立体化学基础培训课件

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(C H 2)8
O
O
COOH
40
如一个碳原子连接四个不同的原子或基团时, 这个正四面体就不可能在任何地方被分成实物与镜 像的关系的两半,也就是没有对称面或对称因素。 成了不对称分子,就有了旋光性。这个碳原子所连 的四个不同的原子或原子团在空间就会有两种排列 方式,就成了两种异构体。
41
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第二节 对映异构和非对映异构 一、含一个手性碳原子的化合物
左旋乳酸, 由蔗糖发酵得到
COOH
H C OH H3C
实物
镜子
HO C H CH3
镜象
21
二、对映体异构和手性
有个化合物的分子与其镜像不能相互重合,必 然存在一个与镜像相应的化合物,即相互对映, 这种异构体称为对映异构体,又称旋光异构体。
有些化合物的实物和镜像是可以重合的,而有 些是不能重合的,彼此互称为对映异构体 (enantiomers)。
苯有一个六重对称轴C6, C6轴是通 过分子中心垂直于苯环平面的轴。
35
一个分子不能与它的镜像重合的条件一般是 这分子没有对称面,也没有对称中心。
HO
C H 3C
H
COOH
HOOC
OH
C CH3
H
O
HC
CH2
H 3C
O
H 2C
CH
CH3
36
(二)手性因素
1.手性中心
连接四个不同的原子或原子团的碳原子就称 为“不对称碳原子”(Asymmetric carbon),又叫 做“手性碳原子” (Chiral carbon),一般用*C表 示。
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2
3
碳链异构
官能团位置异构
同 构造异构 分 异 构
官能团种类异构
互变异构
构象异构
立体异构
构型异构
对映异构
顺反异构
6
第一节 概述
一、平面偏振光及比旋光度
(一)平面偏振光和旋光性
光是一种电磁波,光的振动方向与其前进的 方向垂直。普通光中含有各种波长的光线,可以 在空间不同的平面上振动。
51
将手性碳上的四个基团中的任意两个对调,构型改变:
H
HOOC OH
CH3
(S)
H COOH COOH CH3 COOH CH3
H OH
构型改变
CH3
(R)
H OH
构型改变
COOH
(S)
52
53
(三)对映体的构型及其命名法 1.构型的D/L命名法
不对称碳原子连接的基团在空间真实排布的情 况称为该分子的绝对构型。
的乳酸(-)-乳酸。
16
(二)旋光度与比旋光度
物质的旋光度除与本身的特性有关外,还随 测定时所用的溶液的浓度、盛液管长度、温度、 光波的波长以及溶剂的性质等而改变。
比旋光度(specific rotation):在一定 温度下,旋光管长度为1dm,样品浓度为 1g/ml 的旋光物质,光源波长λ=589nm(钠光 灯黄线)所测得的旋光度。
在1951年以前,还没有找到合适的测定绝对 构型的方法,为了避免混淆,曾以甘油醛为标准 做了人为的规定。甘油醛具有如下的两种构型:
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CHO HC OH
CH2OH D(+)-甘油醛
CHO HOC H
CH2OH L(-)-甘油醛
R
HC X R'
费歇尔投影式中,X在右边为D型,X在左边为L型。
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这种人为规定的构型为相对构型,1951年 J.M.Bijvoet 测定了化合物的绝对构型,恰好与人为 规定的构型相一致,确定的相对构型就成为绝对构型 。 对于有一个以上的手性C原子化合物,就要看最 下边的手性C原子。
对含有n个*C的化合物:
❖ 光学异构体数目=2n ❖ 外消旋体数目=2n-1
(n为不同手性碳的数目)
例如:含3个*C,最多有23=8个旋光异构体。 含4个*C,最多有24=16个旋光异构体。
2. 最小基团在横方向(左或右),走向为顺时针方 向的为S 型,走向为逆时针方向的为R 型。
H
CH3
Br
Cl
Cl
H
CH3
R型
Br
S型
70
CHO H C OH
CH 2 OH
R型
H
CH2OH C HO
CHO
S型
71
注 意:
R/S标记法与D/L标记法的依据不同。
R/S法依据与*C相连的四个原子或原子团的 大小顺序; D/L法依据与D-甘油醛的构型是否相同。
17
比旋光度
[α]D t = Lα.d
[α]Dt为比旋光度, α为旋光度, C为浓度(g/ml), L 为盛液管的长度,以分米为单位。 D为钠光灯光源的波长, t为测定时的温度。
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将胆固醇样品260mg溶于5ml氯仿中,然后将其 装满5cm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。
65
66
COOH H OH
CH3
COOH2 H C OH1
CH3 3
R 构型
67
COOH
HO
H
CH3
