浙江工业大学课件1 立体化学(1)

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可以是 C、N、或其它杂原子
手性中心-C原子:
CH3 H D C 2H 5
[α]25 = -0.56 D 手性中心-N原子:
同位素
CH2Ph Ph * C H Cl N 2 5 CH3
不同取代开链叔胺分子不具有旋光活性:
R R' R" N
R N R' R"
两种对映体因快速翻转 相互转化,导致消旋。
两种石英晶体
巴斯德的发现
• 1848年法国化学家巴斯德(Pasteur)在 进行酒石酸盐的结晶学研究时,观察到 外消旋酒石酸钠铵有外形不同的两种结 晶,一种晶面偏向左边;另一种晶面偏 向右边。
Baidu Nhomakorabea
外消旋体拆分
• Pasteur很仔细地将两种晶体分开, 分别溶解于水,再用旋光仪观测它们 的旋光性,惊奇地发现一种溶液是左 旋的,另一种是右旋的。把等量左旋 的和右旋的混在一起,则和起始原料 一样,无旋光性。这是人类历史上第 一次成功地将外消旋体拆分成左旋体 和右旋体。
F F B F
C3 C4 C5 C6
n重对称轴 :当分子旋转360°过程中物体或图形 复原的次数。 2、对称面 (σ): 1. 所有的原子共同处于的平面
请你各举一例。
2. 通过分子中心,且将分子平均 分成互成实物与镜象关系的 两部分的平面
下列化合物有几个对称面σ?
4、3、4、2、3、2
4. 外消旋体特点 • 对映体中的左旋体与右旋体等量混合 • 旋光性消失 • 可以拆分成左旋体与右旋体
(四). 含两个(或多个)手性中心的分子 1. 苏式与赤式表示法
CHO OH H OH H CH2OH (I) (2R, 3R)
D-赤藓糖
CHO H HO H HO CH2OH (II) (2S, 3S)
(六)不含手性碳的手性分子
CH3
A A
CH3 C C C H
NH2 H
H
NH2
B
B
H
分子中没有手性中心
端位上连接的基团 处于 垂直
H CH3
H C CH3
平面
1. 丙二烯型的旋光异构体
范特霍夫当年预言该结构理论上是手性分子,即使没 有不对称碳原子,也应有旋光异构体存在。60年后, 该预言被密尔斯(W.H.Mills)证实。
3、对称中心(i):

分子中心 等距离 相同的原子
R+
垂直于对称轴 的镜面
α-古柯间二酸
4、交替对称轴 (Sn): R+ S4
R R
+
R
+
RR-
R-旋转
90°
反射
R+
重合
R-
通过反射的 操作,上、下 R+ - 方的基团交换 R 位置,基团的 构型改变。
对称分子 (Symmetric Molecules): 具有σ、i、Sn 分子。 请各举一例
手性碳原子的四面体模型
(Van t Hoff - Le Bel模型)
,
20世纪上半叶X射线晶体学的发展,使范特 霍夫假设的不对称碳原子的正四面体结构得 到证实。
分子式相同,原子的成键顺序不同。 碳链异构 碳骨架异构 官能团异构 构造 (Constitution) 互变异构 官能团位置异构 分子构造相同,原子或原子团在空间 的排列不同。 对映异构 构型
L-赤藓糖 相同 相同
CHO CHO OH HO H H OH HO H H CH2OH (III) (2R, 3S)
L-苏阿糖 原子或基团 原子或基团
CH2OH (IV) (2S, 3R)
D-苏阿糖 碳链 同侧 碳链 异侧
Fischer 投影式: 氧化态高的基团在上端。 赤(藓〕型 (ery-): 苏(阿〕型 (threo-):
Cl H Cl H H Cl H Cl H H H H Cl Cl
H Cl Cl H Cl
H
H Cl Cl H H
Cl
事实上顺式1,2-二氯环己烷具有两种构象体,彼此间互相翻转, 其结果是两种构象体彼此虽是对映体的关系却又是彼此构象互 变体的关系,所以是内消旋体。反式1,2-二氯环己烷能保持它 的手征性。这些结论与我们从平面结构(假定环己烷为平面)式 所推导出来的结果一致。
