第五章对映异构.docx

1、第五章对映异构第五章 对映异构(enantiomerism) 教学要求：掌握：手性和手性分子以及手性碳原子的概念。对映体、非对映体、外消旋体和内消旋体的概念和主要性质；对映异构体命名方法（R.S）。熟悉： 费歇投影式和透视式表示立体异构体的方法。了解： 无手性碳原子的对映异构体和环状化合物的对映异构；对映体的拆分方法和手性子在生物中的作用,以及前手性原子和前手性化合物的概念。 对映异构主要是从三维空间揭示对映存在的立体异构体，在结构上差别甚微，而在生物活性上却有着天壤之别。本章将着重学习怎样区分手性分子和非手性分子；怎样判断对映体、非对映体、外消旋体和内消旋体的存在，以及怎样表示和命名它们的立

2、体结构；比较它们之间性质上的异同点；了解对映体的拆分方法和手性分子在生物中的作用,以及前手性原子和前手性化合物的概念。学习对映异构为学习糖类、脂类、氨基酸、蛋白质、核酸、酶、和激素等各种活性分子的结构和功能奠定必要的立体化学基础 。第一节 手性和对映体同分异构在有机化学中是极为普遍的现象。在第二章已经学习了构造异构和顺反异构以及构象异构。后两者均属于立体异构。即分子中的原子或原子基团在空间的排列方式不同产生的异构现象。通常构象异构体是不能分离的。本章要介绍另外一种立体异构现象：即对映异构。图示如下：一、手性 产生对映异构现象的结构依据是手性(Chirality)。什么叫手性呢？人们都有这样的感

3、受，:当你将一只左手套戴在右手上就会觉得很不舒服。这就说明左右手看上去似乎是相同，实际是不同的。那么左右手到底是什么关系呢？让我们看看手性关系图。图3-1 手性关系图这种左右手互为镜像与实物关系，彼此又不能重合的现象称为手性。自然界中有许多手性物，例如：足球、剪刀、螺丝钉等都是手性物。微观世界的分子中同样存在着手性现象。有许多化合物分子具有手性。二、手性分子和对映体图3-2是一对互为镜像关系的乳酸分子的立体结构式(透视式)：a和b 两个立体结构式之间有何种关系？它们代表相同的分子？还是代表不同的分子？不妨观察上述乳酸分子的两个立体结构式的球棍模型图示 (见图3-3) 图3-3-1 乳酸球棍模型

4、图示图3-3-2 乳酸球棍模型为什么乳酸存在一对对映体？仔细观察图3-2的两个乳酸分子的结构，可发现分子中有一个碳原子(C2)所连的四个基团(COOH,OH,CH3,H)均不相同。凡是连有4个不同的原子或基团的碳原子称为手性碳原子(chiral carbon atom),也可称为手性中心(chiral center)。一个手性碳原子所连的4个不同原子或基团在空间具有2种不同的排列方式也称两种构型，它们是彼此成镜像关系，又不能重叠的一对立体异构体，互为对映体。含有一个手性碳原子的化合物只有一对对映体。图3-2中的(a)和(b)就是乳酸的一对对映体。 小结：手性分子：不能与其镜像重合的分子。对映体

5、：彼此成镜像关系，又不能重合的一对立体异构体互为对映体。手性碳原子：连有四个不同原子或基团的碳原子。三、对称面和非手性分了图3-4 丙酸分子的对称面对称面就是指能将分子结构剖成互为镜像的两半的面。如通过圆球心的面；将长方形盒子分成各一半的面都是对称面。有对称面的分子与它的镜像能重合，因此没有对映异构现象称为非手性分子(achiral molecule)。例如，丙酸分子，它有一个沿着羧基、甲基和通过中心碳原子的对称面，此对称面将丙酸分子剖成两半，而这两半是互为能重合的镜像。所以丙酸没有手性，为非手性分子（见图3-4）。四、判断对映体（手性分子）的方法第一 建造一个分子和它的镜像的模型。如果两者不

