第五章分子的手性與旋光異構ChiralityandOpticalIsomerism第五章重點講授內容一、同分異構現象二、旋光活性與分子的對稱性三、對映異構和非對映異構四、潛手性中心、潛手性面與手性識別五、環烷烴的構型異構同分異構現象構造異構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同分異構現象回顧：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生的同分異構體。1.構造異構體

Constitutionalisomers2.立體異構體Stereoisomers----由于分子中原子或基團在空間的排布不同而產生的同分異構體。cis-transisomersenantiomersconformationalisomers構型異構2.1構象異構體Conformationalisomers----theycanbeinterconvertedbyrotationaboutoneormoresigma-bonds----theinterconversionaresorapidthatwecannotseparatethem1)Rotationaboutsinglebonds2.1構象異構體Conformationalisomers2)AmineinversionNonbondingelectronpairisrequiredInversionenergy~25kJ/mol,canrapidlyinterconvertatRT2.2構型異構體Configurationalisomers----theycanbeinterconvertedonlybythebreakingandreformingofbonds----theycanbeseparatedCis-transisomersenantiomersdoublebondcyclicstructure2.2構型異構體Configurationalisomers1)cis-transisomersCis–transisomersresultfromrestrictedrotationcausedby:a.Cis-transisomerscausedbydoublebondAdoublebondinterconversionofrhodopsin（視紫紅質）b.Cis-transisomerscausedbycyclicstructure2)EnantiomersandDiastereomers

對映異構與非對映異構2.2構型異構體ConfigurationalisomersHHHHHHHHMirrorHHOCH3CH2ClHOHClH2CH3CMirror3.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3.同分異構的多層次性構象異構構型異構構造異構同分異構現象構造異構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下面的學習中請注意如下問題：1.什么叫偏振光、左旋和右旋、旋光度?2.比旋光度與那些影響因素有關，如何測定？3.為什么有些物質具有旋光性，有些沒有，其結構特征？4.什么是對稱分子？手性分子？什么叫不對稱碳或手性碳？5.手性分子與光學活性有何關系？6.手性分子的構型如何確定？7.對映異構體的物理和化學性質有何不同？生物活性呢？8.什么是外消旋體？1.平面偏振光(plane-polarizedlight)

---

能通過起偏鏡（尼克爾棱鏡）的平面光。二、旋光活性與分子的對稱性2.光學活性(opticalactivity)---物質能使偏振光發生偏轉的性質。二、旋光活性與分子的對稱性3.右旋和左旋(dextrorotatoryandlevorotatory)

---

使偏振光振動平面向右旋轉稱右旋，“

+”

---

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“a

”表示二、旋光活性與分子的對稱性5.比旋光度（specificrotation)

---

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[a]表示。

---是一物理常數。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

二、旋光活性與分子的對稱性旋光儀(polarimeter)l6.分子的對稱性和對稱因素：分子中沒有對稱因素即可產生旋光活性二、旋光活性與分子的對稱性對稱因素對稱軸對稱中心對稱面象限軸6.分子的對稱性和對稱因素6.1對稱面s

---某一平面將分子分為兩半，就象一面鏡子，實物（一半）與鏡象（另一半）彼此可以重疊，則該平面是對稱面。6.2對稱中心i

---

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。6.分子的對稱性和對稱因素6.3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。6.分子的對稱性和對稱因素6.4象限軸Sn

---Sn=Cn+σ（垂直于Cn）S4I=IVII=III6.分子的對稱性和對稱因素分子中有一條軸線，旋轉360o/n后再進行反映，得到分子的外型與進行對稱操作前相同，則這條軸線稱為n次象轉軸。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、旋光活性與分子的對稱性7.手性、手性分子和旋光活性對稱分子

---

含有對稱面(s)、對稱中心(i)或四重象限軸(S4)

