第五章-立体异构新编课件.ppt

1、 一般说来，含有一般说来，含有n个不同的手性碳原子，个不同的手性碳原子，理论上有（理论上有（2n）个立体异构体。）个立体异构体。C47H51NO14 紫杉醇是一种紫杉醇是一种全新的光谱抗癌药，全新的光谱抗癌药，副作用小，国际医疗副作用小，国际医疗界认为紫杉醇是近界认为紫杉醇是近10年来发现的最有希望年来发现的最有希望的抗癌药物。的抗癌药物。红豆杉红豆杉紫杉醇紫杉醇（taxol）对映异构对映异构又叫又叫光学异构光学异构或或旋光异构旋光异构。它是一类与物。它是一类与物质的旋光性质有关的立体异构。质的旋光性质有关的立体异构。构型异构构型异构(分子中原子间的排分子中原子间的排列顺序、结合方式列顺序、结

2、合方式)(构造相同，原子在构造相同，原子在空间排布方式不同空间排布方式不同)碳链异构碳链异构位置异构位置异构官能团异构官能团异构构象异构构象异构构造异构构造异构立体异构立体异构同分异构同分异构isomerismconstitutionalstereoiseomerism configurational顺反异构顺反异构对映异构对映异构conformational第一节第一节 顺反异构顺反异构1.分子中存在限制原子自由旋转的结构因素双键或环 2.不能自由旋转的原子上连接2个不相同的原子或基团HH3CClHC CCH3HH3CHC CHH3CHCH3有有顺顺反反异异构构有有顺顺反反异异构构有有顺顺反

3、反异异构构无无顺顺反反异异构构HH3CC CababC CaabdC Ceabd一、产生顺反异构的条件二、顺反异构体的命名1.顺、反命名法C CCH3HH3CHC CHH3CHCH3HH3CHClHH3CClH顺-2-丁烯反-2-丁烯顺-1-甲基-2-氯环丙烷反-1-甲基-2-氯环丙烷顺反命名法的缺陷顺反命名法的缺陷是当相关的四个原子或基团是当相关的四个原子或基团互不相等时，结构式互不相等时，结构式:CCdeabad、ae、bd、be时时 2.Z、E命名法 Z/E命名法的步骤:先定出每个双键碳上所连的两个原子或基团的先后次序，若两个优先基处在双键的同侧，称为 Z 型，反侧称为 E 型。a d

4、a e C=C C=C b e b dZ-型型E-型型 假设：假设：a b,d e次序规则次序规则:1.原子序数较大的优先原子序数较大的优先 Br Cl O N C D H 2.若相连的两个基团的第一个原子相同若相连的两个基团的第一个原子相同,比较与比较与 第一个原子相连的其他原子第一个原子相连的其他原子C2H5 CH3；CH2Cl CH(CH3)2 3.3.含双键和叁键的取代基含双键和叁键的取代基,可看成可看成2 2个或个或3 3个单键个单键HC CH2CCHHHC C看作C CH 看作CCHC CCCOCH看作OCCHOC N 看作NCCCNNC CCH3HH3CHZ-2-丁烯丁烯HH3C

5、ClHE-1-甲基甲基-2-氯环丙烷氯环丙烷C CHH3CHDE-1-氘丙烯氘丙烯CCHC(CH3)3CH2OHH3CZ-型型注意：注意：Z型型顺式；顺式；E型型反式。反式。如：如：2-溴溴-2-丁烯丁烯 CH3CBrCHCH3 CH3CCBrCH3HCH3CCBrHCH3 E-2-溴-2-丁烯顺-2-溴-2-丁烯 Z-2-溴-2-丁烯反-2-溴-2-丁烯反式异构体比顺式异构体稳定 回顾：回顾：1.影响亲核取代反应机理的因素影响亲核取代反应机理的因素2.消除反应活性、消除反应的取向消除反应活性、消除反应的取向3.不同类型卤代烯烃的活泼性不同类型卤代烯烃的活泼性4.产生顺反异构的条件，顺反异构体

6、的命名产生顺反异构的条件，顺反异构体的命名5.次序规则次序规则6.偏振光与旋光性偏振光与旋光性第二节 旋光异构一、偏振光与旋光性一、偏振光与旋光性振动面振动面偏振光偏振光：普通光经过尼克尔棱镜后，只在一个平面上：普通光经过尼克尔棱镜后，只在一个平面上 振动的光。振动的光。振动面振动面：偏振光前进的方向和其质点振动的方向所构：偏振光前进的方向和其质点振动的方向所构 成的平面。成的平面。偏振光能否透过第二个偏振光能否透过第二个Nicol 棱镜棱镜 (检偏镜检偏镜)取决于两个棱镜的晶轴是否平行，平行则可透过；取决于两个棱镜的晶轴是否平行，平行则可透过；否则不能通过。否则不能通过。亮丙 酸亮暗乳 酸结

