第五章對(duì)映異構(gòu)

1、第五章對(duì)映異構(gòu)(enantiomerism) 教學(xué)要求：掌握：手性和手性分子以及手性碳原子的概念。對(duì)映體、非對(duì)映體、外消旋體和內(nèi)消旋體的概念和主要性質(zhì)；對(duì)映異構(gòu)體命名方法（R.S）。熟悉：費(fèi)歇投影式和透視式表示立體異構(gòu)體的方法。了解： 無手性碳原子的對(duì)映異構(gòu)體和環(huán)狀化合物的對(duì)映異構(gòu)；對(duì)映體的拆分方法和手性子在生物中的作用,以及前手性原子和前手性化合物的概念。對(duì)映異構(gòu)主要是從三維空間揭示對(duì)映存在的立體異構(gòu)體，在結(jié)構(gòu)上差別甚微，而在生物活性上卻有著天壤之別。本章將著重學(xué)習(xí)怎樣區(qū)分手性分子和非手性分子；怎樣判斷對(duì)映體、非對(duì)映體、外消旋體和內(nèi)消旋體的存在，以及怎樣表示和命名它們的立體結(jié)構(gòu)；比較它們之間

2、性質(zhì)上的異同點(diǎn)；了解對(duì)映體的拆分方法和手性分子在生物中的作用,以及前手性原子和前手性化合物的概念。學(xué)習(xí)對(duì)映異構(gòu)為學(xué)習(xí)糖類、脂類、氨基酸、蛋白質(zhì)、核酸、酶、和激素等各種活性分子的結(jié)構(gòu)和功能奠定必要的立體化學(xué)基礎(chǔ) 。第一節(jié)             手性和對(duì)映體同分異構(gòu)在有機(jī)化學(xué)中是極為普遍的現(xiàn)象。在第二章已經(jīng)學(xué)習(xí)了構(gòu)造異構(gòu)和順反異構(gòu)以及構(gòu)象異構(gòu)。后兩者均屬于立體異構(gòu)。即分子中的原子或原子基團(tuán)在空間的排列方式不同產(chǎn)生的異構(gòu)現(xiàn)象。通常構(gòu)象異構(gòu)體是不能分離的。本章要介紹另外一種立體異構(gòu)

3、現(xiàn)象：即對(duì)映異構(gòu)。圖示如下：一、手性產(chǎn)生對(duì)映異構(gòu)現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)依據(jù)是手性(Chirality)。什么叫手性呢？人們都有這樣的感受，:當(dāng)你將一只左手套戴在右手上就會(huì)覺得很不舒服。這就說明左右手看上去似乎是相同，實(shí)際是不同的。那么左右手到底是什么關(guān)系呢？讓我們看看手性關(guān)系圖。圖3-1 手性關(guān)系圖這種左右手互為鏡像與實(shí)物關(guān)系，彼此又不能重合的現(xiàn)象稱為手性。自然界中有許多手性物，例如：足球、剪刀、螺絲釘?shù)榷际鞘中晕铩Ｎ⒂^世界的分子中同樣存在著手性現(xiàn)象。有許多化合物分子具有手性。二、手性分子和對(duì)映體圖3-2是一對(duì)互為鏡像關(guān)系的乳酸分子的立體結(jié)構(gòu)式(透視式)：a和b兩個(gè)立體結(jié)構(gòu)式之間有何種關(guān)系？它們代表相同的

4、分子？還是代表不同的分子？不妨觀察上述乳酸分子的兩個(gè)立體結(jié)構(gòu)式的球棍模型圖示 (見圖3-3) 圖3-3-1 乳酸球棍模型圖示圖3-3-2乳酸球棍模型為什么乳酸存在一對(duì)對(duì)映體？仔細(xì)觀察圖3-2的兩個(gè)乳酸分子的結(jié)構(gòu)，可發(fā)現(xiàn)分子中有一個(gè)碳原子(C2)所連的四個(gè)基團(tuán)(COOH,OH,CH3,H)均不相同。凡是連有4個(gè)不同的原子或基團(tuán)的碳原子稱為手性碳原子(chiral carbon atom),也可稱為手性中心(chiral center)。一個(gè)手性碳原子所連的4個(gè)不同原子或基團(tuán)在空間具有2種不同的排列方式也稱兩種構(gòu)型，它們是彼此成鏡像關(guān)系，又不能重疊的一對(duì)立體異構(gòu)體，互為對(duì)映體。含有一個(gè)手性碳原子的

