立体化学基础PPT课件.ppt

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1、 Chapter 3Chapter 3 Stereochemistry Stereochemistry 立体化学立体化学立体化学立体化学(Stereochemistry):):以三维空间研究分子结构和性质的科学以三维空间研究分子结构和性质的科学立体异构立体异构 构象异构构象异构构型异构构型异构构型异构构型异构顺反异构顺反异构对映异构（旋光异构、光学异构）对映异构（旋光异构、光学异构）不可分离不可分离不可分离不可分离通过键旋转可互相转化通过键旋转可互相转化通过键旋转可互相转化通过键旋转可互相转化顺反异构顺反异构顺反异构顺反异构（可分离，不能通过键旋转相互转化）（可分离，不能通过键旋转相互转化）（

2、可分离，不能通过键旋转相互转化）（可分离，不能通过键旋转相互转化）对映异构（旋光异构）对映异构（旋光异构）镜像镜像实物和其镜像不能重叠实物和其镜像不能重叠实物和其镜像不能重叠实物和其镜像不能重叠基基本本相相同同的的化化学学性性质质相相同同的的物物理理性性质质合合霉霉素素有活性有活性无活性无活性药效：药效：左旋体左旋体 右旋体右旋体氯霉素氯霉素氟氟嗪嗪酸酸药效：左旋体药效：左旋体 右旋体右旋体8135倍倍(S)(S)-天冬酰胺天冬酰胺天冬酰胺天冬酰胺苦味苦味苦味苦味(R)(R)-天冬酰胺天冬酰胺天冬酰胺天冬酰胺甜味甜味甜味甜味麻醉剂麻醉剂麻醉剂麻醉剂致痉挛致痉挛致痉挛致痉挛巴比妥酸衍生物巴比妥酸

3、衍生物巴比妥酸衍生物巴比妥酸衍生物右旋体右旋体左旋体左旋体右旋体右旋体右旋体右旋体 (R)(R)型型型型,有效。有效。有效。有效。左旋左旋左旋左旋 (S)(S)型型型型，致畸形，致畸形，致畸形，致畸形Thalidomide(Thalidomide(反应停反应停反应停反应停)镇静和止吐药物镇静和止吐药物镇静和止吐药物镇静和止吐药物(-)-L L-DOPADOPA 治疗帕金森氏病治疗帕金森氏病治疗帕金森氏病治疗帕金森氏病(+)-D D-DOPADOPA在体内集聚，不能被代谢在体内集聚，不能被代谢在体内集聚，不能被代谢在体内集聚，不能被代谢一、偏振光与旋光性一、偏振光与旋光性光源光源偏振光偏振光 普

4、通光普通光尼柯尔棱镜尼柯尔棱镜第一部分第一部分：旋光异构（对映异构）旋光异构（对映异构）旋光仪基本构造旋光仪基本构造钠钠光光灯灯起起偏偏镜镜盛盛液液管管检检偏偏镜镜目目视视镜镜 使偏振光的振动平面旋转的现象叫使偏振光的振动平面旋转的现象叫 旋光现象。旋光现象。有旋光性有旋光性有旋光性有旋光性 有旋光现象的物质为旋光性物质。有旋光现象的物质为旋光性物质。棱镜（检偏镜）旋转的方向代表旋光物质的棱镜（检偏镜）旋转的方向代表旋光物质的旋光方向。右旋的为右旋物质，左旋的为左旋光方向。右旋的为右旋物质，左旋的为左旋物质。旋物质。右旋用（右旋用（+）或）或“d”表示表示（dextro-rotatory）左旋

5、左旋用（用（-）或）或 “l l”表示表示（levo-rotatory）棱镜（检偏镜）旋转的角度叫旋光度，用棱镜（检偏镜）旋转的角度叫旋光度，用表表示。示。二、旋光度与比旋光度二、旋光度与比旋光度C为浓度，单位：为浓度，单位：g/mlL为管长，单位：为管长，单位：dm三、旋光性与化学结构的关系三、旋光性与化学结构的关系有有旋旋光光性性无无旋旋光光性性*无无旋旋光光性性有有旋旋光光性性*手性碳原子手性碳原子（chiral carbon atom）：）：*不对称碳原子（不对称碳原子（asymmetric）：）：*手性中心手性中心 (chiral center)：*手手性性分分子子l l 手性碳手性