7、论：结论：物质有两类物质有两类（1 1）旋光性物质旋光性物质（光学活性物质）（光学活性物质）:具有旋光性的物具有旋光性的物质，叫做质，叫做旋光性旋光性物质物质。能使偏振光振动面旋转的性质，叫做能使偏振光振动面旋转的性质，叫做旋光性旋光性。（2 2）非旋光性物质）非旋光性物质:不具有旋光性的物质，叫做不具有旋光性的物质，叫做 非旋光性物质。非旋光性物质。生检生检二、旋光度与比旋光度二、旋光度与比旋光度 旋光性物质使偏振光的振动平面旋转的角度称为旋光性物质使偏振光的振动平面旋转的角度称为旋光度旋光度（observed rotation），以以“”表示。表示。旋光性物质的旋光方向和旋光度大小用旋光性

8、物质的旋光方向和旋光度大小用旋光仪旋光仪测定测定其旋光方向顺时针 右旋，以“d”或“+”表示。逆时针 左旋，以“l ”或“-”表示。从面对光线的入射方向观察从面对光线的入射方向观察 旋光仪旋光仪(polarmeter)：定量测量液体或溶液的：定量测量液体或溶液的 旋光程度的仪器。旋光程度的仪器。WXG-4 圆盘旋光仪圆盘旋光仪WZZ-3 自动旋光自动旋光仪仪 旋光度的旋光度的大小大小，除了与，除了与分子的结构分子的结构有关，还与测定有关，还与测定溶液的浓度溶液的浓度成成正比正比，也与测定，也与测定溶液的厚度（旋光管的溶液的厚度（旋光管的长度）长度）成成正比正比。还与测定的。还与测定的温度温度,

9、光源波长光源波长以及以及测量溶测量溶剂剂有关系。有关系。比旋光度比旋光度（specific rotation）:注意单位注意单位D-钠光，波长为钠光，波长为589nm；t-测定温度，单位为测定温度，单位为a a-实测的旋光度；实测的旋光度；L-旋光管旋光管的长度，单位为的长度，单位为dm；C-为样品的浓度，单位为为样品的浓度，单位为gml-1。CLtD 比旋光度是旋光性物质的物理常数。比旋光度是旋光性物质的物理常数。鉴定旋光性物质鉴定旋光性物质 方法：测定物质的旋光度，计算出其比旋光度。方法：测定物质的旋光度，计算出其比旋光度。测测浓度浓度 方法：比旋光度已知的物质，测定其溶液的旋光度。方法：

10、比旋光度已知的物质，测定其溶液的旋光度。三、旋光性与分子结构的关系三、旋光性与分子结构的关系1.手性和手性分子手性和手性分子COOHCH3OHHCOOHCH3OHH分子模型两种乳酸分子的模型两种乳酸分子的模型 手性手性：物体与其镜像不能重合的特性。：物体与其镜像不能重合的特性。手性分子手性分子：具有：具有手性手性的分子。的分子。实物与镜像的关系叫实物与镜像的关系叫对映关系对映关系。实物与镜像实物与镜像 对映异构体对映异构体：具有对映而不能重合的立体异构体：具有对映而不能重合的立体异构体 （简称（简称对映体对映体 enantiomers）对映体对映体的旋光性不同，又叫的旋光性不同，又叫旋光异构体

11、旋光异构体。井冈山风景桂林风情生活中的生活中的对映体对映体 2.分子的手性和分子结构的关系分子的手性和分子结构的关系（1）对称面）对称面()H3CHCH3HCCHClHCl顺顺-1,2-二氯乙烯二氯乙烯 顺顺-1,2-二甲基环丙烷二甲基环丙烷存在对称面的分子能与其镜像重合，为非手性分子，存在对称面的分子能与其镜像重合，为非手性分子，无旋光性，无对映体。无旋光性，无对映体。sigma（2）对称中心）对称中心HHHHHHH3CCH3具有对称中心的分子与其镜像能重合，为非手性分子，具有对称中心的分子与其镜像能重合，为非手性分子，无旋光性，无对映体。无旋光性，无对映体。（3）对称轴）对称轴 对称轴不能

