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1、7.3 手性、潜手性与不对称合成,7.3.1 手性的概念,7.3.3 潜手性与不对称合成的选择性,7.3.2 潜手性及其标记,7.3.1 手性的概念,手性的定义,若一物体或分子与其镜像不能重叠，则称该物体或分子具有手性,自然界与生活中的手性现象,分子的手性,源于碳原子和一些杂原子的四面体结构,手性中心产生手性,某些可能产生手性中心的杂原子,因单键旋转受限产生手性,刚性环状结构产生手性,手性异构体的命名,对映体（enantiomers),Stereoisomers related to each other as nonsuperimposable mirror images are refer
2、red to as enantiomers,Examples of enantiomers,Except for the sign of their specific rotation,enantiomers have identical physical properties(m.p.,b.p.,energy,and so forth),非对映体（diastereomers),Stereoisomers that are not mirror images are referred toas diastereomers,Examples of diastereomers,Diastereom
3、ers have different physical properties(m.p.,b.p.,energy,and so forth),外消旋体(racemate)和内消旋体(meso compounds),Examples of racemate,Examples of racemate,Examples ofmeso compounds,Meso compounds are superimposable and are present as a single stereoisomer,药物的手性与生物活性,生物体的酶和细胞表面受体都是手性的，对映异构体在体内将被区别对待,手性药物与受体
4、的结合,外消旋体药物在体内可能产生以下几种情况,两种手性异构体都有药效,一种有药效，另一种无效,一种有效，另一种有副作用,左氧氟沙星的抗菌活性是外消旋体的2倍,沙丁胺醇,支气管扩张药,R异构体活性较S异构体高80倍,特布他林,支气管扩张药,R异构体活性较S异构体高200倍,噻吗心安,-阻断剂,治疗青光眼,Gatifloxacin(盖替沙星），两种异构体活性相当,7.3.2 潜（准）手性（Prochirality)及其标记,一些分子本身无手性，但若将分子中非手性中心上看起来完全相同的两个原子或基团用一个新的原子或基团取代，就会使非手性中心转变为手性中心,称这样的非手性中心为潜手性中心，这样的非手
5、性分子为潜手性分子,例如丙酸亚甲基上的两个氢,Hb：Pro-S,Ha：Pro-R,对映异位和非对映异位,潜手性中心上的两个原子或基团称为异位的原子或基团,异位又分,对映异位（enantiotopic),非对映异位（diasterotopic),对映异位的实例,非对映异位的实例,平面分子的两个面也可能是异位的,由羰基加成产生手性中心的实例，分子的正面和背面是对映异位的,异位面的标记,按三个原子或基团的优先次序顺时针排列为Re面，逆时针排列为Si面,丙二酸衍生物在手性化合物二甲马钱子碱(Brucine）的作用下脱羧，生成一对互为对映体的产物，含量分别为55%和45%，说明这两个羧基是有区别的,对映
6、异位？非对映异位？,7.3.3 潜手性与不对称合成的对映选择性,根据潜手性的概念，可把不对称合成反应定义为,不对称合成反应指的是一个潜手性化合物通过它的潜手性部分转变为手性，得到含有不等量的手性立体异构体混合物的反应,不对称合成的选择性,对映体过量（ee%),实现不对称合成的条件,由潜手性底物生成不同手性立体异构体的反应是平行反应,动力学控制条件下，产物的比例取决于生成不同手性立体异构体的速率常数之比,若TSR和TSS是对映体，则其自由能相同，由此生成的产物PR和PS量相等，反应没有选择性,即经由对映异构过渡态的平行反应没有立体选择性,例如，对映异位的乙醛与HCN的加成生成不同手性立体异构体的
