同分异构PPT课件

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1、【本章重点本章重点】立体异构立体异构构象异构和构型异构。构象异构和构型异构。【必须掌握的内容必须掌握的内容】1.构造异构、碳链异构的正确书写方法。构造异构、碳链异构的正确书写方法。2.顺反异构及其顺反异构及其Z/E命名法。命名法。3.分子的手性、手性碳原子、对称因素、对映体、非分子的手性、手性碳原子、对称因素、对映体、非对映体、外消旋体和内消旋体。对映体、外消旋体和内消旋体。4.Fischer投影式的书写方法及注意事项。投影式的书写方法及注意事项。5.构型的标记方法（构型的标记方法（D/L法和法和R/S法）。法）。6.含一个、两个手性碳原子的光学异构。含一个、两个手性碳原子的光学异构。7.7.

2、乙烷、丁烷、环己烷的构象。乙烷、丁烷、环己烷的构象。第三章第三章 有机化合物的同分异构现象有机化合物的同分异构现象31 历史的回顾历史的回顾 1797年年 法国化学家法国化学家Proust（普卢斯特）提出（普卢斯特）提出定比定定比定律律之后，人们便认之后，人们便认为为具有相同组成的化合物，便具有相同具有相同组成的化合物，便具有相同的性质的性质，这一错误观点直到，这一错误观点直到1822182218261826年间才被新的发现年间才被新的发现所否定。这就是：所否定。这就是：W hler（魏勒（魏勒 德国化学家德国化学家）Liebig（李比希（李比希 德国化德国化学家学家）分别证实了异氰酸）分别证

3、实了异氰酸（HNCOHNCO）和氰酸和氰酸（HONCHONC）；异氰）；异氰酸银酸银（AgNCOAgNCO）和氰酸银和氰酸银（AgONCAgONC）。1828年年 W hler试图使氯化铵溶液与氰酸银反应来制试图使氯化铵溶液与氰酸银反应来制备氰酸铵，但得到的确却是备氰酸铵，但得到的确却是组成相同组成相同，性质不同性质不同的尿素。的尿素。AgOCN+NH4ClNH4OCNH2NCONH2氰酸铵尿素 1848年年 Pasteur（巴斯德（巴斯德 法国化学家法国化学家）在显微镜下用）在显微镜下用镊子将外消旋酒石酸拆分成右旋和左旋酒石酸。镊子将外消旋酒石酸拆分成右旋和左旋酒石酸。1861年年 Butl

4、erov（布特列洛夫（布特列洛夫 俄国化学家）在德国俄国化学家）在德国自然科学代表大会自然科学代表大会上作了上作了论物质化学结构论物质化学结构的的 报告从而建立了化学结构学说，说明了产生同分异构现象报告从而建立了化学结构学说，说明了产生同分异构现象的原因是化学结构的不同。的原因是化学结构的不同。1874年年 Vant Hoff（范特霍夫（范特霍夫 荷兰化学家）和荷兰化学家）和Le Bel（法国化学工艺师）独立地提出了（法国化学工艺师）独立地提出了“碳原子正四面体碳原子正四面体假假说说”，创立了立体化学的基础。，创立了立体化学的基础。1931年年 P uling（鲍林（鲍林 美国化学家）和美国化

5、学家）和Slater提出了提出了杂化轨道理论，解决了价键的方向性问题。杂化轨道理论，解决了价键的方向性问题。岁月流逝，经无数科学家坚苦卓绝的奋斗，揭开了化岁月流逝，经无数科学家坚苦卓绝的奋斗，揭开了化合物同分异构的合物同分异构的“神秘面纱神秘面纱”。同分异构的类型：同分异构的类型：同分异构构造异构碳链（碳架）异构官能团位置异构官能团异构互变异构立体异构构型异构构象异构顺反异构光学异构32 构造异构构造异构 本节以自学为主。这里只简单介绍碳链本节以自学为主。这里只简单介绍碳链（碳架）异构的正确书写方法（碳架）异构的正确书写方法：以以C6H14为例：为例：1.首先写出最长的直链：CH3CH2CH2

