05-立体化学基础：手性分子.ppt

1 第五章立体化学基础 手性分子 2 本章内容 对映体 非对映体 外消旋体及内消旋体的结构 命名 性质 3 4 第一节手性分子和对映体 一 手性 Chirality 观察自己的双手 左手与右手有什么联系和区别 5 左手的镜像是右手 右手的镜像是左手 6 左右手互为镜像与实物关系 称为对映关系 彼此又不能重合的现象称为手性 问题 脚 耳朵 鼻子 螺丝钉是否具有手性 7 生活中的一些手性物体 8 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 9 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 动画模拟 乳酸与其镜像不能重合 不能与其镜像重合的分子称为手性分子 chiralmolecule 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 镜像的不重合性是产生对映异构现象的充分必要条件 10 注意 任何化合物都有镜像 但多数实物和它的镜像都能重合 如果实物和它的镜像能重合 它们就是同一物质 是非手性的 无对映体 11 仔细考察没有手性的丙酸分子和有手性的乳酸分子 它们的差别在哪里 乳酸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 chiralcarbonatom 也可称为手性中心 chiralcenter 丙酸 乳酸 12 乳酸 一个手性碳原子所连的4个不同原子或基团位于四面体的四个顶角 在空间具有2种不同的排列方式 也称两种构型 它们彼此构成一对对映体 有一个手性碳的化合物必定是手性化合物 只有一对对映体 13 一对对映体有相同的物理性质 除了与手性试剂反应外 对映体的化学性质也相同 两者还有十分重要的不同性质 对偏振光的作用不同 生理作用上有着显著的不同 14 对映异构体的性质 S 乳酸 R 乳酸mp53oCmp53oC 15D 3 82 15D 3 82pKa 3 76pKa 3 76 对平面偏振光的作用不同 15 一对对映体对平面偏振光的作用不同 一个可使平面偏振光向右旋 称为右旋体 另一个可使平面偏振光向左旋 称为左旋体 二者旋转角度相同 因此对映异构也叫做旋光异构 16 问题 下列化合物哪些含手性碳原子 4 5 1 CH2Cl2 2 CHCl3 3 CH3CHClCH2CH3 6 7 8 17 三 对称面和非手性分子 对称面 planesofsymmetry 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 achiralmolecule 对称面 18 存在对称面的分子 19 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 考察分子有无对称面 如果分子有对称面 则该分子与其镜像就能重合 没有对映异构现象 3 大多数情况下 可根据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 20 第三节旋光性 一 偏振光和旋光性 只在一个平面上振动的光称为平面偏振光 plane polarizedlight 简称偏振光 偏振光的振动平面习惯称为偏振面 化合物能使偏振光的偏振面旋转的性能称为旋光性 opticalactivity 手性化合物都具有旋光性 21 如果让光通过一个象栅栏一样的Nicol棱镜 起偏镜 就不是所有方向的光都能通过 而只有与棱镜晶轴方向平行的光才能通过 这样 透过棱晶的光就只能在一个方向上振动 只在一个平面上振动的光 称为平面偏振光 简称偏振光或偏光 22 23 结论 物质有两类 1 旋光性物质 能使偏振光振动面旋转的性质 叫做旋光性 具有旋光性的物质 叫做旋光性物质 2 非旋光性物质 不具有旋光性的物质 叫做非旋光性物质 24 能使偏振光振动平面向右旋转的物质称右旋体 能使偏振光振动平面向左旋转的物质称左旋体 旋光性物质使偏振光旋转的角度 称为旋光度 以 表示 25 测定温度 旋光度 旋光仪上的读数 比旋光度 波长 钠光D 盛液管长度 dm 溶液浓度 g ml 1 为了比较各种不同旋光性物质的旋光度的大小 一般用比旋光度 specificrotation 来表示 比旋光度 26 当物质溶液的浓度为1g mL 1 盛液管的长度为1dm时 所测物质的旋光度即为比旋光度 若所测物质为纯液体 计算比旋光度时 只要把公式中的c换成液体的密度d即可 最常用的光源是钠光 D 589 3nm 所用溶剂不同也会影响物质的旋光度 因此在不用水为溶剂时 需注明溶剂的名称 例如 右旋的酒石酸在5 的乙醇中其比旋光度为 乙醇 5 27 旋光仪 polarimeter 28 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 邓健制作吕以仙审校 29 二 立体结构式 30 三 费歇尔投影式 乳酸 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 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 31 甘油醛 课堂练习 试根据模型写出Fischer投影式 在符合 横前竖后 规则的前提下 亦可得到不同Fischer投影式 32 一般将主碳链放在竖直线上 把命名时编号最小的碳原子放在上端 主链下行 