(二). 旋光性、旋光仪和比旋光度
旋光性(optical activity)是识别对映异构体的重要方法 1.偏振光 (Plane-polarized light)
普通光通过尼科尔棱镜形成的只在一个方向上振动的平面光
2. 旋光性(光学活性optical activity) 物质能使偏振光的振动面发生偏转的性质
根据习惯将赤藓糖和苏阿糖的名称套用于非糖化 合物。凡是有两个不对称碳原子的链状化合物其中有 些取代基可以和糖分子类比的也都被冠以“赤藓”或 “苏阿”字样,这两种构型至少是非对映体的关系。 例如:2-溴-3-苯基丁烷,它有两个不对称碳原子。
(S)-2-溴-(S)-3-苯基丁烷 赤藓型
(R)-2-溴-(S)-3-苯基丁烷 苏阿型
高等有机化学 教学课件
浙江工业大学 2012.9
目录
• • • • • • • • 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 立体化学 取代基效应 有机反应活性中间体 芳香性与同芳香性 饱和碳原子上亲核取代反应 消除反应 周环反应 分子重排反应
第一章 立体化学
早在十九世纪初化学家已经注意到某些晶体有旋光 性,如石英晶体,氯酸钾、溴酸锌的晶体等。但当它 们熔化或溶解于水后其旋光性都消失了,显然这些物 质的旋光性与它们的晶体结构有关。后来又发现某些 天然有机物如松节油、樟脑等,它们在液态下或溶液 中也具有旋光性,说明这些物质的旋光性与分子的结 构有关,即旋光性是这些化合物分子的性质。
范特霍夫的假设
• 1874年,荷兰化学家范特霍夫发现当时已知的有 旋光性的有机化合物中,都含有一个与四个互不 相同的一价原子或基团相连接的碳原子。如果分 子是平面的话,即便这个碳原子连接了四个互不 相同的原子或基团,该分子与其镜象是可以互相 叠合的。他推想分子必定是立体的,提出了著名 的不对称碳原子的正四面体假设。他指出碳原子 的四个价指向以碳为中心的正四面体的四个顶点, 当与碳原了连按的四个一价基团互不相同,它们 就有两种不同的排列方式。范特霍夫用四面体模 型显示这两种排列方式之间的关系相当于物体和 镜象,两者不能叠合。
思考:
• 相对构型与绝对构型 • 对映体与非对映体 • 内消旋体与外消旋体
(五) 环状化合物的对映异构
CH2OH * H COOH * H COOH * H
顺式异构体 对映体对
CH2OH * H
非 对 映 异 构 CH2OH 体
非 对 映 异 构 体
CH2OH * H
H
H
* * COOH HOOC
一. 对映异构 (Enantiomerism)
(一) 分子的对称性 对称要素: 1、对称轴 (Cn):
Cl H C C Cl H
180°
Cl H
C C
H Cl
分子中的一条假想直线,分子围绕该直线旋转一定 的角度后,同原来的分子重合,此直线为一般对称轴。
分子旋转的角度为
360°
n
时,称 n重对称轴 (Cn)。
旋光性物质:具有光学活性(旋光性)的物质。
3. 旋光仪polarmeter:定量测量液体或溶液的 旋光程度的仪器
4.
旋光度(observed rotation)
旋光活性物质使偏振光振动面发生旋转的角度, 用“”表示
左旋:使偏振光振动面向左旋称左旋,用 “l” 或“–” 右旋:使偏振光振动面向右旋称右旋,用 “d”或“﹢” 影响旋光度的因素:(a)被测物质; (b) 溶液的浓度; (c) 盛液管长度; (d) 测定温度; (e) 所用光的波长
5.比旋光度 (specific rotation)
在一定温度和波长条件下,样品管长度为1 dm, 样品浓度为1g.ml-1时测得的旋光度。 比旋光度只决定于物质的结构.各种化合物的 比旋光度是它们各自特有的物理常数.
