1、第五章 立体化学基础,第一节 手性分子和对映体,第二节 费歇尔投影式,第三节 旋光性,第四节 构型标记法,第五节 外消旋体,第六节 非对映体和内消旋化合物,第七节 无手性碳原子的对映体,第八节 外消旋体的拆分,对映异构又叫光学异构或旋光异构。它是一类与物质的旋光性质有关的立体异构。,第五章 立体化学基础：手性分子 第一节 手性分子和对映体(一、手性),上页,下页,首页,Constitutionalisomer,Stereoisomer,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CH3CH(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
2、，叫做左旋乳酸。,L-()-乳酸 D-()-乳酸,第五章 立体化学基础 第三节 旋光性 (一、偏振光和旋光性),第三节 旋光性,一、偏振光和旋光性,上页,下页,首页,光波振动方向与光束前进方向关系示意图,普通光,平面偏振光：通过Nicol棱镜，仅在一个平面上振动的光。,第五章 立体化学基础 第三节 旋光性 (一、偏振光和旋光性),上页,下页,首页,化合物能使偏振光的偏振面旋转的性能称为旋光性(optical activity)。,二、旋光度与比旋光度,（一）旋光度,通常用旋光仪测定物质的旋光性，偏振面被旋光性化合物所旋转的角度称为旋光度, 用 表示 。,旋光仪的构造能使平面偏振光向右旋转(顺时
3、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。,（二）比旋光度 (specific rotation),为了使一个化合物的旋光度成为特征物理常数，通常用1dm长的旋光管，待测物质的浓度为1g/ml，用波长为589nm的钠光(D线)条件下，所测得的旋光度，称为比旋光度。,t: 测定时的温度(C) D: 钠光D线，波长589nm : 实验观察的旋光值() l: 旋光管的长度(dm) C: 溶液浓度(g/ml),(纯液体用密度g/cm3),第五章 立体化学基础 第三节 旋光性 (二、旋光度与比旋光度),上页,下页,首页,例题：
4、将胆固醇样品260mg溶于5ml氯仿中, 然后将其装满5厘米长的旋光管, 在室温（20）通过偏振的钠光测得旋光度为-2.5, 计算胆固醇的比旋光度。,答：胆固醇的比旋光度为96(氯仿)。,=,=96,文献中通常用如下格式报导一个旋光性化合物的比旋光度值：,D20 = +98.3o (c 0.05, CH3OH),第五章 立体化学基础 第三节 旋光性 (二、旋光度与比旋光度),上页,下页,首页,第一节 手性分子和对映体,一、手 性,观察自己的双手, 左手与右手有什么联系和区别？,第五章 立体化学基础：手性分子 第一节 手性分子和对映体(一、手性),上页,下页,首页,左右手互为镜像与实物关系(称为
5、对映关系)，彼此又不能重合的现象称为手性。,二、手性分子和对映体,任何物体都有它的镜像，一个有机分子也会有它的镜像。,若实物与其镜像能够完全重合，则实物与镜像所代表的两个分子为同一个分子。,所有基团都重合,丙酸分子没有手性,第五章 立体化学基础 第一节 手性分子和对映体(二、手性分子和对映体),上页,下页,首页,但有些分子如乳酸, 两个互为实物与镜像关系的分子不能重合。,不能与其镜像重合的分子称为手性分子(chiral molecule)。,它们是彼此成镜像关系，又不能重合的一对立体异构体，互称为对映异构体(enantiomer) 。,第五章 立体化学基础 第一节 手性分子和对映体(二、手性分
6、子和对映体),上页,下页,首页,一对对映体的比旋光度大小相等，方向相反。,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。,手性分子的结构特点是分子内部无对称因素。分子内部存在对称因素，该分子肯定是非手性分子。对大多数有机化合物来说，对称面、对称中心是最常见的对称因素。,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。,Cl,F,F,H,H,H,H,Cl,对称中心 若分子中有一点P，通过P点画任何直线，如果在离P点等距离的直线两端有相同
7、的原子或基团，则点P称为分子的对称中心。,具有对称中心的化合物和它的镜象能够重合，因此不具有手性.,P,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。,问题：下列化
8、合物哪些含手性碳原子？,4.,5.,1. CH2Cl2,2. CHCl3,3.CH3CHClCH2CH3,6.,7.,8.,第五章 立体化学基础 第一节 手性分子和对映体(二、手性分子和对映体),上页,下页,首页,四、判断手性的方法,第五章 立体化学基础 第一节 手性分子和对映体(四、判断对映体的方法),1. 最直接的方法是建造一个分子及其镜像的模型。如果两者能重合，说明分子无手性，没有对映异构现象；如果两者不能重合，则为手性分子，有对映异构 现象，存在对映体。,2. 考察分子有无对称现象（对称面和对称中心）。如果分子有对称现象，则该分子与其镜像就能重合，没有手性。,3. 大多数情况下，可根据
