1、1,第七章:立体化学,2,第七章 立体化学,本章讲授提要,第一节：同分异构的分类 第二节：平面偏振光与比旋光度 第三节：对映异构现象与分子结构的关系 第四节：Fischer投影式 第五节：相对构型与绝对构型 第六节：含手性碳化合物的对映异构 第七节：环状化合物的立体异构 第八节：不含手性碳化合物的对映异构 第九节：旋光纯化合物的制备 第十节：反应中的立体化学,3,立体化学是研究化合物分子在三维空间的立体形象与其物理性质，反应性能以及生理活性之间的关系的科学。,立体化学起源于1848年， 28岁的法国年青 化学家巴斯德(Pasteur)将外消旋的酒石酸铵钠 的结晶，分离成左旋体和右旋体,从而发现
2、了对 映异构现象。立体化学是在研究天然产物的立 体结构与生理活性的基础上而发展起来的。立 体化学已成为化学学科的一个重要分支，研究 分子的立体结构与性能之间的关系已成为化学 的一项重要内容。,4,第一节 同分异构现象的分类,在有机化学中，同分异构现象极为普遍，在 分子结构的三个层次：构造、构型、构象中都存 在着异构现象。,5,第二节 平面偏振光和旋光性,一、平面偏振光,光具有波动性和粒子性，普通光可在垂直于它传播方向上的任何可能的平面上发生振动.,6,通过尼克尔棱晶后得到的只在一个平面上振动的光叫平面偏振光简称偏光,Nicol棱晶好象一个栅栏，只允许与棱晶晶轴相平行的平面内振动的光通过，而在其
3、它平面内振动的光线则被阻挡。,7,二、旋光性与比旋光度,1、物质的旋光性,光源,普通光,Nicol棱晶,偏振光,盛液管,偏光平面发 生了旋转,偏振光通过旋光性物质 时偏光平面发生的变化,8,旋光性：物质能使偏光平面发生旋转的性质叫物质的旋光性.,具有旋光性的物质叫旋光性或光活性物质,9,A：光源 B：起偏晶 C: 盛液管 D：检偏晶 E: 刻度盘 F：目镜 零点：起偏棱晶和检偏棱晶的晶轴相互平行时作为零点。（即刻度盘指在0位置） 若样品管中的物质无旋光性，B和D晶轴平行时，则视场F最明亮。B和D互相垂直时，则视场F最暗。,2、旋光仪,10,3、比旋光度,旋光度()不是物质的特征常数，它受光源波
4、长()温度(t)溶液浓度(c) 和盛液受长度L的影响，也就是说同一物质在不同的条件下测得的旋光度不同。,将可变因素固定后测得的旋光度才是物质 的特征常数叫比旋光度。,11,例:葡萄糖水溶液的比旋光度:,第三节 对映异构现象与分子结构的关系,一、对映异构现象的发现,1808年:Maluo首次发现平面偏振光 1813年:Biot发现某些物质能使偏光平面发生旋转 1848年:Pasteur在研究酒石酸铵钠的结晶时发现了对映异构现象,12,1848年法国巴黎师范大学化学家、微生物学家 Pasteur(18221895）在研究酒石酸铵钠晶体 时发现有两种不同的晶体：,化学给人以知识,化学史给人以智慧付
5、鹰,13,二、物质的手性,手性：物体与其镜像不能重迭的性质就叫手性源于人的左右手，相似而不相同。,手性分子：与其镜像不能重迭的化合物分子叫手性分子,手性碳原子( ):连接四个不同原子或基团的碳原子叫手性碳原子( ),凡是手性分子就一定具有对映异构体, 在绝大多数情况下手性分子具有旋光性。,14,例:,L（+）乳酸 D（-）乳酸,+3.82 -3.82,15,三、手性分子判断的依据,1、对称面：假若有一个平面能将分子分成实物与镜像的两部分,这个平面就叫分子的对称面。,有对称面的分子无手性,16,2、对称中心: 假若分子中有一点P,在所有通过该点的直线上 在距该点等距离处,具有相同的原子或基团,该
