第七章-立体化学

第四章立体化学（stereochemistry）基础讨论分子的立体形象对化学反应性的影响及产物分子和反应物分子在立体结构上的关系等。讨论分子的立体形象及与物理性质的关系等。原子在分子内的空间位置；在反应中，分子内或分子间的原子重新组合，在空间上要求条件和变化过程如何？及由此如何决定产物分子中各原子的空间取向？第七章立体化学（stereochemistry）几何(顺反)异构同分异构碳链异构位置异构官能团异构互变异构价键异构构造异构立体异构构象异构构型异构对映异构(旋光异构，光学异构）立体异构：构造相同,分子中原子或基团在空间的排列方式不同顺反异构——因共价键旋转受阻而产生的立体异构CH3CH3CH3HHCH3HH构象异构——因单键“自由”旋转而产生的立体异构CH3CH3CH3CH3HHHHHHHHCH3CH3对映异构——因分子中手性因素而产生的立体异构COOHHOOHCH3HCOOHHH3C旋光异构又称对映异构或光学异构。从动物肌肉中提取出的乳酸和糖发酵所得的乳酸，具有相同的结构式CH3－CH(OH)－COOH。但前者能使平面偏振光向右旋转，叫做右旋乳酸；后者却能使平面偏振光向左旋转，叫做左旋乳酸。旋光性不同的异构体，对人和机体的生理效应和药理效应常常是不同的。如右旋维生素C有抗坏血病的作用，而左旋体则没有；左旋氯霉素治疗伤寒等疾病有效，右旋体则几乎无效。Around12,000childrenwerebornwithsomekindofdisabilityduetodamagecausedbythalidomide.(R)-异构体：镇静剂，止吐剂，无致畸性(S)-异构体：强致畸性Thalidomide沙利度胺(反应停）NHONOOO一、平面偏振光、旋光性、旋光仪、旋光度和比旋光度光源光束先进方向光波振动方向与光束前进方向关系示意图普通光Nicolprism普通光平面偏振光平面偏振光：通过Nicol棱镜，仅在一个平面上振动的光。旋光仪的构造能使平面偏振光向右旋转(顺时针方向)的物质叫做右旋体，用符号(＋)或d表示；能使平面偏振光向左旋转(逆时针方向)的物质叫做左旋体，用符号(－)或l表示。旋光度和比旋光度的关系可用下式表示：[]为比旋光度；为旋光度；c为浓度(g·ml-1)，纯液体可用密度ρ；l为盛液管的长度，以dm为单位；D为光谱中的D线，波长相当于589nm(即钠光)。在描述一个物质的比旋光度时，应将测试条件全部表述清楚(包括溶剂)。如：肌乳酸[a]D25=+3.8o海洛因[a]D25=-166o(CH3OH)25D[]=cl×如何确定一个活性物质是+60o的右旋体还是-300o的左旋体？二、产生旋光异构现象的原因任何一个不能和它的镜像完全重叠的分子称为手性分子。所谓手性(chirality)，就是指实物与镜像对映而不能完全重叠的特性，就如同左手与右手的关系一样。左手的镜像是右手对映关系左手镜右手实物与镜像镜面物质产生旋光性的根本原因是分子的手性，即任何一个具有旋光性的分子必定是手性分子。手性分子通常必定产生旋光性，但也有极少数手性分子没有或旋光活性很小，或者在某些波长的光段不表现出旋光性。如何判断一个分子有无手性？对称因素：1.对称面凡有对称面的分子，不具旋光性，也没有对映异构体。CCHClClClHCCH3HClCOOHOHHCOOHOHHHCOOHHHOOC有对称中心的分子不具手性，也无旋光性2.对称中心iHFHClClFHHCH2CH2CH2CH2ClClHHHHCH3CH3BrBr3.四重交替对称轴(旋转反映轴,或更迭对称轴)如果一个分子沿轴旋转90，再用一面垂直于该轴的镜子将分子反射，所得的镜像如能与原物重合，此轴即为该分子的四重交替对称轴(用S4表示)ClClClCl90oClClClClClClClCl实物绕轴旋转90o镜面镜像一般地说，物质分子凡在结构上具有对称面或对称中心的，就不具有手性，也就没有旋光性。