6、碳手性碳手性碳 手性分子的特征手性分子的特征手性分子的特征手性分子的特征*CH3CHOHCOOH*=-3.8=+3.8对映异构体或旋光异构体对映异构体或旋光异构体手性分子手性分子*对映异构体：互为镜像不能重合对映异构体：互为镜像不能重合外消旋体：等量对映体混合在一起外消旋体：等量对映体混合在一起对称因素：有对称面或对称中心的对称因素：有对称面或对称中心的无旋光性。无旋光性。1 1、对称面：、对称面：2 2、对称中心、对称中心与镜像重合与镜像重合与镜像重合与镜像重合四、旋光异构体的表示方法四、旋光异构体的表示方法1、立体图式（伞形）、立体图式（伞形）2、Fischer（费歇尔）投影式费歇尔）投影

7、式横前竖后横前竖后PhHCH3HCH3HPhNHCH3 横前竖后横前竖后Fischer（费歇尔）投影式中各基团费歇尔）投影式中各基团的相互位置必须遵守下列规则：的相互位置必须遵守下列规则：投影式不离开纸平面旋转投影式不离开纸平面旋转180，构型不变。（不能翻转）构型不变。（不能翻转）投影式不离开纸平面旋转投影式不离开纸平面旋转90,变为对映体。变为对映体。同一手性碳上任何两个原子或基团同一手性碳上任何两个原子或基团 经偶数次交换，构型不变。经偶数次交换，构型不变。18090同一化合物同一化合物对映异构体对映异构体对映异构体对映异构体对映异构体对映异构体同一化合物同一化合物交换一次交换一次交换一

8、次交换一次3、费歇尔投影式与纽曼投影式的转换、费歇尔投影式与纽曼投影式的转换=五、构型的命名五、构型的命名1、相对构型与、相对构型与D、L命名命名 人为选定一个简单化合物为标准，并假人为选定一个简单化合物为标准，并假 定它的构型，其它旋光性化合物用联系定它的构型，其它旋光性化合物用联系 法确定构型，其构型为相对构型。法确定构型，其构型为相对构型。甘甘油油醛醛DL123 D、L命名时，费歇尔投影式的写法：命名时，费歇尔投影式的写法：碳链竖向排列，氧化态高者在上方，碳链竖向排列，氧化态高者在上方，低者在下方。低者在下方。123D（-）-乳酸乳酸123L（-）-丝氨酸丝氨酸123456*D（+）葡萄

9、糖葡萄糖D（-）果糖果糖2、绝对构型与、绝对构型与R、S命名命名基团大小顺序规则（书：基团大小顺序规则（书：P92）1）首先比较与手性）首先比较与手性C相连原子的原相连原子的原 子序数，大者为大。子序数，大者为大。2）若原子序数相同，则对所连下一个）若原子序数相同，则对所连下一个 原子继续比较，若还相同，比下一原子继续比较，若还相同，比下一 个原子。个原子。3）若取代基为不饱和基团时，相当于）若取代基为不饱和基团时，相当于 连有两个或三个相同基团。连有两个或三个相同基团。常见烃基大小顺序常见烃基大小顺序 绝对构型与绝对构型与R、S命名命名 立体图式：从远离最小基团的位置立体图式：从远离最小基团

10、的位置 观察其它三个基团的排列顺序，由观察其它三个基团的排列顺序，由 大到小顺时针为大到小顺时针为R型，逆时针为型，逆时针为S型型SSRRSS费歇尔投影式：最小基团在竖键者直费歇尔投影式：最小基团在竖键者直 接读。顺时针为接读。顺时针为R，逆时针为逆时针为S。在横在横 键者，读出的结果与实际相反。键者，读出的结果与实际相反。SSSSSSRR练习题练习题:指出相互关系指出相互关系=RRSS对对映映异异构构体体SSSSSSRRRR六、不同类型的手性分子六、不同类型的手性分子含含n个不相同手性碳的化合物有个不相同手性碳的化合物有2n个个旋光异构体。对映体成对数目：旋光异构体。对映体成对数目：2n-1

