1、第四章 對(duì)映異構(gòu)與非對(duì)映異（Chapter 4 4.1 手（征）性與手（征）性分子4.2 平面偏振光和旋光活性4.3 分子對(duì)稱性與手（征）性4.4 Fischer投影式與手性碳原子構(gòu)型標(biāo)識(shí)法4.5 含兩個(gè)不同手性碳原子化合物對(duì)映異構(gòu)現(xiàn)象4.6 含兩個(gè)相同手性碳原子化合物對(duì)映異構(gòu)現(xiàn)象4.7 環(huán)狀化合物立體異構(gòu)4.8 不含手性碳原子化合物對(duì)映異構(gòu)現(xiàn)象4.9 對(duì)映異構(gòu)體性質(zhì)及研究意義4.10 取得對(duì)映異構(gòu)體化學(xué)方法第1頁第1頁立體異構(gòu)體分子結(jié)構(gòu)：分子中各原子連接次序與成鍵方式（單鍵、雙鍵、三鍵）。分子構(gòu)型：表示分子中原子或基團(tuán)在空間排列方式。立體異構(gòu)體：分子中原子或基團(tuán)空 間排列或位置不同而造成異構(gòu)

2、體。第2頁第2頁 外消旋體拆分（Resolution）巴斯德，L.Louis Pasteur (18221895)1848年，巴斯德借助放大鏡拆分外消旋酒石酸鈉銨第3頁第3頁(R)型,有效，不致畸形(S)型，致畸形Thalidomide(反應(yīng)停) 鎮(zhèn)靜和止吐藥物(-)-L-DOPA 治療帕金森氏病(+)-D-DOPA在體內(nèi)集聚，不能被代謝第4頁第4頁反應(yīng)停事件 : 反應(yīng)停是外消旋酞胺哌啶酮，用于療孕婦嘔吐，造成了1.2萬個(gè)畸形嬰兒。第5頁第5頁(S)-天冬酰胺苦味(R)-天冬酰胺甜味麻醉劑致痙攣巴比吐酸衍生物第6頁第6頁同分異構(gòu)體類型第7頁第7頁4.1.1 手性image and mirror

3、 imagenon-superposeble 手性: 實(shí)物與其鏡象不能完全重疊性質(zhì)，也叫手征性。4.1 手（征）性與手（征）性分子 Chirality and Chiral Molecule 第8頁第8頁Chirality in Plant第9頁第9頁Chirality in Tools第10頁第10頁Chrirality in Art第11頁第11頁Figure 4.1 A Molecule of lactic acid and its mirror image a bCOOHCOOHCH3CH3OHOH4.1.2 手性分子第12頁第12頁Figure 4.2 The molecule is

4、 super imposable on its mirror imageCOOHCOOHCH3 OH OH定義：任何一個(gè)不能和它鏡象完全重疊分子，也稱不對(duì)稱分子。但凡手性分子都含有旋光活性。第13頁第13頁手性分子 手性(chirality)：實(shí)物和其鏡像不能重疊現(xiàn)象 Chiral is derived from the Greek word cheiros, meaning “hand”.手性分子（chiral molecules）：有手性現(xiàn)象分子兩者不能重疊手性分子鏡像轉(zhuǎn) 180o 手性分子第14頁第14頁 非手性分子兩者互相重疊非手性分子鏡像轉(zhuǎn) 60o非手性分子：與鏡像相重疊（非手性分子

5、不含有手性碳）轉(zhuǎn) 180o兩者完全重疊非手性分子第15頁第15頁對(duì)映異構(gòu)對(duì)映異構(gòu)現(xiàn)象：分子式相同，結(jié)構(gòu)式也相同，但因?yàn)樵釉诳臻g排列次序不同而使兩種異構(gòu)體互為實(shí)物與鏡象或左右手關(guān)系而不能完全重合現(xiàn)象。對(duì)映異構(gòu)體：互為實(shí)物與鏡象關(guān)系，而不能完全重合異構(gòu)體，簡稱對(duì)映體。第16頁第16頁圖4-3 光傳播光波是電磁波，振動(dòng)方向與傳播方向垂直普通光和單色光可在垂直于光波邁進(jìn)方向所有也許平面上振動(dòng)光傳播方向ABCD4.2 平面偏振光和旋光活性4.2.1 平面偏振光第17頁第17頁 平面偏振光：只在同一個(gè)平面內(nèi)振動(dòng) 光，簡稱偏振光。Figure 4.4 The nature of plane-polariz