5、化合物只有一對(duì)對(duì)映體。圖3-2中的(a)和(b)就是乳酸的一對(duì)對(duì)映體。小結(jié)：手性分子：不能與其鏡像重合的分子。 對(duì)映體：彼此成鏡像關(guān)系，又不能重合的一對(duì)立體異構(gòu)體互為對(duì)映體。 手性碳原子：連有四個(gè)不同原子或基團(tuán)的碳原子。三、對(duì)稱面和非手性分了圖3-4 丙酸分子的對(duì)稱面對(duì)稱面就是指能將分子結(jié)構(gòu)剖成互為鏡像的兩半的面。如通過圓球心的面；將長(zhǎng)方形盒子分成各一半的面都是對(duì)稱面。有對(duì)稱面的分子與它的鏡像能重合，因此沒有對(duì)映異構(gòu)現(xiàn)象稱為非手性分子(achiral molecule)。例如，丙酸分子，它有一個(gè)沿著羧基、甲基和通過中心碳原子的對(duì)稱面，此對(duì)稱面將丙酸分子剖成兩半，而這兩半是互

6、為能重合的鏡像。所以丙酸沒有手性，為非手性分子（見圖3-4）。四、判斷對(duì)映體（手性分子）的方法第一 建造一個(gè)分子和它的鏡像的模型。如果兩者不能重合，就是手性分子。第二 尋找有無對(duì)稱面。有對(duì)稱面，它就不存在對(duì)映體，為非手性分子。第三 尋找手性碳原子(或手性中心)。只要有一個(gè)手性碳原子，就是手性分子，有一對(duì)對(duì)映體（兩個(gè)以上C有例外。見內(nèi)消旋體）問題3-1下列哪些分子具有手性碳原子?(用*號(hào)標(biāo)明)。問題3-2化合物 a和 b哪個(gè)有對(duì)稱面？哪個(gè)為非手性分子？哪個(gè)有對(duì)映體? 化合物 b（2-丁醇）有一對(duì)對(duì)體映體第二節(jié) 費(fèi)歇爾投影式費(fèi)歇爾投影式是指將一個(gè)三維（立體）手性分子模型作如下規(guī)定:與手性

7、碳橫向相連的基團(tuán)朝向紙平面的前方；豎向相連的基團(tuán)朝向紙平面的后方；手性碳處于紙平面上。將其投影,所得平面投影式稱為費(fèi)歇爾投影式注意點(diǎn)（書寫費(fèi)歇爾投影式）：在把一個(gè)化合物的透視式寫成費(fèi)歇爾投影式時(shí)，必須記住下列要點(diǎn)：(1) 水平線和垂直線的交叉點(diǎn)代表手性碳。(2) 宋體;連于手性碳的水平線代表向前指向讀者的鍵。(3) 連于手性碳的垂直線代表指向遠(yuǎn)離讀者的鍵。(4)費(fèi)歇爾投影式只能在紙平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)180°，或其偶數(shù)倍，不能離開紙面翻轉(zhuǎn)。Fischer投影式最適合用于表示含有一個(gè)手性碳的化合物的立體結(jié)構(gòu)。但對(duì)表示含兩個(gè)或兩個(gè)以上手性碳原子化合物時(shí)，就有點(diǎn)美中不足了。因?yàn)镕ischer投影式顯

