第五章手性分子與旋光異構ChiralMoleculesandOpticalIsomers講授提綱一、旋光活性二、手性分子與手性碳原子三、對映異構與R、S構型判斷四、多個手性碳分子的對映異構與非對映異構五、不含手性碳的手性分子(*)六、環(huán)烷烴的構型異構七、同分異構現(xiàn)象小結八、潛手性中心、潛手性面與手性識別(*)九、對映異構體性質與手性拆分(*)21.平面偏振光(plane-polarizedlight)

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普通光在通過尼克爾棱鏡后形成的只在一個方向傳播的平面光一、旋光活性32.光學活性(opticalactivity)---物質能使偏振光發(fā)生偏轉的性質。一、旋光活性4旋光儀(polarimeter)l53.右旋和左旋(dextrorotatoryandlevorotatory)

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使偏振光振動平面向右旋轉稱右旋，“+”

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使偏振光振動平面向左旋轉稱左旋，“-”4.旋光度（observedrotation)

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旋光活性物質使偏振光振動平面旋轉的角度，用“α

”表示一、旋光活性65.比旋光度（specificrotation)

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在一定溫度和波長（通常為鈉光燈，波長為589nm）條件下，樣品管長度為1dm，樣品濃度為1g/mL時測得的旋光度。用[α]表示。

---是一物理常數(shù)。TD---

鈉光源，波長為589nmT---

測定溫度，單位為℃a---

實測的旋光度l---樣品池的厚度，單位為dmc---為樣品的濃度，單位為g/mL

一、旋光活性78手性：一個物體與其鏡像不能完全重合的性質。二、手性分子與手性碳原子1、什么是手性?

9自然界中手性現(xiàn)象:二、手性分子與手性碳原子10微觀分子的手性現(xiàn)象:

1849年，pasteurL拆分酒石酸鹽，得到兩種晶體。外形完全相似卻不能重合；有旋光活性，一為右旋，一為左旋，旋光度相等，方向相反。111874年，范特霍夫VantHoff.J.H和勒貝爾LeBelJ.A分別提出碳的正四面體模型，發(fā)現(xiàn)當一個碳原子與四個不同的原子或基團相連時，分子在空間有兩種不同的排列方式。例如：2-溴丁烷手性碳：與四個不同原子或基團相連的碳原子。2-溴丁烷分子模型示意圖手性碳通常用“*”標出。122.為什么會有手性？

一個分子有沒有手性，與分子中是否存在對稱元素有關。大量研究表明，手性與不對稱性有關。（1）對稱軸Cn---

這種軸是通過物體或分子的一條直線，以這條直線為軸旋轉一定的角度，得到的物體或分子的形象和原來的形象完全相同，這種軸稱為對稱軸。n指繞軸一周，有n個形象與原形象相同。二、手性分子與手性碳原子131414（2）對稱面s（有兩種對稱面）

(b)一個平面把分子分成兩部分，一部分是另一部分的鏡象。(a)組成分子的所有原子都在一個平面上,例如(E)-1,2-二氯乙烯（3）對稱中心i

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分子中有一中心點，通過該點所畫的直線都以等距離達到相同的基團，則該中心點是對稱中心。15請分析甲烷分子的對稱因素4個C3對稱軸3個C2對稱軸6個對稱面二、手性分子與手性碳原子1617（4）象轉軸

Sn=Cn+σ（垂直于Cn）S4I=IVII=III1956年首次合成了一個有四重象轉軸的分子非手性分子

18非手性碳：與兩個或兩個以上相同基團相連的碳原子。1-氟-1-氯甲烷分子模型示意圖對稱分子（非手性分子）——

含有對稱面、對稱中心或四重象轉軸的分子，其實物與鏡像可完全重疊。

19手性碳：連接了四個不同基團的碳原子6個對稱面3個對稱面1個對稱面無對稱面非手性碳：與兩個或兩個以上相同基團相連的碳原子20對稱分子（非手性分子）——

含有對稱面、對稱中心或四重象轉軸的分子，其實物與鏡像可完全重疊。

2121不對稱分子（手性分子）如果分子中不存在對稱面、對稱中心和四重象轉軸，則這個分子具有手性，其實物與鏡影不能完全重疊。手性現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因——不對稱性

注意：簡單對稱軸并不能作為分子是否具有手性的判據(jù)。223.手性的重要性

生命體系的大部分基本單元都是手性分子，如蛋白質是由手性氨基酸組成的，DNA和RNA是由手性核苷酸組成的。L.Pasteur指出：“如果沒有生命，就不可能產(chǎn)生不對稱分子”。生命過程及相互作用也大多以手性方式進行，如人類的新陳代謝過程是就是在高度立體專一性的手性催化劑—酶的催化下進行的。(1)

手性與生命密切相關23(2)手性分子在生理活性上存在差異

反應停事件:20世紀60年代，名為“反應停”的藥物在歐洲用作治療孕婦的妊娠反應，它的副作用曾經(jīng)使一些服用此藥物的孕婦產(chǎn)下了1.2萬名畸型嬰兒。慘痛的教訓!24小資料：