6、ed light第18頁第18頁4.2.2 物質(zhì)旋光性Figure 4.5 Ability of a molecule to rotate plane-polarized light 第19頁第19頁幾種基本概念物質(zhì)旋光性：物質(zhì)能使偏振光振動(dòng)平面旋轉(zhuǎn)性質(zhì)，也叫光學(xué)活性右旋體：使偏振光振動(dòng)平面向右（順時(shí)針）旋轉(zhuǎn)物質(zhì)（+）左旋體：使偏振光振動(dòng)平面向左（反時(shí)針）旋轉(zhuǎn)物質(zhì)（-）外消旋體：等量左旋體和右旋體構(gòu)成混合體系()- 乳酸，可拆分旋光度：旋光性物質(zhì)使偏振光振動(dòng)平面旋轉(zhuǎn)角度（）第20頁第20頁4.2.3 旋光儀（polarimeter） 圖 4.6 WXG-4 圓回旋光儀（手動(dòng)測量，測量范圍： 1

7、80o, 準(zhǔn)確度：0.05o）a-光源 b-起偏鏡 c-盛液管 d-檢偏鏡 e-刻度盤abcde第21頁第21頁其它類型旋光儀（測量范圍： 180o ，測量精度：0.02o 儀器自動(dòng)顯示測量值, 避免讀數(shù)誤差）圖4.7 WXG-5半自動(dòng)旋光儀工作模式: 旋光度、比旋度、溶液濃度和糖度, 自動(dòng)重復(fù)測6次并計(jì)算平均值和均方根,有RS232接口，可向PC機(jī)傳送數(shù)據(jù),測量范圍：45 ，120Z (糖度)準(zhǔn)確度：(0.01+測量值0.05%), (0.03Z+測量值0.05%)圖4.8 WZZ-3數(shù)字自動(dòng)旋光儀 第22頁第22頁4.2.4 比旋光度 定義：要求溶液濃度為1g.ml-1,盛液管長度為1dm

8、時(shí)測得旋光度。 比旋光度與旋光度換算= cLttL為旋光管長度，單位dmC為溶液濃度，單位g.ml-1第23頁第23頁練習(xí)（農(nóng)學(xué)聯(lián)考）25/ (0.1g.mL-12.5dm) = +100第24頁第24頁對(duì)稱面（Plane of symmetry)對(duì)稱中心 (Center of symmetry)手性碳原子(Chiral carbon )4.3 分子對(duì)稱性和手（征）性第25頁第25頁對(duì)稱面 對(duì)稱面：把分子分為實(shí)物與鏡象關(guān)系平面。第26頁第26頁 （a）原子在一個(gè)平面內(nèi) （b）原子不在一個(gè)平面（a）（b）第27頁第27頁 對(duì)稱中心：分子中一個(gè)點(diǎn)，從這個(gè)點(diǎn)往分子中各基團(tuán)拉連線，這個(gè)點(diǎn)成為連線中心，

9、并且連線兩端基團(tuán)相同，該“點(diǎn)”即分子對(duì)稱中心。對(duì)稱中心.第28頁第28頁 手性碳原子：和四個(gè)不相同原子或基團(tuán)相連碳原子。手性碳原子*第29頁第29頁分子中只含有一個(gè)手性碳原子分子為手性分子。沒有對(duì)稱面與對(duì)稱中心分子是手性分子?？偨Y(jié)：判斷手性分子普通規(guī)則第30頁第30頁練習(xí)：判斷下列分子是否含有手性？*第31頁第31頁4.4 Fischer投影式與手性碳原子構(gòu)型標(biāo)識(shí)法4.4.1 構(gòu)型表示辦法模型透視式Fischer投影式第32頁第32頁乳酸對(duì)映體透視式手性碳原子C*在紙面上。用正常粗細(xì)實(shí)線表示與C*相連原子或原子團(tuán)在紙面上。用虛線表示與C*相連原子或原子團(tuán)伸向紙面后方。用楔形（或粗實(shí)線）表示與C