8、示的立體結(jié)構(gòu)全是重疊式構(gòu)象，不符合分子的真實(shí)形象。在這一點(diǎn)上，上一章學(xué)習(xí)的Newman投影式和鋸架式又有它的優(yōu)勢(shì)之處。當(dāng)然，每一種表示立體結(jié)構(gòu)的方法，都各有千秋。同一個(gè)立體異構(gòu)體可以用幾種不同的方法表示它的立體結(jié)構(gòu)。例如2R, 3S-2, 3, 4-三羥基丁醛：第三節(jié) 旋光性一、平面偏振光光的振動(dòng)方向與前進(jìn)方向垂直，普通光是在無數(shù)個(gè)垂直于前進(jìn)方向的平面內(nèi)振動(dòng)。當(dāng)普通光通過一個(gè)偏振的透鏡或尼科爾棱鏡時(shí)，一部分光就被擋住了，只有振動(dòng)方向與棱鏡晶軸平行的光才能通過。這種只在一個(gè)平面上振動(dòng)的光稱為平面偏振光。簡(jiǎn)稱偏振光。見下圖所示:圖3-6偏振光二、旋光性偏振光的振動(dòng)面化學(xué)上習(xí)慣稱為偏振面。當(dāng)平面偏振

9、光通過手性化合物溶液后，偏振面的方向就被旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度。這種能使偏振面旋轉(zhuǎn)的性能稱為旋光性(optical activity)。手性化合物都具有旋光性。三、旋光度與比旋光度 旋光度怎樣測(cè)定化合物旋光性呢？在實(shí)際工作中通常用旋光儀測(cè)定化合物的旋光性。一般旋光儀是由一個(gè)光源和兩個(gè)棱鏡組成的, 在兩個(gè)棱鏡中間有一個(gè)盛放樣品的旋光管。見圖3-6：化合物旋光性的測(cè)定當(dāng)平面偏振光通過盛有旋光性化合物的旋光管后，偏振面就會(huì)被旋轉(zhuǎn)(向右或向左)一個(gè)角度，這時(shí)偏振光就不能通行無阻的穿過與起偏鏡棱軸相平行的檢偏鏡。只有檢偏鏡也旋轉(zhuǎn)(向右或向左)相同的角度(a角度)，旋轉(zhuǎn)了的平面偏振光才能完全通過。觀察檢偏鏡上攜帶

10、的刻度盤所旋轉(zhuǎn)的角度，即為該旋光性物質(zhì)的旋光度。偏振面被旋光性物質(zhì)所旋轉(zhuǎn)的角度叫旋光度。用a表示。偏振面被旋轉(zhuǎn)的方向有左旋(逆時(shí)針)和右旋(順時(shí)針)的區(qū)別。用符號(hào)(+)表示右旋，(-) 表示左旋。例如：(+)-2-丁醇表示右旋；（-)-2-丁醇表示左旋。所有旋光性化合物不是右旋，就是左旋。自動(dòng)旋光儀：測(cè)定化合物的旋光度，除了使用前面介紹的普通旋光儀外，還有自動(dòng)旋光儀，可直接顯示被測(cè)化合物的旋光度和旋光方向，()或(-)。它的基本原理和普通旋光儀雷同。目前在科學(xué)研究中已經(jīng)較為廣泛的使用。 比旋光度就某一化合物來說，實(shí)驗(yàn)中所觀察到旋光度并不是恒定值，因?yàn)樾舛扰c溶液的濃度成正比，在給定的濃度下還與

11、旋光管的長(zhǎng)度成正比。除外，還與測(cè)定時(shí)的溫度，光源波長(zhǎng)以及用什么溶劑測(cè)定有關(guān)系。為了使一個(gè)化合物的旋光度成為特征物理常數(shù)，必須規(guī)定一些特定的條件：比旋光度（含義）：規(guī)定用一分米（dm）長(zhǎng)的旋光管，待測(cè)物質(zhì)的濃度為1g.mL-1時(shí)所測(cè)得的旋光度，稱為比旋光度。在實(shí)際工作中，常常可以用不同長(zhǎng)度的旋光管和不同的樣品濃度下測(cè)定物質(zhì)的旋光度。然后按下列公式計(jì)算，即可得到比旋光度。比旋光度計(jì)算公式：  比旋光度像物質(zhì)的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)或折射率等物理常數(shù)一樣，也是化合物的一種物理常數(shù)。一對(duì)對(duì)映體，除比旋光度值相等符號(hào)相反(即旋光方向相反)外，其它物理性質(zhì)雷同。如表3-1所示：比旋光度對(duì)于鑒定一個(gè)旋光性化合

