对映异构光学异构

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1、 对映异构（光学异构、旋光异构）、引言-一、物质的旋光性-二、旋光性与分子结构的关系-三、含一个C*化合物的对映异构-五、环状化合物的立体异构六、不含C*原子化合物的对映异构七、手性（不对称）合成和光学纯度四、含两个C*化合物的对映异构八、外消旋体的拆分九、立体化学在研究反应历程中的应用、引言 -2001年诺贝尔化学奖 2001年10月10日瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布：本年度的Nobel化学奖 奖金另一半授予美国科学家K.Barry Sharpless 三位获奖科学家的贡献就在于他们找到了立体选择性合成的方法和催化剂，可以高效快速地合成一种手性分子而不生成另一种，这为开发具有新特性的分子和

2、物质开创了一个全新的领域。目前人们已根据他们的研究成果研制出了抗生素、消炎药和心脏病药等许多药物。野依良治手性催化氢化反应1938年出生于日本神户，1967年京都大学博士毕业，1972年在名古屋大学任教授1917年出生于美国，1942年从哥伦比亚大学博士毕业曾在孟山都公司任职，1986年退休。COOHNHAcMeOAcOH2Rh(DiPAMP)100COOHNHAcMeOAcOH(97.5)H3O+COOHNHAcHOHOHL-DOPA用于治疗帕金森病K nowles的工作PPOMeMeODiPAMP：PhPP PhPhPh-(S)-BINAP(R)-BINAPPhPP PhPhPhOOOMe

3、H2RuCl2(R)-BINAPOOMeOHH99.5(R)-1,2-propandiol的合成野依良治（日本）的工作可作为在工业上合成抗菌素等类似的产品。K.Barry Sharpless手性催化氧化反应1941年出生于美国宾夕法尼亚洲，1968年斯坦福大学博士毕业，1990年起在美国斯克里普斯研究所任化学教授C2H5OOCC2H5OOCOHOHDETHHHCH2OHMeMeMeCOOHTi(DET)OHCH2OH(R)-giycidol 95 环氧化（R）-丙烯醇的合成它用于生产阻断剂 一种治疗心脏病的药。Sharpless的工作催化剂形成过量的对映体较少形成的对映体催化剂催化剂作用示意图

4、一克催化剂就可以合成一吨手性产物手性和手性分子-手性特征是自然界普遍存在的一种现象。首先让我们来看一个例子，了解一下什么是手性：-镜面12橙子味柠檬味1和2不相同吗？也许很难一下子看出来，但是你的鼻子却很容易把他们分开：化合物1是橙子味的，而2则是柠檬味的。若用实物模型操作，你总不能让他们互相重合。实际上，它们结构之间的关系就像你的左手和右手一样，表面上一模一样，但是你的左手永远不能很舒适地戴进你的右手套里。它们在三维空间上构成了一种实物和镜像的关系，无论如何都不能使它们互相重合。左右手的对映关系镜子 许多天然产物和人体内的活性分子都是手性分子。所谓手性是指物质的分子和它的镜像不能重叠，正如我

5、们的左、右手虽然相像但不能重叠一样。HOHCOOHCH3（）乳酸（）乳酸-镜面左旋体右旋体互称对映（异构）体COOHHOHCH3动物肌肉运动时产生葡萄糖经乳酸杆菌发酵获得的从酸败的牛奶中得到的乳酸都是外消旋体(等量对映体的混合物)互为手性的分子是一对对映异构体，在药理领域，异构体中的一种可能具有疗效，而另一种可能不但无效甚至有害，如(+)葡萄糖在动物代谢中能起独特的作用，具有较高的营养价值，但其对映体(-)葡萄糖则不能被动物代谢。左旋的氯霉素有抗菌作用，但其对映体则无疗效。一个典型的例子就是1960年代，在欧洲出售的一种叫反应停（沙利度胺thalidomide)的药物，用于治疗孕妇早期的妊娠反

