第四章對映異構與非對映異 Chapter4 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分子的對稱性與手 征 性4 4Fischer投影式與手性碳原子的構型標記法4 5含兩個不同手性碳原子化合物的對映異構現象4 6含兩個相同手性碳原子化合物的對映異構現象4 7環狀化合物的立體異構4 8不含手性碳原子化合物的對映異構現象4 9對映異構體的性質及研究意義4 10獲得對映異構體的化學方法 立體異構體 分子的構造 分子中的各原子的連接順序與成鍵方式 單鍵 雙鍵 三鍵 分子的構型 表示分子中原子或基團在空間排列方式 立體異構體 分子中的原子或基團空間排列或位置不同而導致的異構體 外消旋體的拆分 Resolution 巴斯德 L LouisPasteur 1822 1895 1848年 巴斯德借助放大鏡拆分 外消旋的酒石酸鈉銨 R 型 有效 不致畸形 S 型 致畸形 Thalidomide 反應停 鎮靜和止吐藥物 L DOPA治療帕金森氏病 D DOPA在體內集聚 不能被代謝 反應停事件 反應停是外消旋的酞胺哌啶酮 用于療孕婦嘔吐 導致了1 2萬個畸形嬰兒 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 同分異構體的類型 4 1 1手性 imageandmirrorimagenon superposeble 手性 實物與其鏡象不能完全重疊的性質 也叫手征性 4 1手 征 性與手 征 性分子ChiralityandChiralMolecule ChiralityinPlant ChiralityinTools ChriralityinArt Figure4 1AMoleculeoflacticacidanditsmirrorimage ab 4 1 2手性分子 Figure4 2Themoleculeissuperimposableonitsmirrorimage COOH COOH CH3 OH OH 定義 任何一個不能和它的鏡象完全重疊的分子 也稱不對稱分子 凡是手性分子都具有旋光活性 手性分子 手性 chirality 實物和其鏡像不能重疊的現象ChiralisderivedfromtheGreekwordcheiros meaning hand 手性分子 chiralmolecules 有手性現象的分子 手性分子 非手性分子 非手性分子 與鏡像相重合 非手性分子不含有手性碳 對映異構 對映異構現象 分子式相同 構造式也相同 但由于原子在空間的排列順序不同而使兩種異構體互為實物與鏡象或左右手的關系而不能完全重疊的現象 對映異構體 互為實物與鏡象的關系 而不能完全重疊的異構體 簡稱對映體 圖4 3光的傳播 光波是電磁波 振動方向與傳播方向垂直普通光和單色光可在垂直于光波前進方向的所有可能平面上振動 光的傳播方向 A B C D 4 2平面偏振光和旋光活性4 2 1平面偏振光 平面偏振光 只在同一個平面內振動的光 簡稱偏振光 Figure4 4Thenatureofplane polarizedlight 4 2 2物質的旋光性 Figure4 5Abilityofamoleculetorotateplane polarizedlight 幾個基本概念 物質的旋光性 物質能使偏振光的振動平面旋轉的性質 也叫光學活性右旋體 使偏振光的振動平面向右 順時針 旋轉的物質 左旋體 使偏振光的振動平面向左 反時針 旋轉的物質 外消旋體 等量的左旋體和右旋體組成的混合體系 乳酸 可拆分旋光度 旋光性物質使偏振光振動平面旋轉的角度 4 2 3旋光儀 polarimeter 圖4 6WXG 4圓盤旋光儀 手動測量 測量范圍 180o 準確度 0 05o a 光源b 起偏鏡c 盛液管d 檢偏鏡e 刻度盤 a b c d e 其他類型旋光儀 測量范圍 180o 測量精度 0 02o儀器自動顯示測量值 避免讀數誤差 圖4 7WXG 5半自動旋光儀 工作模式 旋光度 比旋度 溶液濃度和糖度 自動重復測6次并計算平均值和均方根 有RS232接口 可向PC機傳送數據 測量范圍 45 120 Z 糖度 準確度 0 01 測量值 0 05 0 03 Z 測量值 0 05 圖4 8WZZ 3數字自動旋光儀 4 2 4比旋光度 定義 規定溶液的濃度為1g ml 1 盛液管長度為1dm時測得的旋光度 比旋光度與旋光度的換算 c L t t L為旋光管長度 單位dmC為溶液濃度 單位g ml 1 練習 2008農學聯考 25 0 1g mL 1 2 5dm 100 對稱面 Planeofsymmetry 對稱中心 Centerofsymmetry 手性碳原子 Chiralcarbon 4 3分子的對稱性和手 征 性 對稱面 對稱面 把分子分為實物與鏡象關系的平面 a 原子在一個平面內 b 原子不在一個平面 a b 對稱中心 分子中的一個點 從這個點往分子中各基團拉連線 這個點成為連線的中心 并且連線兩端的基團相同 該 點 即分子的對稱中心 對稱中心 手性碳原子 和四個不相同的原子或基團相連的碳原子 手性碳原子 分子中只含有一個手性碳原子的分子為手性分子 沒有對稱面與對稱中心的分子是手性分子 總結 判斷手性分子的一般規則 練習 判斷下列分子是否具有手性 4 4Fischer投影式與手性碳原子的構型標記法4 