1、第五章第五章 旋光异构旋光异构主要内容：主要内容：偏振光、旋光活性、比旋光度；偏振光、旋光活性、比旋光度；分子的对称性、手性；分子的对称性、手性；构型的表示方法；构型的表示方法；手性分子的旋光异构；手性分子的旋光异构；旋光异构体的性质旋光异构体的性质不对称合成不对称合成;5.1 立体异构回顾立体异构回顾立体异构立体异构:指构造相同指构造相同,分子中原子分子中原子或基团在空间的排列方式不同或基团在空间的排列方式不同.包括：包括：顺反顺反异构异构:因价键旋转受阻产生的顺因价键旋转受阻产生的顺反构型；反构型；构象构象异构异构:由于由于-单键旋转产生；单键旋转产生；旋光旋光异构异构:由于手性碳产生的不
2、能重由于手性碳产生的不能重合的构型；合的构型；CH3CH3HHCH3HHCH3CH3HHCH3HHHH3CHCH3HHCH3ClCH2CH3HClCH3H3CH2CH5.2 偏振光和旋光活性偏振光和旋光活性光光是一种电磁波，其振动方向是一种电磁波，其振动方向垂直于垂直于前进方向前进方向;光源光束先进方向普通光普通光由垂直于前进方向平面上的各由垂直于前进方向平面上的各个振动方向组成个振动方向组成;平面偏振光平面偏振光(plane polarized light)：普通光通过普通光通过尼科尔棱镜尼科尔棱镜(该棱镜仅允许该棱镜仅允许振动方向与其轴平行的光通过振动方向与其轴平行的光通过)过滤，过滤，得
3、到一种振动平面与镜轴平行的光得到一种振动平面与镜轴平行的光;N icol prism普 通 光平 面 偏 振 光旋光仪旋光仪(polarimeter)：将两个尼科尔：将两个尼科尔棱镜平行放置，则通过第一镜的光仍能棱镜平行放置，则通过第一镜的光仍能通过第二棱镜，若在两棱镜间放置旋光通过第二棱镜，若在两棱镜间放置旋光物溶液，则第二块棱镜需调整后才能监物溶液，则第二块棱镜需调整后才能监测到光测到光;右旋右旋:使平面顺时针偏转使平面顺时针偏转;左旋左旋:使平面逆时针偏转使平面逆时针偏转;aa目 镜检 偏 镜盛 液 管起 偏 镜单 色 光 源 旋光活性物质旋光活性物质:能使偏振光发生偏转的能使偏振光发生
4、偏转的物质物质;5.2 比旋光度比旋光度通常用通常用比旋光度比旋光度来衡量光活性物质的来衡量光活性物质的本物理性质：本物理性质：laat:旋光度；旋光度；:溶液的质量溶液的质量浓度浓度;L:盛液管长度盛液管长度(分米分米)；T:测定温度；测定温度；为为光波波长光波波长右旋用右旋用“”，左旋用，左旋用“”表示表示;5.3 对称性、手性及旋光活性对称性、手性及旋光活性手性手性(Chirality)：实物与其镜影不能重：实物与其镜影不能重叠的现象叠的现象.井冈山风景桂林风情生活中的镜像生活中的镜像手性分子手性分子(Chiral molecule)：与其镜：与其镜象不能重叠的分子；象不能重叠的分子；手
5、性分子具有旋光活性；手性分子具有旋光活性；手性分子手性分子FBrClHFBrHClFBrClH手性分子手性分子镜像镜像分子的手性与其对称性有关：如果一分子的手性与其对称性有关：如果一个分子没有任何对称要素个分子没有任何对称要素,则该分子称则该分子称为为不对称分子不对称分子;不对称分子具有手性；不对称分子具有手性；分子的对称要素有分子的对称要素有:对称面对称面分子的对称要素有分子的对称要素有:对称面对称面:ClHClHClClCH3HCHOHOHCHOHOHHHClHFClHF对称中心对称中心:HHHHHHH3CCH3对称轴对称轴NHHH C3CH3CH3C2CH3CH3HHHHC2COOHCO
6、OHHOHHOHC2（无）（有）（无）（有）反射对称因素反射对称因素(Sn)HCH3ClHHClH3CH旋转180oClHHClH3CHCH3HHCH3ClHHClH3CH手性碳手性碳(chiral carbon)手性分子的手性分子的特征特征:使有机物分子具有手性的最普遍的特征使有机物分子具有手性的最普遍的特征是是手性碳原子手性碳原子，用，用“”标志；标志；手性碳原子手性碳原子：和四个不相同的原子或基：和四个不相同的原子或基团相连的碳原子；团相连的碳原子；手性碳原子手性碳原子FCBrClHFCHClBr手性碳标记手性碳标记CH3CHCHCH3Cl Cl*CH3CHCHCH3Cl Cl*5.4