11、1、含一个手性碳的化合物含一个手性碳的化合物SR*2、含两个手性碳的化合物、含两个手性碳的化合物（1）两个不同手性碳的化合物）两个不同手性碳的化合物*有有22=4 个旋光异构体个旋光异构体对映体成对数目：对映体成对数目：22 1=2对映异构体、非对映异构体对映异构体、非对映异构体SSSSRRRR（+）赤藓糖（）赤藓糖（-）（+）苏阿苏阿糖（糖（-）*SSRRRSSR2S3S2R3R2S3R2R3S赤式赤式赤式赤式苏式苏式苏式苏式-7.1-7.1+7.1+7.1 173173CC173173CC+9.3+9.3-9.3-9.3 167167CC167167CC有活性有活性无活性无活性（2）两个

12、相同手性碳的化合物）两个相同手性碳的化合物同一化合物同一化合物 无旋光性无旋光性内消旋体（内消旋体（meso）2nSRSR*5050外消旋体外消旋体外消旋体外消旋体内消旋体内消旋体内消旋体内消旋体meso-酒石酸酒石酸（）酒石酸）酒石酸（dl）酒石酸）酒石酸 旋光纯、外消旋体和内消旋体性质的比较旋光纯、外消旋体和内消旋体性质的比较旋光纯、外消旋体和内消旋体性质的比较旋光纯、外消旋体和内消旋体性质的比较写出写出3，4二氯己烷所有旋光异构体并对构二氯己烷所有旋光异构体并对构型加以命名。型加以命名。写出麻黄碱所有旋光异构体并对构型加以命名写出麻黄碱所有旋光异构体并对构型加以命名3、含三个手性碳的化合

13、物、含三个手性碳的化合物（1）三个不同手性碳）三个不同手性碳（2）两个相同手性碳（假手性碳）两个相同手性碳（假手性碳）(了解了解)内消旋体，无旋光性内消旋体，无旋光性假手性碳：化学组成相同构型不同的基团假手性碳：化学组成相同构型不同的基团r对映异构体对映异构体4、脂环化合物的立体异构、脂环化合物的立体异构（1）奇数环系（三元环、五元环）奇数环系（三元环、五元环）mesoRRSS有两个相同取代基，顺式有两个相同取代基，顺式meso，反式反式有旋光性。有旋光性。有两个不同取代基，无论顺反都有有两个不同取代基，无论顺反都有旋光性。旋光性。（2）偶数环系（四元环、六元环）偶数环系（四元环、六元环）无无

14、无无 两取代基在对位，无论是否相同，无两取代基在对位，无论是否相同，无 论顺反，都无旋光性。论顺反，都无旋光性。无无有有有有 两取代基在其它位置，若相同，顺式为两取代基在其它位置，若相同，顺式为 meso，反式有旋光性。不同都有旋光性反式有旋光性。不同都有旋光性练习：判断下列化合物有无手性练习：判断下列化合物有无手性RRRR无无无无(P101)练习题练习题3.8:写出构型异构体，写出构型异构体，命名命名C*（1）顺反顺反（2）顺反顺反 旋光旋光RRSSRSSR（3）顺反顺反指出下列各组化合物之间的关系：指出下列各组化合物之间的关系：同一同一同一同一RS同一同一RRRR=非非对对映映异异构构体体

15、SRRRRRSS对映异构体对映异构体指出下列化合物是否具有光学活性并标注指出下列化合物是否具有光学活性并标注C*的构的构型：型：RR有有RRS有有SRmeso无无RSmeso无无rr山梗烷啶是从印度烟叶中分离到的一种山梗烷啶是从印度烟叶中分离到的一种化合物，它没有旋光性，也不可拆分。化合物，它没有旋光性，也不可拆分。它的立体结构应是怎样的？它的立体结构应是怎样的？5、不含手性碳的旋光异构体、不含手性碳的旋光异构体（1）丙二烯型（两平面相互垂直）丙二烯型（两平面相互垂直）同碳连有不同基团，有旋光性同碳连有不同基团，有旋光性与镜像无法重合，是手性分子与镜像无法重合，是手性分子有对称面，为非手性分子

