Stereochemistry第五章第五章 立体化学立体化学Organic Chemistry A (1)By Prof. Li Yan-MeiTsinghua University1ContentContent5.1 Introduction5.1 Introduction5.2 Molecule with one asymmetric carbon5.2 Molecule with one asymmetric carbon5.3 Molecule with two asymmetric carbon5.3 Molecule with two asymmetric carbon5.4 Molecule with more than two asymmetric 5.4 Molecule with more than two asymmetric carboncarbon5.5 Cyclic compound5.5 Cyclic compound5.6 Other chiral molecules5.6 Other chiral molecules5.7 Measure of polarity and reslution of racemic 5.7 Measure of polarity and reslution of racemic compounds compounds 5.1.1 Chirality 5.1.1 ChiralityNicol5.1 Introduction5.1 IntroductionPlane-polarized light平面偏振光（偏振光）NicolLight sourceNon-chiral compounds, like water该化合物“无旋光性” “无光学活性”NicolLight sourceChiral compounds, like lactic acid该化合物具有“旋光性”为“旋光物质”或“光活性物质”偏转角旋光度物质的旋光性：物质使偏振光振动平面发生旋转的性质Specific rotation 比旋光度 = 100/(cl)D25 = 100/(cl)D: the D line of a sodium lamp (=589.6nm)The PolarimeterThe Polarimeter：旋光度 c： 样品的浓度（100mL溶液中样品的克数） l： 盛液管的长度（单位：cm）5.1.2 Asymmetric carbon atomIn the 19th century, several asymmetric crystals were discovered. Also, the solutions obtained from the asymmetric crystals were asymmetric.Louis Pasteur什么样的化合物具有旋光性？notnot superposable superposableChirality 手性手性晶体结构中缺少某种对称晶体结构中缺少某种对称因素，导致实物与镜像互因素，导致实物与镜像互不重合不重合从而推测具有手性的分子，其结构中也因缺少某种对称因素，导致实从而推测具有手性的分子，其结构中也因缺少某种对称因素，导致实物与镜像互不重合物与镜像互不重合判据：判据：实物与镜像不能重合实物与镜像不能重合实物与镜像不能重合实物与镜像不能重合分子具有手性分子具有手性分子具有手性分子具有手性充分且必要充分且必要充分且必要充分且必要1874 Newzealand Vant Hoff The carbon atom linking four different groups or atoms is called an “asymmetric carbon”.Asymmetric carbon不对称碳原子：与四个互不相同不对称碳原子：与四个互不相同的一价基团相连接的碳原子。的一价基团相连接的碳原子。加加“ * ”表示表示If an symmetric carbon can be substituted and becomes asymmetric, it is called a “prochiral carbon”.Prochiral carbonAny molecule with such a carbon molecule, which is linked to four different groups or atoms, shows some chirality.StereocenterVant Hoff 认为含有不对称碳的分子具有旋光性。认为含有不对称碳的分子具有旋光性。优点：使用方便优点：使用方便缺点：很多例外缺点：很多例外 有些分子中存在不对称碳，但却无手性：有些分子中存在不对称碳，但却无手性： 有些分子中没有不对称碳，但却有手性：有些分子中没有不对称碳，但却有手性：5.1.3 Symmetric elementHow to judge chirality of a moleculelA molecule is not tally with its enantiomorphism.lBut molecules with two asymmetric carbons may be symmetric.l A molecule without asymmetric carbon may be chiral.lIf a molecule lacks some specialized symmetric element, the molecule shows chirality. 结构中缺少某种对称因素是该分子具结构中缺少某种对称因素是该分子具有旋光性的原因。有旋光性的原因。