經(jīng)過34年的慎重研究，1998年FDA批準“反應停”作為治療麻風結節(jié)性紅斑的藥物在美國上市。美國成為第一個將“反應停”重新上市的國家。“反應停”還被發(fā)現(xiàn)有可能用于治療多種癌癥。現(xiàn)在90％“反應停”被用于治療癌癥病人，在美國的銷售額每年約兩億美元。

活性更強且沒有致畸性的“反應停”衍生物也已被批準上市。252001年，Nobel化學獎授予Knowles,Noyori和Sharpless，既是表彰他們對不對稱氫化和氧化反應所作出的卓越貢獻，同時也是肯定不對稱催化對人類社會的重要意義。(3)不對稱催化已成為當今有機化學的研究熱點261.對映異構體（Enantiomer）

不能與實物重疊的鏡像稱為原分子的對映異構體。三、對映異構與R、S構型判斷27主要用于生物分子氨基酸和糖類化合物中2.構型的表示方法(DandLsystem)三、對映異構與R、S構型判斷3構型的表示方法(RandSsystem)三、對映異構與R、S構型判斷基團的大小排序遵循“次序規(guī)則”28A.(R)-2-butanolB.(S)-1-methoxy-2-propanamineC.(S)-5-chloro-6-hepten-2-one使用“左右手法則”是十分方便的3構型的表示方法(RandSsystem)29三、對映異構與R、S構型判斷4Fischerprojections上

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碳鏈頭端下---

碳鏈末端橫線---H及取代基ACDBFischerprojectionABCDsawhorseprojection30三、對映異構與R、S構型判斷A.(2S,3S)-3-chloro-2-pentanolB.(2R,3S)-3-amino-4-penten-2-olC.(2S,3R,4R)-2-bromo-4-floro-3-hydroxy-5-phenylpentanoicacid5Fischerprojects的構型判斷SSRSSRR建議使用紙面分析法31三、對映異構與R、S構型判斷6外消旋體(racemicmixture,orracemate)除光學活性外，兩個對映異構體的物理性質完全相同一對對映異構體，其比旋光度數(shù)值相等，旋光方向相反。外消旋體----

一對對映異構體的等量混合物32三、對映異構與R、S構型判斷7對映體過量值(

enantiomericexcess,e.e.)測定方法：主要是色譜法，包括氣相色譜（GC），高效液相色譜（HPLC）33三、對映異構與R、S構型判斷e.e.=主要的異構體含量%-次要異構體含量%測定方法也可以通過測定旋光值計算例:(S)-(+)-2-bromobutane[a]標

=+23.1o

實測樣品[a]實=+9.2oe.e.=9.2/23.1=0.40or40%=o.p.即:70%S,30%R;也就是說40%為過量的S異構體,而60%是外消旋體34三、對映異構與R、S構型判斷348.光學純度（OpticalPurity)

例如：一對對映異構體混合物是75：25，則能觀察到的比旋光度就只是50%過量的那個異構體的比旋光度，這種混合物的光學純度即為50%。[a]實

×100%[a]+（-）o.p.=3535o.p.值理論上等于e.e.，但實際上由于測定方法不同，兩者可能不同。隨著色譜技術的發(fā)展，目前e.e.值更常用，也更準確。[a]實

×100%[a]+（-）o.p.=因為，[a]實=[a]+（-）x75%-[a]+（-）x25%o.p.=（[a]+（-）x75%-[a]+（-）x25%）/[a]+（-）=75%-25%=50%=e.e.三、對映異構與R、S構型判斷361.含兩個不同手性碳的分子（有4個構型異構體）I不是III的對映異構體,也不是IV的II不是III的對映異構體,也不是IV的它們是非對映異構體（diasteromers）四、多個手性碳分子的對映異構與非對映異構37371.含兩個不同手性碳的分子（有4個構型異構體）

赤式和蘇式四、多個手性碳分子的對映異構與非對映異構赤式和蘇式:含兩個不對稱碳的分子，若在Fischer投影式中，兩個H在同側，稱為赤式，在不同側，稱為蘇式。3838酒石酸Tartaricacid2.含兩個相同手性碳的分子（有3個構型異構體）四、多個手性碳分子的對映異構與非對映異構39392.含兩個相同手性碳的分子（有3個構型異構體）四、多個手性碳分子的對映異構與非對映異構40402.含兩個相同手性碳的分子（有3個立體異構體）內消旋體（mesocompound)——anachiralcompoundwithchiralitycenters四、多個手性碳分子的對映異構與非對映異構413.非對映異構體的過量值（d.e.）

diasteromerexcess內消旋體（mesocompound)與另一對對映異構的關系是非對映異構的關系d.e.的測定；色譜分離四、多個手性碳分子的對映異構與非對映異構42424.含多個手性碳的分子*含n個手性中心的分子最多可能有2n個立體異構體四、多個手性碳分子的對映異構與非對映異構