6、 点P就叫分子的对称中心。,P,有对称中心 的分子无手性,17,二重对称轴 四重对称轴 六重对称轴,3、对称轴:假若有一条穿过分子的直线,分子以它为轴旋转 后，分子得到与原来相同的形象,该直线就叫做分子的 n 重对称轴。,18,4、交替对称轴(或旋转反射轴),假若分子围绕一条穿过该分子的直线 旋转 之后,再用一面垂直于该直线 的镜子将分子反射,所得镜像若能与原 分子重合,该直线就叫做分子的n重交 替对称轴,19,具有2重 交替对称轴,有交替对称轴的分子无手性,20,对称元素 有无 判断结果对称面 有 分子无手性 对称中心 有 分子无手性 更替对称轴 有 分子无手性,注意：对称轴不能做为判断分子
7、是否具有手性的依据,21,例:,反-1,2-二氯环丙 烷有二重对称轴,但：分子有手性具有对映异构体,22,第四节 Fischer投影式,该投影式是由碳水化合物之父E.Fischer在研究碳水化合物时创立的.,右旋乳酸的Fischer投影式及其对映体,23,由于该式是用一个纸平面上的投影式来表 示分子的立体构型，所以它有一些专门的规定.,基本规定: 在横键上的原子或基团在纸面之前;在竖键上的原子或基团在纸面之后. 辅助规定：1、碳链写在竖键上，其它的原子或基团在横键上。2、编号小的碳原子写在竖键上端。,24,二、注意事项：1、投影式在纸面上旋转180构型保持不变。,25,2、投影式在纸面上旋转9
8、0构型改变.,3、投影式不能离开纸面翻转.,26,4、基团互换偶数次构型保持，基团互换奇数次构型改变。,将Fisher投影式的基本规定、辅助规定和注意事项可归纳如下: 竖向后，横向前，含碳原子上下连。转半圈，不能翻，编号小者在上端。偶次互换是原物，奇次互换构型变。,27,三、Fischer投影式与其它式子的关系:,Fischer投影,楔型式,锯架式,纽曼投影式,28,Fischer投影式表示的是能量较高的 不稳定的全重迭式构象，但是它与其它 式子相比，书写方便基团相互不掩盖， 用来表示开链化合物的立体异构体时很 方便。,29,第五节：相对构型与绝对构型,标定化合物的构型可以有效地区别立体异构,
9、 尤其是一对对映异构体.,一、相对构型,在1951年以前人们还无法测定化合物分 子的真实构型，为了区别一对对映异构体. 只好人为地指定一个标准，用人为指定的 标准来确定的化合物的构型的方法就叫相 对构型。,30,1906年美国纽约州立大学的M.A.Rosanoff提议:,将左旋甘油醛的OH写在Fischer投影式的左边，称定为L-构型；将右旋甘油醛的OH写在Fischer投影式的右边，称定为D-构型。其它的化合物与甘油醛相联系或相比较来确定自己的构型.,31,相联系:,相比较:,32,二、绝对构型,1、C* R 、S构型的标定法,当化合物分子的空间构型可以测定后，利 用次序规则给C*标定构型（
10、次序规则1956年由 Cahn-Ingold-Prelog提出，1970年IUPAC接受 了这一建议) 因为它反映的是分子中的原子或 基团在空间的真实排列状况，所以叫绝对构 型。,33,基本规定: 将C*上所连的四个原子或基团按照次序规则进行排列，观察者远离最小基,其余三个基团,假定: C*a b c d其优先次序为：abcd,34,小,大,大,中,中,小,35,36,例如:,2、对Fischer投影式中C* 构型的标定,（1）、当最小基在竖键上时:大中小 时针排列为 构型。,顺 逆,R S,观察者远离了最小基,37,观察者远离了最小基,38,（2）、当最小基在横键上时:大中小 时针排列为 构