Asymmetric axisAsymmetric axisC2C3C3分子中的对称因素：对称轴对称轴 C Cn n n n：轴的阶轴的阶C Cn n表示该结构具有表示该结构具有表示该结构具有表示该结构具有n n重轴。当分子绕该轴转动重轴。当分子绕该轴转动重轴。当分子绕该轴转动重轴。当分子绕该轴转动3603600 0/n/n的角度后，得到的的角度后，得到的的角度后，得到的的角度后，得到的构象与原分子完全一致。构象与原分子完全一致。构象与原分子完全一致。构象与原分子完全一致。当分子绕该轴转动一周，可得当分子绕该轴转动一周，可得当分子绕该轴转动一周，可得当分子绕该轴转动一周，可得n n个与原始构型无法区别的等价构型。个与原始构型无法区别的等价构型。个与原始构型无法区别的等价构型。个与原始构型无法区别的等价构型。C2C31 12 23 34 4C8Planes of symmetric (mirror plane)Planes of symmetric (mirror plane)CHHHHFour planes of symmetric in the molecule对称面对称面 ：假如有一个平面可以将分子分割成两部分，而其中一部分正好：假如有一个平面可以将分子分割成两部分，而其中一部分正好是另一部分的镜象，这个平面就是分子的对称面。是另一部分的镜象，这个平面就是分子的对称面。symmetric plane: the paper plane an infinitude of symmetric planesSymmetric centreSymmetric centre对称中心对称中心 i ii：若分子中有一点：若分子中有一点i，通过，通过i点画直线，如果在离点画直线，如果在离i等距离的直线等距离的直线两端有相同的原子或原子团，则点两端有相同的原子或原子团，则点i称为分子的对称中心。称为分子的对称中心。Symmetric element and chiralitySymmetric element and chiralityhas symmetric planehas no symmetric centrehas no symmetric planehas no symmetric centreno chiralityno optical activitychiralitydoes not mach its enantiomorphous formoptical activity对称因素与对称性对称因素与对称性如果一个分子既没有对称面，又没有对称中心，那么该分子如果一个分子既没有对称面，又没有对称中心，那么该分子具有手性。具有手性。有对称面无手性既无对称面，又无对称中心有手性 5.2.1 R/S system and Fischer projection formulas 5.2.2 Enantiomer 5.2.3 Racemate5.2 Molecule with one asymmetric carbon5.2 Molecule with one asymmetric carbon5.2.1 R/S system and Fischer projection formulas1, D/L systemDefined as L configurationDefined as D configuration以“乳酸为基准，衍生化的方法n采用衍生化方法而推出n与旋光性无关n衍生过程中可能会产生歧义n目前主要应用于氨基酸、糖等分子中2, R/S systemlowest priorityHighest priorityThird prioritySecond priorityR(rectus)S(sinister)基团大小？基团大小？顺序规则！顺序规则！特点：特点：R/S与构型一一对应，不必找基准与构型一一对应，不必找基准物进行衍生物进行衍生顺时针逆时针观察方向观察方向观察方向观察方向L-D-S-R-Try to decide the R/S configuration in these molecules.?3, Fischer projection formula画法：画法：指向纸内指向纸内指向纸外指向纸外利用利用Fischer投影式判断投影式判断R/S构型：构型：1234最小的基团远离观察者，最小的基团远离观察者，与与R/S构型判断的要求一致构型判断的要求一致逆时针逆时针S构型构型1234最小的基团指向观察者，最小的基团指向观察者，与与R/S构型判断的要求不一致构型判断的要求不一致逆时针逆时针R构型构型两个规定：两个规定：规定之一：规定之一：Fischer投影式不可在纸面上翻转投影式不可在纸面上翻转1800。翻转翻转1800SR相当于发生一次基团交换相当于发生一次基团交换结果：构型改变结果：构型改变规定之二：规定之二：Fischer投影式可以在纸面上旋转投影式可以在纸面上旋转1800。旋转旋转1800SS相当于发生两次基团交换相当于发生两次基团交换结果：构型不变结果：构型不变结论：基团交换偶数次结论：基团交换偶数次 构型不变构型不变 基团交换奇数次基团交换奇数次 构型改变构型改变应用：复杂情况下的应用：复杂情况下的R/S构型判断构型判断最小的基团指向观察者，最小的基团指向观察者，与与R/S构型判断的要求不一致构型判断的要求不一致5.2.2 Enantiomer 含一个不对称碳的分子：对映体及其性质S-L-(+)R-D-(-)n含一个不对称碳原子的分子，其分子内既无对称面，又无对称中心，因此具有手性。n必定存在一个与该分子互为实物与镜像关系的分子，二者均有手性，二者互为对映异构体对映异构体。p互为实物与镜像的关系，因此旋光度大小相等，符号相反。p分子中任何两个原子之间的距离及相对位置都相同，因此分子的内能相同。