7、过渡态是对映体，无对映选择性,非对映异位的醛与HCN的加成生成不同手性立体异构体的过渡态则是非对映体，有对映选择性,天冬酰胺叔丁酯分子中3位碳上的两上氢在核磁共振谱图上化学位移不同，裂分成八重峰，为什么？,结论,对映异位底物在通常条件下反应不存在对映选择性,实现对映异位底物的不对称合成需要提供手性环境，使生成不同立体异构体的过渡态成为非对映体,非对映异位底物因分子中存在手性中心，生成不同立体异构体的过渡态为非对映体，在任何条件下反应都可能存在对映选择性,手性环境包括,手性底物（非对映异位底物）,手性试剂或手性辅助剂,手性催化剂（不对称催化）,不对称催化的重要性和发展趋势,不对称催化是效率最高的
8、不对称合成反应,早期的不对称催化主要应用过渡金属配合物催化剂,手性有机小分子催化剂是今后的发展方向,7.4.1 旋光性与分子构型,旋光性是手性分子所具有的典型特征,一定波长的一束平面偏振光通过手性化合物时，偏振面就会发生旋转，以旋光率或摩尔旋光度M表示旋转的程度,7.4 手性分子构型与实验方法,手性分子具有旋光性的原因至今还不十分清楚,长期以来，化学家们总结出了一些结构与旋光性关系的经验规则,如Vant Hoff旋光性叠加规则(1893),Freudenberg衍生物旋光性位移规则(1930年)等,Brewster规则,Brewster规则,Brewster提出了由原子和基团的极化度或折射率来
9、预测分子旋光性的规则,利用这一规则，不仅可由分子的结构预测其旋光性，也可由实验测定的旋光性来判断分子的构型,根据Brewster规则，对于开链的手性化合物,可按以下步骤判断其旋光性,(1)找出极化度小的基团(设其为D),(2)从基团D的背面，沿*CD的方向观察分子，如果从极化度最大的基团至最小的基团为顺时针，则分子为右旋，否则为左旋,(3)A，B，C，D四个基团极化度之差越大，摩尔旋光度就越大,若A、B、C、D四个基团中有一个或几个在紫外区有吸收，则由于电子从束缚较大的HOMO跃迁到束缚较小的LUMO，极化度之差变大，旋光度绝对值增加,(4)计算极化度大小时，可用原子折射值(RD)代替,一些原
10、子和基团的原子折射值顺序为：,I Br HgBr HgCl SH Cl CCR CN CH=CR2 C6H5 CHO COOH COR CH3 CH2R NH2 OH H D F,例：判断下列化合物的旋光方向,极化度最小的基团为H，从远离H的方向观察分子时，基团极化度减小的顺序和变化的方向如下,Cl C6H5 CO2H，顺时针方向，故为右旋，实验值D=327(苯),C6H5 COC2H5 CH3，顺时针方向，故为右旋，实验值D=1220o(甲苯),C6H5 COCH3 CH3，顺时针方向，故为右旋，实验值D=1360o(甲苯),C6H5 COCH3 CH2CH3，顺时针方向，故为右旋，实验值D
11、=1160o(甲苯),应用Brewster规则时的注意事项,如果手性碳原子上有可以形成氢键的基团，由于氢键的缔合作用形成环状结构，实际的旋光方向与判别的可能相反,含两个手性碳原子的化合物，也可用Brewster规则预测旋光性,把极化度差别大的手性碳称为优势手性碳,分子的旋光方向由优势手性碳的旋光方向决定,7.4.2 旋光谱和圆二色光谱,手性化合物具有旋光性是因为组成平面偏振光的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光在由手性化合物组成的介质中传播时，折射率不同,由此造成左旋圆偏振光和右旋圆振光传播速度不同，导致平面偏振光的偏振面发生旋转,旋转的程度可用下式计算,式中为旋转角；为平面偏振光的波长；nL和nR为
