1、,第六章 對(duì)映異構(gòu),一、偏振光和旋光活性 光是一種電磁波，它是振動(dòng)前進(jìn)的，其振動(dòng)方向垂直于光波前進(jìn)的方向，普通光是由各種波長(zhǎng)的在垂直于前進(jìn)方向的各個(gè)平面內(nèi)振動(dòng)的光波所組成。 如果使普通光通過(guò)一個(gè)特制的叫做尼可爾棱鏡的晶體，由于這種晶體只能使在和棱鏡的軸平行的平面內(nèi)振動(dòng)的光通過(guò)，所以通過(guò)尼可爾棱鏡的光，其光波振動(dòng)平面就只有一個(gè)和鏡軸平行的平面。這種僅在某一平面上振動(dòng)的光，就叫做平面偏振光，或簡(jiǎn)稱偏振光。,我們來(lái)做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，如果在鏡軸平行的兩個(gè)尼可爾棱鏡之間，放一支玻璃管，在玻璃管中分別放入各種有機(jī)物的溶液，然后用一光源由第一個(gè)棱鏡向第二個(gè)棱鏡的方向照射，并在第二個(gè)棱鏡后面觀察，可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)玻璃管

2、中放有乙醇、丙酮等物質(zhì)時(shí)，光的 亮度沒(méi)有改變；而當(dāng)玻璃管中放有乳酸、丙氨酸、酒石酸等 的溶液時(shí)，則在第二個(gè)棱鏡后面見到的光的 亮度就減弱，但如將第二個(gè)棱鏡向左或向右 轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度以后，又能見到最大亮度的光。,這種現(xiàn)象必然是由于這些有機(jī)物將偏振光的振動(dòng)平面旋轉(zhuǎn)了一定的角度所致。具有這種性質(zhì)的物質(zhì)，就叫做“旋光活性物質(zhì)”(或光學(xué)活性物質(zhì))，它使偏振光振動(dòng)平面旋轉(zhuǎn)的角度叫做“旋光度”。使偏振光振動(dòng)平面向右旋轉(zhuǎn)(順時(shí)針?lè)较?的叫右旋，向左旋轉(zhuǎn)(反時(shí)針?lè)较?的叫左旋。,測(cè)定物質(zhì)旋光度的儀器是旋光儀，其工作原理如下：,在旋光儀中，起偏鏡b是一個(gè)固定不動(dòng)的尼可爾棱鏡，其作用是使由光源a射來(lái)的光變成偏振光。檢

3、偏鏡d是能轉(zhuǎn)動(dòng)的尼可爾棱鏡，用來(lái)測(cè)定物質(zhì)使偏振光振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)的角度和方向，其數(shù)值可由與d相連的刻度盤上讀出。,二、旋光度和比旋光度 物質(zhì)旋光度的大小隨測(cè)定時(shí)所用溶液的濃度、盛液管的長(zhǎng)度、溫度、光波的波長(zhǎng)以及溶劑的性質(zhì)等而改變。但在一定的條件下，旋光度是旋光活性物質(zhì)的一項(xiàng)物理常數(shù)，通常用比旋光度表示。比旋光度可以通過(guò)測(cè)得的旋光度，測(cè)定時(shí)溶液的濃度和盛液管的長(zhǎng)度，按以下公式計(jì)算：,以下公式計(jì)算： 由旋光儀測(cè)得的旋光度； 所用光源的波長(zhǎng)； t測(cè)定時(shí)的溫度； c溶液的濃度，單位為gmL-l； l盛液管的長(zhǎng)度，單位為分米。,物質(zhì)使偏振光振動(dòng)面向右旋轉(zhuǎn)的，叫做右旋，用“+”表示，左旋用“”表示。 一般測(cè)定旋

4、光度時(shí)，多用鈉光燈作光源，其波長(zhǎng)的通用平均值是589.3 nm，通常以D表示。例如，由肌肉中取得的乳酸的比旋光度 ，表示測(cè)定該乳酸的旋光度時(shí)，是在20，以鈉光燈作光源。,三、對(duì)映異構(gòu)現(xiàn)象與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系 1. 對(duì)映異構(gòu)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn) 1848年，巴斯德早期發(fā)現(xiàn)酒石酸鈉銨有兩種晶體結(jié)構(gòu)。,兩只手的這種關(guān)系可以比喻為“實(shí)物”與“鏡象”的關(guān)系，它們之間的區(qū)別就在于五個(gè)手指的排列順序恰好相反，因此左手與右手是不能完全重疊的。實(shí)物與其鏡象不重疊的特點(diǎn)叫做“手性”或稱手征、手征性(chirality)，這種特點(diǎn)也同樣存在于微觀世界的分子中。某些化合物的分子也具有“手性”。,任何一個(gè)不能和它的鏡象完全重疊的分子