2 COOH 1HO C H
3 CH3
S 构型
68
CHO
HC CH2OH
OH
R型
CH2OH
HC CHO
OH
S型
69
R/S命名法也可直接用于Fischer投影式:
1. 最小基团在竖方向(上或下),走向为顺时针方 向的为R型,走向为逆时针方向的为S型。
(1)原子序数大小。 某一个碳原子所连原子或基团的大小次序,按
所连第一个原子的原子序数大小来排列,原子序数 大者为大基团(或优先基团);同位素按原子量大 小次序排列。
常见基团优先次序:
I > B r > C l > S H > O H > N H 2 > C H 3 > D > H
62
⑵ 若该碳原子所连基团的第一个原子相同,则比 较其次相连原子的原子序数,依次类推直至比 出大小为止。
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2、构型的R/S命名法 规则:
1.将手性碳原子上所连四个原子或基团按优先 顺序从大到小依次排列,如A>B>D>E。
2.将最小的基团(E)朝向远离观测者的方向, 然后对着余下的基团观察,若A→B→D的方向为顺时 针,定为R型;若A→B→D的方向为逆时针,定为S 型;
60
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次序规则
确定某碳原子所连原子或基团的大小的方法。
COOH
H *C O H
CH3
37
H
H O *C C O O H
H C COOH H
一般说来,因为分子中存在不对称原子, 物质具有旋光性。
38
CH3-C* H-CH2-CH3 Br
CH3-C* H-CCHH-3CH3 OH
CH3-C* H-COOH OH
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2.手性面
分子的手性由于某些基团对分子中某一平 面的不同分布而引起,此平面称为手性面。
22
23
24
25
H CH3 C CH2CH3
Br
CH3 Br C H
C 2H 5
CH3 H C Br
C 2H 5
26
有 对 映 异 构 体 的 分 子 称 为 手 性 分 子 ( chiral molecule),或称具有手征性或手性。
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三、分子的对称性和手性 (一)对称因素
判断一个分子的对称性,要将一个分子 进行某一项对称操作,看结果是否与它原来 的立体构型完全一致,对称因素可以是一个 点、一个面或一个轴。
12
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使偏振光平面旋转一定角度叫做该物质的旋光 度(Rotation),用α表示之。
14
15
旋光方向有左、右之分:
1.使平面偏振光振动平面向右旋转(顺时针旋转) 的叫做右旋,用“ + ”表示。如从肌肉中得到的
乳 2.酸使(平+面)偏-振乳光酸振。动平面向左旋转(逆时针旋转)
的叫做左旋,用“ - ”表示。如从糖发酵中得 到
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COOH
H
OH
CH3
COOH
HO
H
CH3
(+)—乳酸 (-)—乳酸 对映异构体
46
(二)对映异构体的表示方法----Fischer投影式 Fischer投影式基本原则:
横前竖后
Fischer投影式投影方法 1.主碳链直立,编号较小的一端朝上。 2.手性C原子上方和下方所连原子或基团朝后, 连在左边和右边的原子或基团朝前。
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二、含有多个手性C原子的化合物
(一)含有二个不同手性C原子的化合物
COOH
COOH
H
OH
H
Cl
HO
H
Cl
H
COOH
2S,3S
COOH
HO
H
COOH
2R,3R
COOH
H
OH
H
Cl
Cl
H
COOH
2R,3S
2n个立体异构体
COOH
2S,3R
对映体
对映体
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CHO H OH H OH
CH2OH
CHO HO H HO H
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48
乳酸模型及Fischer投影式
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规定
1.Fischer投影式只能在纸面上旋转180°,不能旋转 90°或270°
2.Fischer投影式不能离开纸面旋转 3.Fischer投影式基团只能偶次交换,不能奇次交换。
否则将变为它的对映体。
50
COOH
H OH
CH3 (b)
180。
构型不变
[α]D t = Lα.d

―2.5°
0.26g/5ml×0.5dm
=―96° 19
20
物质使偏振光振动平面向右旋转的叫做右旋, 用“+”号或“d”表示,左旋用“—”或“l”表示。 例如,由肌肉提取液中获取的乳酸,其比旋光度 +3.8°,它表示这种乳酸是右旋的。
