五立体化学基础省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第五章第五章 立体化学基础：立体化学基础：手性分子手性分子(stereochemistry)习题（习题（P84)4,8,9,11,12,13 1第1页本章内容：本章内容：1.手性、手性分子、手性碳原子、对映异构概手性、手性分子、手性碳原子、对映异构概念、判断手性分子方法念、判断手性分子方法2.费歇尔投影式写法费歇尔投影式写法3.旋光性旋光性4.外消旋体外消旋体5.非对映体和内消旋体非对映体和内消旋体6.构型标识法（构型标识法（D/L,R/S标识法）标识法）7.手性分子生物作用，手性药品手性分子生物作用，手性药品2第2页同分异构现象同分异构现象结构异构结构异构立体异构立体异构碳链异构碳链异构位置异构位置异构官能团异构官能团异构构象异构构象异构顺反异构顺反异构对映异构对映异构 立体异构：立体异构：分子中原子或基团在空间分子中原子或基团在空间排列方式不一样产生异构现象。排列方式不一样产生异构现象。3第3页第一节第一节 手性分子和对映体手性分子和对映体 一、手一、手 性性 观观察察自自己己双双手手,左左手手与与右右手手有有什什么么联联络络和区分？和区分？4邓健 制作 吕以仙 审校第4页左手镜像是右手左手镜像是右手左手镜像是右手左手镜像是右手右手镜像是左手右手镜像是左手右手镜像是左手右手镜像是左手5人民卫生电子音像出版社第5页左右手互为镜像与实物关系左右手互为镜像与实物关系(称为称为对映系对映系)，彼此又不能重合现象称为彼此又不能重合现象称为手性手性。问题问题：脚脚,耳朵耳朵,鼻子鼻子,螺丝钉是否含有手螺丝钉是否含有手性性？6邓健 制作 吕以仙 审校第6页二、手性分子和对映体二、手性分子和对映体 任何物体都有它镜像，一个有机分子也会有它镜任何物体都有它镜像，一个有机分子也会有它镜像。像。若实物与其镜像能够完全重合，则实物与若实物与其镜像能够完全重合，则实物与镜像所代表两个分子为同一个分子。镜像所代表两个分子为同一个分子。全部基团全部基团都重合都重合丙酸分子丙酸分子没有手性没有手性 CH3CH2COOH7人民卫生电子音像出版社第7页不能与其镜像重合分子称为手性分不能与其镜像重合分子称为手性分子。子。乳酸两种构型：乳酸两种构型：动画动画8第8页 (-)-(-)-乳酸乳酸 （+)-+)-乳酸乳酸 D D2020-3.8-3.8o o D D2020+3.8+3.8o o u互为实物与镜象关系且不能重合立体异互为实物与镜象关系且不能重合立体异构体称为构体称为对映体对映体(enantiomers)。对映体物理性质、化学性质相同，但旋光对映体物理性质、化学性质相同，但旋光性不一样，生理活性不一样。性不一样，生理活性不一样。9第9页 仔细考查没有手性丙酸分子和有手性仔细考查没有手性丙酸分子和有手性乳酸分子，它们差异在哪里？乳酸分子，它们差异在哪里？乳乳酸酸分分子子中中有有一一个个碳碳原原子子(C2)所所连连四四个个基基团团(COOH,OH,CH3,H)均均不不相相同同。凡凡是是连连有有4个个不不一一样样原原子子或或基基团团碳碳原原子子称称为为手手性性碳碳原原子子(chiral carbon atom),也也可可称称为为手手性性中中心心(chiral center)。丙酸丙酸 乳酸乳酸*?10人民卫生电子音像出版社第10页乳酸*一个手性碳原子所连一个手性碳原子所连4个不一样原子或个不一样原子或基团位于四面体四个顶角，在空间含有基团位于四面体四个顶角，在空间含有2种种不一样排列方式不一样排列方式(也称两种构型也称两种构型),它们彼此它们彼此组成一对对映体。组成一对对映体。有一个手性碳化合物必定有一个手性碳化合物必定是手性化合物，只有一对对映体。是手性化合物，只有一对对映体。11邓健 制作 吕以仙 审校第11页问题：含有手性碳原子化合物是：问题：含有手性碳原子化合物是：答案：答案：B *12第12页三、对称面和非手性分子三、对称面和非手性分子(planes of symmetry and achiral molecule)乙醇乙醇 对对称称面面是是指指能能将将分分子子结结构构剖剖成成互互为为镜镜像像两两半半面。