5、，就叫做手性分子，一般說(shuō)來(lái)凡具手性的分子就有旋光活性。手性與分子的對(duì)稱性有關(guān)。 使有機(jī)物分子具有手性的最普遍的因素是手性碳原子。和四個(gè)不相同的原子或基團(tuán)相連的碳原子叫做手性碳原子(過(guò)去叫做不對(duì)稱碳原子)，并用“*”號(hào)標(biāo)出。 隨便列出幾個(gè)化合物（待定），要求學(xué)生指出它的手性碳原子。,2. 手性和對(duì)稱因素 分子的手性（而不是手性碳）是其具有旋光性和對(duì)映異構(gòu)現(xiàn)象的充分必要條件 對(duì)稱面（）：凡有對(duì)稱面的分子，不 具旋光性，也沒(méi)有對(duì)映異構(gòu)體。 模型演示反-1，2-二氯乙烯、二氯甲烷 的對(duì)稱面。,對(duì)稱中心（i）：有對(duì)稱中心的分子 不具手性，也無(wú)旋光性,對(duì)稱軸（Cn）：n3600/旋轉(zhuǎn)度數(shù)。叫 n重軸。對(duì)稱

6、軸不能作為分子有無(wú)光學(xué) 活性的判據(jù)。,正n邊形有n重對(duì)稱軸：CHBr3，對(duì)稱軸,一般地說(shuō)，物質(zhì)分子凡在結(jié)構(gòu)上具有對(duì)稱面或?qū)ΨQ中心的，就不具有手性，也就沒(méi)有旋光性。反之，同時(shí)不具有對(duì)稱面和對(duì)稱中心的，分子就有手性和旋光性。 一個(gè)分子是否有對(duì)稱性，則可以看它是否有對(duì)稱面、對(duì)稱軸或?qū)ΨQ中心等對(duì)稱因素。如果一個(gè)分子中沒(méi)有上述任何一種對(duì)稱因素，這種分子就叫不對(duì)稱分子，不對(duì)稱分子就有手性。,四、含一個(gè)手性碳原子的化合物 1. 對(duì)映異構(gòu)體、外消旋體 乳酸就是含一個(gè)手性碳原子的化合物，其碳原子分別與H、OH、CH3和C00H相連，所以-碳原子就是手性碳原子。含一個(gè)手性碳原子的化合物可以有兩種構(gòu)型，也就是連在-

7、碳原子上的四個(gè)基團(tuán)，在空間有兩種排列方式，如圖：（同時(shí)用模型進(jìn)行演示）,用透視式可表示為如下：,(a)和(b)之間恰呈實(shí)物和鏡像的關(guān)系，因此把這樣的異構(gòu)體叫做對(duì)映異構(gòu)體。這一對(duì)對(duì)映異構(gòu)體都是手性分子，所以都有旋光活性。它們使偏振光的振動(dòng)平面旋轉(zhuǎn)的角度相同，但方向相反，它們分別是左旋和右旋乳酸，分別用(-)-乳酸和(+)-乳酸表示。由蔗糖發(fā)酵得到的乳酸是左旋的，由肌肉中取得的是右旋的。,如果將等量的左旋體和右旋體組成體系，會(huì)發(fā)生什么呢？由于左旋體和右旋體的旋光度相同，而旋光方向相反，所以等量的左旋體和右旋體組成的體系，是沒(méi)有旋光活性的，這種體系叫做外消旋體。與其它任意兩種物質(zhì)的混合物不同，外消旋