16、有对称面，为非手性分子（2）螺环型）螺环型与镜像无法重合，是手性分子与镜像无法重合，是手性分子大基团使单键旋转受阻，与镜像无法大基团使单键旋转受阻，与镜像无法重合，是手性分子。重合，是手性分子。（3）联苯型（位阻型）联苯型（位阻型）典型基团体积大小顺序：典型基团体积大小顺序：IBrCHIBrCH3 3 ClClNONO2 2NHNH2 2COOHOHFHCOOHOHFH若两个基团的若两个基团的半径之和半径之和大于大于F F和和COOHCOOH的半的半径之和径之和，则产生的一对对映体就能，则产生的一对对映体就能稳定存稳定存在。在。有有无无判断下列化合物有无旋光性：判断下列化合物有无旋光性：有有有

17、有有有有有判断下列化合物是否具有光学活性：判断下列化合物是否具有光学活性：有有有有无无有有无无有有无无1.手性分子的来源手性分子的来源l l自然界自然界:糖类、氨基酸、生物碱、糖类、氨基酸、生物碱、萜类、甾体化合物萜类、甾体化合物l l外消旋体的拆分外消旋体的拆分l l不对称有机合成反应不对称有机合成反应第二部分第二部分：手性分子的获得手性分子的获得2.获得手性分子的重要意义获得手性分子的重要意义3.药物与人类的关系药物与人类的关系l l构成生命体系的生物大分子的主构成生命体系的生物大分子的主要部分大多数是以一种对映体形要部分大多数是以一种对映体形式存在的。故药物与其作用也是式存在的。故药物与

18、其作用也是以手性的方式进行的。以手性的方式进行的。l l生物体的酶和细胞表面受体是手生物体的酶和细胞表面受体是手性的性的,故对外消旋药物的识别、故对外消旋药物的识别、消化和降解过程也是不同的。消化和降解过程也是不同的。1992年，美国年，美国FDA发布了有关手性药物的发布了有关手性药物的指导原则，要求制药公司对于含手性中心指导原则，要求制药公司对于含手性中心的药物，必须对两个异构体进行研究，并的药物，必须对两个异构体进行研究，并证明它们都无任何毒副作用，希望以此来证明它们都无任何毒副作用，希望以此来预防某一异构体对人体的有害反应。预防某一异构体对人体的有害反应。n n 外消旋体的拆分（外消旋体

19、的拆分（Resolution）巴斯德，巴斯德，巴斯德，巴斯德，L.L.L.L.Louis Pasteur(18221895)1848年，年，巴斯德巴斯德巴斯德巴斯德借助放大镜拆分借助放大镜拆分借助放大镜拆分借助放大镜拆分外消旋的酒石酸钠铵外消旋的酒石酸钠铵外消旋的酒石酸钠铵外消旋的酒石酸钠铵l l仪器拆分（仪器拆分（仪器拆分（仪器拆分（GC,HPLCGC,HPLC）HPLCHPLC用手性柱用手性柱用手性柱用手性柱GCGC用手性柱用手性柱用手性柱用手性柱l l 化学法拆分化学法拆分常用拆分试剂常用拆分试剂常用拆分试剂常用拆分试剂天然手性生物碱：天然手性生物碱：天然手性生物碱：天然手性生物碱：(-

20、)-(-)-(-)-(-)-马钱子碱、马钱子碱、马钱子碱、马钱子碱、(-)-(-)-(-)-(-)-奎宁、奎宁、奎宁、奎宁、(-)-(-)-(-)-(-)-番木鳖碱、番木鳖碱、番木鳖碱、番木鳖碱、(+)-(+)-(+)-(+)-辛可宁辛可宁辛可宁辛可宁手性酸：手性酸：手性酸：手性酸：酒石酸、樟脑磺酸酒石酸、樟脑磺酸酒石酸、樟脑磺酸酒石酸、樟脑磺酸例例例例:外消旋外消旋外消旋外消旋a a a a-苯乙胺的化学拆分苯乙胺的化学拆分苯乙胺的化学拆分苯乙胺的化学拆分在甲醇中溶解性差在甲醇中溶解性差在甲醇中溶解性差在甲醇中溶解性差l l 酶解法拆分酶解法拆分酶解法拆分酶解法拆分（利用酶的选择性反应进行拆