反之，同时不具有对称面和对称中心的分子就有手性和旋光性。有机化合物分子具有手性的最常见情况是存在手性碳原子。手性碳原子是指与4个不相同的原子或原子团相连的碳原子，常用“*”号标出。如：必须指出的是：1.有手性碳原子的分子并不一定是手性分子。2.没有手性碳原子的分子并不一定不是手性分子。3.一个分子中只有一个手性碳原子时，则它一定是手性分子。4.手性碳原子是判断分子是否手性的重要依据之一。COOHCHCH3OH*COOHCHCH3NH2*三、费歇尔(Fischer)投影式费歇尔投影是将一个立体模型在纸平面上投影而得到的式子，投影的原则是“横前竖后”。费歇尔投影式中，通常省去*C，而用十字交叉线表示。我们通常使用“标准”的费歇尔投影式，即按系统命名法原则取其主链竖向排列，把氧化态高的碳原子或“1”号碳原子放在上方。COOHHOHCH3(Ⅰ)如何判定不同Fischer投影式是否为同一构型？1．不离开纸平面旋转180˚投影式相同，构型相同，如(Ⅰ)和(Ⅱ)，(Ⅲ)和(Ⅳ)。2．同一手性碳原子上基团进行偶次交换后投影式相同，构型相同。COOHHHOCH3OHH3CCOOHHHHOOCCH3OH(Ⅳ)(Ⅱ)(Ⅲ)COOHHOHCH3(Ⅰ)HCH3OHCOOH(V)含一个手性碳原子的化合物，可以有两种空间构型，如乳酸。乳酸的立体模型费歇尔投影式COOHHOHCH3COOHHOHCH3对映体(Enantiomers):互为实物与镜像关系，不能相互重叠的两个立体异构体.非手性环境中，对映体的物理、化学特性没有区别，仅旋光方向不同。若与手性试剂反应，化学性质相似，但反应速度有差异。生理活性不同外消旋体(RacemicMixtures):等量的左旋体与右旋体的混合物;用(±)或(dl)表示————无旋光性。外消旋体可拆分成左旋体与右旋体。手性分子与手性生物受体之间的相互作用a.对映体的构型完全适合与受体靶位作用b.对映体不能合适地进入相同的受体靶位手性分子的立体结构与受体的立体结构(受体靶位)有互补关系时，其活性部位才能进入受体的靶位，产生应有的生理作用。而一对对映体只有其中一个适合进入一个特定受体靶位，产生生理效应。四、旋光异构体构型的表示方法1.D/L构型标记法——相对构型以甘油醛为标准，人为规定：标准的费歇尔投影式中羟基在碳链右边的为D型，它的对映体为L型。D-(＋)-甘油醛L-(－)-甘油醛(Ⅰ)(Ⅱ)CHOHOHCH2OHCHOHOHCH2OH凡可以从D-甘油醛通过化学反应而得到的化合物，或可以转变成D-甘油醛的化合物，都具有与D-甘油醛相同的构型，即D型。与L-甘油醛的相同构型的化合物则是L型。D-(＋)-甘油醛D-(－)-甘油酸D-(－)-乳酸D-(－)-乳酸L-(＋)-乳酸这种人为规定的构型，叫做相对构型。旋光性化合物的旋光方向与构型之间没有固定的关系，一个D型化合物可以是左旋的，也可以是右旋的。D-L构型表示方法中，费歇尔投影式必需是标准的,如果投影式不符合这样的规定，应按前述两种方法加以调整。D-L构型表示法有一定的局限性。CHOHOHCH2OHOHCOOHHOHCH2OHCOOHHOHCH3COOHHOHCH3COOHHOHCH3与手性碳相连的四个共价键未发生断裂2.R/S构型标记法——绝对构型根据基团的顺序规则，确定与手性碳原子相连的4个基团优先顺序的大小，假设顺序为a＞b＞c＞d。将优先顺序最小的基团d处于眼睛对面最远的位置上，然后再看a→b→c的排列顺序，如顺时针方向的定为R构型(拉丁文Rectus的缩写)，假若a→b→c是逆时针方向的则定为S构型(拉丁文Sinister的缩写).R构型S构型(a→b→c顺时针)(a→b→c逆时针)R-S命名法R-S构型法标记时，无须调整费歇尔投影式为标准的。SRClC2H5CH3H还原为立体式ClHCH3C2H5S-2-氯丁烷HOCCH2CH3HCH3HOCCH2CH3HCH3下面介绍一个将Fischer投影式和R-S构型联系起来的简单方法。