8、體常有固定的物理常數(shù)。由酸牛奶中得到的乳酸就是外消旋體，沒(méi)有旋光活性，熔點(diǎn)是16.80C，以()-乳酸表示。外消旋體可以拆分為右旋和左旋兩個(gè)有旋光活性的異構(gòu)體。,2. 構(gòu)型的表示方法（R、S命名法） （1）首先按次序規(guī)則，將與手性碳原子相連的四個(gè)基團(tuán)確定先后順序，對(duì)于乳酸來(lái)說(shuō)，四個(gè)基團(tuán)的順序?yàn)镺HCOOHCH3H。 （2）將四個(gè)基團(tuán)中最小的基團(tuán)放在眼睛對(duì)面最遠(yuǎn)的位置上，然后觀察眼前的三個(gè)基團(tuán)由大到小的排列方式，如為順時(shí)針?lè)较?，以R表示，如為反時(shí)針?lè)较?，以S表示。,R構(gòu)型,S構(gòu)型,3. 費(fèi)歇爾投影式:編號(hào)小的基團(tuán)（主要官能團(tuán)）朝上 將一個(gè)立體模型放在幕前，用光照射模型，在幕上投影出平面影象，這種

9、表示方法叫做費(fèi)歇爾(Fischer E)投影式，如圖：,費(fèi)歇爾投影式規(guī)則：以“+”字的交點(diǎn)代表手性C原子；（1）橫前豎后；（2）在紙面上旋轉(zhuǎn)900的偶數(shù)倍，構(gòu)型不變；（3）在紙面上旋轉(zhuǎn)900的奇數(shù)倍，構(gòu)型改變；（4）將任何兩個(gè)基團(tuán)交換一次，構(gòu)型改變；（5）如果連續(xù)交換兩次，構(gòu)型不變。,五、含兩個(gè)不相同手性碳原子的化合物,從上圖可知，2，3，4三羥基丁酸分子中含有兩個(gè)手性碳原子，在這樣的分子中，每個(gè)手性碳原子都各有兩種不同的構(gòu)型，它們可以組成以下四種不同構(gòu)型的分子：,()構(gòu)型為2S，3S；()為2R，3R；()構(gòu)型為2S，3R；()是2R，3S。,所以，分子中含有兩個(gè)不相同手性碳原子的化合物有四

10、個(gè)旋光異構(gòu)體，手性碳原子數(shù)目增多，則異構(gòu)體數(shù)目也越多。含n個(gè)不相同手性碳原子的化合物，可能有的旋光異構(gòu)體的數(shù)目為2n個(gè)。,六、含兩個(gè)相同手性碳原子的化合物（既每個(gè)手性C原子上連接的四個(gè)基團(tuán)彼此相同）。,從上圖可知，酒石酸分子中含有兩個(gè)相同的手性碳原子，在這樣的分子中，每個(gè)手性碳原子都各有兩種不同的構(gòu)型，它們可以組成以下四個(gè)分子：,(I)和()為對(duì)映異構(gòu)體 ()和()實(shí)際上是同一個(gè)分子。,()中，可以用虛線將分子分成實(shí)物和鏡像關(guān)系的兩半，這樣，虛線所代表的平面就是這個(gè)分子的對(duì)稱面，所以()沒(méi)有手性，從而沒(méi)有旋光活性，這種異構(gòu)體叫內(nèi)消旋體，用meso表示。與外消旋體不同，內(nèi)消旋體所以不具旋光活性，

11、是由于分子中兩個(gè)相同的手性碳原子的構(gòu)型相反，一個(gè)為R，一個(gè)為S，所以由它們引起的旋光性在同一分子內(nèi)相互抵消了。內(nèi)消旋體是一個(gè)分子，不能像外消旋體那樣可分離成有旋光活性的兩種異構(gòu)體。,一個(gè)含n個(gè)相同手性碳原子的直鏈化合物，當(dāng)n為偶數(shù)時(shí)，存在2n1個(gè)旋光性異構(gòu)體和2(n/2)-1個(gè)內(nèi)消旋體；當(dāng)n為奇數(shù)時(shí)，存在2n1個(gè)立體異構(gòu)體，其中有2（n1)/2內(nèi)消旋體。,七、不含手性碳原子的化臺(tái)物的旋光異構(gòu)現(xiàn)象 1. 丙二烯型化合物 又如丙二烯的衍生物，當(dāng)Cl及C3各連有不同基團(tuán)時(shí)，也有旋光異構(gòu)體。,2. 阻轉(zhuǎn)型化合物 1）聯(lián)苯型化合物 2,2,6,6位上有體積較大的基團(tuán)時(shí)，苯環(huán)間的單鍵不能自由旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)苯環(huán)