6、能重合，就是手性分子。第二 寻找有无对称面。有对称面，它就不存在对映体，为非手性分子。第三 寻找手性碳原子(或手性中心)。只要有一个手性碳原子，就是手性分子，有一对对映体（两个以上C有例外。见内消旋体）问题3-1下列哪些分子具有手性碳原子?(用*号标明)。问题3-2化合物 a和 b哪个有对称面？哪个为非手性分子？哪个有对映体? 化合物 b（2-丁醇）有一对对体映体第二节 费歇尔投影式费歇尔投影式是指将一个三维（立体）手性 分子模型作如下规定:与手性碳横向相连的基团朝向纸平面的前方；竖向相连的基团朝向纸平面的后方；手性碳处于纸平面上。将其投影,所得平面投影式称为费歇尔投影式注意点（书写费歇尔投影

7、式）：在把一个化合物的透视式写成费歇尔投影式时，必须记住下列要点：(1) 水平线和垂直线的交叉点代表手性碳。(2) 宋体;连于手性碳的水平线代表向前指向读者的键。(3) 连于手性碳的垂直线代表指向远离读者的键。(4)费歇尔投影式只能在纸平面内旋转180，或其偶数倍，不能离开纸面翻转。Fischer投影式最适合用于表示含有一个手性碳的化合物的立体结构。但对表示含两个或两个以上手性碳原子化合物时，就有点美中不足了。因为Fischer投影式显示的立体结构全是重叠式构象，不符合分子的真实形象。在这一点上，上一章学习的Newman投影式和锯架式又有它的优势之处。当然，每一种表示立体结构的方法，都各有千秋

8、。同一个立体异构体可以用几种不同的方法表示它的立体结构。例如2R, 3S-2, 3, 4-三羟基丁醛：第三节 旋光性一、平面偏振光光的振动方向与前进方向垂直，普通光是在无数个垂直于前进方向的平面内振动。当普通光通过一个偏振的透镜或尼科尔棱镜时，一部分光就被挡住了，只有振动方向与棱镜晶轴平行的光才能通过。这种只在一个平面上振动的光称为平面偏振光。简称偏振光。见下图所示: 图3-6偏振光二、旋光性偏振光的振动面化学上习惯称为偏振面。当平面偏振光通过手性化合物溶液后，偏振面的方向就被旋转了一个角度。这种能使偏振面旋转的性能称为旋光性(optical activity)。手性化合物都具有旋光性。三、旋

9、光度与比旋光度 旋光度怎样测定化合物旋光性呢？在实际工作中通常用旋光仪测定化合物的旋光性。一般旋光仪是由一个光源和两个棱镜组成的, 在两个棱镜中间有一个盛放样品的旋光管。见图3-6：化合物旋光性的测定当平面偏振光通过盛有旋光性化合物的旋光管后，偏振面就会被旋转(向右或向左)一个角度，这时偏振光就不能通行无阻的穿过与起偏镜棱轴相平行的检偏镜。只有检偏镜也旋转(向右或向左)相同的角度(a角度)，旋转了的平面偏振光才能完全通过。观察检偏镜上携带的刻度盘所旋转的角度，即为该旋光性物质的旋光度。 偏振面被旋光性物质所旋转的角度叫旋光度。用a表示。偏振面被旋转的方向有左旋(逆时针)和右旋(顺时针)的区别。

10、用符号(+)表示右旋，(-) 表示左旋。例如：(+)-2-丁醇 表示右旋；（-)-2-丁醇 表示左旋。所有旋光性化合物不是右旋，就是左旋。 自动旋光仪：测定化合物的旋光度，除了使用前面介绍的普通旋光仪外，还有自动旋光仪，可直接显示被测化合物的旋光度和旋光方向，()或(-)。它的基本原理和普通旋光仪雷同。目前在科学研究中已经较为广泛的使用。 比旋光度就某一化合物来说，实验中所观察到旋光度并不是恒定值，因为旋光度与溶液的浓度成正比，在给定的浓度下还与旋光管的长度成正比。除外，还与测定时的温度，光源波长以及用什么溶剂测定有关系。为了使一个化合物的旋光度成为特征物理常数，必须规定一些特定的条件：比旋光