假手性碳（III和IV中的3-C）五、

不含手性碳的手性分子1具有丙二烯結構的分子43五、

不含手性碳的手性分子2具有聯(lián)苯類結構的化合物---位阻異構體（atropisomer）---由于單鍵旋轉受阻而形成的手性分子。

443具有螺旋型結構的化合物五、不含手性碳的手性分子454.含有其它不對稱原子的手性分子季銨陽離子和季鏻陽離子五、不含手性碳的手性分子46叔胺和叔膦注意：叔胺的異構體轉化十分迅速，有的書中將它們歸于構象異構體。NH3CH2CCH3C6H5NC6H5CH3H3CH2CP(H3C)2HCCH3PC6H5H3CCH(CH3)2C6H5H3CH2CNCH3C6H5五、不含手性碳的手性分子4748六、環(huán)烷烴的構型異構判別單環(huán)化合物旋光性的方法:

實驗證明：單環(huán)化合物有否旋光性可以通過其平面式的對稱性來判別，凡是有對稱中心和對稱平面的單環(huán)化合物無旋光性，反之則有旋光性。無旋光（對稱面）有旋光有疑問？49六、環(huán)烷烴的構型異構疑問：環(huán)烷烴有構象啊，比如環(huán)己烷最穩(wěn)定構象是椅式，順-1，2-二取代環(huán)己烷的椅式構象沒有對稱面呀！

椅式構象雖然沒有對稱面，但是其船式構象有對稱面Aslongasoneconformationofacompoundhasaplaneofsymmetry,thecompoundwillbeachiral,andanachiralcompoundwithtwoasymmetriccentersisamesocompound.50六、環(huán)烷烴的構型異構不同構象有不同對稱性特征是普遍現(xiàn)象：

重疊式構象具有對稱面，交叉式構象則沒有對稱面Fischer投影式給出的是重疊式構象，雖不是穩(wěn)定構象，但卻被廣泛采用，與其方便判斷分子是否具有手性相關。51六、環(huán)烷烴的構型異構1.奇數(shù)環(huán)的情況—

I-IV四個化合物中各有兩個手性碳—

當A、B相同時，I和II為內消旋體—

當A、B不同時，I和II為對映異構體—

對于III和IV，則無論A、B是否相同，III和IV均為一對對映異構體**52522.偶數(shù)環(huán)的情況思考：A=B和A≠B兩種情況有何不同？六、環(huán)烷烴的構型異構****s思考題

試寫出二取代環(huán)戊烷的所有可能的結構（按兩個取代基相同和不同時的情況分別說明）。六、環(huán)烷烴的構型異構53七、同分異構現(xiàn)象小結構造異構constitutional立體異構Stereo-碳鏈異構官能團異構位置異構構型異構configurational構象異構conformational順反異構對映-非對映異構同分異構isomerism單鍵旋轉異構叔胺翻轉異構54構造異構體（Constitutionalisomers）----由于分子中原子或基團的排列順序及性質不同而產(chǎn)生的同分異構體。55七、同分異構現(xiàn)象小結1.構造異構體（Constitutionalisomers）565757構象異構體2).胺翻轉1).單鍵旋轉2.立體異構體Stereoisomers58構型異構體（Configurationalisomers）1).順反異構體2).對映非對映異構（旋光異構）(本章重點）旋光異構體具有光學活性，能使平面偏振光發(fā)生不同方向的偏轉3.同分異構的多層次性構造異構、構型異構和構象異構是不同層次上的異構。低層次異構形式通常包含有較高層次的異構形式。構造異構構型異構構象異構較低層次較高層次5960舉例八、潛手性中心、潛手性面與手性識別ACOOHHOHBCH3(S)-BCOOHAHOHCH3(R)-COOHAHHBCH361

潛手性中心prochiralcenter:碳,氫潛手性面prochiralplane：分子的一個對稱面八、潛手性中心、潛手性面與手性識別CH3H3CH2COHHBCH3H3CH2CHOHAOH3CH3CH2

CABCH2H2CH2CCH2HBHA62手性環(huán)境對手性中心、潛手性中心的識別八、潛手性中心、潛手性面與手性識別CH2COOHHOOCH2CCOO-OH對潛手性中心的識別6364641.對映異構體的性質表.酒石酸立體異構體的物理性質異構體m.p.(0C)[α]20

比重水中溶解性

(+)168-170+121.7598139.0g/100ml(-)168-170-121.7598139.0g/100mlmeso146-14801.6660125.0g/100ml(±)20601.788020.6g/100ml九、對映異構體性質與手性拆分Tartaricacid:HOOCCH(OH)CH(OH)COOH65(+)-和(-)-酒石酸具有完全一致的熔點、溶解性和比重，只是比旋光度的方向不同內消旋體是(+)-和(-)-酒石酸的非對映異構體，具有不同的物理性質外消旋體的物理性質也不同，其熔點比(