12、左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的折射率,由上式可见，旋转角不仅与折射率差有关，还与平面偏振光的波长有关,折射率差越大，波长越短，旋转角的绝对值越大,测定不同波长时的旋转角，以旋光率或摩尔旋光度M为纵坐标，以波长为横坐标作图，可以得到一条实验曲线，即为旋光谱的谱线,旋光谱也称旋光色散(Optical Rotatory Dispersion)，简称ORD,由于手性化合物的结构各不相同，旋光谱的谱线形状也不相同,一般说来，如果手性化合物为简单的烃类，没有可产生紫外吸收的官能团，将得到平坦的旋光谱线。例如化合物51、52和53的旋光谱线,51的旋光谱线由长波向短波的方向呈上升趋势，称为正性谱线,52、53
13、的旋光谱线由长波向短波方向呈下降趋势，称为负性谱线,Cotton效应,含有羰基等在紫外区有吸收的官能团的手性化合物,称此为Cotton效应,对应于紫外吸收的波长处，电子将从束缚大的HOMO轨道(非键轨道n)跃迁到束缚小的LUMO轨道(轨道),使基团之间的极化度之差变大，旋光率急剧增加，旋光谱线出现陡峭上升或下降的区段,下图是化合物54(5-胆甾烷-3-酮)和55(3-乙酰氧基-5-胆甾烷-7-酮)的旋光谱，前者呈现正的Cotton效应，后者呈现负的Cotton效应,圆二色光谱,组成平面偏振光的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过手性化合物时，不仅传播速度不同，吸收系数也不相等,其差记作，称为吸收系数
14、差,这种现象称作圆二色性(circular dichroism)，简称CD。,如果以为横坐标，以 为纵坐标，将得到一条谱线，称作圆二色光谱,如果样品化合物在所研究的波长范围(250nm700nm)内没有特征吸收,的变化就比较小，圆二色光谱的谱线为一条水平的直线，对结构鉴定意义不大,如果样品化合物在所研究的波长范围内有特征吸收，在旋光谱中出现Cotton效应的谱形，在相应波长处 的绝对值将会有较大的变化，给出有特征性的圆二色光谱，由此也可识别是否存在Cotton效应,下图是(一)薄荷酮在水和异辛烷中的圆二色光谱图,由图可见，在极性的水溶液中呈现正的Cotton效应，而在非极性的异辛烷中则呈现负的
15、Cotton效应,不同的Cotton效应对应于(一)薄荷酮的两种构象,在水中56a为优势构象，因而呈现正的Cotton效应，异辛烷中，56b为优势构象，因而呈现负的Cotton效应(见7.4.3节),7.4.3 ORD谱和CD谱在饱和环酮结构分析中的应用,研究ORD谱和CD谱也和其它谱波方法一样，是通过一系列化合物的研究，比较谱线的形状，特别是Cotton效应的正负号，从中总结出规律，用于鉴定化合物的空间结构,八区律,通过对环酮（特别是甾酮）Cotton效应的研究，发现了很多重要的规律。例如：对映体的Cotteon效应互相对映，不对称中心离发色团越近，影响越大等,在这些规律中，最著名的是“八区
16、律”，根据这一规律，可以由实验测定的谱线推测样品的结构，也可由化合物的结构推测Cotton效应的正负号,八区律用三个平面将环己酮衍生物分成八个区，如图18所示,图中平面A是通过C1和C4且与羰基平面垂直的平面，将分子分成左右两部分,平面B是与羰基平面重合且通过C2和C6的平面，将分子分成上下两部分,平面C是垂直于平面A并分割羰基的平面，将分子分成前后两部分,环己酮衍生物Cotton效应的符号与分子中取代基所处的区域有关，具体判别的规则如下,规则说明,位于平面A和平面B内的取代基对Cotton效应的影响很小，可以忽略不计，包括C4上的所有取代基和C2及C6上平伏式取代基,由于羰基碳原子为sp2杂化，键角为120，呈平面结构，所以环己酮衍生物分子中的基团一般都处在后四区，判断环己酮衍生物Cotton效应的符号时，一般只需考虑位于后四区内的基团,思考题,根据八区律判断(一)薄荷酮两种构象Cotton效应的符号,分析,习题9,9.1 判断下列化合物的旋光方向,9.2 环庚酮有船式和椅式两种构象。实验发现，(+)-3-甲基环庚酮呈现负的Cotton效应。试推测环庚酮的优势构象。,9.3 预测下列化合物Cotton效应的符号,9.4 估算下列构象转化反应的平衡常数,
