1、第四章 对映异构与非对映异（Chapter 4,4.1 手（征）性与手（征）性分子 4.2 平面偏振光和旋光活性 4.3 分子的对称性与手（征）性 4.4 Fischer投影式与手性碳原子的构型标记法 4.5 含两个不同手性碳原子化合物的对映异构现象 4.6 含两个相同手性碳原子化合物的对映异构现象 4.7 环状化合物的立体异构 4.8 不含手性碳原子化合物的对映异构现象 4.9 对映异构体的性质及研究意义 4.10 获得对映异构体的化学方法,立体异构体,分子的构造：分子中的各原子的连接顺序与成键方式（单键、双键、三键）。分子的构型：表示分子中原子或基团在空间排列方式。立体异构体：分子中的原子
2、或基团空 间排列或位置不同而导致的异构体。,外消旋体的拆分（Resolution）,巴斯德，L. Louis Pasteur (18221895),1848年，巴斯德借助放大镜拆分,外消旋的酒石酸钠铵,(R)型,有效，不致畸形,(S)型，致畸形,Thalidomide(反应停) 镇静和止吐药物,(-)-L-DOPA治疗帕金森氏病,(+)-D-DOPA 在体内集聚，不能被代谢,反应停事件 : 反应停是外消旋的酞胺哌啶酮，用于疗孕妇呕吐，导致了1.2万个畸形婴儿。,(S)-天冬酰胺 苦味,(R)-天冬酰胺 甜味,麻醉剂,致痉挛,巴比吐酸衍生物,同分异构体的类型,4.1.1 手性,image and
3、 mirror image non-superposeble,手性: 实物与其镜象不能完全重叠的性质，也叫手征性。,4.1 手（征）性与手（征）性分子 Chirality and Chiral Molecule,Chirality in Plant,Chirality in Tools,Chrirality in Art,Figure 4.1 A Molecule of lactic acid and its mirror image,a b,4.1.2 手性分子,Figure 4.2 The molecule is super imposable on its mirror image,CO
4、OH,COOH,CH3,OH,OH,定义：任何一个不能和它的镜象完全重叠的分子，也称不对称分子。 凡是手性分子都具有旋光活性。,手性分子,手性(chirality)：实物和其镜像不能重叠的现象 Chiral is derived from the Greek word cheiros, meaning “hand”.,手性分子（chiral molecules）：有手性现象的分子,手性分子,非手性分子,非手性分子：与镜像相重合 （非手性分子不含有手性碳）,对映异构,对映异构现象：分子式相同，构造式也相同，但由于原子在空间的排列顺序不同而使两种异构体互为实物与镜象或左右手的关系而不能完全重叠的现
5、象。 对映异构体：互为实物与镜象的关系，而不能完全重叠的异构体，简称对映体。,图4-3 光的传播,光波是电磁波，振动方向与传播方向垂直 普通光和单色光可在垂直于光波前进方向的所有可能平面上振动,光的传播方向,A,B,C,D,4.2 平面偏振光和旋光活性 4.2.1 平面偏振光,平面偏振光：只在同一个平面内振动的 光，简称偏振光。,Figure 4.4 The nature of plane-polarized light,4.2.2 物质的旋光性,Figure 4.5 Ability of a molecule to rotate plane-polarized light,几个基本概念,物质
6、的旋光性：物质能使偏振光的振动平面旋转的性质，也叫光学活性 右旋体：使偏振光的振动平面向右（顺时针）旋转的物质（+） 左旋体：使偏振光的振动平面向左（反时针）旋转的物质（-） 外消旋体：等量的左旋体和右旋体组成的混合体系()- 乳酸，可拆分 旋光度：旋光性物质使偏振光振动平面旋转的角度（）,4.2.3 旋光仪（polarimeter）,图 4.6 WXG-4 圆盘旋光仪 （手动测量，测量范围： 180o, 准确度：0.05o）,a-光源 b-起偏镜 c-盛液管 d-检偏镜 e-刻度盘,a,b,c,d,e,其他类型旋光仪,（测量范围： 180o ，测量精度：0.02o 仪器自动显示测量值, 避免