的分子，其實物與鏡影相互重疊。手性

---

如果分子中不存在對稱面、對稱中心和四重象限軸，則這個分子具有手性。其實物與鏡影不能完全重疊。手性分子

---

實物與鏡影不能完全重疊的分子。手性分子都具有光學活性。二、旋光活性與分子的對稱性Somechiralobjectsinourlife7.手性、手性分子和旋光活性Question：判定下列分子是否具有手性二、旋光活性與分子的對稱性

Question：判定下列分子是否具有手性

1.1Chiralitycenter

---acarbonbondedtofourdifferentgroups

三、對映異構和非對映異構1.含一個手性碳原子的分子1.2書寫方式（Fischerprojections）上

---

碳鏈頭端下---

碳鏈末端橫線---H及取代基1.含一個手性碳原子的分子ACDBFischerprojectionABCDsawhorseprojection1.3構型的表示方法(RandSsystem)1.含一個手性碳原子的分子基團的大小排序遵循“次序規則”A.(R)-2-butanolB.(S)-1-methoxy-2-propanamineC.(S)-5-chloro-6-hepten-2-one“左右手法則”1.3構型的表示方法(RandSsystem)1.含一個手性碳原子的分子姆指指向最小基團，從大到小看另外3個基團，左手：S；右手：R本次課需要思考的問題：1.對映體過量是什么意思？它和光學純度有什么關系？2.絕對構型與相對構型如何確定？3.什么是非對映異構體？4.含兩個手性碳的手性分子中，有赤式，和蘇式，如何定義的？5.能舉出內消旋體，假手性碳的例子嗎？

6.有那些典型的不含手性碳原子的手性分子？7.相同分子式的對映體，外消旋體和內消旋體的物理性質有什么不同？8.舉例說明對映異構體的拆分。9.何為潛手性中心、潛手性面與手性識別？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-phenylpentanoicacid1.3構型的表示方法(RandSsystem)SSRSSRR1.含一個手性碳原子的分子(2S,3R)-3-chloro-2-pentanol1.4立體構型的表達式及相互轉化1.含一個手性碳原子的分子ClHHOHClHHHO練習請給出化合物的中英文系統名，并將其表示為鋸架式和Fischer投影式。

SRSR1.5Enantiomer(對映異構體)

---anonidenticalmirrorimageiscalledanenantiomeroftheoriginalmolecule.1.含一個手性碳原子的分子1.6外消旋體(racemicmixture,orracemate)Allthephysicalpropertiesofenantimersarethesameexcepttheiropticalactivity.一對對映異構體，其比旋光度數值相等，旋光方向相反。外消旋體----

一對對映異構體的等量混合物1.含一個手性碳原子的分子1.7光學純度(OpticalPurity)

---Amixtureofenantiomersina75:25ratiowillhaveanobservedrotationthatis50%ofthatforasingleenantiomer.Suchamixtureissaidtohaveanopticalpurity(o.p.)of50%.

a

×100%[a]×c×lo.p.=1.含一個手性碳原子的分子1.8對映體過量值enantiomericexcess(e.e.)

Example:(S)-(+)-2-bromobutane[a]=+23.1osample[a]=+9.2oo.p.=9.2/23.1=0.40or40%=e.eMeans:70%S,30%R;40%isexcessS,60%isracemice.e.=majorenantiomer%-minorenantiomer%測定方法：主要是色譜法，包括GC，HPLC理論上：

o.p.=e.e.1.含一個手性碳原子的分子1.含一個手性碳原子的分子絕對構型(AbsoluteConfiguration)---theactualthree-dimensionalstructureofachiralcompound絕對構型的測定

---X-射線單晶衍射(1950年）

---

化學關聯法（+）和（-）并不對應于（R）和（S）1.9.絕對構型與相對構型相對構型(Relativeconfiguration)---theconfigurationofacompoundrelativetotheconfigurationofanothercompound