6、CH2CH2CH32.其次写出减少一个碳原子的最长碳链：CH3CHCH2CH2CH3CH3CH2CHCH2CH3CH3CH33.再次写出减少两个碳原子的最长碳链：CH3CHCHCH3CH3CH3CH3CCH2CH3CH3CH333 顺反异构顺反异构 重点介绍顺反异构体的重点介绍顺反异构体的Z/E标记法。标记法。那些化合物存在顺反异构体：那些化合物存在顺反异构体：产生顺反异构体的原因：产生顺反异构体的原因：具有双键的化合物具有双键的化合物由于双键不能自由由于双键不能自由(1).含有C=CC=NN=N、双键的化合物。(2).环状化合物。旋转，当双键连有不同的原子或基团时，就会出现两种不旋转，当双键

7、连有不同的原子或基团时，就会出现两种不同的空间排布方式，从而产生顺反异构体。同的空间排布方式，从而产生顺反异构体。双键上双键上C与与N的不同之处是：的不同之处是：C 原子连有两个不同的原子连有两个不同的原子或基团，而原子或基团，而N原子只连有一个原子或基团，另一个原子只连有一个原子或基团，另一个sp2杂化轨道是被杂化轨道是被孤对电子孤对电子所占据。所占据。环状化合物环状化合物把碳环近似的看成一个平面，连在环把碳环近似的看成一个平面，连在环碳上的原子或基团就有在环平面的上下之分，从而产生碳上的原子或基团就有在环平面的上下之分，从而产生顺反异构现象。顺反异构现象。顺反异构体的命名方法：顺反异构体的

8、命名方法：1.顺顺/反标记法：反标记法：相同的原子或基团位于双键（或环平面）的相同的原子或基团位于双键（或环平面）的同侧同侧为为“顺式顺式”；否则否则为为“反式反式”。C=CC=Caabbaabbaaaabbbb(cis )_顺式(trans )_反式(trans )_反式(cis )_顺式 2.Z/E/E标记法：标记法：该法是该法是1968年年IUPAC规定的系统命名法。规定的系统命名法。规定按规定按“次序规则次序规则”，若优先基团位于双键的，若优先基团位于双键的同侧同侧为为Z式式（德文（德文Zusammen的缩写，中文意为的缩写，中文意为在一起在一起）；否）；否则则为为E式式（德文（德文E

9、ntgegen的缩写，中文意为的缩写，中文意为相反的相反的）。）。C=CabcdC=Cabcdabcd(Z)(E)应用举例应用举例:含含C=C双键的化合物：双键的化合物：C=CC=CHHClClHClClH1,2_二氯乙烯顺反_1,2_二氯乙烯_ZE1,2_二氯乙烯_1,2_二氯乙烯_C=CC=CHHCH3COOHHCH3HCOOH2_丁烯酸2_丁烯酸顺_Z_反_E_2_丁烯酸2_丁烯酸C=CC=CC=CC=CHHC6H5HHCH3HC6H5HHHCH31_1,3_苯基_戊二烯顺,顺_(1Z,3Z)1_1,3_苯基_戊二烯_1_1,3_苯基_戊二烯反,顺_(1E,3Z)1_1,3_苯基_戊二烯

10、_C=CC=CC=CC=CHHC6H5HHCH3HC6H5HHHCH31_1,3_苯基_戊二烯顺,反_(1Z,3E)1_1,3_苯基_戊二烯_1_1,3_苯基_戊二烯反,反_(1E,3E)1_1,3_苯基_戊二烯_ 含含C=N、N=N双键的化合物：双键的化合物：C=NC=NC6H5CH3C6H5CH3OH:OH:(Z)_苯乙酮肟(E)_苯乙酮肟N=NHOOHN=NHOOH:(Z)_4,4_二羟基偶氮苯(E)_4,4_二羟基偶氮苯 环状化合物：环状化合物：C2H5CH3CH3C2H5HHHH顺_ _4_ _1甲基乙基环己烷反_ _4_ _1甲基乙基环己烷 3.3.顺顺 /反标记法和反标记法和Z/