6、应，该药物分子的R型对映异构体具有很好的镇定功能，可以减弱妊娠反应，另一种S型对映异构体却导致1.2万个海豹畸形儿出生的惨剧。在自然界，手性特征与我们如影随形，构成生命体的绝大多数有机分子，比如天然的蛋白质、多肽、催化酶、激素以及人体中的氨基酸等都是手性分子。生命体的分子识别体系有极强的手性识别能力，不同构型的立体异构体往往表现出极不相同的生理效能。手性-物体和它的镜像不能重合的特性。手性分子-凡与其镜像不能重合的分子叫手性分子。对映异构-分子式、构造式相同而构型互呈镜像对映关系的立体异构。同分异构分子式相同而构造式不同。指键合原子间的排列次序。构造异构立体异构碳链异构位置异构官能团异构互变异

7、构其他构造式相同而空间排布不同。指非键合原子间的空间关系。构型异构基团空间取向构象异构-交叉式、重叠式围绕单键旋转顺反异构or几何异构对映异构非对映异构双键顺反异构只能是非对映异构环状顺反异构既可能是对映异构，也可能是非对映异构一、物质的旋光性光波是一种电磁波，它的振动方向与其前进方向垂直。在普通光线里，光波可在垂直于它前进方向的任何可能的平面上振动。光源传播方向普通光的振动平面如果将普通光线通过一个Nicol棱晶，它好象一个栅栏，只允许与棱晶晶轴相平行的平面内振动的光线透过，而在其它平面内振动的光线则被阻挡。Nicol棱晶由两块方解石（CaCO3）按一定角度磨制后用加拿大树胶粘合而成的镜体。

8、该棱镜只允许在同一平面内振动的光波透过，而其余光波被反射。光源普通光偏振片偏光样品管旋转角度偏光通过葡萄糖等旋光物质旋光性物质-能使偏振光振动平面发生旋转的物质。旋光度（）-旋光性物质使偏振光振动平面旋转的角度。旋光性物质左旋体（）右旋体（+）（）（+）跟生理过程有关系（+）葡萄糖在动物代谢中能起独特的作用，具有营养价值，但（）葡萄糖则不能被动物代谢。左旋氯霉素有抗菌作用，其对映体则无疗效。合成的葡萄糖多聚物右旋糖酐是血浆代用品，用于大出血和外伤休克时输液急救。旋光仪-测定物质旋光度大小和方向的仪器。偏振光-只在一个平面内振动的光。零点-起偏棱晶B和检偏棱晶D晶轴相互平行时作为零点。（即刻度盘

9、指在0位置）D与刻度转盘E相连若样品管中无旋光性物质，B和D晶轴平行时，则F视场最明亮。B和D互相垂直时，则F视场最黑暗。ABCEDF旋光仪影响旋光度的因素溶液浓度样品管长度光的波长测定温度（通常20）溶剂（通常用水）为了便于比较，化学家引入了比旋光度的概念。比旋光度（tD）-在钠光源下，每毫升含有1g待测物质的溶液，置于1dm长的样品管中，在温度为t下测得的旋光度数值。20DB 旋光度样品的质量浓度g/mL纯液体时用密度样品管的长度dm，分米量糖计-在制糖工业中，测定蔗糖溶液的旋光度，即可算出它的质量浓度，故所用的旋光仪又叫量糖计。二、旋光性与分子结构的关系对映异构现象的发现：1848年法国

10、巴黎师范大学化学家、微生物学家Pasteur(18221895）在研究酒石酸钠铵晶体时，发现有两种不同的晶体，这两种晶体互为实物和镜像的关系，非常相似，但不能重合。Pasteur细心地用镊子将这两种晶体分开，分别溶于水中，并测定其旋光度，发现其中一种是左旋的，另一种是右旋的，而它们的比旋光度却相等。左旋和右旋酒石酸钠铵晶体的外形是不对称的，但溶于水晶体消失后，仍具有旋光性，显然它的旋光性与分子内部结构有关。当时他明确提出两个很重要的概念：对映异构现象是由于分子中原子在空间的不同排列而引起的；左旋体和右旋体分子中原子在空间的排列是实物和镜像的关系。为了说明对映异构产生的原因，1874年荷兰化学家