12、作为判断分子是否有手性的依据对称轴不能作为判断分子是否有手性的依据 有对称面或对称中心，为非手性分子，没有旋光性，有对称面或对称中心，为非手性分子，没有旋光性，无对映体。无对映体。HH3CCH3HHCH3H3CH四、含一个手性碳原子的化合物四、含一个手性碳原子的化合物1.对映体对映体*COOHCHOHCH3NCH3C2H5C6H5O手性原子手性原子 对映体的旋光度大小相同，旋光方向相反。对映体的旋光度大小相同，旋光方向相反。物理性质和化学性质在一般条件下都相同。物理性质和化学性质在一般条件下都相同。1.物理性质物理性质 （1）手性溶剂中溶解度不同）手性溶剂中溶解度不同 （2）用单一的圆偏振光时

13、折射率不同）用单一的圆偏振光时折射率不同 2.化学性质化学性质 与手性试剂反应时，反应活性不同与手性试剂反应时，反应活性不同 生物活性可能相同，但多数不同。生物活性可能相同，但多数不同。对映异构体的理化性质：对映异构体的理化性质：对映异构体中的一种可能具有疗效，而另一种可能不但对映异构体中的一种可能具有疗效，而另一种可能不但无效甚至有害：无效甚至有害：(+)葡萄糖能被动物代谢，葡萄糖能被动物代谢，(-)葡萄糖不能被动物代谢。葡萄糖不能被动物代谢。左旋的氯霉素有抗菌作用，但其对映体则无疗效。左旋的氯霉素有抗菌作用，但其对映体则无疗效。在欧洲出售的一种叫在欧洲出售的一种叫反应停反应停（沙利度胺（沙

14、利度胺thalidomide)的的药物却导致药物却导致1.2万个海豹畸形儿出生的惨剧。万个海豹畸形儿出生的惨剧。镇静剂镇静剂无致畸作用无致畸作用无镇静作用无镇静作用致畸变致畸变NOOHNHOONOHONHOORS2.外消旋体（外消旋体（racemate or racemic mixture）等量的对映体组成的混合物称为外消旋体。等量的对映体组成的混合物称为外消旋体。外消旋体无旋光性外消旋体无旋光性外消旋体用符号外消旋体用符号（）或或 dl 表示表示外消旋体的化学性质一般与对映体相同外消旋体的化学性质一般与对映体相同 物理性质有差异：物理性质有差异：(+)-乳酸：熔点为乳酸：熔点为53，()-乳

15、酸：熔点为乳酸：熔点为53，()-乳酸：熔点为乳酸：熔点为18。（1）球棍模型球棍模型CH3CH3OHOHCOOHCOOHHH3.旋光异构体的表示方法旋光异构体的表示方法最好方法：球棍模型和伞形式最好方法：球棍模型和伞形式CCOOHCH3HOHCCOOHCH3HOH伞形式：伞形式：（2）透视式）透视式写透视式时将手性原子写在纸面上，实线表示写透视式时将手性原子写在纸面上，实线表示在纸面上的键，虚线表示指向纸面后的键，楔在纸面上的键，虚线表示指向纸面后的键，楔形线表示由纸面前指向手性原子的键，用元素形线表示由纸面前指向手性原子的键，用元素符号表示原子和基团。符号表示原子和基团。（3）费歇尔投影式

16、）费歇尔投影式投影时一般是将碳链竖直，编号小的碳原子放在上边。投影时一般是将碳链竖直，编号小的碳原子放在上边。横前竖后横前竖后手性碳在纸平面上手性碳在纸平面上严格的费歇尔投影式严格的费歇尔投影式对费歇尔投影式进行如下操作，构型不变：对费歇尔投影式进行如下操作，构型不变：投影式在平面上旋转投影式在平面上旋转900的偶数倍的偶数倍 （不可以离开平面反转不可以离开平面反转）；）；adebadeb转1800adeb转900不离开纸面转不离开纸面转900的偶数倍的偶数倍，是原来的分子。，是原来的分子。900的奇数倍的奇数倍，是其对映异构体。，是其对映异构体。CH3HClC2H5旋转1800旋转900C2

17、H5ClHCH3HCH3ClC2H5对映异构体对映异构体同一化合物同一化合物CH3HClCH3C2H5HCl旋 转180旋转180C2H5。同一物质CH3HClCH3C2H5HCl旋 转90旋 转90C2H5。同一物质对映体 判别不同的费歇尔投影式是否重合，不能离开纸面，判别不同的费歇尔投影式是否重合，不能离开纸面，只能在纸面内平移。只能在纸面内平移。CH3HClC2H5CH3ClHC2H5一对对映体一对对映体若其一离开纸面翻若其一离开纸面翻1800，就成为同一物质。，就成为同一物质。CH3HClC2H5CH3ClC2H5HHClCH3C2H5CH3HCl固定甲基固定乙基C2H5ClHC2H5