11、E标记法一致吗？标记法一致吗？两种标记方法在两种标记方法在绝大多数情况下是一致的绝大多数情况下是一致的，即，即顺式顺式就是就是Z 式，反式就是式，反式就是E E式。式。但但有时却刚好相反有时却刚好相反。C=CC=CHCH3CH3COOHHCH3CH3COOH2_丁烯酸顺_反_ _2甲基2_丁烯酸_ _2甲基(E)2_丁烯酸_ _2甲基2_丁烯酸_ _2甲基(Z)(1).C=CClBrHCH2CH3(2).C=CClCH3CH3CH2FC=CCH3CH3CH2HCH3CH2CH2(3).34 光学异构现象光学异构现象 实验事实：实验事实：CH3CHCOOHOH从肌肉中得到的肌肉乳酸+3.82。葡

12、萄糖发酵得到的乳酸3.82。酸牛奶中得到的乳酸0。来 源旋 光 性羟基丙酸(乳酸)同为乳酸，为什么会具有不同的光学性质呢？同为乳酸，为什么会具有不同的光学性质呢？341 旋光性与比旋光度旋光性与比旋光度 光是一种电磁波，光波的振动方向与光的前进方向光是一种电磁波，光波的振动方向与光的前进方向垂直。垂直。如果让光通过一个象栅栏一样的如果让光通过一个象栅栏一样的 Nicol 棱镜棱镜(起偏镜起偏镜)就不是所有方向的光都能通过，而只有与棱镜晶轴方向就不是所有方向的光都能通过，而只有与棱镜晶轴方向平行的光才能通过。这样，透过棱晶的光就只能在一个平行的光才能通过。这样，透过棱晶的光就只能在一个方向上振动

13、，象这种方向上振动，象这种只在一个平面上振动的光，称为平只在一个平面上振动的光，称为平面偏振光，简称偏振光或偏光。面偏振光，简称偏振光或偏光。平面偏振光 如果在两个棱镜之间放一个盛液管，里面装入两种如果在两个棱镜之间放一个盛液管，里面装入两种不同的物质：不同的物质：那么，偏振光能否透过第二个那么，偏振光能否透过第二个Nicol 棱镜棱镜(检偏镜检偏镜)取取 决于两个棱镜的晶轴是否平行，平行则可透过；否则不决于两个棱镜的晶轴是否平行，平行则可透过；否则不能通过。能通过。亮丙 酸亮暗乳 酸 结论：结论：物质有两类：物质有两类：（1）旋光性物质）旋光性物质能使偏振光振动面旋转的性质，能使偏振光振动面

14、旋转的性质，叫做叫做旋光性；旋光性；具有旋光性的物质，叫做具有旋光性的物质，叫做旋光性物质。旋光性物质。（2）非旋光性物质）非旋光性物质不具有旋光性的物质，叫做不具有旋光性的物质，叫做 非旋光性物质。非旋光性物质。旋光性物质使偏振光旋转的角度，称为旋光性物质使偏振光旋转的角度，称为旋光度旋光度，以以“”表示。表示。其旋光方向顺时针 右旋，以“d”或“+”表示。逆时针 左旋，以“l ”或“”表示。但旋光度但旋光度“”是一个常量，它受温度、是一个常量，它受温度、光源、浓度、管长等许多因素的影响，为了便于比较，就光源、浓度、管长等许多因素的影响，为了便于比较，就要使其成为一个常量，故用要使其成为一个

15、常量，故用比旋光度比旋光度来表示：来表示：lBt lBtlBt 式中：式中：为旋光仪测得试样的旋光度；为旋光仪测得试样的旋光度；B 为试样的质量浓度，单位为试样的质量浓度，单位 g.mL ;若试样为纯液体则为密度若试样为纯液体则为密度.1 l 为盛液管的长度，单位为盛液管的长度，单位 dm。t 测样时的温度。测样时的温度。为旋光仪使用的光源的波长（通常用钠光，以为旋光仪使用的光源的波长（通常用钠光，以D表示）。表示）。342 分子的手性和对称性分子的手性和对称性一、旋光性产生的原因一、旋光性产生的原因 有比较才能鉴别。有比较才能鉴别。CH3CCOOHHCH3CCOOHHHOH*分析分析有旋光性