7、含一个手性碳的化合物含一个手性碳的化合物含一个手性碳的分子是手性分子，具含一个手性碳的分子是手性分子，具有一对对映体有一对对映体.互为实物及镜象的两个异构体称为互为实物及镜象的两个异构体称为对对映异构体映异构体，简称，简称对映体对映体(enantiomer)；FBrClHFBrClH对映体的旋光度相同对映体的旋光度相同,方向相反方向相反;等量的对映体混合物没有旋光性等量的对映体混合物没有旋光性,称外称外消旋混合物，或称消旋混合物，或称外消旋体外消旋体(racemic mixture)；5.5 构型的表示方法构型的表示方法手性碳的绝对构型手性碳的绝对构型R/S 方法方法选择优先顺序最小的原子或基
8、团远离观选择优先顺序最小的原子或基团远离观察者，其余原子或基团依优先顺序排列察者，其余原子或基团依优先顺序排列CH3C2H5HOHCH3C2H5OHH沿沿C-H键键方方向向观观察察逆逆时时针针(S S)-2 2-丁丁醇醇顺顺时时针针(R R)-2 2-丁丁醇醇费歇尔费歇尔(Fischer)投影式投影式:复杂分子一般采用费歇尔投影式复杂分子一般采用费歇尔投影式:十字十字线线中中横键指向纸上横键指向纸上,竖键指向纸下竖键指向纸下;碳主链一般写在竖直线上碳主链一般写在竖直线上,并把氧化态并把氧化态较高的碳写在上面第一号碳原子上较高的碳写在上面第一号碳原子上;COOHH3COHHCH3COOHHOHC
9、OOHHOHCH3OHHCH2OHCHOHOHCH2OHCHOCH3HOHCH3OHHCH3OHHCH3HOHCH3OHHCH3OHH(R)-甘甘油油醛醛(S)-甘甘油油醛醛(2R,3R)-2,3-丁丁二二醇醇(2S,3S)-2,3-丁丁二二醇醇(2S,3R)-2,3-丁丁二二醇醇5.6 含两个手性碳原子的分子含两个手性碳原子的分子5.6.1 含含两个不同手性碳两个不同手性碳的分子的分子:本类分子含有两对对映体；本类分子含有两对对映体；光活异构体数目光活异构体数目:2n;(n=2);外消旋体数目外消旋体数目:2n-1；非对映体非对映体：构造相同：构造相同,构型不同构型不同,相互相互间不呈镜影关
10、系的立体异构体；间不呈镜影关系的立体异构体；COOHHOHCOOHHClCOOHHClCOOHOHHCOOHHOHCOOHClHCOOHClHCOOHOHH(2R,3S)(2S,3R)(2R,3R)(2S,3S)5.6.2 含含两个相同手性碳两个相同手性碳的分子的分子:本类分子含有两对对映体；本类分子含有两对对映体；I和和II是是内消旋体内消旋体(meso form)：分子内部：分子内部存在平面对称因素存在平面对称因素.COOHHOHCOOHHOHCOOHOHHCOOHOHHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHHOCOOHOHH(2S,3R)(2R,3S)(2S,3S)(2R,3R)IIII
11、IIIV内消旋体旋光性相互抵消内消旋体旋光性相互抵消,无旋光性无旋光性.内消旋体不能分离成光活性化合物内消旋体不能分离成光活性化合物.含两个相同手性碳的化合物有含两个相同手性碳的化合物有2n-1个旋个旋光异构体光异构体,其中之一没有光活性其中之一没有光活性;5.7 不含手性碳的手性分子不含手性碳的手性分子连二烯型连二烯型(含有两个互相垂直的平面含有两个互相垂直的平面):与镜像无法重合，是手性分子与镜像无法重合，是手性分子.CCCHClHClCCCHClHCl比较：比较：CCCHClHHCCCHClHH有对称面，为非手性分子有对称面，为非手性分子螺环型螺环型:CHC O O HHH O O CC
12、HH O O CHC O O H与镜像无法重合，是手性分子与镜像无法重合，是手性分子.联苯型联苯型(位阻型位阻型):大基团使单键旋转受阻大基团使单键旋转受阻NO2CO2HNO2CO2HNO2CO2HNO2CO2H构象型构象型(构象转换受阻构象转换受阻):HHHH反反-环辛烯环辛烯螺旋型螺旋型:5.8 旋光异构体的性质旋光异构体的性质对映体之间的物理性质对映体之间的物理性质,除除旋光方向相旋光方向相反反外，其它物理性质如熔点、沸点、密外，其它物理性质如熔点、沸点、密度及非手性试剂中的溶解度等相同度及非手性试剂中的溶解度等相同;酒石酸对映体的物理性质比较酒石酸对映体的物理性质比较:COOHHOHC
13、OOHOHHCOOHOHHCOOHHOHCOOHOHHCOOHOHH熔点：比重（20o）水中溶解度pK1pK2171-174oC171-174oC146-148oC1.76g/cm31.76g/cm31.66g/cm3139g/100ml139g/100ml125g/100ml2.984.344.344.822.983.23相同相同非对映体之间性质有明显差别非对映体之间性质有明显差别对映异构体之间化学性质对映异构体之间化学性质:与非手性试剂作用时与非手性试剂作用时,对映体的化学性对映体的化学性质相同质相同;与手性试剂或在手性环境中时与手性试剂或在手性环境中时,对映体对映体的化学性质的化学性质不
