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1、,第五章 立体化学原理,1,2,3,4,对映异构体与对称性,手性化合物的分类,5,外消旋体拆分,不对称合成,反应过程中的立体化学,构型异构体构象异构体,构造异构体(平面异构体),同分异构体,碳链异构体官能团位置异构体官能团异构体互变异构体,顺反异构体 对映异构体(旋光异构体),立体异构体,-单键的旋转,构象异构：,顺反异构：,自然界,旋光异构/对映异构,手性化合物,1、手性,左手,右手,左手,右手,左右手不能完全重叠左手与其镜像不重叠,手性：实物与其镜像不能重叠的特点。,左手的镜像,一、对映异构体与分子对称性,生活中具有手性的例子,对映异构基本概念：,手性：物体和它的镜象不能重叠。旋光性：手性
2、分子能使偏振光的振动方向发生偏转，这是手性分子的特有性质。旋光度与测量条件有关，包含温度、溶剂和射入样品中的入射光的波长。旋光性的分子一定是手性的，反之亦然。但在一些测量条件下，有些手征分子的旋光性可能非常小，以至无法与零相区别。在这种情况下，可以在另一个波长上测定，得出较大的旋光度。,手性分子：两个分子互为实物与镜像关系，且不能完全重叠。,对映异构体/旋光异构体,若实物与镜像能重合，则实物与镜像所代表的化合物为同一物质。,不具有手性,2、手性与分子对称性,(1)对称面:一个平面能把分子分割成两部分,一部分正好是另一部分的镜像。,CH3,Cl,H,Cl,C,对称面,有对称面的分子能和它的镜像重
3、合,没有手性。,分子中所有的原子都在同一平面上，这个面就是分子的对成面。,(2)对称中心:从分子中任何一个原子或基团向中心引一条直线,再延长到对面等距的地方,总有一个相同的原子或基团。,对称中心,翻转180度,有对称中心的分子能和它的镜像重合,没有手性。,对称轴,绕对称轴旋转180之后,（3）对称轴(旋转轴)：分子中有一条直线，当分子以此直线为轴旋转360/n后，得到的分子与原来的分子相同，这条直线称n重对称轴。,对称轴,非手性分子,重合,S4,垂直于对称轴的镜面,（4）交替对称轴,对称因素与手性的关系:有对称面、对称中心或四重交替对称轴的分子是非手性分子;既无对称中心，无对称面，又无交替对称
4、轴的分子大都是手性分子。对称轴并不能作为分子是否具有手性判据。,对于有机化合物一般为链状结构判断是否为手性分子的依据为：一般判断有无对称面。,1、含有一个手性中心的分子,()-乳酸,在非手性条件下,反应产物外消旋体,除了碳手性中心外，还有硫、磷、氮手性中心。具有三个不同取代基的胺原则上是能够有旋光性的,因为它们是手性的，但是角锥体翻转所需要的活化能太小，以致不能将对映异构体分离。当它变为季銨盐时，就不能翻转而变成手性的。,杂原子手性中心,2、含两个（或多个）手性中心的分子,当分子中有两个手性中心时，每个中心都有自己的构型，并可用R,S进行分类。,含有n个不同手性碳的化合物，可能有2n个旋光异构
5、体。,AB型 A-B A-B A-B A-B R R R S S R S SAA型 A-A A-A A-A R R R S S S,赤型：两个手性碳原子上的相同基团在同侧；,苏型:两个手性碳原子上的相同基团在异测,例如：AB型（2个不同的手性碳，四个异构体),对映异构体,(V)、(VI)为内消旋体的两种表示方法,例如：AA型（2个相同的手性碳，三个异构体),非对映异构体,内消旋体：分子内有对称因素，是含有手性碳的非手性分子。分子不能拆分。,3、环状化合物的对映异构体,非对映异构体,非对映异构体,内消旋体 mp:130,反式(+)异构体mp:175,反式(-)异构体mp:175,对映体,内消旋体
6、,轴手性:通过分子中的一个轴来区别左右手征性,该轴即为手性轴.,手性分子不一定含有手性碳原子,若有一个苯环上的两个取代基相同时，则分子有对称面，没有对映异构。,联苯和联萘,面手性化合物：,手柄类化合物,环蕃类化合物,平面手性的立体模型,面手征性:分子就一个平面来区别手征性,该面即为手性面.,轮烯类化合物,金属茂类化合物,末端两苯环不共平面,螺手型,因环的拥挤，环不能共平面,如何判断一个化合物是否是手性分子？分子中只有1个*C一定是手性分子，存在对映体，有旋光性;分子中含有2个*C或2个以上 整个分子的手性须考虑整个化合物是否存在对称因素;有些不含手性碳原子的化合物，由于分子结构中不存在对称因素
7、，也属于手性分子。(环状化合物，轴手性、面手性和螺手性化合物),物理性质:除比旋光度值相同,方向相反外，其它相同。,化学性质：非手性条件下相同；手性条件下不相同。,对映异构体的生理活性不同。,三、对映、非对映异构体的理化性质比较,对映异构体：,(S)-thalidomide,(R)-thalidomide,反应停：五十年恩怨,对映异构体性能的差别：,相同,非对映体之间性质有明显差别,酒石酸立体异构体性质比较,对映异构体和非对映异构体的性质特点：,Fischer投影式,Fischer投影式：两个竖立的键表示向纸面背后伸去的键；两个横向的键表示向纸面前方伸出的键。,四、对映异构体构型的命名,（1）