11、Vant Hoff（18521911）和法国化学工艺师Le Bel（18471930）分别独立提出碳原子的四面体学说。手性碳原子C*-分子中连有四个不同原子或基团的碳原子。CH3CHCOOH*OH乳酸CH3CH2CHCH3OH*仲丁醇COOHCHOHCOOHCHOH*酒石酸Vant Hoff 和 Le Bel当时在巴黎Wurtz实验室学习和工作。他们的四面体学说提出后，在化学界引起很大的反响，有的支持，有的反对。后来大量的实验事实证明正四面体学说是正确的。由于Vant Hoff 对有机化学发展的巨大贡献，1901年他成为Nobel化学奖的第一个获得者。物质分子与其镜像不能重合是手性分子的特征。

12、手性分子必定旋光，旋光的分子必定是手性的。非手性分子必定不旋光，不旋光的分子必定是非手性分子。物质分子中含有C*，就一定是手性分子吗？分子的手性（旋光性）与分子内的对称因素有关。分子的对称因素主要有对称面和对称中心。对称面（镜面）-设想分子中有一个平面，它把分子劈成两半，这两半互为实物和镜像，这个平面叫对称面。用表示。具有对称面的化合物是非手性的，它没有对映异构体和旋光性。ClHCH3Cl1,1二氯乙烷CCClClHH(E)1,2二氯乙烯有对称面对称中心-设想分子中有一点i,从分子中任一基团为出发点与 i连接，再延长此连线到等距离处，都遇到相同的基团，则此点叫分子的对称中心。ClHClFFHH

13、HiHHHHHH2,4-二氟-1,3-二氯环丁烷苯有对称中心 i具有对称中心的化合物是非手性的，它没有对映异构体和旋光性。一个分子既无对称面也无对称中心，一般可初步判断它是一个手性分子，有对映异构体和旋光性。产生旋光性的原因-旋光性是由分子结构不对称引起的。平面偏振光也是电磁波，它可以看作是由两种园偏光合并组成的。它们都围绕着光前进的方向呈螺旋形向前传播，其中一种呈右螺旋形，另一种呈左螺旋形。这两种光互为不能重叠的镜像关系。-偏光-光前进方向-光前进方向右旋园偏光左旋园偏光光的振动频率很高，形成了快速的交流电场，当光线照射到透明物质的分子上时，分子的原子核和电子都受到光的电场的影响。因电子质量

14、较小，它容易受光的电场影响而发生振动。由于光波与电子震动之间的影响，光波前进的速度就减慢，从而产生折射现象。物质的折射率愈大，表明光在前进中受到的阻碍愈大，其速度就愈小，也就是物质分子中电子振动愈强。如果物质分子的极化度愈大，物质与光的相互作用也就愈强，折射率也就愈大。当偏光经过一个对称的区域时，这两种园偏光受到分子的阻碍相等，所以它们以相同的速度经过这个区域，因此，合成光（偏光）仍保持原来偏光的振动平面，不表现出旋光性。如果遇到不对称区域，由于不同基团极化度的差异，两个园偏光受到的阻碍就不同，速度减慢的程度也就不一样，这就导致合成光振动平面不能再维持在原来的方向，而产生一定的偏转，从而表现出

15、旋光性。一种物质没有旋光性，这不是个别分子的性质，而是大量任意分布的可与镜像重合的分子（即非手性分子）宏观统计的结果。三、含一个C*原子化合物的对映异构两种乳酸动物肌肉运动产生 15D+3.82 53 3.79 葡萄糖经乳酸杆菌发酵15D3.82 53 3.79 比旋光度 熔点 pKaHOHCOOHCH3（）乳酸（）乳酸-镜面左旋体右旋体互称对映（异构）体外消旋体（）-等量对映体的混合物。COOHHOHCH3对映体的物理、化学性质与环境是否手性有密切的关系。在非手性环境下，对映体的性质相同。例如对映体的熔点、沸点、酸碱性、溶解度和反应速率等等。在手性环境中偏振光是手性环境，对映体的旋光方向相反