11、型。,逆 顺,R S,例如:,最小基靠近了观察者,39,大中小基团虽顺时针排列，但因最小基 不是远离观察者，而是靠近观察者所以是S 构型。,40,第六节:含手性碳原子化合物的立体异构,一、含一个C*的化合物:,-3.82 +3.82,（）乳酸 （+）乳酸,R,S,41,对映异构体：互为实物与镜像关系的立体异构体叫对映异构体.,一对对映异构体:它们使平面偏振光旋转 的方向相反，角度相同。除了旋光方向外, 其它物理性质都相同；除了在手性条件下 外,通常条件下化学性质都相同。,外消旋体：等量的左旋体和右旋体组成的混合物叫外消旋体.,42,二、含两个C*的化合物:,1、含两个不相同C*的化合物:,43
12、,(1)(-)-赤藓糖,(2)(+)-赤藓糖,(4)(-)-苏阿糖,(3) (+)-苏阿糖,44,(1)与(2)，(3)与(4)分别是对映异构体；,(1)与(3)、(4)，(2)与(3)、(4) 分别是非对映异构体.,非对映异构体：不为实物与镜像关系的立体异构体叫非对映异构体.,45,2、含两个相同C*的化合物:,酒石酸,(1) (2),(3),(1)与(2) 是对映异构体,(3)是内消旋体,46,酒石酸的物理性质,内消旋体：分子中虽含有C*，但是分子具有对称因素(对称面或对称中心)旋光性在分子内部相互抵消，这样的立体异构体叫内消旋体。,47,三、含三个C*的化合物,1、含三个不相同C*的化合
13、物:,48,共有四对八个立体异构体.,2、含有三个C*但是两个C*相同的化合物.,三羟基戊二酸:,49,3、4中C3(3r，3s)叫假（伪）不对称碳原子， 在判断假（伪）不对称碳原子的构型时:R S,1 2 3 4,50,立体异构体数目的计算,含n个不相 2n个 无 同的C*时 含有相同的C*时： n为偶数时 2n-1个 2n/2-1 n为奇数时 2n-1个(立体异构体）2n-1/2,C*的类型 旋光异构体 内消旋体的数目 的数目,51,第七节 环状化合物的立体异构,写单环化合物的立体异构体时，可将环看 作平面来对待，思路：,先顺反后判断再照镜.,52,一、三元环,顺：有对称面是内消旋体,反:
14、有对异构映体,53,当两个取代基不同时：,无论顺、反，分子中都无对称面，都有 对映异构体。,54,环状化合物中手性碳原子构型的标定,手性碳上所连原子或基团的确定：,小,大,中,S,R,55,二、四员环,顺有对称面 为内消旋体,反：一对对映体,1、连接两个相同取代基的1,2-二取代物,56,2、连接两个不同取代基的1,2-二取代物,顺式、反式都有对 映异构体，共四个 旋光异构体,57,3、1,3二取代环丁烷,偶数环对角线，顺反都有对称面.,顺 反,58,无论顺反，分子中都有对称面，都无对映异构体。,59,三、五员环,顺式 反式,1、1,2-二取代物,60,顺式 反式,2、1,3二取代物,61,四
15、、六员环,有对映体,有对称面无对映体,环化合物除三员环外,其它环的碳原子并不在 同一个平面之上，我们把它们都视作平面环 来处理，是否合理呢？我们以1,2二氯环己 烷为例，从构象的角度来进行分析:,62,顺:,按平面环进行分析： 化合物有对称面是内消旋体,进行构象分析：,(1)与(2)虽然是对映异构体，但是通过转环作用可以相互转化无法分离.(1)=(3)、(2)=(4),63,进行构象分析: 转环前互为对映异构体， 转环后仍互为对映异构体。,按平面环进行分析: 化合物有对映体构体,结论:单环分子来判断,可以将环作平面,反:,64,第八节 不含C*化合物的对映异构,有一些化合物分子中虽不含C*，但