18、CH3 固定某一个基团，另外三个基团可以依次换位；固定某一个基团，另外三个基团可以依次换位；adebadeb固定e固定badebCH3HC2H5ClCH3ClC2H5Hadeba,b交换b,d交换adeb这些操作可以用于判断书写不同的费歇尔投影式这些操作可以用于判断书写不同的费歇尔投影式是否代表同一种旋光异构体。是否代表同一种旋光异构体。交换任意两个基团偶数次。交换任意两个基团偶数次。五、旋光异构体构型的命名五、旋光异构体构型的命名（1）D、L构型标记法构型标记法L-2-2-氨基丙酸氨基丙酸COOHH2NCH3H(I)(II)CHOCH2OHOHHCHOCH2OHHOHD-(+)-甘油醛甘油醛

19、L-(-)-甘油醛甘油醛化合物的构型与旋光方向没有直接的对应关系化合物的构型与旋光方向没有直接的对应关系D、L 与与“+、-”没有必然的联没有必然的联系系因其局限性且由于习惯，只适用因其局限性且由于习惯，只适用糖类化合物糖类化合物和和氨基酸氨基酸CHOCH2OHOHHOHCOOHCH2OHOHHCOOHCH3OHHD-(+)-甘油醛 D-(-)-甘油酸 D-(-)-乳酸（2）R、S构型标记法构型标记法把手性碳原子C*上所连的四个原子或基团按“次序规则”排 序：abcd。把次序排在最后的原子或基团d放在观察者视线的远端，观 察者沿着C*d键的方向，观察其余三个原子或基abc 的顺序，如果是顺时针

20、，该手性碳原子为R构型；如果为 逆时针，该手性碳原子为S构型。R构型构型S构型构型cHClCH3C2H52-氯丁烷氯丁烷 R-HC2H5CH3ClCH3ClHC2H5 确定确定费歇尔投影式费歇尔投影式R/S构型的方法：构型的方法：最小基团位于竖线上，比较其他三个基团的优先最小基团位于竖线上，比较其他三个基团的优先 顺序确定构型。顺序确定构型。HClCH3C2H5HClC2H5CH3CH3ClC2H5HC2H5ClHCH3S-构型构型R-构型构型S-构型构型S-构型构型平面内构型与实际构型相反：平面内构型与实际构型相反：平面内构型：平面内构型：S实际构型：实际构型：RR-3-甲基甲基-1-戊烯戊

21、烯CH2CH3HCHCH3C2H5ClCH3HCH2R-2-氯丁烷氯丁烷 SR六、含两个手性碳原子的化合物六、含两个手性碳原子的化合物1.含两个不同手性碳原子的化合物含两个不同手性碳原子的化合物COOHHOHCOOHClHCOOHHOHCOOHHClCOOHHOHCOOHHClCOOHHOHCOOHClHIIIIIIIV(2S,3S)(2R,3R)(2S,3R)(2R,3S)和和、和和互为对映体互为对映体和和 或或、和和 或或 为为非对映体非对映体 旋光异构体可以分为两类：对映体和非对映体。旋光异构体可以分为两类：对映体和非对映体。对映体相应手性碳的构型是相反的。对映体相应手性碳的构型是相反的

22、。非对映体的旋光性不同，物理和化学性质也有差异非对映体的旋光性不同，物理和化学性质也有差异 含一个手性碳原子的分子有两个旋光异构体含一个手性碳原子的分子有两个旋光异构体 含两个不同手性碳原子的分子有四个旋光异构体含两个不同手性碳原子的分子有四个旋光异构体 含有含有n个不同手性碳原子的化合物存在个不同手性碳原子的化合物存在2n个旋光异个旋光异 构体（构体（2n-1对对映体）对对映体）2.含两个相同手性碳原子的化合物含两个相同手性碳原子的化合物HOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHEnantioners 对映异构内消旋体(m

23、eso)(2R,3R)(2S,3S)(2R,3S)(2S,3R)Identical相同的分子内消旋相同是指两个手性碳原子上所连接的基团具有一一对应的关系相同是指两个手性碳原子上所连接的基团具有一一对应的关系内消旋体内消旋体 分子内含有平面对称性因素的没有旋光性的分子内含有平面对称性因素的没有旋光性的立体异构体称为内消旋体。是非手性分子。立体异构体称为内消旋体。是非手性分子。内消旋体：分子内部形成对映两半的化合物。内消旋体：分子内部形成对映两半的化合物。(有平面对称因素有平面对称因素)。具有两个手性中心的内消旋结构一定是（具有两个手性中心的内消旋结构一定是（RSRS）构型）构型 内消旋体无旋光性