11、度（含义）：规定用一分米（dm）长的旋光管，待测物质的浓度为1g.mL-1时所测得的旋光度，称为比旋光度。在实际工作中，常常可以用不同长度的旋光管和不同的样品浓度下测定物质的旋光度。然后按下列公式计算，即可得到比旋光度。比旋光度计算公式： 比旋光度像物质的熔点、沸点或折射率等物理常数一样，也是化合物的一种物理常数。一对对映体，除比旋光度值相等符号相反(即旋光方向相反)外，其它物理性质雷同。如表3-1所示：比旋光度对于鉴定一个旋光性化合物或者判断它的纯度是很重要的。因此，掌握比旋光度的表示方法及其含义是十分必要的。例如，在理化手册上查得海洛因（heroin）的比旋光度值为 =（甲醇）。这表示海洛

12、因是一个光学活性化合物，它是左旋的，以甲醇作溶剂，在15，用偏振的钠光测定的，比旋光度为-166。例题：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：小结:一对对映体的性质物理性质和化学性质都相同（与手性试剂作用除外）；比旋光度值相等，符号相反(即旋光方向相反)。第四节 外消旋体一、乳酸的三种不同的旋光现象:乳酸是人们知道的第一个旋光性化合物，它的旋光性现象有三种不同的情况：右旋乳酸 从肌肉组织中分离出的乳酸左旋乳酸葡萄糖发酵产生的乳酸无旋光性乳酸一般化学合成的乳酸二、外消旋体的定义:一对对映体等量

13、的混合物称为外消旋体。外消旋体符号: 或 dl例如（）-乳酸 即外消旋乳酸三、外消旋体的性质:外消旋体的物理性质与纯的单一对映体有一些不同：它无旋光性；熔点、密度等物理常有差异。乳酸的三种立体异构体的一些物理性质见表3-2：为什么外消旋体无旋光性呢？ 因为一对对映体对光的影响是比旋光度值相等，旋光方向相反。因此，从微观分子考虑，当光照射到每一个分子时，一对对映体正好抵消了每一个对映体对光产生的影响作用。第四节 非对映体和内消旋化合物我们已经知道含有一个手性碳原子的化合物存在着两个立体异构体 一对对映体。含有两个以上手性碳原子（）的化合物存在两个以上的立体异构体，其最大数目是2n (n)代表手性

14、碳原子数。让我们看一个实例：2,3,4-三羟基丁醛，分子中含有两个不相同的手性碳原子。 (a)和(b)是互为不能重合的镜像，代表一对对映体；同样(c)和(d) 也是互为不能重合的镜像，代表另一对对映体。也就是说有两对对映体。那么化合物(a)和(c)之间，以及(a)和(d)之间是什么关系呢？(a)和(c)是彼此不成镜像关系的立体异构体，叫作非对映体，同样，(a)和(d)之间彼此也不成镜像关系，所以，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。因此 (b)与(c)之间，以及(b)与(d)之间也都是非对映体关系。非对映体具有不同的物理性质。例如，沸点；溶解度等都不相同。二.、内消旋化合物酒

15、石酸分子中有两个相同的手性碳。如果按照2n规则，最多可有四个立体异构体。但实际上酒石酸分子只有三个立体异构体：思考：(a)与(c)、(b)与(c)是何种关系呢（对映体？非对映体？）？为什么内消旋化合物无旋光性？内消旋化合物有对称面。对称面的上半部分是下半部分的镜像。分子的上下两部分对偏振光的影响相互抵消，使整个分子无旋光性（见图3-7）。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。表3-3 为酒石酸的三种立体异构体的一些物理性质。 题3-3如果将(-)、(+)和内消旋酒石酸三者等量的混合物进行分步结晶，将得到两部分均无旋光性的结晶。哪两部分?酒石酸的一对对

16、映体和内消旋酒石酸。问题3-4 2,3-二溴丁烷的立体异构体中有内消旋体吗？解答:有 因为有两个相同的手性碳,有对称面。 小结:彼此不成镜像关系的立体异构体叫非对映体。非对映体间具有不同的物理性质。例如，熔点、沸点和溶解度等物理性质都不相同。用重结晶或蒸馏等方法可以将非对映体分开。内消旋化合物有对称面，无旋光性。第六节 构型命名构型是指分子结构中的原子或基团在空间排列的顺序。对映异构和顺反异构都属于构型异构。不过两者略有差异：对映异构体的构型一般指手性中心(或手性碳原子)所连的四个不同原子或原子团在空间排列的顺序。而顺反异构体的构型是指分子中某些共价键的旋转受阻而导致分子中的原子或原子团在空间