10、* 相連原子或原子團(tuán)伸向紙面前方。第33頁第33頁費(fèi)歇爾(Fischer E)投影式 H HCH3CH3D乳酸Fischer 投影式COOHCOOH第34頁第34頁費(fèi)歇爾(Fischer E)投影式寫法用“+”交點(diǎn)代表手性碳原子，四端與四個(gè) 基團(tuán)相連。將碳鏈放在豎直線上，氧化態(tài)較高碳原子或主鏈1號(hào)碳原子在上，以豎直線相連基團(tuán)表示伸向紙后。以水平線相連基團(tuán)表示伸出紙面。第35頁第35頁4.4.2 構(gòu)型命名法DL命名法（相對(duì)構(gòu)型）RS命名法（絕對(duì)構(gòu)型）R：拉丁文rectus（右）S：拉丁文sinnister（左）第36頁第36頁DL命名法 D-(+)-甘油醛 L-(-)-甘油醛 1951年以前,

11、不能測定化合物絕對(duì)構(gòu)型。 相對(duì)構(gòu)型：將甘油醛以Fischer投影式書寫，手性碳原子上所連羥基在右邊為D-型，在左邊為L-型。 用化學(xué)反應(yīng)將手性化合物與甘油醛相關(guān)聯(lián)，擬定D,L構(gòu)型。 碳水化合物和氨基酸用D,L-構(gòu)型表示。第37頁第37頁RS命名法首先按“順序規(guī)則”將與手性碳原子相連四個(gè)基團(tuán)擬定先后順序。 然后把排列順序最小基團(tuán)放在離觀測者 最遠(yuǎn)位置，將其它三個(gè)基團(tuán)從大到小排 序，若為順時(shí)針方向，則為R，若反時(shí)針 方向則為S。（R）- 2-丁醇第38頁第38頁重鍵分解辦法與手性碳原子相連原子A若以雙鍵或叁鍵與另一個(gè)原子B相連, 則相稱于A與兩個(gè)B或三個(gè)B相連。第39頁第39頁練習(xí)(+)- 標(biāo)出（

12、）乳酸分子中手性碳原子絕對(duì)構(gòu)型。 R乳酸Fischer投影式是（ ）。 （農(nóng)學(xué)聯(lián)考）第40頁第40頁練習(xí)（農(nóng)學(xué)聯(lián)考）D第41頁第41頁含有兩個(gè)不同手性碳原子化合物有四種不同構(gòu)型分子。 AR AS AR AS BR BS BS BR 分子中含有n個(gè)不同手性碳原子，則有 2n個(gè)對(duì)映異構(gòu)體。4.5 含兩個(gè)不同手性碳原子化合物對(duì)映異構(gòu)現(xiàn)象第42頁第42頁2,3,4-三羥基丁酸對(duì)映異構(gòu)體Fischer投影式 a (2R,3R ) b(2S,3S) c (2R,3S) d (2S,3R)但凡不是實(shí)物與鏡像對(duì)映關(guān)系旋光異構(gòu)體均稱為非對(duì)映異構(gòu)體。例：a和d, a和c, b和c, b和d第43頁第43頁4.6

13、含有兩個(gè)相同手性碳原子化合物含有兩個(gè)相同手性碳原子化合物有三個(gè)對(duì)映與非對(duì)映異構(gòu)體（旋光）。 a(2R,3R) b(2S,3S) c(2R,3S) d(2S,3R)=第44頁第44頁內(nèi)消旋體定義：能夠用平面將分子分成實(shí)物和鏡影關(guān)系兩半, 兩個(gè)不對(duì)稱原子旋光性相反, 整個(gè)分子沒有旋光活性異構(gòu)體 (meso)。第45頁第45頁順-1,2-二氯環(huán)戊烷 反-1,2-二氯環(huán)戊烷SRSSRR4.7 環(huán)狀化合物立體異構(gòu) 立體異構(gòu)：順反異構(gòu)、對(duì)映異構(gòu)第46頁第46頁4.8 不含手性碳原子化合物對(duì)映異構(gòu)現(xiàn)象思考：含有手性碳原子是分子含有手性充足必要條件？第47頁第47頁丙二烯型化合物spsp2sp2圖4-11 丙