16、是分子结构不对称仍具有手性，有对映异构体。,一、丙二烯型化合物:,65,丙二烯结构示意图,66,丙二烯型化合物分子中有四个平面相互垂直，两端碳原子上的键平面是相互垂直的，当两端碳原子上所连基团不相同时，分子就具有对映异构体。,问题:累积三烯CH3CH=C=C=CHCH3 是否具有对 映异构体?,67,二、联苯型化合物:,在联苯分子中两个苯环以单键相连, 两环可围绕单键进行旋转：但当2,2,6,6,- 位上的氢被较大基团取代时，则旋转受 阻:,自由旋转,旋转受阻,68,对映异构体,其它与以上类似的还有螺环型和环与双键相连的化合物。,69,例如:,它们在结构上的共通特点是：两端碳原子上的-键平面不
17、在同一个平面上，而是相互垂直的。,70,第九节:旋光纯化合物的制备,天然物中存在的具有生理活性的物质几乎都 是旋光纯的。实验室是合成的则大多数是外消旋 体需要分离。,一、从天然物中提取.,二、外消旋体的拆分.,1、手工拆分法：1848年Pastuer分离酒石酸铵钠晶体的方法。 该法局限性较大，要求被分离物必须是晶体，且 左、右旋体晶形要有明显的不同。,71,2、在微生物或酶作用下的拆分,微生物或外消旋体作用时，具有极强的选择性，只消耗外消旋体中的一种组分，而将另一种保留。例:,1858年. Pastuer用外消旋的酒石酸培养青霉素，右旋体被消耗掉了，剩下了左旋体。近年来一些抗生素药物就是用该法
18、进行生产。,72,3、优先结晶法:,73,4、转化成非对映体的拆分法:,依据：对映异构体的物理性质、化学性质都相同；而非对映异构体的物理性质不同，化学性质相近。,这种方法也是Pastuer创立的。他发现具有旋光性的天然碱，如喹宁碱、番木鳖碱与两种酒石酸形成的盐溶解度、旋光性等物理性质都不相同。在此基础上又创立了“形成和分离非对映立体异构体的析解发”。,74,75,三.拆分效率:,%e.e：对映体过量百分数.,假定R过量:,若：R.S各占50%. %e.e=0 为外消旋体.,R=100 S=0. %e.e=100%旋光纯度百分之百,%e.e=20%. 则体系中R占60%,S占40%.,76,第十
19、节:反应中的立体化学,一、烷烃自由基取代中的立体化学,结构对称的分子被其它原子或基团取代后 转化成具有手性的分子，发生反应的碳原子就 叫前(潜)手性碳原子。,77,历程:,两边空间条件相同进攻几率相同。,78,将S-构型的2-氯丁烷进一步氯化：,79,试剂优先选择空间位阻小的方向，向中心碳原子进攻,80,二、卤素与烯烃加成的立体化学.,1、烯烃与溴加成的立体化学,烯烃与溴的加成最初认为是通过碳正离子历程进行，若是如此无论反式烯烃还是顺式烯烃都应得到相同的产物：,81,后来通过对反应物和产物的立体化学的考察，否定了这一看法：,顺 苏式（一对对映体）,反 赤式（内消旋体）,82,1937年美国哥伦
20、比亚大学的Roberts和Kimball提出溴鎓离子历程，圆满地解释了溴与烯烃加成的立体化学问题：,通过溴鎓离子所进行的反式加成,反式加成,83,苏式（一对对映体）,顺,反,84,赤式（内消旋体）,反,反,85,2、烯烃被KMnO4/-OH氧化顺羟化反应,顺,顺,赤式,86,反,顺,顺,苏式,87,烯烃加成反应的立体化学规律：,88,进行顺式加成的常见试剂有：,进行反式加成的常见试剂有：,89,例：,90,反应历程：,91,催化氢化：,例：,92,硼氢化氧化反应,该反应是通过四员环状过渡态所进行的顺式加成，最后得到反马氏规则取向的醇。,四员环状过渡态,93,例：,遵从马氏规则,反马氏规则,94,与X2H2O（HO-X)的加成,例：,95,练习题1,顺,反,苏式,反,反,赤式,96,练习题2,赤式,顺,顺,97,练习题3,反,反,赤式,Na NH3(液),98,映日荷花别样红,
