1、第四章 對映異構與非對映異（Chapter 4 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 分子對稱性與手（征）性4.4 Fischer投影式與手性碳原子構型標識法4.5 含兩個不同手性碳原子化合物對映異構現象4.6 含兩個相同手性碳原子化合物對映異構現象4.7 環狀化合物立體異構4.8 不含手性碳原子化合物對映異構現象4.9 對映異構體性質及研究意義4.10 取得對映異構體化學方法第1頁第1頁立體異構體分子結構：分子中各原子連接次序與成鍵方式（單鍵、雙鍵、三鍵）。分子構型：表示分子中原子或基團在空間排列方式。立體異構體：分子中原子或基團空 間排列或位置不同而造成異構

2、體。第2頁第2頁 外消旋體拆分（Resolution）巴斯德，L.Louis Pasteur (18221895)1848年，巴斯德借助放大鏡拆分外消旋酒石酸鈉銨第3頁第3頁(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，不能被代謝第4頁第4頁反應停事件 : 反應停是外消旋酞胺哌啶酮，用于療孕婦嘔吐，造成了1.2萬個畸形嬰兒。第5頁第5頁(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第6頁第6頁同分異構體類型第7頁第7頁4.1.1 手性image and mirror

3、 imagenon-superposeble 手性: 實物與其鏡象不能完全重疊性質，也叫手征性。4.1 手（征）性與手（征）性分子 Chirality and Chiral Molecule 第8頁第8頁Chirality in Plant第9頁第9頁Chirality in Tools第10頁第10頁Chrirality in Art第11頁第11頁Figure 4.1 A Molecule of lactic acid and its mirror image a bCOOHCOOHCH3CH3OHOH4.1.2 手性分子第12頁第12頁Figure 4.2 The molecule is

4、 super imposable on its mirror imageCOOHCOOHCH3 OH OH定義：任何一個不能和它鏡象完全重疊分子，也稱不對稱分子。但凡手性分子都含有旋光活性。第13頁第13頁手性分子 手性(chirality)：實物和其鏡像不能重疊現象 Chiral is derived from the Greek word cheiros, meaning “hand”.手性分子（chiral molecules）：有手性現象分子兩者不能重疊手性分子鏡像轉 180o 手性分子第14頁第14頁 非手性分子兩者互相重疊非手性分子鏡像轉 60o非手性分子：與鏡像相重疊（非手性分子

5、不含有手性碳）轉 180o兩者完全重疊非手性分子第15頁第15頁對映異構對映異構現象：分子式相同，結構式也相同，但因為原子在空間排列次序不同而使兩種異構體互為實物與鏡象或左右手關系而不能完全重合現象。對映異構體：互為實物與鏡象關系，而不能完全重合異構體，簡稱對映體。第16頁第16頁圖4-3 光傳播光波是電磁波，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邁進方向所有也許平面上振動光傳播方向ABCD4.2 平面偏振光和旋光活性4.2.1 平面偏振光第17頁第17頁 平面偏振光：只在同一個平面內振動 光，簡稱偏振光。Figure 4.4 The nature of plane-polariz

6、ed light第18頁第18頁4.2.2 物質旋光性Figure 4.5 Ability of a molecule to rotate plane-polarized light 第19頁第19頁幾種基本概念物質旋光性：物質能使偏振光振動平面旋轉性質，也叫光學活性右旋體：使偏振光振動平面向右（順時針）旋轉物質（+）左旋體：使偏振光振動平面向左（反時針）旋轉物質（-）外消旋體：等量左旋體和右旋體構成混合體系()- 乳酸，可拆分旋光度：旋光性物質使偏振光振動平面旋轉角度（）第20頁第20頁4.2.3 旋光儀（polarimeter） 圖 4.6 WXG-4 圓回旋光儀（手動測量，測量范圍： 1

7、80o, 準確度：0.05o）a-光源 b-起偏鏡 c-盛液管 d-檢偏鏡 e-刻度盤abcde第21頁第21頁其它類型旋光儀（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4.7 WXG-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 ，120Z (糖度)準確度：(0.01+測量值0.05%), (0.03Z+測量值0.05%)圖4.8 WZZ-3數字自動旋光儀 第22頁第22頁4.2.4 比旋光度 定義：要求溶液濃度為1g.ml-1,盛液管長度為1dm

8、時測得旋光度。 比旋光度與旋光度換算= cLttL為旋光管長度，單位dmC為溶液濃度，單位g.ml-1第23頁第23頁練習（農學聯考）25/ (0.1g.mL-12.5dm) = +100第24頁第24頁對稱面（Plane of symmetry)對稱中心 (Center of symmetry)手性碳原子(Chiral carbon )4.3 分子對稱性和手（征）性第25頁第25頁對稱面 對稱面：把分子分為實物與鏡象關系平面。第26頁第26頁 （a）原子在一個平面內 （b）原子不在一個平面（a）（b）第27頁第27頁 對稱中心：分子中一個點，從這個點往分子中各基團拉連線，這個點成為連線中心，

9、并且連線兩端基團相同，該“點”即分子對稱中心。對稱中心.第28頁第28頁 手性碳原子：和四個不相同原子或基團相連碳原子。手性碳原子*第29頁第29頁分子中只含有一個手性碳原子分子為手性分子。沒有對稱面與對稱中心分子是手性分子。總結：判斷手性分子普通規則第30頁第30頁練習：判斷下列分子是否含有手性？*第31頁第31頁4.4 Fischer投影式與手性碳原子構型標識法4.4.1 構型表示辦法模型透視式Fischer投影式第32頁第32頁乳酸對映體透視式手性碳原子C*在紙面上。用正常粗細實線表示與C*相連原子或原子團在紙面上。用虛線表示與C*相連原子或原子團伸向紙面后方。用楔形（或粗實線）表示與C