16、。在手性溶剂中，对映体的溶解度不同。与手性试剂反应，对映体的反应速率不同。在手性催化剂的作用下与非手性试剂反应时，对映体的反应速率也不同。这好比两个螺丝钉，一个螺纹向左，一个向右，如果把它们钻到木板中（非手性环境），两者都可以旋进去，而且难易程度相同。如果把它旋进螺帽（手性环境），那旋转的方向就不同了。生物体中有许多手性物质，酶是生物催化剂，具有很高的手性，因此对映体在生物体内常常表现不同的生理作用。例如左旋烟碱的毒性比右旋的大；青霉菌在含有（）酒石酸的培养液中生长，右旋的酒石酸被消耗掉，溶液慢慢从不旋光变成左旋，将（）苹果酸盐溶液在兔子身上作皮下注射，左旋体被消耗掉，从尿中排泄出来的是（+）

17、苹果酸盐。对映体在结构上的区别是空间构型不同，采用传统的平面结构式，无法表示基团在空间的相对位置。如果采用立体的模型图，书写又非常不方便。目前普遍使用的是平面投影式，它是1891年Fischer提出的，所以又叫Fischer投影式。Fischer（18521919），杰出的德国有机化学家，因合成糖和嘌呤而获得1902年Nobel 化学奖。他是凯库勒（18291896）和拜尔（18351917，1905年获Nobel化学奖）的学生。投影原则把C*置于纸平面内，四个价键按交叉的排列，交点代表C*原子。横前竖后。主碳链竖向排列，把命名时编号最小的碳原子放在碳链顶端。COOHHOHCH3COOHCH3

18、OHH投影后构型的表示方法费歇尔投影式透视式COOHCH3OHHHCOOHCH3HO-COOHCH3HOHCHOHCOOHH3CC-（）乳酸（）乳酸D（）乳酸 D/L法构型标记R（）乳酸 R/S法使用费歇尔投影式应注意投影式在纸面上旋转180，其构型保持不变；旋转90、270构型改变，成为它的对映体。C*原子上任意两个基团互换位置偶数次时，构型不变；奇数次时，构型改变。将C*原子上任一基团固定，让其余三个基团按顺（逆）时针依次轮转位置，构型不变。投影式离开纸面翻转180，构型改变。COOHHOHCH3COOHCH3OHHHOOCCH3OHHC投影式R/S命名原则优先次序OHCOOHCH3顺时针

19、 R型名称 R（）乳酸说明C*上四个基团在空间排列的形象。是由仪器实际测定的。构型和旋光方向没有什么必然的对应关系D/L和R/S命名法之间并无一定的对应关系。四、含两个C*原子化合物的对映异构COOHHOClHCOOHHCOOHOHClHCOOHH-()()COOHHOClHCOOHHCOOHOHClHCOOHH()()-23(2R,3R)-2-氯-3-羟基丁二酸(2R,3S)(2S,3R)熔点145157145157对映体非对映体非对映体-不呈物像对映关系的构型异构体。非对映体的物理性质不同，化学性质相似，但反应速率有差异。非对映体混合在一起,可以用一般的物理方法将它们分离开来。构型异构体数

20、=2n (n是不相同的C*数）外消旋体数=2n-1酒石酸 HOOCC*HOHC*HOHCOOHCOOHHOOHHCOOHHCOOHHOHHOCOOHHCOOHHOHHCOOHOHCOOHHHHOCOOHOH-()()()()右旋酒石酸左旋酒石酸内消旋(meso)酒石酸(2R,3R)-(+)-酒石酸(2S,3S)-()-酒石酸(2R,3S)-内消旋酒石酸-无旋光性(手性)有旋光性(手性)酒石酸只有三个构型异构体酒石酸的物理常数酒石酸熔点 比旋光度25D 20水溶液 溶解度g(100g水)1 密度gcm3，20pKa1pKa2左 旋 体右 旋 体内消旋体外消旋体171171147206 +12 1