按此方式得到的投影式为最严格的Fischer投影式 用D L法命名时必须用这种Fischer式 33 表示含两个或两个以上手性碳原子的化合物时 Fischer投影式显示的立体结构全是重叠式构象 酒石酸 重叠式构象 交叉式构象 34 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 每一种表示立体结构的方法 都各有千秋 35 使用Fischer投影式时应注意 Fischer式的平移或纸平面内旋转或180 的整数倍 其构型不变 但Fischer式不能离开纸面翻转或沿纸面旋转90 或270 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 交换奇数次 构型发生改变 变为其对映体 若固定Fischer式的一个基团不动 其余三个基团按顺时针或逆时针方向旋转 构型保持不变 36 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 37 Fischer式中同一个手性碳上所连原子或基团两两交换奇数次 其构型改变为其对映体 基团互换 38 Fischer式的平移或纸平面内旋转或180 的整数倍 其构型不变 但Fischer式不能离开纸面翻转或沿纸面旋转90 或270 在纸平面内旋转180 构型不变 39 Fischer投影式离开纸面翻转 构型改变 40 Fischer式纸平面内旋转90 或270 构型改变 41 若固定Fischer式的一个基团不动 其余三个基团按顺时针或逆时针方向旋转 构型保持不变 COOH固定 H CH3 OH顺时针旋转 邓健制作吕以仙审校 42 第四节外消旋体 一对对映体的等量混合物称为外消旋体 racemicmixture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 43 第五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4个光学异构体 a b c d 2S 3R 2R 3S 2S 3S 2R 3R 44 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 45 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 46 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 mesocompound 内消旋化合物是纯净物 不具有旋光性 47 有一个简单的方法可以辨认内消旋化合物 就是它具有对称面 对称面的上半部分是下半部分的镜像 因此分子的上下两部分对偏振光的影响相互抵消 使整个分子不表现旋光性 内消旋酒石酸分子中的对称面 48 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 49 D L构型标记法R S构型标记法 第六节构型标记法 50 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 如 D L构型标记法 51 D 甘油醛 D 乳酸 D 甘油醛L 甘油醛 52 R S构型标记法 1970年国际上根据IUPAC的建议 构型的命名采用R S法 这种命名法根据化合物的实际构型或投影式就可命名 53 按次序规则将手性碳原子上的四个基团排序 把排序最小的基团放在离观察者眼睛最远的位置 观察其余三个基团由大 中 小的顺序 若是顺时针方向 则其构型为R R是拉丁文Rectus的字头 是右的意思 若是反时针方向 则构型为S Sinister 左的意思 54 要点 次序规则排次序 方向盘上定构型 R 2 丁醇 S 2 丁醇 55 几个简单的烷基的优先次序为 C CH3 3 CH CH3 2 CH2CH3 CH3 56 57 58 R 甘油醛 59 快速判断Fischer投影式构型的方法 1 当最小基团位于横线时 若其余三个基团由大 中 小为顺时针方向 则此投影式的构型为S 反之为R 2 当最小基团位于竖线时 若其余三个基团由大 中 小为顺时针方向 则此投影式的构型为R 反之为S 60 含两个以上C 化合物的构型或投影式 也用同样方法对每一个C 进行R S标记 然后注明各标记的是哪一个手性碳原子 基团次序 61 基团次序 62 D L标记的是相对构型 R S标记的是绝对构型 绝对构型 能真实代表某一光活性化合物的构型 R S 与假定的D L甘油醛相关联而确定的型 相对构型 注意 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 因为旋光方向是化合物的固有性质 而对化合物的构型标记只是人为的规定 目前从一个化合物的构型还无法准确地判断其旋光方向 还是依靠测定 63 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 64 2 丙二烯型化合物 当A B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 65 3 螺苯型化合物 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 66 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 67 第八节外消旋体的拆分。