24、内消旋体无旋光性(两个相同取代、构型相反的手性两个相同取代、构型相反的手性 碳原子，处于同一分子中，旋光性抵消碳原子，处于同一分子中，旋光性抵消)。含相同手性碳原子的旋光异构体的数目少于含相同手性碳原子的旋光异构体的数目少于2n个。个。七、不含手性碳原子化合物的旋光异构(自学)1.丙二烯型化合物CCCababCCCbaabCCCH3CHCH3CH3CCCH3CHCH3H2.联苯型化合物O2NCOOHNO2HOOCNO2COOHHOOCO2N第三节第三节 构象异构构象异构构象异构：是指由于分子中单键的旋转或扭曲构象异构：是指由于分子中单键的旋转或扭曲 （不是把键断开），使得分子中的原子或基（不是

25、把键断开），使得分子中的原子或基 团在空间产生不同的排列方式的一种立体异构。团在空间产生不同的排列方式的一种立体异构。一、乙烷的构象一、乙烷的构象构象的表示方法构象的表示方法锯架式(透视式)sawhorse formula交叉式重叠式Newman投影式600 乙烷分子是处于交叉、重叠以及介于两者之间的无数构乙烷分子是处于交叉、重叠以及介于两者之间的无数构象的象的动态平衡动态平衡混合体系，但各种构象体存在的比率不同。混合体系，但各种构象体存在的比率不同。乙烷的交叉式内能最低，最为稳定。称为乙烷的交叉式内能最低，最为稳定。称为优势构象优势构象.二、丁烷的构象二、丁烷的构象四种构象稳定性次序：四种构

26、象稳定性次序：对位交叉对位交叉 邻位交叉邻位交叉 部分重叠部分重叠 全重叠全重叠丁烷构象的能量曲线丁烷构象的能量曲线三、环己烷的构象三、环己烷的构象1.椅式构象和船式构象椅式构象和船式构象透视式纽曼投影式230pm183pm船式椅式椅式船式2.椅式构象的竖键和横键椅式构象的竖键和横键a键e键3.取代环己烷的构象分析取代环己烷的构象分析（1）一取代环己烷）一取代环己烷HHCHHH123456CHHH1234565 95取代基位于取代基位于e键的为优势构象键的为优势构象（2）二取代环己烷）二取代环己烷顺顺-1,4-二甲基环己烷二甲基环己烷ea 构象构象 ae 构象构象反反-1,4-二甲基环己烷二甲

27、基环己烷CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3ee构象构象 aa 构象构象优势构象优势构象顺顺-1,3-二甲基环己烷二甲基环己烷反反-1,3-二甲基环己烷二甲基环己烷CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3H3Cee构象构象 aa 构象构象ea 构象构象 ae 构象构象优势构象优势构象反反-1-甲基甲基-2-叔丁基环己烷叔丁基环己烷顺顺-1-甲基甲基-2-叔丁基环己烷叔丁基环己烷CH3CH3C(CH3)3C(CH3)3ee构象构象 aa 构象构象优势构象优势构象CH3C(CH3)3C(CH3)3CH3ae 构象构象 ea构象构象优势构象优势构象 取代环己烷的优势构象的判断：取代环己

28、烷的优势构象的判断：椅式构象为稳定构象。椅式构象为稳定构象。取代基占横键越多的为优势构象。取代基占横键越多的为优势构象。含不同取代基时，体积较大的处于横键为优势构象。含不同取代基时，体积较大的处于横键为优势构象。体积大的基团如叔丁基处于横键的为优势构象，叔体积大的基团如叔丁基处于横键的为优势构象，叔 丁基被称为控制构象的基团。丁基被称为控制构象的基团。四、十氢萘的构象四、十氢萘的构象平面结构式：平面结构式：立体结构式：立体结构式：HHHH顺式反式eaeeee稠合稠合 ae稠合稠合 稳定稳定HHHH顺-十氢萘反-十氢萘第五章第五章 小结小结1.顺反异构顺反异构2.旋光度旋光度、比旋光度、比旋光度；3.手性分子的判断，对映体、非对映体；手性分子的判断，对映体、非对映体；4.内消旋体的判断和外消旋体的概念；内消旋体的判断和外消旋体的概念；5.费歇尔投影式；费歇尔投影式；6.次序规则，用次序规则，用DL和和RS标示构型。标示构型。7.乙烷、丁烷、环己烷、十氢化萘的构象乙烷、丁烷、环己烷、十氢化萘的构象作业题作业题(p103)：1.4.A、C、E、I 5.6.7.12.