12、不能處于同一平面。,2）螺環(huán)化合物：類似于丙二烯型化合物,3） 把型（柄型）化合物,手性碳原子只是使分子產(chǎn)生手性的因素之一。內(nèi)消旋酒石酸分子雖然含有手性碳原子，但整個(gè)分子不具手性。另一方面，具有手性的分子，也不一定含有手性碳原子。如聯(lián)苯分子中每個(gè)環(huán)的鄰位上的氫原子被體積相當(dāng)大的不同基團(tuán)取代時(shí)，由于位阻作用而使兩個(gè)苯環(huán)不能處在一個(gè)平面內(nèi)，同時(shí)聯(lián)接兩個(gè)苯環(huán)的碳碳單鍵的自由旋轉(zhuǎn)也受到阻礙，整個(gè)分子由于沒(méi)有對(duì)稱因素而具有手性。,八、環(huán)狀化合物的立體異構(gòu) 環(huán)狀化合物的立體異構(gòu)包括順?lè)串悩?gòu)和對(duì)映異構(gòu)。 單環(huán)化合物的立體異構(gòu)情況跟開鏈化合物相似。 可以把環(huán)看成是平面多邊形，其結(jié)果與實(shí)際情況一致。,1，2-二

13、氯代環(huán)戊烷有順、反兩個(gè)幾何異構(gòu)體，連結(jié)氯的兩個(gè)碳原子，又都是手性碳原子。,在順式異構(gòu)體中，用虛線表示的平面可將分子分成對(duì)稱的兩半，所以順式異構(gòu)體無(wú)旋光活性，為內(nèi)消旋體。反式異構(gòu)體為手性分子，所以存在一對(duì)對(duì)映異構(gòu)體：,九、親電加成反應(yīng)的立體化學(xué) 1. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果,2. 加成反應(yīng)立體化學(xué)解釋,十、旋光異構(gòu)體的性質(zhì) 一對(duì)對(duì)映異構(gòu)體除旋光方向相反外，其它物理性質(zhì)（如熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、相對(duì)密廢、比旋光度以及在非手性溶劑中的溶解度等）都完全相同。在化學(xué)性質(zhì)方面，對(duì)映異構(gòu)體與非手性試劑的作用是完全相同的，但在與手性試劑作用時(shí)，兩者有差別。,例如，許多微生物在生長(zhǎng)過(guò)程中只能利用某一構(gòu)型的氨基酸作為它們的食物；氯霉素有

14、四個(gè)旋光異構(gòu)體，而有抗菌作用的只是其中的一個(gè)，即D-(-)-蘇型氯霉素。 外消旋體不同于任意兩種物質(zhì)的混合物，它常具有固定的熔點(diǎn)，而且熔點(diǎn)范圍很窄。,十一、外消旋體的拆分(resolution) 因?yàn)樯矬w內(nèi)的大多數(shù)反應(yīng)是在手性的環(huán)境下進(jìn)行的，所以左旋體與右旋體對(duì)生物的作用就有顯著的不同。例如，生物體中非常重要的催化劑酶具有很高的手性，因此許多可以受酶影響的化合物，其對(duì)映體的生理作用表現(xiàn)出很大的差別。如右旋的葡萄糖在動(dòng)物代謝中能起獨(dú)特的作用，具有營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，但其對(duì)映體左旋葡萄糖則不能被動(dòng)物代謝。左旋的苯并嗎啡,烷能使人成癮，而右旋的苯并嗎啡烷則是無(wú)癮的； ，其(S)-(-)異構(gòu)體具有制畸性和毒性

15、，它能使胎兒變畸形，而R-異構(gòu)則具有鎮(zhèn)靜作用，可用作良好的鎮(zhèn)靜劑。左旋的氯霉素具有抗菌能力，是藥用合霉素的有效體，合霉素的抗菌能力僅為左旋氯霉素的一半。由此可見，對(duì)映體的分離對(duì)藥學(xué)、醫(yī)療健康、環(huán)保等方面具有極其重要的意義。,60年代在歐洲曾廣泛給妊娠婦女服用鎮(zhèn)靜藥反應(yīng)停，很多孕婦服用后生出了海豹樣的畸形兒。后來(lái)經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)停是消旋體，其右旋體有鎮(zhèn)靜作用，而左旋體對(duì)胚胎有很強(qiáng)的致畸作用。,手性與氣味:,香芹酮,薄荷油,由不旋光的化合物合成手性分子時(shí)，在沒(méi)有外界手性因素的影響下，得到的總是由等量的對(duì)映異構(gòu)體組成的外消旋體。對(duì)映異構(gòu)體除了旋光方向相反以外，其它的物理性質(zhì)完全相同，因此要將它們拆分