8、D、L命名法,以甘油醛为例：,注意：右旋体不一定是D型，左旋体不一定是L型。,用化学方法将某些旋光性化合物的构型与甘油醛联系而确定。,(2)R/S法是1970年采用的系统命名法,将与手性碳相连的四个基团按次序规则排列：,R型,S型,按照次序规则中次序最小的基团(d)放在观察者最远处,其它3个基团a、b、c指向观察者。,abcd,顺时针,R;逆时针,S!,Fischer投影式确定构型：,规则:当按次序规则最小基团d位于竖键时,abc为顺时针者,其构型为R 型;abc为逆时针者,其构型为S型。,R,R,Br,CH3,S,S,OH,与手性碳相连的四个基团次序:abcd,当最小基团处在横线的位置时,a
9、,b,c为顺时针时,为S构型;当a,b,c为逆时针时,为R构型。,R,S,R,S,旋光性化合物的完整系统命名,构型、旋光方向、名称,如果不知道旋光方向，则只需指出构型,(R)-(+)-2,3-二羟基丙醛,(S)-(-)-2,3-二羟基丙醛,(R)-2,3-二羟基丙醛,(S)-2,3-二羟基丙醛,轴手性化合物的构型判断：,规则：1.确定手性轴；2.把手性轴当作一个碳原子；3.选择手性轴一端的两个基团为优先基团，另外一端的两个基团为 非优先基团，根据次序规则列出有限顺序；4.然后，判定方法和手性碳原子判定方法相同，从最小基团的对立位 置观察剩余三个基团从大到小的顺序，顺时针为R构型，逆时针为S构型
10、。,abcd,（）确定化合物手性平面所在的位置，一般情况下它是化合物中 包含 原子尽可能多，却又不是全部原子的平面；（）选择一个导向原子（），它必须与手性平 面上的原子直接相连，但是自身却在平面之外，并且为连接至优先 级高的取代基路径最短的面外原子；（）从与 导 向 原 子 直 接 相 连 的 面内原子开始沿化学键建一条 路径，下一个原子总是选择优先级较高的，直到产生一 条能够表示出顺时针或逆时针趋势的趋势线；（）从导向原子 向手 性 平 面 观 看：如 果 趋 势 线 为 顺 时 针，相 应化合物的绝对构型标记为。如果 为 逆 时 针，则标记为。,构型判断规则：,五、手性化合物的获得与产生,
11、从天然资源中分离；外消旋体的拆分酶及微生物合成手性合成,（）,将外消旋体拆分成左旋体和右旋体的过程，称为外消旋体的拆分。,外消旋体的拆分,（+）,（-）,a、结晶机械分离法,1848年Pasteur在研究酒石酸钠铵晶体的时候，发现酒石酸钠铵有两种不同的晶体，这两种晶体互为镜像。,b、诱导晶种分离法 在外消旋体的过饱和溶液中加入一定量的右旋体或左旋体的晶体，则与晶种相同的异构体便优先析出。工业上生产氯霉素时，就是用此种方法拆分中间体的。,b、化学分离法,将外消旋体与旋光性物质反应,使生成非对映体,利用非对映体的熔点、沸点、溶解度等的不同进行分离。,常用试剂：手性生物碱(-)-马钱子碱、(-)-奎
12、宁、(-)-番木鳖碱、(+)-辛可宁；手性酸酒石酸、樟脑磺酸等。,2-苯基-3-甲基丁酸的拆分为例,手性合成(不对称合成),按照Morrison等人的定义不对称合成是指“这样一个过程，潜手性的单元变成手性单元，生成不等量的立体异构体。这个单元可以是整个分子，也可以是分子中的一部分”。近年来不对称合成得到了飞速的发展，被认为是有机化学在过去三十年里的最伟大成就之一。,1、潜手性分子,一个对称性非手性分子，经过化学反应，失去其对称性而成为一个非对称的手性分子，该对称分子称为“潜手性分子”。发生反应的碳原子称为“潜手性碳原子”。例如：,几个基本概念：,关于局部面两侧的立体化学描述：潜手性面 Re 和
13、 Si。如果三个配体a,b,c的优先性定为abc,则向着观察者的以 顺时针取向的面称为Re面；逆时针取向的面称为Si面。,以苯乙酮的还原为例，前方的面为Si潜手性面，后方的面为Re潜手性面。,a.动态立体化学,分子的立体结构影响分子的化学性质，按照特定立体途径进行的化学过程，叫动态立体化学。,化学键的断裂、生成，进攻试剂的方向和离去基团的取向都是立体化学的问题，能够阐明化学反应的历程、反应速度和外界条件的影响。,立体化学反应,立体选择反应,立体专一反应,2、反应过程中的立体化学,在特定反应中，单一一种反应物能够形成两种或更多种立体异构产物，但观察到的是其中一种异构产物占优势。,LiAlH4 9
14、0%10%,LiAlH(OCH3)3 12%88%,b、立体选择性反应,立体选择性的衡量标准,若产物彼此为对映体,则其中某一对映体过量的百分率(percent enantiomeric excess,简写为%e.e)作为衡量该不对称合成反应效率高低的标准,表示方法如下:,式中R和S分别为主要对映体产物的量和次要对映体产物的量。如两个对映体产物的比是95:5，则%e.e=90%),若产物为非对映异构体时,不对称合成反应效率用非对映过量百分率(percent diastereomeric excess，简写为%d.e)来表示。,式中A和B分别为主要非对映体产物的量和次要非对映体产物的量。,在相同的反应条件下，由立体异构的起始物得出立体异构的不同产物。,c、立体专一反应,Diels-Alder Reaction,八、不对称合成,非手性化合物在非手性条件下为什么总得外消旋体？,一个分子在对称环境下反应,不可能有选择性。(左旋体与右旋体过渡态能量相同,反应活化能相同,反应速率相同)。,不对称合成的分类：,分子内手性诱导的不对称合成（底物控制）,应用手性试剂的不对称合成（试剂控制）,不对称催化合成（手性放大）,SDP(Zhou,2003),