面。有对称面分子不是手性分子。有对称面分子不是手性分子。OHCH313第13页乳酸乳酸没没对称面对称面存在对称面分子存在对称面分子 14第14页手性分子结构特征：手性分子结构特征：1,3-二氯丙二烯二氯丙二烯 大多数手性分子含有手性碳原子，但有少大多数手性分子含有手性碳原子，但有少数例外。数例外。手性分子没有对称性（三维结构）手性分子没有对称性（三维结构）15第15页1.分子与镜像能否重合分子与镜像能否重合（绝对）（绝对）2.是否存在对称面是否存在对称面（绝对）（绝对）3.是否存在手性碳原子是否存在手性碳原子（不绝对）（不绝对）四、判断对映体方法四、判断对映体方法?不含手性碳原子分子？不含手性碳原子分子？含含1个手性碳原子分子，必定是手性个手性碳原子分子，必定是手性分子，存在一对对映体。分子，存在一对对映体。含含2个或多个手性碳原子分子？个或多个手性碳原子分子？16第16页比如比如,用上述方法判断乳酸和乙醇用上述方法判断乳酸和乙醇乳酸是手性分子；有一对对映体乳酸是手性分子；有一对对映体 而乙醇不是手性分子。而乙醇不是手性分子。17第17页问题：以下化合物哪些是手性分子？问题：以下化合物哪些是手性分子？18第18页立体结构式立体结构式 楔线式（透视式）楔线式（透视式）锯架式锯架式 Newmam投影式投影式费歇尔投影式费歇尔投影式?19邓健 制作 吕以仙 审校第19页 第二节第二节 费歇尔投影式费歇尔投影式(Fischer(Fischer projections)projections)COOHCH3HOH乳酸乳酸投影规则：投影规则：1.键指向符合键指向符合“横前竖后横前竖后”2.交叉点代表手性碳，位于纸平面上交叉点代表手性碳，位于纸平面上3.通常主碳链竖立，通常主碳链竖立，把命名时编号最小碳原子把命名时编号最小碳原子放在上端放在上端。动画动画20第20页(a)楔线式楔线式 (b)Fischer投影式投影式注意：投影规则依然是注意：投影规则依然是“横前竖后横前竖后”。21第21页注意：为了保持投影式构型不改变，必须注意：为了保持投影式构型不改变，必须恪守以下要求：恪守以下要求：Fischer投影式在纸面上旋转投影式在纸面上旋转1800时构型不时构型不变，旋转变，旋转900或或2700时构型改变。时构型改变。不允许把不允许把分子离开纸面翻转。分子离开纸面翻转。22第22页在纸平面内旋转180，构型不变，构型不变 Fischer式式平移平移或或纸平面内旋转纸平面内旋转180,其其构型不变。构型不变。23人民卫生电子音像出版社第23页Fischer 式式纸平面内旋转纸平面内旋转90(或或270),构型改变！构型改变！竖前横后竖前横后横前竖后横前竖后24人民卫生电子音像出版社第24页Fischer 投影式离开纸面投影式离开纸面翻转翻转,构型改变！构型改变！竖前横后竖前横后横前竖后横前竖后25邓健 制作 吕以仙 审校第25页第三节第三节 旋光性旋光性一、偏振光和旋光性（一、偏振光和旋光性（optical activity)nicol平面偏振光平面偏振光只在一个平面上只在一个平面上振动光。振动光。26第26页旋光性旋光性使偏振光振动面发生旋转性能使偏振光振动面发生旋转性能旋光性物质旋光性物质/光活性物质光活性物质含有旋光性物含有旋光性物质。质。如如:2-氯丁烷氯丁烷,乳酸乳酸,葡萄糖葡萄糖,氯霉素等氯霉素等偏光偏光动画动画手性化合物含有旋光性手性化合物含有旋光性乳酸乳酸旋光性旋光性物质物质27第27页二、旋光度与比旋光度二、旋光度与比旋光度（一）旋光度（一）旋光度旋光管旋光管检偏镜检偏镜起偏镜起偏镜非旋光性物质非旋光性物质如乙醇如乙醇28第28页 旋光管旋光管检偏镜检偏镜起偏镜起偏镜旋光性物质旋光性物质如葡萄糖如葡萄糖29第29页(一一）旋光度：旋光度：偏振面被旋光性化合物所偏振面被旋光性化合物所旋转角度称为旋光度旋转角度称为旋光度,用用 表示表示 。