17、排列的顺序。顺反异构体构型的命名已在第二章作了初步学习，在第四章还要继续学习。这儿只介绍对映异构体的两种构型命名方法。一、D.L 命名法一个化合物的绝对构型通常指键合在手性中心的四个原子或基团在空间的真实排列方式。1951年前，人们还无法确定化合物的绝对构型。费歇尔(Fischer)人为地选定()-甘油醛为标准物，并规定其碳链处于垂直方向，醛基在碳链上端的投影式中，C2上的羟基处于右侧的为D-构型。其对映体，(-)-甘油醛为L-构型。两者结构分别如下：以甘油醛为标准物，通过合适的化学反应转化成其它旋光性化合物，只要在反应过程中不断裂与手性中心直接相连的化学键，那么所得的化合物的构型就与原甘油醛

18、的构型相同例如：D-()-甘油醛与氧化汞(HgO)反应，醛基被氧化成羧基(-COOH)，生成甘油酸。由于与手性中心(C2)直接相连的键没有发生断裂，因此甘油酸的构型应与D-甘油醛相同，也是D构型。但甘油酸的旋光方向却为左旋。这一事实说明化合物的构型与旋光方向没有直接的对应关系。化合物的旋光方向只是通过旋光仪直接测定的。1951年，拜捷沃特(J.M.Bijvoet)用X-衍射技术测定了()-酒石酸铷钾盐的绝对构型之后，确定了原来人为规定的D-()-甘油醛的构型刚巧就是它的真实构型。当然以甘油醛为标准物，确定的其它化合物的构型，自然也是绝对构型了。D.L命名法的使用有一定的局限性，它只适用与甘油醛

19、结构类似的化合物。目前，一般用于糖类和氨基酸的构型命名(见第15章和第17章)。二 R. S 构型命名法R.S构型命名法广泛应用于各种类型手性化合物构型命名。它遵循凯恩-英戈德-普雷洛格规则(R. S.Cahn-R. S. Ingold-V. Prelog Rules)，命名手性化合物的构型。1979年IUPAC建议采用R. S构型命名法。 R.S构型命名规则:1、按原子序数大小为序，排列与手性碳相连的四个原子或基团的大小顺序(或称优先级)，具体方法按照次序法则(例题1和例题2中的叙述内容)。2、将手性碳上的四个原子或基团中最小的 (大多数情况下是氢原子)置于远离我们视线的位置(即放在最远的位

20、置)，然后观察朝向我们的另外三个基团由大到小的顺序。如为顺时针方向为R构型；反时针方向为S构型。若abcd图3-8 R.S构型命名法图示: 次序法则（确定C上连的四个基团优先顺序）：次序法则1：与手性碳原子直接相连的四个不相同的原子，先后顺序取决于原子序数的大小，原子序数较大的原子较优先(也就是较大基团)。例如：Cl、Br、I、H四个原子，连在同一个手性碳上其原子序数大小顺序为IBrClH。因此其优先顺序也是IBrClH。次序法则2：当手性碳所连的四个原子或基团中，有些基团的第一个原子相同时，则要依次看第二个甚至第三个原子，直到遇有差别时，将其中原子序号大的仍然排列在前。例如，-CH3和-CH

21、2CH3比较，第一个原子均为碳， 两者相同，于是比较该碳所连的原子或基团，前者为H，H，H，后者为H，H，C，相比之下后者的碳原子序号比前者大。因此-CH2CH3应排在-CH3的前面。即优先顺序为：-CH2CH3-CH3次序法则3：若手性碳上连有的基团含有双键或三键，则可看成连接两个或三个相同的原子。例如，醛基-CHO可看作C原子上直接连着2个O和1个H原子，当有-CHO和-CH2OH基同时连在一个手性碳上，那么这两个基团由大到小的顺序应该是：-CHO -CH2OH。同样，羧基(-COOH)可看作碳原子上直接连着3个氧原子，当-COOH和-CHO比较时，这两个基团的优先顺序是-COOH -CHO。R或S构型，它标志着手性分子的绝对构型。至今尚不知道化合物的旋光方向与构型的关系。不能把两者混为一谈。例题1、命名氯溴碘甲烷（A和B）的构型解: 例题2命名两个2-丁醇（A和B）的构型：解：