4 1構型的表示方法 模型透視式Fischer投影式 乳酸對映體的透視式 手性碳原子C 在紙面上 用正常粗細實線表示與C 相連的原子或原子團在紙面上 用虛線表示與C 相連的原子或原子團伸向紙面后方 用楔形 或粗實線 表示與C 相連的原子或原子團伸向紙面前方 費歇爾 FischerE 投影式 H H CH3 CH3 D 乳酸的Fischer投影式 COOH COOH 費歇爾 FischerE 投影式的寫法 用 的交點代表手性碳原子 四端與四個基團相連 將碳鏈放在豎直線上 氧化態較高的碳原子或主鏈的1號碳原子在上 以豎直線相連的基團表示伸向紙后 以水平線相連的基團表示伸出紙面 4 4 2構型的命名法 DL命名法 相對構型 RS命名法 絕對構型 R 拉丁文rectus 右 S 拉丁文sinnister 左 DL命名法 D 甘油醛L 甘油醛 1951年以前 不能測定化合物的絕對構型 相對構型 將甘油醛以Fischer投影式書寫 手性碳原子上所連的羥基在右邊的為D 型 在左邊的為L 型 用化學反應將手性化合物與甘油醛相關聯 確定D L構型 碳水化合物和氨基酸用D L 構型表示 RS命名法 首先按 次序規則 將與手性碳原子相連的四個基團確定先后順序 然后把排列次序最小的基團放在離觀察者最遠的位置 將其它三個基團從大到小排序 若為順時針方向 則為R 若反時針方向則為S R 2 丁醇 重鍵的分解方法 與手性碳原子相連的原子A若以雙鍵或叁鍵與另一個原子B相連 則相當于A與兩個B或三個B相連 練習 標出 乳酸分子中手性碳原子的絕對構型 R 乳酸的Fischer投影式是 2008農學聯考 練習 2009農學聯考 D 含有兩個不同手性碳原子的化合物有四種不同構型的分子 ARASARASBRBSBSBR 分子中含有n個不同的手性碳原子 則有2n個對映異構體 4 5含兩個不同手性碳原子化合物的對映異構現象 2 3 4 三羥基丁酸的對映異構體的Fischer投影式 a 2R 3R b 2S 3S c 2R 3S d 2S 3R 凡是不是實物與鏡像對映關系的旋光異構體均稱為非對映異構體 例 a和d a和c b和c b和d 4 6含有兩個相同手性碳原子的化合物 含有兩個相同手性碳原子的化合物有三個對映與非對映異構體 旋光 a 2R 3R b 2S 3S c 2R 3S d 2S 3R 內消旋體 定義 可以用平面將分子分成實物和鏡影關系的兩半 兩個不對稱原子的旋光性相反 整個分子沒有旋光活性的異構體 meso 順 1 2 二氯環戊烷反 1 2 二氯環戊烷 S R S S R R 4 7環狀化合物的立體異構 立體異構 順反異構 對映異構 4 8不含手性碳原子化合物的對映異構現象 思考 含有手性碳原子是分子具有手性的充分必要條件 丙二烯型化合物 sp sp2 sp2 圖4 11丙二烯 鍵立體結構示意圖 手性軸 圖4 9丙二烯原子軌道示意圖 2 3 戊二烯的對映異構體 C C C C C C 2 3 1 丙二烯的兩個端碳原子上各自連有不同的基團 為手性分子 2 甲基 2 3 戊二烯 有對稱面 非手性分子 單鍵旋轉受阻的聯苯型化合物 6 6 二硝基聯苯 2 2 二甲酸的旋光異構體聯苯的4個 位都連有較大的基團 而且同一苯環上連著的兩個基團不同 為手性分子 2 6 二氯 2 6 二溴聯苯 有對稱面 非手性分子 4 9對映異構體的性質及研究意義4 9 1物理性質 熔點 沸點 在非手性溶劑中的溶解度等完全相同 旋光度相同 旋光方向相反 非對映異構體的物理性質不同 化學性質基本相同 但同一反應中 反應速率不同 外消旋體有固定的熔點 且熔程很窄 表4 2一些旋光異構體的物理性質 名稱熔點 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 15139 酒石酸170 15139 酒石酸206 20 6 meso 酒石酸146 148 125 4 9 2化學性質 對映體異構體與非手性試劑作用完全相同 對映異構體與手性試劑作用或在手性溶劑或手性催化劑的作用下 二者的反應速率不同 4 9 3研究意義 生物體內幾乎所有的化學反應都需要酶催化 而酶對底物具有極高的立體結構的要求 所以不同立體結構的異構體一般具有極不相同的生理作用 Fig 4 10Enzyme substratecomplex 表4 3手性藥物的對映體的不同作用 藥物名稱藥物的治療作用有效對映體和作用另一種對映體和作用反應停S 構型 鎮靜劑R 構型 致畸胎青霉素胺S S 構型 抗關節炎藥R R 構型 突變劑乙醇丁胺S S 構型 抗結核菌R 構型 導致失明酮基布洛酚S 構型 抗炎R 構型 防治壓周炎 手性藥物指導原則 一個含手性因素的化學藥物 必須說明其兩個對映體在體內不同的生理活性 藥理作用和代謝過程 以及考慮單一對映體的問題 FDA1992年3月 4 10獲得對映異構體的方法 外消旋體的拆分 化學分離法 晶種結晶法 色譜分離法化學計量不對稱合成 手性試劑不對稱催化反應 手性催化劑 不對稱合成 無手性條件下的合成反應 得到外消旋體 不對稱合成 當在手性條件下進行的反應 產物中某一對映異構體的量占優勢 使反應產物具有旋光活性 這種合成反應也叫手性合成 2001年度諾貝爾化學獎獲得者及其主要貢獻WillamS Knowles主要貢獻 威廉諾爾斯 1942年獲美國哥倫比亞大學博士學位 曾就職于孟山都公司 主要開發了不對稱氫化