右旋，右旋，用用“+”表示；左旋，用表示；左旋，用“-”表示；表示；其数值与测定条件相关：其数值与测定条件相关：溶液浓度、溶液浓度、液层厚度、温度、光源波长、溶剂。液层厚度、温度、光源波长、溶剂。（二）比旋光度（二）比旋光度(specific rotation)为了使一个化合物旋光度成为特征物理常为了使一个化合物旋光度成为特征物理常数，通惯用数，通惯用1dm长旋光管，待测物质浓度为长旋光管，待测物质浓度为1g/ml，用波长为，用波长为589nm钠光钠光(D线线)条件下，所条件下，所测得旋光度，称为测得旋光度，称为比旋光度比旋光度。30第30页l：旋光管长度，分米；旋光管长度，分米；C：样品浓度，克：样品浓度，克/毫升毫升t：温度；温度；D：钠光灯波长钠光灯波长 598nm 比旋光度比旋光度 Dt=l C 在其它条件下测定时，用以下公式计算在其它条件下测定时，用以下公式计算比旋光度：比旋光度：31第31页葡萄糖：葡萄糖：D D2020=+52.5=+52.5o o海洛因：海洛因：D D1515=-166=-166o o(甲醇）甲醇）地尔硫桌：地尔硫桌：D20 98.3o(c1,CH3OH)比旋光度是旋光性物质物理常数比旋光度是旋光性物质物理常数测定旋光度可用来判定旋光性物质测定旋光度可用来判定旋光性物质,测定测定物质纯度和含量。物质纯度和含量。32第32页 (+)-(+)-乳酸乳酸 （-)-)-乳酸乳酸 D D2020+3.8+3.8o o D D2020-3.8-3.8o o 第四节第四节 外消旋体外消旋体等量混合等量混合()-乳酸乳酸外消旋体（外消旋体（racemate)：等量左旋体和右：等量左旋体和右旋体混合物，称外消旋体旋体混合物，称外消旋体用用()或或dl表示表示；外消旋体没旋光性。；外消旋体没旋光性。33第33页外消旋体物理性质与单一对映体有些不一样外消旋体物理性质与单一对映体有些不一样肌肉中分离出乳酸：肌肉中分离出乳酸：右旋乳酸右旋乳酸左旋乳酸杆菌使葡萄糖发酵而产生左旋乳酸杆菌使葡萄糖发酵而产生 乳酸：乳酸：左旋乳酸左旋乳酸用普通化学方法合成乳酸：用普通化学方法合成乳酸：外消旋外消旋乳酸乳酸34第34页第五节第五节 非对映体和内消旋化合物非对映体和内消旋化合物一、非对映体一、非对映体（diastereomers)2，3，4-三羟基丁醛三羟基丁醛*分子中含有两个不相同手性碳原子分子中含有两个不相同手性碳原子35第35页(a)(b)(c)(d)一对对映体一对对映体一对对映体一对对映体 (a)和和(c)是彼此不成镜象关系立体异构是彼此不成镜象关系立体异构体，叫做体，叫做非对映体非对映体。一样，一样，(a)和和(d)、(b)和和(c)以及以及(b)和和(d)也都是也都是非对映体非对映体。36第36页分子中含有分子中含有 n n 个不一样个不一样 C C时，其立体时，其立体异构体最大数目为异构体最大数目为2 2n n。1 1个个 C*C*2 2个个 C*C*3 3个个 C*C*21=2 个个立体异构体立体异构体22=4 个个立体异构体立体异构体23=8 个个立体异构体立体异构体 可见，分子中含有两个不一样手性可见，分子中含有两个不一样手性碳原子时，有四种立体异构体。碳原子时，有四种立体异构体。37第37页 二、内消旋化合物二、内消旋化合物 (meso compound)(meso compound)酒石酸分子中含有酒石酸分子中含有两个相同两个相同手性碳：手性碳：每个手性碳原子均连有相同原子和每个手性碳原子均连有相同原子和基团：基团：38第38页(a)(b)(c)(d)=相同化合物相同化合物一对对映体一对对映体 C（d）分子中即使有手性碳原子，但）分子中即使有手性碳原子，但作为分子整体来说是非手性（分子中有一对称作为分子整体来说是非手性（分子中有一对称面），我们称面），我们称C（d）为为内消旋化合物内消旋化合物（内（内消旋酒石酸）消旋酒石酸）39第39页2.2.