16、成左旋體和右旋體，用一般的物理方法如分餾、重結(jié)晶等，常無(wú)法達(dá)到目的，而必須采用其它的方法，目前用于拆分的主要方法有：,1. 化學(xué)分離法,經(jīng)常使用的光活堿有奎寧、馬錢子堿等；光活性的酸有酒石酸、樟腦磺酸等。這些自然界的光活性酸堿稱為拆分劑。,2. 生物分離法 酶(enzyme)是生命過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)的催化劑。酶都是有旋光活性的大分子，而且對(duì)化學(xué)反應(yīng)有特殊的專一性，就像一把鑰匙只能開一把鎖一樣。例如某一種酶只對(duì)某一特定構(gòu)型的立體異構(gòu)體有作用，而對(duì)其它構(gòu)型的異構(gòu)體無(wú)作用。所以可以選擇適當(dāng)?shù)拿缸鳛槟承┩庀w的拆分試劑。例如分離()-苯丙氨酸，則可將它們先乙?；?)-N-乙酰基苯丙氨酸，然后再用乙

17、酰水解酶使它們水解：,另外，利用某些微生物也可以達(dá)到上述目的，因?yàn)樯镌谏L(zhǎng)過(guò)程中總是只利用對(duì)映異構(gòu)體中的一個(gè)作為它生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。例如在含有外消旋酒石酸的培養(yǎng)液中培養(yǎng)青霉菌，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間以后，在培養(yǎng)液中留下的是左旋酒石酸。,3. 晶種結(jié)晶法 這種方法是在外消旋體的過(guò)飽和溶液中加入一定量的左旋體或右旋體的晶種，則與晶種相同的異構(gòu)體便優(yōu)先析出，例如向某一外消旋體()-A的過(guò)飽和溶液中加入(+)-A的晶種，則(+)-A優(yōu)先析出一部分，濾出析出的(+)-A，則濾液中(-)-A便過(guò)量，這樣在濾液中再加入外消旋混合物，又可析出一部分(-)-A結(jié)晶，過(guò)濾，如此反復(fù)處理就可以得到相當(dāng)數(shù)量的左旋體和右旋體。這

18、種方法已用于工業(yè)上，例如，在氯霉素的生產(chǎn)中，便用這種晶種結(jié)晶法拆分其中間體。,4. 柱層析法 柱層析是色譜法的一種，是利用不同物質(zhì)對(duì)同一吸附劑的不同吸附作用分離混合物的方法。如果選擇適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)活性的吸附劑，則一對(duì)對(duì)映體被吸附的強(qiáng)弱會(huì)有所不同，再選用適當(dāng)?shù)牧芟磩?，就可以分別將它們淋洗出來(lái)，從而達(dá)到分離的目的。 另外，還有毛細(xì)管電泳等方法。,立體化學(xué)的幾個(gè)名詞,“不對(duì)稱的”（asymmetric） 不存在任何的對(duì)稱因素。雖則一些不對(duì)稱的分子確有對(duì)映異構(gòu)體的存在，然而有些僅有簡(jiǎn)單對(duì)稱軸的分子也有對(duì)映異構(gòu)體，因此人們寧選擇“異稱”（dissymmetric）一詞。,“手性”（chiral） 表征象雙手一樣的特征，即如左右二手彼此為鏡像但又無(wú)法重疊的分子結(jié)構(gòu)；這個(gè)形容詞與“對(duì)映體純”（enantiomeiricallypure）或“光學(xué)活性”（optically active）含義不同，故三者不可彼此代用。,“構(gòu)象”和“構(gòu)型”（conformation and configllcition） 構(gòu)象指分子的形象結(jié)構(gòu)，當(dāng)所含原子的種類、數(shù)目、及連接方式相同，然而在二維或三維空間中和環(huán)境溫度下，通過(guò)原子間價(jià)鍵的翻轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)可產(chǎn)生許多可相互轉(zhuǎn)變的分子形象。所有多原子分子在其