16、的乳酸有旋光性的乳酸和和没有旋光性的丙酸没有旋光性的丙酸在结构上的在结构上的差别：差别：初步结论初步结论：乳酸所以具有旋光性，可能是因为分子中乳酸所以具有旋光性，可能是因为分子中有一个有一个*C原原子子（不对（不对称碳原子或手性碳）。称碳原子或手性碳）。为什么为什么有有*C原子原子就可能具有旋光性？这是因为：就可能具有旋光性？这是因为：(1)一个一个*C就有两种不同的构型：就有两种不同的构型：COOHCH3OHHCOOHCH3OHHCCCOOHCOOHCH3H3CHOOHHH-(2)二者的关系：互为镜象（实物与镜象关系，或者二者的关系：互为镜象（实物与镜象关系，或者说左、右手关系）。说左、右手

17、关系）。二者无论如何也不能完全重叠。二者无论如何也不能完全重叠。与镜象不能重叠的分子，称为手性分子。与镜象不能重叠的分子，称为手性分子。分子的构造相同，但构型不同，形成实物与镜象的两种分分子的构造相同，但构型不同，形成实物与镜象的两种分子，称为子，称为对映异构体对映异构体（简称：对映体）。（简称：对映体）。对映体：对映体：成对存在，旋光能力相同，但旋光方向相反成对存在，旋光能力相同，但旋光方向相反。二者能量相同（分子中任何两原子的距离二者能量相同（分子中任何两原子的距离相同相同）。）。外消旋体：外消旋体：等量对映体的混合物。等量对映体的混合物。二、二、对称因素：对称因素：1.对称面对称面 2.

18、对称中心对称中心HHHHHHH3CCH3结论结论：有对称面、对称中心有对称面、对称中心均可与其镜象重叠，是非手均可与其镜象重叠，是非手性分性分子；反之，为手性分子。子；反之，为手性分子。既无对称面也没有对称中心的，一般可判定为是手性既无对称面也没有对称中心的，一般可判定为是手性分子。分子。故：分子的手性是对映体存在的必要和充分条件。故：分子的手性是对映体存在的必要和充分条件。34 3 含一个手性碳原子化合物的对映异构含一个手性碳原子化合物的对映异构一、构型的表示法：一、构型的表示法：1.透视式（三维结构）：略透视式（三维结构）：略2.Fischer 投影式：投影式：C CO OO OH HC

19、CH H3 3H HO OH HC CO OO OH HC CH H3 3H HO OH H 使用使用Fischer 投影式的注意事项：投影式的注意事项：(1)可以沿纸面旋转，但不能离开纸面翻转。可以沿纸面旋转，但不能离开纸面翻转。COOHCH3HOHCOOHCH3HHO翻 转翻 转 (2)可以旋转可以旋转180。，但不能旋转，但不能旋转90。或或270。COOHHOHCOOHCH3HHO旋 转180旋转180CH3。COOHHOHCOOHCH3HOH旋 转90旋 转90CH3。二、构型标记法：二、构型标记法：1.D/L标记法标记法C CH HO OC CH H2 2O OH HH HO OH

20、 H-C CH HO OC CH H2 2O OH HH HH HO O D-(+)-甘油醛甘油醛 L-(-)-甘油醛甘油醛 *D、L与与“+、-”没有必然的联系没有必然的联系 2.R/S标记法标记法 A.三维结构：三维结构：H HO OH HC C2 2H H5 5C CH H3 3H HO OH HC C2 2H H5 5C CH H3 3R RS S B.Fischer 投影式：投影式：H HO OH HH HC CH HO OC CH H2 2O OH HH HO OH HR RC CH HO OC CH H2 2O OH HH HO OC CH HO OC CH H2 2O OH H

21、 结论结论：当当最小基团最小基团处于处于横键横键位置时，其余三个基团从位置时，其余三个基团从大到小的顺大到小的顺序若为序若为逆时针逆时针，其其构型为构型为R R；反之，反之，构型为构型为S S。H HC CH HO OC CH H2 2O OH HH HH HO OR RC CH HO OC CH H2 2O OH HH HO O 结论结论：当当最小基团最小基团处于处于竖键竖键位置时，其余三个基团从位置时，其余三个基团从大到小的顺序大到小的顺序若为若为顺时针，顺时针，其其构型为构型为R R；反之，反之，构型为构型为S S。344 含两个手性碳原子化合物的对映异构含两个手性碳原子化合物的对映异构