p在非手性环境下无区别（除旋光性）对映体的性质：In symmetric environmentIn asymmetric environmentThe enantiomer shows no difference. Melting point, boiling point, even reaction rate in asymmetric solution are the same.在手性环境中二者性质不同！在手性环境中二者性质不同！When in asymmetric solution, reacting with asymmetric reagent or reacting with asymmetric catalysts, the reaction rates are different.生命体形成手性环境生命体形成手性环境 可识别不同的手性分子！可识别不同的手性分子！ 5.2.3 Racemate 外消旋体外消旋体1 mol 左旋体左旋体 1 mol 右旋体右旋体外消旋体外消旋体p混合物p旋光度为零p性质与相应的左、右旋体不同外消旋化：旋光化合物在物理或化学因素作用下变成两个对映外消旋化：旋光化合物在物理或化学因素作用下变成两个对映体的平衡混合物，因而失去旋光性的过程。体的平衡混合物，因而失去旋光性的过程。A equimolar mixture of two enantiomerslUsing reactants and solvents with no chirality, racement is always obtained. 利用非手性原料，在非手性条件下只能得到外消旋体利用非手性原料，在非手性条件下只能得到外消旋体lRacement show different properties, e.g. melting point, to pure enantiomers. lRacemization is such a process in which an chiral compound is converted into two enantiomers, and thus loses its optical reactivity. 5.3.1 Molecule with two same asymmetric carbons 5.3.2 Optical activity and conformation 5.3.3 Molecule with two different asymmetric carbons5.3 Molecule with two asymmetric carbon5.3 Molecule with two asymmetric carbonp当一个分子含有当一个分子含有n个不对称碳原子，其异构体数最多为个不对称碳原子，其异构体数最多为2n个。个。p含有多个不对称碳原子的含有多个不对称碳原子的Fischer投影式的画法：投影式的画法：5.3.1 Molecule with two same asymmetric carbonsEnantiomer 对映异构体对映异构体Diastereomers 非对映异构体非对映异构体共有共有3 3个异构体个异构体meso compound内消旋体内消旋体非对映异构体的性质不同！非对映异构体的性质不同！meso compound 内消旋体内消旋体p单一化合物p旋光度为零p性质与那一对对映异构体均不同symmetric, but unstable. stable, still symmetric? 问题问题 ？全重叠式，不优势！全重叠式，不优势！5.3.2 Optical activity and conformation 旋光性与构象旋光性与构象1, meso compound利用利用Fischer投影式投影式模型分析，分子具有模型分析，分子具有对称面，无手性。对称面，无手性。平面分析平面分析利用立体分析，分子利用立体分析，分子应有手性。应有手性。立体分析立体分析COOHHOOCOHOHHHOHCOOHHOOCOHHHCOOHHCOOHOHHOHCOOHCOOHHOHHHOCOOHHOHOHHCOOHHCOOHHOOHHHOOCConformation analysis2, enantiomersCOOHHOHOHHCOOHCOOHHOHHHOCOOHCOOHHCOOHHHOOHCOOHHOOCOHHHOHCOOHHOOCHOHHOHCOOHHOCOOHOHHH5.3.3 Molecule with two different asymmetric carbonsStereoisomerDiastereomer 5.4.1 Epimer 5.4.2 Pseudoasymmetric carbon 5.4 Molecule with more than two asymmetric 5.4 Molecule with more than two asymmetric carboncarbon5.4.1 Epimer 差向异构体差向异构体EpimerHCOOHOHHClHCOOHHOClHClHC2H5ClHC2H5如果两个光学异构体仅有一个不对称碳原子的构型相反，其它不对称碳原子的构型都相同，这两个光活异构体则互为差向异构体。 5.4.2 Pseudoasymmetric carbon 假不对称碳原子假不对称碳原子有几个不对称碳原子？是否不对称碳是否不对称碳取决于取决于2C和和4C的构型的构型mesomesoThe third carbons of these four isomers are asymmetric.