14、二烯鍵立體結(jié)構(gòu)示意圖手性軸第48頁第48頁圖4-9 丙二烯原子軌道示意圖第49頁第49頁2，3-戊二烯對(duì)映異構(gòu)體CCCCCC231 丙二烯兩個(gè)端碳原子上各自連有不同基團(tuán)，為手性分子。 第50頁第50頁2-甲基-2，3-戊二烯 有對(duì)稱面，非手性分子第51頁第51頁單鍵旋轉(zhuǎn)受阻聯(lián)苯型化合物 6,6-二硝基聯(lián)苯-2,2-二甲酸旋光異構(gòu)體 聯(lián)苯4個(gè)-位都連有較大基團(tuán)，而且同一 苯環(huán)上連著兩個(gè)基團(tuán)不同，為手性分子第52頁第52頁2，6-二氯-2，6-二溴聯(lián)苯 有對(duì)稱面，非手性分子第53頁第53頁4.9 對(duì)映異構(gòu)體性質(zhì)及研究意義4.9.1 物理性質(zhì)熔點(diǎn)、沸點(diǎn)，在非手性溶劑中溶解度等完全相同。旋光度相同，旋

15、光方向相反。非對(duì)映異構(gòu)體物理性質(zhì)不同，化學(xué)性質(zhì)基本相同，但同一反應(yīng)中，反應(yīng)速率不同。外消旋體有固定熔點(diǎn)，且熔程很窄。第54頁第54頁表4-2 一些旋光異構(gòu)體物理性質(zhì)名稱 熔點(diǎn)/ 比旋光度 溶解度 g.(100g水)-1(+)-乳酸 53 +3.8 (-)-乳酸 53 -3.8 ()-乳酸 16.8 - (+)-蘋果酸 100 +2.3 (-)-蘋果酸 100 -2.3 ()-蘋果酸 128.5 - 144(+)-酒石酸 170 +15 139(-)-酒石酸 170 -15 139()-酒石酸 206 - 20.6(meso)-酒石酸 146 -148 - 125第55頁第55頁4.9.2 化學(xué)

16、性質(zhì)對(duì)映體異構(gòu)體與非手性試劑作用完全相同。對(duì)映異構(gòu)體與手性試劑作用或在手性溶劑或手性催化劑作用下，二者反應(yīng)速率不同。第56頁第56頁4.9.3 研究意義 生物體內(nèi)幾乎全部化學(xué)反應(yīng)都需要酶催化，而酶對(duì)底物含有極高立體結(jié)構(gòu)要求，因此不同立體結(jié)構(gòu)異構(gòu)體普通含有極不相同生理作用。第57頁第57頁Fig. 4-10 Enzyme-substrate complex第58頁第58頁表4-3 手性藥品對(duì)映體不同作用藥物名稱 藥物治療作用 有效對(duì)映體和作用 另一個(gè)對(duì)映體和作用 反應(yīng)停 S-構(gòu)型，鎮(zhèn)靜劑 R- 構(gòu)型，致畸胎青霉素胺 S,S- 構(gòu)型 ，抗關(guān)節(jié)炎藥 R,R- 構(gòu)型，突變劑乙醇丁胺 S,S-構(gòu)型，抗結(jié)

17、核菌 R-構(gòu)型，造成失明酮基布洛酚 S- 構(gòu)型，抗炎 R-構(gòu)型，防治壓周炎第59頁第59頁手性藥物指導(dǎo)原則 一個(gè)含手性原因化學(xué)藥品，必須說明其兩個(gè)對(duì)映體在體內(nèi)不同生理活性、藥理作用和代謝過程，以及考慮單一對(duì)映體問題。 FDA 1992年3月第60頁第60頁4.10 取得對(duì)映異構(gòu)體辦法外消旋體拆分: 化學(xué)分離法、晶種結(jié)晶法、色譜分離法化學(xué)計(jì)量不對(duì)稱合成：手性試劑不對(duì)稱催化反應(yīng)：手性催化劑第61頁第61頁不對(duì)稱合成 無手性條件下合成反應(yīng)，得到外消旋體。 不對(duì)稱合成: 當(dāng)在手性條件下進(jìn)行反應(yīng)， 產(chǎn)物中某一對(duì)映異構(gòu)體量占優(yōu)勢，使反 應(yīng)產(chǎn)物含有旋光活性，這種合成反應(yīng)也叫 手性合成。第62頁第62頁諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)取得者及其主要奉獻(xiàn) Willam S. Knowles主要奉獻(xiàn)威廉諾爾斯：1942年獲美國哥倫比亞大學(xué)博士學(xué)位，曾就職于孟山都公司，主要開發(fā)了不對(duì)稱氫化反應(yīng)手性催化劑。