内消旋体内消旋体是含有手性碳原子是含有手性碳原子非手非手性分子。性分子。1.1.含有两个相同手性碳原子（含有两个相同手性碳原子（*C C）化合化合物有物有3 3个立体异构体个立体异构体，其中有，其中有一对对映体一对对映体，一个是内消旋体一个是内消旋体。结论结论3.3.内消旋体没有旋光性。内消旋体没有旋光性。40第40页问题：问题：以下化合物中，哪些存在内消旋化以下化合物中，哪些存在内消旋化合物？合物？(1)2,3-二溴丁烷二溴丁烷 (2)2,3-二溴戊烷二溴戊烷 (3)2,4-二溴戊烷二溴戊烷 41第41页问题：以下化合物属于手性分子是问题：以下化合物属于手性分子是答案：答案：(1)、(3)、(4)42第42页第四节第四节 构型标识法构型标识法 对映异构体构型普通指手性中心所连四个不一样对映异构体构型普通指手性中心所连四个不一样原子或原子团在空间排列次序。原子或原子团在空间排列次序。一、一、D/L 构型标识法构型标识法 在无法测知化合物真实构型情况下，在无法测知化合物真实构型情况下，Fischer 当年人为地要求当年人为地要求()-甘油为甘油为D-构型构型，其，其对映体对映体()-甘油醛为甘油醛为L-构型构型。D D-L L-(+)-甘油醛甘油醛 ()-甘油醛甘油醛43人民卫生电子音像出版社第43页D-(+)-甘油醛甘油醛 D-(-)-甘油酸甘油酸 而其它化合物则以它为标准来确定构型：而其它化合物则以它为标准来确定构型：1951年年，J.M.Bijvoet 用用X-衍衍射射技技术术测测定定了了()-酒酒石石酸酸铷铷钾钾盐盐绝绝对对构构型型之之后后，确确定定了了原原来来人人为为要要求求D-()-甘甘油油醛醛构构型型(相相对对构构型型)刚刚巧巧就就是是它它真真实实构构型型(绝绝对对构构型型)。这这么么以以甘甘油油醛醛为为标标准准物物，确确定定其其它它化化合合物物构构型型，自自然然也也是是绝绝对对构构型了。型了。44第44页 L-(-)-丝氨酸丝氨酸 当前，当前，D/L命名法普通用于糖类和氨命名法普通用于糖类和氨基酸构型命名。基酸构型命名。D-(+)-葡萄糖葡萄糖只适合用于与甘油醛结构类似化合物只适合用于与甘油醛结构类似化合物45第45页二、二、R/SR/S构型标识法构型标识法R/S R/S 构型标识法分为两步构型标识法分为两步 (1)按按次序规则次序规则确定与手性碳相连四个原确定与手性碳相连四个原子或基团子或基团优先次序优先次序（或称为（或称为“大小大小”次序次序）比如：比如：氯溴碘甲烷氯溴碘甲烷：I Br Cl H 46第46页 (2)将手性碳上将手性碳上4个原子或基团中优先次序最小个原子或基团中优先次序最小一个置于远离视线方向一个置于远离视线方向,然后观察朝向自己其余然后观察朝向自己其余3个基团优先次序。个基团优先次序。顺时针方向排列为顺时针方向排列为R构型；反构型；反时针方向排列为时针方向排列为S构型构型。R S R-氯溴碘甲烷氯溴碘甲烷 S-氯溴碘甲烷氯溴碘甲烷 47人民卫生电子音像出版社第47页关键点关键点:次序规则排次序，方向盘上定构型。次序规则排次序，方向盘上定构型。R-2-丁醇S-2-丁醇48邓健 制作 吕以仙 审校第48页转动使转动使H远离视线远离视线S S 构型构型构型构型 S-2-S-2-丁醇丁醇 R/S 构型命名法举例构型命名法举例:49人民卫生电子音像出版社第49页1.设定基团大小（优先）次序为：设定基团大小（优先）次序为：杂原子杂原子 不饱和碳原子不饱和碳原子 饱和碳原子饱和碳原子 氢原子氢原子手势法手势法左手方法左手方法OH COOH CH3 H例例150第50页2.把最小基团把最小基团(比如比如H)放在最远处放在最远处51第51页3.顺时针定为顺时针定为R，逆时针定为，逆时针定为S命名为命名为R-乳酸乳酸顺时针顺时针52第52页HOCHCH3COOHS-乳酸乳酸HOHCH3COOH例例2逆时针逆时针53第53页1 1.最小基团最小基团 E E 在竖键时在竖键时，纸平面上，纸平面上 A A B BD D 排列次序为顺时针排列次序为顺时针R R，逆时针，逆时针为为S S。