T []D
D-钠光源,波长为589nm T-测定温度,单位为℃ -实测的旋光度 l-样品池的长度,单位为dm c-为样品的浓度,单位为g· -1 ml
手性分子 (Chiral molecule) 旋光活性
具有交替对称轴的分子:
凡具有对称面,对称中心或交替对称轴的分子,都能与其 镜象叠合。它们都是非手性分子。而既没有对称面,又没 有对称中心,也没有交替对称轴的分子,都不能与其镜象 叠合,它们都是手性分子。至于对称轴,它的有无对分子 是否具有手性没有决定作用。
手性中心 - 其它杂原子:
O
S
CH2Ph
S-苯基烯丙基甲膦
H2C CHCH2 CH3
[α] D = +16.8°
P
R-苯基苄基亚砜 [α]27 = +92.4° D
3. 对映异构体特点 *结构:实物与镜影关系 *内能:内能相同。 *物理性质和化学性质在非手性环境中相同, 在手性环境中有区别。 *旋光能力相同,旋光方向相反。 *对映体的生理性质不同。
巴斯德的推想
• 巴斯德由酒石酸钠铵晶体的外形联想到化合 物的立体结构,他认为酒石酸钠铵的立体结 构缺少某些对称元素以致与其镜象不能互相 叠合。他指出:“右旋酸中的原子是排列在 一个右螺旋上或是排列在一个不规则四面体 的顶点上,或是有其他的非对称排列方式, 我们尚不能回答这些问题。但是存在着一种 非对称的排列方式,并不能与其镜象相叠合, 这是没有疑问的” 。
= cl
(三). 含有一个手性中心的分子 1. 对映体、 外消旋体
CH3 C COOH Ph CH3 HOOC C OH Ph
HO
[α]5 = +52° D
[α]5 = -52° D
O CH3 C COOH
NaBH4
OH * CH3CHCOOH
(±) - 乳酸
在非手性条件下产物是 外消旋体
2. 手性中心
2.构象分析
通过构象分析 下列化合物苏阿型的分子张力比赤 藓型的高。
(S)-2-溴-(S)-3-苯基丁烷 (赤藓型)
(R)-2-溴-(S)-3-苯基丁烷 (苏阿型)
3. 非对映体 、内消旋体
非对映体:不是对映体的立体异构体。 结构特征: 至少在一个不对称中心上具有相同的结构, 至少在一个不对称中心上具有不同的结构。 物理性质、化学性质不同 内消旋体:是同一化合物,无旋光性,不可能拆分 COOH COOH COOH COOH H OH HO H OH HO H H OH H H H HO OH HO H COOH COOH COOH COOH (V) (VI) (VII) (VIII) 内消旋体 两个相同的手性中心, (V)、(VI)为内 消旋体的两种表 (meso): 构型相反。 示
顺反异构
结构 (Structure) (Configuration)
非对映异构
非对映异构
分子构型相同,由于单键 构象 (Conformation) 的自由旋转,原子或原子 团在空间的排列不同。
构造异构体: 官能团异构: 官能团位置异构 互变异构:
CH3CH2OH CH3OCH3
C C C C C C C C
手性分子一定 不含有σ, i, Sn
H C OH HO Ph Ph
[α]27 = +42.9° D [α]27 D
非对称分子 (Dissymmetric Molecules): 仅具有Cn的分子。 O 不对称分子 C (Asymmetric O C2 Molecules): 不含有任何对称要素的分子。 非对称分子 CH3 CH3 不对称分子 C H 对映体 = -42.9°
顺反异构:
H Cl CH3 Cl H
OH
CH3 H
H
O O CH3C CH2COC2H5
COOH H CH3
O CH3C CHCOC2H5
对映异构: COOH
H OH HO CH3
构象异构:
H H CH3 H H CH3 CH3 CH3 H H H H
D-(+)-乳酸
L-(-)-乳酸
对位交叉 邻位交叉
反式异构体 对映体对
* H
COOH * H
COOH COOH * H * H
H
H
COOH * H
* * COOH HOOC
内消旋体 mp: 130°
反式 (+) 异构体 mp:175° 对映体对
反式 (-) 异构体 mp: 175 °
H H COOH HOOC
内消旋体
COOH HOOC H H HOOC H
反式异构体 对映体对
H COOH
思考:二取代环己烷的立体异构
二取代环己烷: 二个取代基相同时,1,2-二取代环己烷有三个立体异 构体,1,3-二取代环己烷也有三个立体异构体。
1,4-二取代环己烷只有顺式和反式两种立体异构体。
当环己烷用椅式表示时,人们或许会对上述结论发生怀疑, 1,2-二氯代环己烷,在顺式异构体中,一个氯以直立键与环相结合 的同时另一个氯必然以平伏键与环相连,如果椅式的环不翻转,这 一分子构型没有对称因素,理应是手征性的。Cl Cl
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