右旋乳酸, 由肌肉运动产生
COOH
CH3 HO H
COOH (b)
COOH
H OH CH3 (b)
90。
构型改变
H
CH3 COOH OH
(与(b) 不) 同
COOH
H OH
CH3 (b)
270。
构型改变
OH
COOH
HOOC CH3 H OH
H
CH3
(与(b) 不) 同 (b)
脱离纸面旋1转80。
构型改变
COOH
HO H CH3
与(b) 不同
CH2OH
CHO H OH HO H
CH2OH
CHO HO H
H OH CH2OH
74
COOH
H
OH
HO
H
COOH
COOH
HO
H
H
OH
COOH
COOH
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OH
H
OH
COOH
75
76
HO H H3CHN H
CH3
H OH H NHCH3
CH3
HO H
H OH
H
NHCH3
H3CHN
H
CH3
CH3
77
28
1.对称面
29
30
丙酸分子的对称面
31
2.对称中心
32
3.对称轴
当分子环绕通过该分子中心的轴旋转一定角 度,得到的分子形象与原来的完全重合,此轴称 为对称轴(symmetric axis)。符号C。
H 3C
H
C H 3
旋 转 180° 重 合
H
CC
CC
H
C H 3
H
H 3C
33
34
如氯仿就有一个三重对称轴C3,当分子绕 C-H键的轴旋转120°,与原来分子重合。
CH3 < CH3CH2 < CH3CH2CH2 < CH3 CH
CH3
⑶ 若该基团含有双键或叁键时,则可看成连接两 个或三个相同的原子。
O
O
O
CO H >CC H 3>CH >C H 2 O H
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O OH C
H
CH2 Cl
C HH H
COOH CHO C H 2O H
看O的个数
64
常见基团的优先顺序 ―I >―Br >―Cl >―SO3H >―SH >―F >―OCOR >―OR >―OH >―NO2 >―NR2 >―NHR >―NH2 >―CCl3 >―COOH >―CONH2 >―CHO >―CH2OH >―C6H5 >―C(CH3)3 > ―CH(CH3)2 >―CH2CH2CH3 >―CH2CH3 >―CH3 >―D >―H
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二、偏振光和旋光性
光源
光束前进方向
前进方向与振 动方向垂直
A
B
D′
O
普通光线的振动平面
C
C′
D
B′
A′
8
尼柯尔棱镜
普通光
平面偏振光:
偏振光
仅在一个平面上振动的光叫做平面偏振光。
9
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11
这种现象的产生必然是由于物质将偏振光的振 动平面旋转了所致。物质能使偏振光的振动平面旋 转的性质叫做旋光性,具有旋光性的物质叫做旋光 性物质,如乳酸、葡萄糖等。第二个棱镜旋转的方 向就代表旋光性物质的旋光方向
COOH
C
H3C
OH
H
HOOC
C
HO
CH3
H
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两图看起来很相似,好象代表一个分子,但实际 无论怎样翻转,都不能重合。
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(一)外消旋体
含有一个不对称碳原子的化合物只有两个旋 光异构体,乳酸含有一个不对称碳原子,它就具 有两个旋光异构体。
将构成对映体的两个旋光异构体等量混合, 就得到没有旋光性的混合物,这种混合物称为外 消旋体(raclmate),用dl表示。
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D、L表示的是化合物的构型,并不表示旋光的方向。 旋光的方向用“+”和“-”表示。另外,旋光性物质的旋光 方向与构型之间没有固定的关系。例如D-型只说明,在这 种化合物中,不对称碳原子的空间排布与D-“+”-甘油醛是 同一类型,至于它的旋光方向则是由于整个分子中原子间 相互影响的结果,可能是右旋的,也可能是左旋的,可以 用旋光仪测定出来。
COOH
COOH
COOH
COOH
H OH HO H H OH HO H H OH HO H HO H H OH
CH3
CH3
CH3
CH3
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CHO
H OH
HO
H
H OH
H OH
CH2OH
COOH H2N H
R
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D、L构型的关键在于: ⑴ 找出手性C原子; ⑵ 判断手性C原子横键上两个基团的大小; ⑶ 大基团在右侧为D构型,大基团在左侧为L构型
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