21、2 不旋光 不旋光 139 139 125 20.6 1.760 1.760 1.666 1.7882.932.933.112.964.234.234.804.24五、环状化合物的立体异构ClBrHH*ClBrHH*顺1氯2溴环丙烷反1氯2溴环丙烷无对称面,无对称中心-对映体对映体共有四个构型异构体HH*HOOCCOOH-顺1,2环丙烷二甲酸HH*HOOCCOOH-反1,2环丙烷二甲酸对映体内消旋体对映体共有三个构型异构体HOOCCOOHHH顺1,4环己烷二甲酸有对称面无对映体,无旋光性HOOCCOOHHH反1,4环己烷二甲酸-反式1,2和1,3环己烷二甲酸有对映体六、不含C*原子化合物的对映

22、异构例1 丙二烯型化合物CCCH3CCH3HH-对映体2,3戊二烯 2,3戊二烯整个分子没有对称面,也没有对称中心,虽然分子中没有C*原子,但是分子具有手性,有对映异构体(不是顺反异构)。如果任何一端的碳原子连有相同的基团,分子即具有对称面,无手性,无对映体。例2 联苯型化合物HOOCO2NCOOHNO226254136-对映体6,6二硝基联苯2,2二甲酸在联苯分子中,两个苯环可以围绕中间的单键自由旋转。若在每个苯环的邻位上引入大体积基团,由于空间阻碍使得单键不能自由旋转,两个苯环不能处在同一平面上,此时,整个分子没有对称面和对称中心,具有手性,有对映体。HOOCNO226254136NO2H

23、OOC单键自由旋转180，但同一苯环上连有两个相同的基,分子有对称面,无手性,无对映异构体。FBr26254136FBrF原子体积小,单键可以自由旋转,两个苯环可以共平面,分子有对称面和对称中心,无手性,无对映异构体。七、手性合成和光学纯度CH3OHC*HCOOHCH3COOCH3CO还原水解CH3OHC*HCOOCH3丙酮酸甲酯()乳酸甲酯外消旋体()乳酸非手性条件非手性条件此例为非手性合成，产物是外消旋体，不具有旋光性手性合成-由非手性化合物合成手性化合物时,如果反应在手性条件下进行,将使产物中某个立体异构体的量占优势,这种合成叫手性合成(或不对称合成)。CH3COOHCO还原丙酮酸(+)

24、乳酸CH3CH(CH3)2HO*酯化手性条件()薄荷醇CH3COCOOC10H19丙酮酸()薄荷醇酯CH3CHOHCOOC10H19*(-)乳酸()薄荷醇酯(占优势)(+)乳酸()薄荷醇酯水解(-)乳酸(占优势)CH3CHOHCOOH*此例为手性合成，产物的一种立体异构体过量,具有旋光性不对称合成的产物是不等量左旋体和右旋体的混合物，它的比旋光度取决于混合物中左、右旋体的组成。光学纯度百分率（op）测定纯品100Percent optical purity不对称合成的效率对映体过量百分率（ee）RSRS100RS数值相等R型对映体对S型对映体的过量百分数percent enantiomeric

25、 excess主要对映体的量次要对映体的量例：已知光学纯2甲基1氯丁烷的+1.64，现有一个不对称合成该化合物的样品，经测定其比旋光度为+0.82，求该样品的光学纯度百分率和（+）、（-）对映体的组成比。opee测定纯品100+0.82+1.6410050该样品50右旋体50外消旋体25左旋体25右旋体75右旋体右旋体 左旋体75 25八、外消旋体的拆分将外消旋体分开成为左旋体和右旋体的操作叫外消旋体的拆分外消旋体的拆分机械拆分法微生物拆分法选择吸附拆分法诱导结晶拆分法化学拆分法机械拆分法-利用外消旋体中对映体的结晶形态的差异，借肉眼直接辨认或通过放大镜进行辨认，而把两种结晶体挑拣分开。此法要

26、求结晶形态有明显的不对称性，且结晶大小适宜。此法比较原始，目前极少使用，只在实验室中少量制备时偶然采用。微生物法-某些微生物或它们所产生的酶，对于对映体中一种异构体有选择地分解作用。利用微生物或酶的这种性质可以从外消旋体中把一种旋光体拆分出来。例如在含有外消旋酒石酸的培养液中，微生物只利用右旋体作为生长营养物质，结果右旋体被消耗，留下的是左旋酒石酸。此法缺点是原料至少有一半未得到利用。选择吸附拆分法-用某种旋光性物质作为吸附剂，使之选择性地吸附外消旋体中的一种异构体，这样就可以达到拆分的目的。诱导结晶法-是利用晶种来拆分外消旋体，这是一种最经济的办法。当溶液中含有稍微过量的一种对映体，它在晶种