22、 一、一、.含两个不同手性碳原子化合物的对映异构含两个不同手性碳原子化合物的对映异构 结论结论：异构体数目异构体数目 2n=22=4 （n：手性碳原子数目）：手性碳原子数目）C CO OO OH HC CO OO OH HH HO OC Cl lH HH H1 12 23 34 4C CO OO OH HC CO OO OH HH HO OC Cl lH HH H1 12 23 34 4C CO OO OH HC CO OO OH HH HO OC Cl lH HH H1 12 23 34 4C CO OO OH HC CO OO OH HH HO OC Cl lH HH H1 12 23 3

23、4 4C C:2 2O OH HC CH HC Cl lC CO OO OH HC CO OO OH HC C:3 3C Cl lC CO OO OH HC CH HO OH HC CO OO OH H(2 2R R,3 3R R)(2 2S S,3 3S S)(2 2R R,3 3S S)(2 2S S,3 3R R)-对映体数目对映体数目 2n 1=2（2 1）=2（对）（对）二二.含两个相同手性碳原子化合物的对映异构含两个相同手性碳原子化合物的对映异构 C CO OO OH HC CO OO OH HH HO OO OH HH HH H1 12 23 34 4C CO OO OH HC

24、CO OO OH HH HO OH HH H1 12 23 34 4C CO OO OH HC CO OO OH HH HO OH HO OH HH H1 12 23 34 4C CO OO OH HC CO OO OH HH HO OO OH HH HH H1 12 23 34 4C C =2 2O OH HC C:3 3C CO OO OH HC CH HO OH HC CO OO OH H(2 2S S,3 3S S)(2 2R R,3 3R R)(2 2S S,3 3R R)(2 2R R,3 3S S)-H HO O-内内消消旋旋体体(m me es so o -)结论结论：异构体数

25、目异构体数目 旋光异构体的数目旋光异构体的数目=2 n-1 内消旋体的数目内消旋体的数目=2 n/2-1 立体异构体总数立体异构体总数=2 n 1+2 n/2 1 n为偶数：为偶数：立体异构体总数立体异构体总数=2 n 1 n为奇数：为奇数：内消旋体的数目内消旋体的数目=2(n 1)/2外消旋体与内消旋体：外消旋体与内消旋体：外消旋体：外消旋体：是混合物，是混合物，可拆分出一对对映体。可拆分出一对对映体。内消旋体：内消旋体：是化合物，是化合物，不能拆分。不能拆分。外消旋体与内消旋体的共同之处是：二者外消旋体与内消旋体的共同之处是：二者均无旋光性均无旋光性，但本质不同。但本质不同。35 构象异构

26、构象异构 构象异构产生的原因：构象异构产生的原因：由于以由于以键键 连接的两个原子可以相对的自由旋转，连接的两个原子可以相对的自由旋转，从而使分子中的原子或基团在空间有不同的排布方式。从而使分子中的原子或基团在空间有不同的排布方式。一、一、乙烷的构象乙烷的构象 在乙烷分子的无数个构象异构体中，其两个典型的构在乙烷分子的无数个构象异构体中，其两个典型的构象异构体（又称极限构象异构体）可表示如下：象异构体（又称极限构象异构体）可表示如下：351 烷烃的构象烷烃的构象HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH三维结构三维结构锯架式结构HHHHHHHHHHHH纽曼(Newman)投影式重重叠叠式

27、式构构象象交交叉叉式式构构象象 乙烷分子不同构象的能量曲线如下图所示：乙烷分子不同构象的能量曲线如下图所示：-060120180240300360E E旋旋转转角角度度能能量量1 12 2.6 6 k kj j.m mo ol l-1 1 二、二、丁烷的构象丁烷的构象 由此可见，交叉式构象的能量较低，故较为稳定。由此可见，交叉式构象的能量较低，故较为稳定。H H3 3C CC CH H3 3C CH H3 3C CH H3 3C CH H3 3C CH H3 3C CH H3 3C CH H3 3C CH H3 3C CH H3 3C CH H3 3C CH H3 3H HH HH HH HH