2 2.最小基团最小基团 E E 在横键时在横键时，纸平面上，纸平面上A A B B D D 排列次序顺时针排列次序顺时针S，逆时，逆时针为针为R。Fischer投影式平面观察法确定构型投影式平面观察法确定构型当基团优先次序为当基团优先次序为A B D E54第54页R-构型构型 S-构型构型R-构型构型 S-构型构型例例55第55页练习：命名或写结构式练习：命名或写结构式 （1)(2)答案：答案：(1)R-2-溴丁烷溴丁烷 （2)2S,3R-2,3,4-三羟基丁醛三羟基丁醛 132213、456第56页 以下哪些是相同化合物，哪些是以下哪些是相同化合物，哪些是对映体？对映体？答案：答案：1、2、4 是相同化合物，是相同化合物，3与它与它们互为对映体。们互为对映体。S S R S57第57页指出以下化合物构型属何种关系？指出以下化合物构型属何种关系？答案答案：(1)和和(3)是是对映体对映体，(1)和和(2)、(3)和和(2)是是非对映体非对映体。(1)(2R,3R),(2)(2R,3S),(3)(2S,3S)12341234123458第58页化合物化合物(C4H9Br),含有对映异构含有对映异构现象，试写出该化合物结构式。现象，试写出该化合物结构式。59第59页注：注：R,SR,S构型与（构型与（+）或（）或（-）并无必）并无必定对应关系，定对应关系，旋光方向（旋光方向（+）或（）或（-）只能经过旋）只能经过旋光仪测定。光仪测定。构型测定？构型测定？60第60页第七节第七节 无手性碳原子对映体无手性碳原子对映体手性分子手性分子61第61页 第九节第九节 手性分子起源和生物作用手性分子起源和生物作用一、手性分子形成一、手性分子形成 生物体中手性分子生物体中手性分子例：糜蛋白酶含有例：糜蛋白酶含有251个手性中心个手性中心 理论上有理论上有2251个立体异构体个立体异构体,生物生物体内体内糜蛋白酶是其中一个立体异构体。糜蛋白酶是其中一个立体异构体。62第62页二、手性分子生物作用二、手性分子生物作用例：治疗柏金森病药品：多巴例：治疗柏金森病药品：多巴(Dopa)(+)-多巴多巴 （-）-多巴多巴无生理活性无生理活性 抗柏金森病抗柏金森病R型型 S型型63第63页ab手性分子手性分子手性生物受体手性生物受体 一个对映体能进入一个对映体能进入手性受体靶位，发挥手性受体靶位，发挥它生理效应。它生理效应。另一个对映体不能进另一个对映体不能进入相同受体靶位，没有入相同受体靶位，没有一样生理效应。一样生理效应。64第64页 手性药品手性药品 天然药品，天然药品，通常是单一对映体，通常是单一对映体，如青霉素如青霉素V，含有，含有2S,5R,6R构型。构型。65第65页 合成药品，合成药品，用普通化学方法合成药品只用普通化学方法合成药品只能得到对映体混合物。能得到对映体混合物。s-布洛芬布洛芬 只有只有S对映体含有抗炎和止痛对映体含有抗炎和止痛作用。作用。66第66页1、对映异构（对映异构（手性、手性碳原子、手性手性、手性碳原子、手性 分子、对映体）分子、对映体）2、旋光性（表示方式）旋光性（表示方式）3、外消旋体外消旋体4、非对映体和内消旋体非对映体和内消旋体5、Fischer(Fischer(费歇尔）投影式费歇尔）投影式6、构型命名（构型命名（D/LD/L、R/SR/S）本章本章总结总结67第67页COOHCOOHOHHClH C2:-OH -COOH -H C3:-Cl -COOH -H （2S,3S)1.补充练习：补充练习：68第68页结构异构结构异构碳链异构碳链异构 CH3 CH2 CH2 CH3 和和 位置异构位置异构 CH2=CH CH2 CH3 和和 CH3 CH=CH CH3 69第69页官能团异构官能团异构CH3 O CH3 和和 CH3CH2 OH 构象异构构象异构重合式重合式重合式重合式交叉式交叉式交叉式交叉式顺反异构顺反异构顺顺-2-丁烯丁烯反反-2-丁烯丁烯70第70页