21、分）（利用酶的选择性反应进行拆分）（利用酶的选择性反应进行拆分）（利用酶的选择性反应进行拆分）例例例例:DLDL-丙氨酸的酶解拆分丙氨酸的酶解拆分丙氨酸的酶解拆分丙氨酸的酶解拆分选择性去乙酰基选择性去乙酰基n n 不对称合成不对称合成不对称合成不对称合成 (Asymmetric Asymmetric SynthsisSynthsis)例例例例1 1：手性底物控制选择性手性底物控制选择性手性底物控制选择性手性底物控制选择性例例例例 2 2：手性底物手性底物手性试剂控制选择性手性试剂控制选择性前手性分子前手性分子前手性分子前手性分子(prochiralprochiral)手性试剂手性试剂手性试剂手

22、性试剂(催化剂催化剂)控制选择性控制选择性William S.Knowles RyojiRyoji NoyoriNoyori K.Barry K.Barry SharplessSharpless The Nobel Prize in Chemistry 2001 for their work on chirally catalysed hydrogenation reactions for his work on chirally catalysed oxidation reactions威廉威廉诺尔斯的贡献是，他发现可以使诺尔斯的贡献是，他发现可以使用过渡金属来对手性分子进行氢化反应，用过渡

23、金属来对手性分子进行氢化反应，以获得具有所需镜像形态的最终产品。以获得具有所需镜像形态的最终产品。他的研究成果很快便转化成工业产品，他的研究成果很快便转化成工业产品，如治疗帕金森氏症的药如治疗帕金森氏症的药L-DOPA就是根就是根据诺尔斯的研究成果制造出来的。而野据诺尔斯的研究成果制造出来的。而野依良治的贡献是进一步完善了用于氢化依良治的贡献是进一步完善了用于氢化反应的手性催化剂的工艺。巴里反应的手性催化剂的工艺。巴里夏普夏普莱斯的成就是开发出了用于氧化反应的莱斯的成就是开发出了用于氧化反应的手性催化剂。手性催化剂。第三部分：反应中的立体化学第三部分：反应中的立体化学1 1、取代反应的立体化学

24、取代反应的立体化学构型保持构型保持构型保持构型保持retention构型翻转构型翻转构型翻转构型翻转reversionWalden Walden 转换转换转换转换(外外)消旋化消旋化 recemization2 2、加成和消除反应中的立体化学、加成和消除反应中的立体化学顺式顺式烯烃烯烃（1）催化加氢）催化加氢 （2）硼氢化氧化）硼氢化氧化 （3）（稀、冷）（稀、冷KMnO4)顺式顺式 外消旋体外消旋体反式反式烯烃烯烃（1）加卤素）加卤素 （2）加次卤酸（）加次卤酸（X2+H2O)（X2+ROH）练习题：练习题：顺顺-2-2-丁烯加溴得到丁烯加溴得到(2R,3R)-2,3-(2R,3R)-2,

25、3-二溴二溴丁烷及其等量对映体丁烷及其等量对映体,即外消旋体即外消旋体,反反-2-2-丁烯加溴得到丁烯加溴得到(2R,3S)-2,3-(2R,3S)-2,3-二溴丁烷二溴丁烷,即即内消旋体内消旋体,试说明其立体化学过程试说明其立体化学过程.RRSS外消旋体外消旋体RSSRmeso 练习题：练习题：用用KMnOKMnO4 4与顺与顺-2-2丁烯反应丁烯反应,得到一个熔得到一个熔 点为点为32 32 0 0C C的邻二醇的邻二醇,而与反而与反-2-2丁烯反丁烯反 应应,得到熔点为得到熔点为19 19 0 0C C的邻二醇的邻二醇,所得的所得的 醇均无旋光性。哪种可拆分？写出各醇均无旋光性。哪种可拆分？写出各 自的构型式。自的构型式。外消旋体外消旋体同一化合物，内消旋体同一化合物，内消旋体写出下列反应的构型式并指出产物写出下列反应的构型式并指出产物是否有旋光性是否有旋光性.