10、* 相連原子或原子團伸向紙面前方。第33頁第33頁費歇爾(Fischer E)投影式 H HCH3CH3D乳酸Fischer 投影式COOHCOOH第34頁第34頁費歇爾(Fischer E)投影式寫法用“+”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，氧化態較高碳原子或主鏈1號碳原子在上，以豎直線相連基團表示伸向紙后。以水平線相連基團表示伸出紙面。第35頁第35頁4.4.2 構型命名法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）第36頁第36頁DL命名法 D-(+)-甘油醛 L-(-)-甘油醛 1951年以前,

11、不能測定化合物絕對構型。 相對構型：將甘油醛以Fischer投影式書寫，手性碳原子上所連羥基在右邊為D-型，在左邊為L-型。 用化學反應將手性化合物與甘油醛相關聯，擬定D,L構型。 碳水化合物和氨基酸用D,L-構型表示。第37頁第37頁RS命名法首先按“順序規則”將與手性碳原子相連四個基團擬定先后順序。 然后把排列順序最小基團放在離觀測者 最遠位置，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-丁醇第38頁第38頁重鍵分解辦法與手性碳原子相連原子A若以雙鍵或叁鍵與另一個原子B相連, 則相稱于A與兩個B或三個B相連。第39頁第39頁練習(+)- 標出（

12、）乳酸分子中手性碳原子絕對構型。 R乳酸Fischer投影式是（ ）。 （農學聯考）第40頁第40頁練習（農學聯考）D第41頁第41頁含有兩個不同手性碳原子化合物有四種不同構型分子。 AR AS AR AS BR BS BS BR 分子中含有n個不同手性碳原子，則有 2n個對映異構體。4.5 含兩個不同手性碳原子化合物對映異構現象第42頁第42頁2,3,4-三羥基丁酸對映異構體Fischer投影式 a (2R,3R ) b(2S,3S) c (2R,3S) d (2S,3R)但凡不是實物與鏡像對映關系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第43頁第43頁4.6

13、含有兩個相同手性碳原子化合物含有兩個相同手性碳原子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)=第44頁第44頁內消旋體定義：能夠用平面將分子分成實物和鏡影關系兩半, 兩個不對稱原子旋光性相反, 整個分子沒有旋光活性異構體 (meso)。第45頁第45頁順-1,2-二氯環戊烷 反-1,2-二氯環戊烷SRSSRR4.7 環狀化合物立體異構 立體異構：順反異構、對映異構第46頁第46頁4.8 不含手性碳原子化合物對映異構現象思考：含有手性碳原子是分子含有手性充足必要條件？第47頁第47頁丙二烯型化合物spsp2sp2圖4-11 丙

14、二烯鍵立體結構示意圖手性軸第48頁第48頁圖4-9 丙二烯原子軌道示意圖第49頁第49頁2，3-戊二烯對映異構體CCCCCC231 丙二烯兩個端碳原子上各自連有不同基團，為手性分子。 第50頁第50頁2-甲基-2，3-戊二烯 有對稱面，非手性分子第51頁第51頁單鍵旋轉受阻聯苯型化合物 6,6-二硝基聯苯-2,2-二甲酸旋光異構體 聯苯4個-位都連有較大基團，而且同一 苯環上連著兩個基團不同，為手性分子第52頁第52頁2，6-二氯-2，6-二溴聯苯 有對稱面，非手性分子第53頁第53頁4.9 對映異構體性質及研究意義4.9.1 物理性質熔點、沸點，在非手性溶劑中溶解度等完全相同。旋光度相同，旋

15、光方向相反。非對映異構體物理性質不同，化學性質基本相同，但同一反應中，反應速率不同。外消旋體有固定熔點，且熔程很窄。第54頁第54頁表4-2 一些旋光異構體物理性質名稱 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 +15 139(-)-酒石酸 170 -15 139()-酒石酸 206 - 20.6(meso)-酒石酸 146 -148 - 125第55頁第55頁4.9.2 化學

16、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作用下，二者反應速率不同。第56頁第56頁4.9.3 研究意義 生物體內幾乎全部化學反應都需要酶催化，而酶對底物含有極高立體結構要求，因此不同立體結構異構體普通含有極不相同生理作用。第57頁第57頁Fig. 4-10 Enzyme-substrate complex第58頁第58頁表4-3 手性藥品對映體不同作用藥物名稱 藥物治療作用 有效對映體和作用 另一個對映體和作用 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

17、核菌 R-構型，造成失明酮基布洛酚 S- 構型，抗炎 R-構型，防治壓周炎第59頁第59頁手性藥物指導原則 一個含手性原因化學藥品，必須說明其兩個對映體在體內不同生理活性、藥理作用和代謝過程，以及考慮單一對映體問題。 FDA 1992年3月第60頁第60頁4.10 取得對映異構體辦法外消旋體拆分: 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：手性催化劑第61頁第61頁不對稱合成 無手性條件下合成反應，得到外消旋體。 不對稱合成: 當在手性條件下進行反應， 產物中某一對映異構體量占優勢，使反 應產物含有旋光活性，這種合成反應也叫 手性合成。第62頁第62頁諾貝爾化學獎取得者及其主要奉獻 Willam S. Knowles主要奉獻威廉諾爾斯：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反應手性催化劑。