28、 HH HH HH HH HH HH HH HH HH HH HH HH HH HH HH HH HH HH HH H全全重重叠叠式式(顺顺叠叠式式)邻邻位位交交叉叉式式(顺顺错错式式)部部分分重重叠叠式式(反反错错式式)对对位位交交叉叉式式(反反叠叠式式)部部分分重重叠叠式式(反反错错式式)邻邻位位交交叉叉式式(顺顺错错式式)丁烷绕丁烷绕 C2C3键键 旋转的典型构象有四种：旋转的典型构象有四种：丁烷分子不同构象的能量曲线如下图所示：丁烷分子不同构象的能量曲线如下图所示：-0 06 60 01 12 20 01 18 80 02 24 40 03 30 00 03 36 60 0E E旋旋转

29、转角角度度能能量量1 18 8.8 8 k kj j.m mo ol l-1 1C CH H3 3C CH H3 3C CH H3 3C CH H3 3C CH H3 3C CH H3 3H H3 3C CH HH HC CH H3 3H HC CH H3 3H HC CH H3 3H H3 3C CC CH H3 3H H3 3C CC CH H3 31 15 5.9 93 3.7 7由此可见：由此可见：丁烷四种典型构象能量的高低顺序是：丁烷四种典型构象能量的高低顺序是：全重叠式全重叠式 部分重叠式部分重叠式 邻位交叉式邻位交叉式 反交叉式反交叉式 结论结论：反交叉式是丁烷的反交叉式是丁烷的

30、优势构象优势构象（又称：最稳定构（又称：最稳定构象。象。352 环己烷及取代环己烷的构象环己烷及取代环己烷的构象一、环己烷的构象一、环己烷的构象0.18 nm1234561 12 23 34 45 56 6H HH HH HH HH HH HH HH H 船船 式式 构构 象象a ae e键键键键椅椅 式式 结结 构构 环己烷的六个碳原子构成环己烷的六个碳原子构成两个平面；两个平面；六个六个a、e键分别为键分别为三上三下；三上三下；同一碳原子同一碳原子若若a键在上，键在上，e键必然在下；键必然在下；123456 a、e 键可以键可以相互转化相互转化。1234561 12 23 34 45 56

31、 6H HH HH HH HH HH HH HH H二、取代环己烷的优势构象二、取代环己烷的优势构象 1.1.一取代环己烷一取代环己烷 1 12 23 34 45 56 6H HH HH HH HC CH H3 3H HH HH HC CH H3 3C CH H3 31 11 12 22 23 33 34 44 45 55 56 66 61 12 23 34 45 56 6H HC CH H3 3非非键键张张力力大大 结论：取代基处于结论：取代基处于e 键稳定。键稳定。2.2.二取代环己烷二取代环己烷 (1)1,2-二取代环己烷二取代环己烷H HC CH H3 3H HC CH H3 3112

32、233445566H HC CH H3 3C CH H3 3H HH HC CH H3 3H HC CH H3 311233445566H HC CH H3 3C CH H3 311233445566H HH HC CH H3 3C CH H3 3112233445566H HC CH H3 3C CH H3 3C CH H3 3C CH H3 3顺顺 式式 ：反反 式式 ：a a、e e键键a a、e e键键a a、a a键键e e、e e键键 处于处于e键的取代基越多越稳定。键的取代基越多越稳定。当有两个不同的取代基时，大的取代基处于当有两个不同的取代基时，大的取代基处于e键稳定。键稳定。

33、(2)1,3-二取代环己烷二取代环己烷H HC CH H3 3H HC CH H3 3112233445566H HC CH H3 3C CH H3 3H H顺顺 式式 ：a a、a a键键e e、e e键键H HC CH H3 3H HC CH H3 3112345566H HC CH H3 3H HC CH H3 3112345566H HH HC CH H3 3H HC CH H3 3112233445566H HC CH H3 3C CH H3 3C CH H3 3C CH H3 3反反 式式 ：a a、e e键键a a、e e键键结论结论:稳定性稳定性 反式反式 顺式。顺式。结论结论:稳定性稳定性 顺式顺式 反式。反式。