14、同不同;5.9 手性分子的获得手性分子的获得5.9.1 手性分子的来源：手性分子的来源：自然界自然界:糖类、氨基酸、生物碱、萜糖类、氨基酸、生物碱、萜类、甾体化合物类、甾体化合物;外消旋体的拆分外消旋体的拆分;不对称有机合成反应不对称有机合成反应;COONaOHHCOONH4HOHCOONaHOHCOONH4OHH外消旋的酒石酸钠铵外消旋的酒石酸钠铵巴斯德巴斯德Louis Pasteur(18221895)外消旋体的拆分外消旋体的拆分(Resolution)1848年，巴斯德借助放大镜拆分年，巴斯德借助放大镜拆分:仪器拆分仪器拆分:HPLC用手性柱用手性柱GC用手性柱用手性柱化学法拆分化学法拆
15、分()A(+)B*(+)A(+)B*(-)A(+)B*一一对对非非对对映映体体拆拆分分(+)A(+)B*(-)A(+)B*去去除除(+)B*去去除除(+)B*(+)A(-)A常用拆分试剂：常用拆分试剂：天然手性生物碱：天然手性生物碱：(-)-马钱子碱、马钱子碱、(-)-奎宁、奎宁、(-)-番木鳖番木鳖碱、碱、(+)-辛可宁；辛可宁；手性酸：酒石酸、樟脑磺酸；手性酸：酒石酸、樟脑磺酸；例例:外消旋外消旋a-苯乙胺的化学拆分苯乙胺的化学拆分:接下页接下页HCH3PhNH2HCH3PhH2N+COOHOHHCOOHHOH(R,R)-(+)-酒酒石石酸酸+HCH2PhNH3COOOHHCOOHHOH+
16、HCH3PhH3NCOOOHHCOOHHOH非非对对映映体体（盐盐）甲甲醇醇冷冷却却加加热热外外消消旋旋体体接上页接上页抽抽滤滤晶晶体体HCH3PhNH3COOOHHCOOHHOHNaOHHCH3PhNH2(S)苯苯乙乙胺胺滤滤液液浓浓缩缩HCH3PhH3NCOOOHHCOOHHOH得得晶晶体体NaOH(R)苯苯乙乙胺胺HCH3PhH2N分分离离酶解法拆分酶解法拆分(利用酶的选择性反应进行利用酶的选择性反应进行拆分拆分)例例:DL-丙氨酸的酶解拆分丙氨酸的酶解拆分:H2NCOOHCH3HNH2COOHCH3HL 丙丙氨氨酸酸D 丙丙氨氨酸酸()-丙丙氨氨酸酸Ac2OAcHNCOOHCH3HNH
17、AcCOOHCH3H+外外消消旋旋体体酰基转移酶（取自猪肾）H2NCOOHCH3H+L 丙丙氨氨酸酸D 乙乙酰酰丙丙氨氨酸酸溶溶于于乙乙醇醇不不溶溶于于乙乙醇醇NHAcCOOHCH3H选择性去乙酰基选择性去乙酰基5.11 不对称合成不对称合成(Asymmetric Synthsis)选择性地生成非对映异构体选择性地生成非对映异构体OMeOHMeMeHH(1)MeMgI主主要要HOMeMeH+次次要要两两者者为为非对映异构体(2)H2O衡量标准衡量标准：非对映体过量非对映体过量,d.e.(diastereomeric excess)%d.e.=异构体 A%-异构体 B%=A-BA+B+100%选
18、择性地生成对映异构体选择性地生成对映异构体:例例：MeMeHOHHBH2MeHHOH+(S,S)主主要要产产物物手手性性试试剂剂1.2.H2O2,NaOHe.e.=72%(R,R)衡量标准：衡量标准：%e.e.=R%-S%=R-SR+S+100%PhNHCOCH3CO2HH2,RhR,R-DIPAMPPhNHCOCH3CO2HH不不对对称称催催化化氢氢化化e.e.=96%R,R-DIPAMPPPOCH3H3CO手手性性双双膦膦配配体体例：例：William S.Knowles The Nobel Prize in Chemistry 2001 for their work on chirall
19、y catalysed hydrogenation reactions for his work on chirally catalysed oxidation reactions5.9.2 获得手性分子的重要意义获得手性分子的重要意义药药物与人类的关系：物与人类的关系：构成生命体系的生物大分子大多数是构成生命体系的生物大分子大多数是对映体对映体,药物与其作用也是以手性的方药物与其作用也是以手性的方式进行的式进行的;生物体的酶和细胞表面受体是手性的生物体的酶和细胞表面受体是手性的,对外消旋药物的识别、消化和降解过程对外消旋药物的识别、消化和降解过程不同不同;习习 题题1：b,c,d,e,f,g,h,i;5;8;9;11;12;13;CH3HH3CHNC6H5HOH60CH3HNHCH3C6H5HOHCH3HNHCH3C6H5HOHCH3HNHCH3C6H5HOH