9、分子中是否存在手性碳原子(或手性中心) 来判断分子是否有手性。,上页,下页,首页,问题：下列化合物是否存在对映异构体？,第五章 立体化学基础 第一节 手性分子和对映体(四、判断手性的方法),上页,下页,首页,第五章 立体化学基础 第二节 费歇尔投影式,第二节 费歇尔投影式,对映异构体的结构可以用模型、透视式(立体结构式) 或费歇尔(Fischer)投影式表示。,(一) 三维模型,上页,下页,首页,(二) 立体结构式,第五章 立体化学基础 第二节 费歇尔投影式,上页,下页,首页,(三) 费歇尔投影式,写Fischer投影式的要点： (1) 水平线和垂直线的交叉点代表手性碳，位于纸平面上。(2)
10、连于手性碳的横键代表朝向纸平面前方的键。(3) 连于手性碳的竖键代表朝向纸平面后方的键。,横前 竖后,第五章 立体化学基础 第二节 费歇尔投影式,上页,下页,首页,在符合“横前竖后”规则的前提下,亦可得到不同Fischer投影式。,第五章 立体化学基础 第二节 费歇尔投影式,上页,下页,首页,严格的Fischer 投影式：一般将主链放在竖直线上，把命名时编号最小的碳原子放在上端 ( 主链下行) 。,可用以下方法判断不同 Fischer 投影式是否表示相同构型的化合物。,(1) Fischer式的平移或纸平面内旋转180，其构型不变。 但Fischer式不能离开纸面翻转或沿纸面旋转90 (或27
11、0)。,(2) Fischer 式中同一个手性碳上所连原子或基团两两交换偶数次，其构型不变。,第五章 立体化学基础 第二节 费歇尔投影式,上页,下页,首页,同一个异构体可以用几种不同的方法表示其立体结构。如：2R,3S-2,3,4-三羟基丁醛：,Fischer投影式,立体结构式,锯架式,Newman投影式,第五章 立体化学基础 第二节 费歇尔投影式,上页,下页,首页,第五章 立体化学基础 第二节 费歇尔投影式,上页,下页,首页,第五章 立体化学基础 第四节 构型标记法 (D/L构型标记法),第四节 构型标记法,构型是指一个特定立体异构分子中的原子或基团在空间的排列方式。对映异构体的构型一般指手
12、性中心所连的四个不同原子或原子团在空间排列的顺序。,一、D/L 构型标记法 相对构型,上页,下页,首页,以甘油醛为标准，人为规定：严格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 () (),以甘油醛为基础, 通过化学方法合成其它化合物, 如果与手性原子相连的键没有断裂, 则仍保持甘油醛的原有构型。,第五章 立体化学基础 第四节 构型标记法 (D/L构型标记法),上页,下页,首页,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。D-L
13、构型表示方法中，费歇尔投影式必需是严格的, 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。,二、R/S 构型标记法 绝对构型,第五章 立体化学基础 第四节 构型标记法 (R/S构型标记法),上页,下页,首页,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abcd。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abc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abc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(abc顺时针) (abc逆时针) R-S命名法R-S
14、构型法标记时，无须调整费歇尔投影式为严格的。,第五章 立体化学基础 第四节 构型标记法 (R/S构型标记法),上页,下页,首页,下面介绍将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。,(基团的顺序 为abcd),S S R S,第五章 立体化学基础 第四节 构型标记法 (R/S构型标记法),上页,下页,首页,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。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。D/ L 与R/S无对应关系无论是 D/L 还是 R/S 标记方法，都不能通过其标记的构型来判断旋光方向
15、。,第五节 外消旋体,第五章 立体化学基础 第五节 外消旋体,一对对映体的等量混合物称为外消旋体(racemic mixture 或 racemate)。通常用() 或 dl 表示。外消旋体是混合物。,一对对映体具有相同的熔点、沸点、密度、pKa, 两者的比旋光度大小相等，方向相反。外消旋体的物理性质与单一对映体有些不同，它不具有旋光性，熔点、密度和溶解度等常有差异。但沸点与纯对映体相同。,上页,下页,首页,第六节 非对映体和内消旋化合物,第五章 立体化学基础 第六节 非对映体和内消旋化合物,一、非对映体,含有n 个不相同手性碳原子的化合物,其光学异构体的数目是 2n 个！如2,3-二氯丁醛有