27、的诱导下，优先沉淀出来，而沉淀出的量比过量的量还多。过滤后，溶液中就含有过量的另一种对映体。升高温度，加入外消旋体，冷却时，另一种对映体优先沉淀出来。通过这种方法，只要第一次加入少量左旋体（或右旋体）就能交替地把外消旋体分为左旋体和右旋体。合霉素就是运用诱导结晶法进行拆分的。100g()合霉素加1g(+)氯霉素加100ml水80溶解20冷却过滤滤液含过量()氯霉素加2g()氯霉素1.9g(+)氯霉素晶体冷却过滤2.1g()氯霉素滤液化学拆分法-这种方法应用最广。最适用于酸或碱的外消旋体的拆分。(+)乳酸(-)乳酸(外消旋体)2(+)苯基乙胺CH3CHCOOH3NCHC6H5+*OHCH3和(-

28、)(+)非对映体物理性质不同重结晶分离CH3CHCOOH3NCHC6H5+*OHCH3CH3CHCOOH3NCHC6H5+*OHCH3拆分剂HCl水解HCl水解(+)C6H5CHNH2HCl*CH3和(+)乳酸()乳酸和(+)盐酸胺拆分既非酸又非碱的外消旋体时，可以设法在分子中引入酸性基团，然后按拆分酸的方法拆分之。也可选用适当的旋光性物质与外消旋体作用形成非对映体的混合物，然后分离。例如：醇的拆分COCOO（）ROHCOOHCOOR物质物质非对映体物理性质不同，可用一般的分离方法将它们分开。旋光性碱()ROH 非对映体的酯的混合物NHSO2COCl()分离之例如：醇的拆分例如：醛、酮的拆分(

29、)醛NHNH2()非对映体的混合物分离之九、立体化学在研究反应历程中的应用1、烷烃的氯代反应CH3CH2CH2CH3Cl2hCH3CH2CHCH3C l*（产物不具旋光性）CH3CH2CH2CH3 +ClCH3CH2CHCH3+HClCl2CH3ClCHC2H5CH3HCClC2H5-外消旋体CH3CC2H5HCl2(a)(b)(b)(a)实验事实2、烯烃的加成反应H3CCH3HHCCBr2CH3HHCH3BrBrCH3HHCH3BrBr+外消旋体实验事实CH3HHCH3CCBr+Br顺式加成BrCH3HHCH3Br内消旋体不可能有可能CH3HHCH3CC反式加成BrCH3HHCH3Br+Br

30、Br-BrCH3HHCH3CC反式加成BrCH3HHCH3BrBr+-BrBr外消旋体关于中间体是碳正离子？还是溴嗡离子？！内消旋体CH3CH3HHCC+BrBrCH3HHCH3Br+12碳正离子()单键旋转180CH3HHH3CBr+12碳正离子()B r BrCH3HHH3CBr有内消旋体生成，则与实验事实不符，所以，中间体不是碳正离子，应是溴嗡离子。现在多数人认为，烯烃加溴是经过一个三员环的溴嗡离子中间体。由于形成环状结构，碳碳单键不能自由旋转，同时也限制Br 只能从溴嗡离子的反面进攻，因此Br 进攻两个碳原子的机会均等，所以得外消旋体。CH3CH3HHCC+BrBr溴嗡离子B rCH3CH3HHCC+Br溴嗡离子B rCH3CH3HHCC+BrBrCH3HHCH3BrBrCH3HHCH3BrBrCH3HHCH3BrRRBrCH3HHCH3BrSS外消旋体烯烃与溴的反应历程：亲电加成、分步进行、溴嗡离子中间体、反式加成BrCH3HHH3CBrBrBr2B rH3CCH3HHCC+BrCH3HHH3CBrBrCH3HHCH3BrRSBrCH3HHCH3BrSR内消旋体H3CCH3HHCC溴嗡离子反2丁烯