2.含兩個手性碳的分子2.1含兩個不同手性碳的分子(4個立體異構體)Diastereomers(非對映異構體)---areconfigurationalisomersthatarenotenantiomers(1and3,1and4,2and3,2and4)赤式蘇式2.含兩個手性碳的分子2.2含兩個相同手性碳的分子(3個立體異構體)對稱面2.含兩個手性碳的分子2.2含兩個相同手性碳的分子(3個立體異構體)內消旋體（mesocompound)---anachiralcompoundwithchiralitycenters3.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---

非手性碳和假手性碳3-C---非手性碳3-C---假手性碳4.不含手性碳原子的手性分子4.1具有丙二烯結構的分子4.不含手性碳原子的手性分子4.2具有聯苯類結構的化合物---位阻異構體（atropisomer）---由于單鍵旋轉受阻而形成的手性分子。

4.3具有螺旋型結構的化合物4.不含手性碳原子的手性分子5.含有其它不對稱原子的手性分子5.1季銨陽離子和季鏻陽離子5.含有其它不對稱原子的手性分子5.2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)2C6H5H3CH2CNCH3C6H5Enantiomershaveidenticalmeltingpoints,solubility,anddensity,onlydifferinthesignofspecificrotation.Mesocompoundisdiasteromericwith(+)-isomeror(-)-isomer,andithasdifferentphysicalproperties.Theracemicmixtureisdifferentfromthemesocompoundandeitheroftheenantiomers.6.手性化合物的性質6.1物理性質6.手性化合物的性質isomersm.p.(0C)[α]20DensitySolubilityinH2O

(+)168-170+121.7598139.0g/100ml(-)168-170-121.7598139.0g/100ml

meso146-14801.6660125.0g/100ml

(±)20601.788020.6g/100ml6.1物理性質旋光異構體在手性條件下(如手性試劑、手性催化劑等)其反應速率不同，而且生成物結構也有可能不同。詳見第二部分有關章節。6.手性化合物的性質6.2化學性質6.手性化合物的性質6.3生物活性人能夠利用的糖類是D-型糖，人能夠利用的氨基酸類是L-型氨基酸.6.手性化合物的性質氯霉素Chloromycetin布洛芬ibuprofen香芹酮carvone1R,2R-抗菌其余無活性S-鎮痛

R-無活性S-藥草氣味

R-留蘭香味6.3生物活性?生物體內的酶和各種底物具手性。手性分子的對映體進入生物體內手性環境后,引起不同的分子識別,使其生理活性相差很大。例如：抗妊娠反應的鎮靜藥

----(R)-酞胺哌啶酮(“反應停”)6.手性化合物的性質6.3生物活性1）旋光異構體具有不同的生物活性強度6.手性化合物的性質6.3生物活性非麻醉性的消炎鎮痛藥—(S)-酮咯酸2)旋光異構體具有完全相反的生物活性。利尿藥：(S)-(-)-依托唑啉3)旋光異構體的毒性或嚴重副作用減肥藥—(S)-(+)-氟苯丙胺6.手性化合物的性質6.3生物活性7.對映異構體的拆分

基本原則：提供手性環境和條件，使對映異構體表現出不同的性質從而得以拆分(Resolve，Resolution)三、對映異構和非對映異構7.對映異構體的拆分主要方法（參閱教材）：化學法：與光活胺成鹽、或與光活醇成酯使之轉化為物理性質不同的非對映異構體

(+)-羧酸+(+)胺(+)(+)鹽

(-)-羧酸+(+)胺(-)(+)鹽晶種結晶法（crystallization）色譜法（chromatograph,chiralcolumn)酶解法（enzymatichydrolysis）三、對映異構和非對映異構

Prochiralprochiralcenter:carbon,hydrogenprochiralplane----symmetryplane四、潛手性中心、潛手性面與手性識別ACOOHHOHBCH3(S)-BCOOHAHOHCH3(R)-COOHAHHBCH3四、潛手性中心、潛手性面與手性識別CH3H3CH2COHHBCH3H3CH2CHOHA