16、4个光学异构体。,( a ) ( b ) ( c ) ( d ),2S,3R,2R,3S,2S,3S,2R,3R,上页,下页,首页,( a ) ( b ) ( c ) ( d ),(a)和(c)是彼此不成镜像关系的光学异构体, 叫作非对映体(diastereomers); 同样, (a)和(d)之间也是非对映体。彼此不成镜像关系的立体异构体叫非对映体。,非对映体具有不同的物理性质。如沸点、溶解度、旋光性等都不相同。,第五章 立体化学基础 第六节 非对映体和内消旋化合物,上页,下页,首页,二、内消旋化合物,酒石酸分子中有2个相同手性碳。如果按照 2n 规则, 可有 4个立体异构体。但实际上酒石酸
17、分子只有3个立体异构体。,( a ) ( b ) ( c ) ( d ),(a) 和 (b) 是对映体 (a) 和 (c) 是非对映体 (b) 与 (c) 是非对映体,2R,3R,2S,3S,2R,3S,2S,3R,第五章 立体化学基础 第六节 非对映体和内消旋化合物,上页,下页,首页,( a ) ( b ) ( c ) ( d ),将 (d) 在纸平面上旋转180，就和 (c) 完全相同。,象 (c) 这种构型的分子, 虽然有两个手性中心, 但作为分子整体来说是非手性的。 (c) 称为内消旋化合物 (meso compound)，用符号m或meso表示。,内消旋化合物是纯净物，不具有旋光性。
18、,第五章 立体化学基础 第六节 非对映体和内消旋化合物,上页,下页,首页,由于内消旋体的存在，酒石酸只有三种立体异构体, 其数目少于按照 2n 规则所预测的数目。,酒石酸立体异构体的物理性质,第五章 立体化学基础 第六节 非对映体和内消旋化合物,上页,下页,首页,问题：,(1) 用Fischer 投影式写出 2,3,4-三羟基丁醛所有的光学异构体，并指出各异构体之间的关系（对映体、非对映体或内消旋体？） (2) 将 ()、(+) 和内消旋酒石酸三者等量的混合物进行分步结晶，可得到两部分均无旋光性的结晶。是哪两部分?,第五章 立体化学基础 第六节 非对映体和内消旋化合物,上页,下页,首页,第七节
19、 无手性碳原子的对映体,第五章 立体化学基础 第七节 无手性碳原子的对映体,大多数具有旋光性的化合物分子内都存在手性碳原子。但还有一些化合物虽无手性碳，就整个分子而言却包含手性因素，使它与其镜像不能重合。这类分子也是手性分子。,1. 单键旋转受阻的联苯型化合物,一对对映体,上页,下页,首页,2. 丙二烯型化合物,当AB时，I 和 II 互为镜像。彼此不能重合, 为一对对映体。,1,3-二氯丙二烯之所以具有手性, 是因为分子的一半与另一半相互垂直。,(+)-1,3-二氯丙二烯,(-)-1,3-二氯丙二烯,第五章 立体化学基础 第七节 无手性碳原子的对映体,上页,下页,首页,*3. 螺苯型化合物,
20、()-6-螺苯,(+)-6-螺苯,已拆分出六螺旋环烃的一对对映体。并已合成了九螺旋环烃及十二螺旋环烃。,第五章 立体化学基础 第七节 无手性碳原子的对映体,上页,下页,首页,问题：下列哪些化合物为手性分子？,2,7-二氯螺3.5壬烷,1-亚乙基-4-氯环己烷,2,3-戊二烯,1,2-丁二烯,第五章 立体化学基础 第七节 无手性碳原子的对映体,上页,下页,首页,1）物理性质 对映体：旋光方向不同，其他物理性质（熔点、沸点、溶解度、电离常数等）相同。非对映体：物理性质不同，包括旋光性（旋光方向可相同可不同，内消旋体则无旋光性）。非对映体之间可采用分步结晶、分馏等手段进行分离。2）化学性质 对映体：
21、与非手性试剂反应时化学性质相同，反应速度也相同；若与手性试剂反应，化学性质相似，但反应速度有差异。非对映体：官能团相同，化学性质相似，但反应速度存在差异。尤其是酶催化的反应，差别更大。,对映异构体的性质,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。,对映体和非对映体的生物学性质往往大不相同。,如：(1R,2R)-(-)-氯霉素有效，而其他对映体几乎无效，它们的抗菌活性为100:0.4。 (+)-多巴无生理效应；而(-)-多巴可抗帕金森病,3）生物学性质,手性分子与手
22、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,第八节 外消旋体的拆分,第五章 立体化学基础 第八节 外消旋体的拆分,立体异构体倘若是非对映体关系, 可以通过分步结晶或者蒸馏的方法分离, 因为非对映体具有不同的物理性质。,一对对映体间除了比旋光度值相等, 旋光方向相反外, 其它物理和化学性质相同。所以不能设想通过蒸馏或分步结晶的方法拆分外消旋混合物。,最常用的化学拆分法是把一对对映体设法转变为非对映体。再用分步结晶方法或蒸馏方法分开。,上页,下页,首页,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。,非对映体,物理方法分离,(SS) -盐,(RS) -盐,第五章 立体化学基础 第八节 外消旋体的拆分,上页,下页,首页,仍为一对对映体,()-乳酸,第五章 立体化学基础 第八节 外消旋体的拆分,上页,下页,首页,()-乳酸,()-奎宁-(+)-乳酸盐,()-奎宁-()-乳酸盐,()-奎宁,第五章 立体化学基础 第八节 外消旋体的拆分,上页,下页,首页,