共四个异构体：共四个异构体：RRSSRSRS33333C 为非不对称碳为非不对称碳均有旋光性均有旋光性互为对映异构体互为对映异构体3C 为不对称碳为不对称碳均无旋光性均无旋光性为内消旋体为内消旋体互为非对映异构体互为非对映异构体假不对称碳假不对称碳Optical StereomerC3 is symmetricNot optical MesoC3 is asymmetric 5.5.1 Cyclopropane, cyclobutane, and cyclopentane 5.5.2 derivatives of Cyclohexane5.5 Cyclic compound5.5 Cyclic compound关键：平面分析 构象分析 5.5.1 Cyclopropane, cyclobutane, and cyclopentane1, CyclopropaneAAAAAAATrans-Cis-ABBAABBACis-Trans-AAAAAA2, Cyclobutane3, CyclopentaneLearn on your own5.5.2 Derivatives of Cyclohexane顺顺-1,2-二取代二取代平面分析：平面分析：构象分析：构象分析：Rotation Conformation transition (i)(i)(i)(i)Rotation Conformation transition (ii)aa(ii)ee(iii)eeConformation transition (iii)aa(iv)(iv)结论：就环己烷而言，平面分析与构象分析的结论相同。 5.6.1 Allene type compounds 5.6.2 Diphenyl compounds 5.6.3 Spiro compounds 5.6.2 Compounds with stereocenters other than carbon5.6 Other chiral molecules5.6 Other chiral molecules 5.6.1 Allene type compounds如果任何一端或两端的碳原子上连有相同取代基，则分子中存在对如果任何一端或两端的碳原子上连有相同取代基，则分子中存在对称面，该分子无手性。称面，该分子无手性。反之，则该分子有手性。反之，则该分子有手性。5.6.2 Diphenyl compoundsIf on 2,2,6,6 sites there are large groups which block the rotation of the benzene rings, the two phenol rings are not on the same plane. 5.6.3 Spiro compounds5.6.2 Compounds with stereocenters other than carbonAlso, molecules with N, S, Si, As show this property. 5.7.1 Measure of polarity (Learn on your own) 5.7.2 Reslution of racemic compounds 5.7.3 Enantiomer excess percentage 5.7.4 Configuration and bio-activities5.7 Measure of polarity and reslution of racemic 5.7 Measure of polarity and reslution of racemic compoundscompounds5.7.1 Measure of polarity (Learn on your own)D25 = 100/(cl) 5.7.2 Reslution of racemic compounds 1, Chemical methods50% D-Acid50% L-Acid50% D-Acid50% D-Acid-D-Base50% L-Acid-D-Base2, Enzymatic methods50% D-Compound50% L-compoundEnzymeEnzymeUsed upNR3, Crystal seeds4, Column chromatography5.7.3 Enantiomer excess percentage%ee =R + SR - S%R - %S=If R=S=50 %ee=0%If R=100, S=0 %ee=100%MesoPure chiral compound5.7.4 Configuration and bio-activities 构型与生理活性抗疟药有氯喹啉有(+)、(-)之分，但二者的抗活性、强度的均相同。氯霉素：氯霉素：(-) 氯霉素：有生理活性氯霉素：有生理活性 (+)氯霉素：无生理活性氯霉素：无生理活性多巴：多巴：(-) 多巴：抗镇颤麻痹作用，多巴：抗镇颤麻痹作用， 用于治疗帕金森病用于治疗帕金森病 (+)多巴：无生理活性多巴：无生理活性S-(-)多巴多巴1 1、有与无、有与无2 2、强与弱、强与弱茛菪碱（茄科植物茛菪、曼陀罗、天仙子等）是茛菪碱（茄科植物茛菪、曼陀罗、天仙子等）是R-(+)茛菪碱和茛菪碱和S-(-)茛菪碱组成的外消旋体。茛菪碱组成的外消旋体。二者都可以作为抗胆碱药。但前者的中枢兴奋作用二者都可以作为抗胆碱药。但前者的中枢兴奋作用比后者强比后者强850倍。正因为前者毒性大，故而毒性倍。正因为前者毒性大，故而毒性也大。因此临床上使用的是（也大。因此临床上使用的是（）茛菪碱，取名）茛菪碱，取名“阿托品阿托品”、“颠茄碱颠茄碱”。3 3、相对抗、相对抗(-)-依托唑啉具有利尿作用，而(+)-依托唑啉具有抗利尿作用3 3、作用类型、强度均不同、作用类型、强度均不同反应停（反应停（halidomide， -苯肽茂二酰亚胺，塞利多米）苯肽茂二酰亚胺，塞利多米）镇静作用强烈致畸作用Thank you!Thank you!88