7、读数误差）,图4.7 WXG-5半自动旋光仪,工作模式: 旋光度、比旋度、溶液浓度和糖度, 自动重复测6次并计算平均值和均方根,有RS232接口，可向PC机传送数据,测量范围：45 ，120Z (糖度) 准确度：(0.01+测量值0.05%), (0.03Z+测量值0.05%),图4.8 WZZ-3数字自动旋光仪,4.2.4 比旋光度,定义：规定溶液的浓度为1g.ml-1,盛液管长度为1dm时测得的旋光度。,比旋光度与旋光度的换算,=,cL,t,t,L为旋光管长度， 单位dm C为溶液浓度， 单位g.ml-1,练习,（2008农学联考）,25/ (0.1g.mL-12.5dm) = +100,
8、对称面（Plane of symmetry) 对称中心 (Center of symmetry) 手性碳原子(Chiral carbon ),4.3 分子的对称性和手（征）性,对称面,对称面：把分子分为实物与镜象关系的平面。,（a）原子在一个平面内 （b）原子不在一个平面,（a）,（b）,对称中心：分子中的一个点，从这个点往分子中各基团拉连线，这个点成为连线的中心，并且连线两端的基团相同，该“点”即分子的对称中心。,对称中心,.,手性碳原子：和四个不相同的原子或基团相连的碳原子。,手性碳原子,*,*,分子中只含有一个手性碳原子的分子为手性分子。没有对称面与对称中心的分子是手性分子。,总结：判断
9、手性分子的一般规则,练习：判断下列分子是否具有手性？,*,*,4.4 Fischer投影式与手性碳原子的构型标记法 4.4.1 构型的表示方法,模型 透视式 Fischer投影式,乳酸对映体的透视式,手性碳原子C*在纸面上。 用正常粗细实线表示与C*相连的原子或原子团在纸面上。 用虚线表示与C*相连的原子或原子团伸向纸面后方。 用楔形（或粗实线）表示与C* 相连的原子或原子团伸向纸面前方。,费歇尔(Fischer E)投影式,H,H,CH3,CH3,D乳酸的Fischer 投影式,COOH,COOH,费歇尔(Fischer E)投影式的写法,用“+”的交点代表手性碳原子，四端与四个 基团相连。
10、 将碳链放在竖直线上，氧化态较高的碳原子或主链的1号碳原子在上，以竖直线相连的基团表示伸向纸后。 以水平线相连的基团表示伸出纸面。,4.4.2 构型的命名法,DL命名法（相对构型） RS命名法（绝对构型） R：拉丁文rectus（右） S：拉丁文sinnister（左）,DL命名法,D-(+)-甘油醛 L-(-)-甘油醛,1951年以前, 不能测定化合物的绝对构型。相对构型：将甘油醛以Fischer投影式书写，手性碳原子上所连的羟基在右边的为D-型，在左边的为L-型。用化学反应将手性化合物与甘油醛相关联，确定D,L构型。碳水化合物和氨基酸用D,L-构型表示。,RS命名法,首先按“次序规则”将与
11、手性碳原子相连的四个基团确定先后顺序。,然后把排列次序最小的基团放在离观察者最远的位置，将其它三个基团从大到小排序，若为顺时针方向，则为R，若反时针方向则为S。,（R）- 2-丁醇,重键的分解方法,与手性碳原子相连的原子A若以双键或叁键与另一个原子B相连, 则相当于A与两个B或三个B相连。,练习,(+)-,标出（）乳酸分子中手性碳原子的绝对构型。,R乳酸的Fischer投影式是（ ）。 （2008农学联考）,练习,（2009农学联考）,D,含有两个不同手性碳原子的化合物有四种不同构型的分子。AR AS AR ASBR BS BS BR,分子中含有n个不同的手性碳原子，则有2n个对映异构体。,4
12、.5 含两个不同手性碳原子化合物的对映异构现象,2,3,4-三羟基丁酸的对映异构体的Fischer投影式,a (2R,3R ) b(2S,3S) c (2R,3S) d (2S,3R),凡是不是实物与镜像对映关系的旋光异构体均称为非对映异构体。 例：a和d, a和c, b和c, b和d,4.6 含有两个相同手性碳原子的化合物,含有两个相同手性碳原子的化合物有三个对映与非对映异构体（旋光）。,a(2R,3R) b(2S,3S) c(2R,3S) d(2S,3R),=,内消旋体,定义：可以用平面将分子分成实物和镜影关系的两半, 两个不对称原子的旋光性相反, 整个分子没有旋光活性的异构体 (meso