(1)小横反。(2)小竖同。bcdaadbc(S)(R)dacbcbad(R)(S)(基团的顺序为a＞b＞c＞d)SSRSC6H5CNHH2NHNH2CH2SHCH2OHCHOHCH2OCH3CH3HHOOCOHCH3CO，，，COOHHClOHCOOHH32(2S,3R)-2-羟基-3-氯丁二酸CCHHCH3HCH3CCHHCH31234567大中注意：取代基互为对映体时，R-优于S-；R,R-优于R,S-，S,S-优于S,R-取代基互为顺反异构体时，Z优于E；顺优于反(2Z,4R,5E)-4-甲基-2,5-庚二烯R-S标记法应用较广泛，当分子中含有多个手性碳原子时，它能标记出每一个手性碳原子的构型。与D-L构型法相比，它能更完整，更准确的描述一个分子的空间构型。但目前D-L构型标记法仍在使用，特别是糖类化合物和氨基酸。应该指出，D/L与R/S无对应关系五、旋光异构体的数目与对映体、非对映体、内消旋体1.含有一个手性碳原子的化合物，有两个旋光异构体(一对对映体)和一个外消旋体；2.含有两个不相同手性碳原子的化合物，有四个旋光异构体(两对对映体)和两个外消旋体。非对映体(Diastereomers)之间虽然互为旋光异构体，但相互之间没有实物和镜像的关系，它们的旋光性、比旋光度、生理活性和物理性质都不一样。在化学性质上，虽然发生类似的反应，但反应速度亦不一样。含有n个不相同手性碳原子的化合物：旋光异构体的数目=2n；对映体的成对数目=2n/2；外消旋体数目=2n/2；（n为不相同的手性碳原子数）3.含有两个相同的手性碳原子的化合物，它的旋光异构体的数目要少于2n。(Ⅰ)(Ⅱ)(Ⅲ)(Ⅳ)(Ⅲ)和(Ⅳ)从表面上看是一对对映体，实际上为同一个化合物，这两个投影式代表同一个构型。分子内含有对称平面的没有旋光性的立体异构体称为内消旋体，用符号m或meso表示。酒石酸实际上只有3个旋光异构体，数目少于2n。COOHHOHOHCOOHHHOHO32COOHHCOOHH32COOHHHOOHCOOHHOHHO32COOHHCOOHH322R,3R2S,3SR,S含有n个手性碳原子的化合物，最多可能有2n个旋光异构体注意：只要分子中任何一种构象有对称面或对称中心，分子就必然是非手性的（其它有手性的构象都会成对地出现，且在构象平衡中所占的百分含量相等）(II)与(III)是一对对映体，其内能相等，在构象平衡中所占的百分含量相等4.赤式和苏式若一个化合物分子中含有两个手性碳原子，而两个手性碳原子上又至少有一个基团相同，则其构型除用R-S和D-L标记外，还常用所谓“赤式”(erythro)和“苏式”(threo)来标记。将两个相同基团写在费歇尔投影式横线上，若这两个相同基团在主链同侧，则称为赤式；反之，若两个相同基团在异侧，则称为苏式。赤式苏式若b与d、R与R’相同，内消旋体b和d可相同，也可不同RR'RR'aabd**aabd**麻黄碱的四个异构体：C6H5CH3**HHHOH3CHNC6H5CH3**HHOHNHCH3C6H5CH3**HHHOH3CHNC6H5CH3**HHOHNHCH3赤型-(-)-麻黄碱赤型-(+)-麻黄碱苏型-(+)-伪麻黄碱苏型-(-)-伪麻黄碱丁醛糖的四个异构体：(i)(ii)(iii)(iv)(2R,3R)-(-)-赤藓糖(2S,3S)-(+)-赤藓糖(2S,3R)-(+)-苏阿糖(2R,3S)-(-)-苏阿糖CHOCH2OHHHHOHOSSCHOCH2OHOHOHHHRRCHOCH2OHHHOOHHSRCHOCH2OHOHHHHOSR5.差向异构体两个含多个手性碳原子的异构体，如果只有一个手性碳原子的构型不同，则这两个旋光异构体称为差向异构体。如果构型不同的手性碳原子在链端，称为端基异构体。其它情况，分别根据C原子的位置编号称为Cn差向异构体。()阿拉伯糖()来苏糖()木糖CH2OHOHHOHHHOHCHOCH2OHHHOHHOHOHCHO(i)(ii)CH2