子（一类特殊的立体异构体）I与II互为镜像，且不重合，均为手性分子I与II互为对映异构体CH3HOHHOHCH3CH3HOHOHHCH3CH3OHHHOHCH3IIIIIICH3HOHHHOCH3I对映关系转180o非对映异构体(diastereoisomers)：相互不为镜像的立体异构体III为非手性分子（与其镜像III’可完全重合）CH3HOHHOHCH3IIICH3OHHHHOCH3III'CH3HOHHOHCH3III'转180oI与III,或II与III不成镜像，互为非对映异构体CH3HOHHOHCH3CH3HOHOHHCH3CH3OHHHOHCH3IIIIII