13、)。,顺-1,2-二氯环戊烷 反-1,2-二氯环戊烷,S,R,S,S,R,R,4.7 环状化合物的立体异构,立体异构：顺反异构、对映异构,4.8 不含手性碳原子化合物的对映异构现象,思考： 含有手性碳原子是分子具有手性的充分必要条件？,丙二烯型化合物,sp,sp2,sp2,图4-11 丙二烯键立体结构示意图,手性轴,图4-9 丙二烯原子轨道示意图,2，3-戊二烯的对映异构体,C,C,C,C,C,C,2,3,1,丙二烯的两个端碳原子上各自连有不同的基团，为手性分子。,2-甲基-2，3-戊二烯,有对称面，非手性分子,单键旋转受阻的联苯型化合物,6,6-二硝基联苯-2,2-二甲酸的旋光异构体联苯的4
14、个-位都连有较大的基团，而且同一苯环上连着的两个基团不同，为手性分子,2，6-二氯-2，6-二溴联苯,有对称面，非手性分子,4.9 对映异构体的性质及研究意义 4.9.1 物理性质,熔点、沸点，在非手性溶剂中的溶解度等完全相同。 旋光度相同，旋光方向相反。 非对映异构体的物理性质不同，化学性质基本相同，但同一反应中，反应速率不同。 外消旋体有固定的熔点，且熔程很窄。,表4-2 一些旋光异构体的物理性质,名称 熔点/ 比旋光度 溶解度g.(100g水)-1(+)-乳酸 53 +3.8 (-)-乳酸 53 -3.8 ()-乳酸 16.8 - (+)-苹果酸 100 +2.3 (-)-苹果酸 100
15、 -2.3 ()-苹果酸 128.5 - 144 (+)-酒石酸 170 +15 139 (-)-酒石酸 170 -15 139 ()-酒石酸 206 - 20.6 (meso)-酒石酸 146 -148 - 125,4.9.2 化学性质,对映体异构体与非手性试剂作用完全相同。 对映异构体与手性试剂作用或在手性溶剂或手性催化剂的作用下，二者的反应速率不同。,4.9.3 研究意义,生物体内几乎所有的化学反应都需要酶催化，而酶对底物具有极高的立体结构的要求，所以不同立体结构的异构体一般具有极不相同的生理作用。,Fig. 4-10 Enzyme-substrate complex,表4-3 手性药物
16、的对映体的不同作用,药物名称 药物的治疗作用有效对映体和作用 另一种对映体和作用 反应停 S-构型，镇静剂 R- 构型，致畸胎 青霉素胺 S,S- 构型 ，抗关节炎药 R,R- 构型，突变剂 乙醇丁胺 S,S-构型，抗结核菌 R-构型，导致失明 酮基布洛酚 S- 构型，抗炎 R-构型，防治压周炎,手性药物指导原则,一个含手性因素的化学药物，必须说明其两个对映体在体内不同的生理活性、药理作用和代谢过程，以及考虑单一对映体的问题。FDA 1992年3月,4.10 获得对映异构体的方法,外消旋体的拆分: 化学分离法、晶种结晶法、色谱分离法 化学计量不对称合成：手性试剂 不对称催化反应：手性催化剂,不
17、对称合成,无手性条件下的合成反应，得到外消旋体。不对称合成: 当在手性条件下进行的反应，产物中某一对映异构体的量占优势，使反应产物具有旋光活性，这种合成反应也叫手性合成。,2001年度诺贝尔化学奖获得者及其主要贡献 Willam S. Knowles主要贡献,威廉诺尔斯：1942年获美国哥伦比亚大学博士学位，曾就职于孟山都公司，主要开发了不对称氢化反应的手性催化剂。,L-多巴（治疗帕金森综合症）的合成,Ryoji Noyori 的主要贡献,野依良治：1967年获日本京都大学博士学位，1972年任日本名古屋大学教授，完善了用于不对称氢化反应的手性催化剂工艺。,萘普生（抗炎镇痛）的合成,K. Barry Sharpless的主要贡献,巴里 夏普斯：1941年生于费城，1968年获斯坦福大学博士学位，美国加州斯克里普斯研究所化学教授，开发了不对称氧化反应的手性催化剂。,紫杉醇（抗癌药）边链的合成,用手性锇催化剂催化烯烃的不对称双羟基化反应。,