12、物或者判斷它的純度是很重要的。因此，掌握比旋光度的表示方法及其含義是十分必要的。例如，在理化手冊(cè)上查得海洛因（heroin）的比旋光度值為=（甲醇）。這表示海洛因是一個(gè)光學(xué)活性化合物，它是左旋的，以甲醇作溶劑，在15，用偏振的鈉光測(cè)定的，比旋光度為-166。例題：將膽固醇樣品260mg溶于5ml氯仿中，然后將其裝滿5厘米長(zhǎng)的旋光管，在室溫（20）通過偏振的鈉光測(cè)得旋光度為-2.5°,計(jì)算膽固醇的比旋光度：小結(jié):一對(duì)對(duì)映體的性質(zhì)物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)都相同（與手性試劑作用除外）；比旋光度值相等，符號(hào)相反(即旋光方向相反)。第四節(jié)外消旋體一、乳酸的三種不同的旋光現(xiàn)象:乳酸是人們知道的第一個(gè)旋

13、光性化合物，它的旋光性現(xiàn)象有三種不同的情況：右旋乳酸從肌肉組織中分離出的乳酸左旋乳酸葡萄糖發(fā)酵產(chǎn)生的乳酸無旋光性乳酸一般化學(xué)合成的乳酸二、外消旋體的定義:一對(duì)對(duì)映體等量的混合物稱為外消旋體。外消旋體符號(hào): ±或 dl例如（±）-乳酸即外消旋乳酸三、外消旋體的性質(zhì):外消旋體的物理性質(zhì)與純的單一對(duì)映體有一些不同：它無旋光性；熔點(diǎn)、密度等物理常有差異。乳酸的三種立體異構(gòu)體的一些物理性質(zhì)見表3-2：為什么外消旋體無旋光性呢？因?yàn)橐粚?duì)對(duì)映體對(duì)光的影響是比旋光度值相等，旋光方向相反。因此，從微觀分子考慮，當(dāng)光照射到每一個(gè)分子時(shí)，一對(duì)對(duì)映體正好抵消了每一個(gè)對(duì)映體對(duì)光產(chǎn)生的影響作用。第四節(jié)

14、      非對(duì)映體和內(nèi)消旋化合物我們已經(jīng)知道含有一個(gè)手性碳原子的化合物存在著兩個(gè)立體異構(gòu)體 一對(duì)對(duì)映體。含有兩個(gè)以上手性碳原子（）的化合物存在兩個(gè)以上的立體異構(gòu)體，其最大數(shù)目是2n (n)代表手性碳原子數(shù)。讓我們看一個(gè)實(shí)例：2,3,4-三羥基丁醛，分子中含有兩個(gè)不相同的手性碳原子。 (a)和(b)是互為不能重合的鏡像，代表一對(duì)對(duì)映體；同樣(c)和(d) 也是互為不能重合的鏡像，代表另一對(duì)對(duì)映體。也就是說有兩對(duì)對(duì)映體。那么化合物(a)和(c)之間，以及(a)和(d)之間是什么關(guān)系呢？(a)和(c)是彼此不成鏡像關(guān)系的立體異構(gòu)體，叫作非對(duì)映體，同

15、樣，(a)和(d)之間彼此也不成鏡像關(guān)系，所以，也是非對(duì)映體。彼此不成鏡像關(guān)系的立體異構(gòu)體叫非對(duì)映體。因此 (b)與(c)之間，以及(b)與(d)之間也都是非對(duì)映體關(guān)系。非對(duì)映體具有不同的物理性質(zhì)。例如，沸點(diǎn)；溶解度等都不相同。二.、內(nèi)消旋化合物酒石酸分子中有兩個(gè)相同的手性碳。如果按照2n規(guī)則，最多可有四個(gè)立體異構(gòu)體。但實(shí)際上酒石酸分子只有三個(gè)立體異構(gòu)體：思考：(a)與(c)、(b)與(c)是何種關(guān)系呢（對(duì)映體？非對(duì)映體？）？為什么內(nèi)消旋化合物無旋光性？?jī)?nèi)消旋化合物有對(duì)稱面。對(duì)稱面的上半部分是下半部分的鏡像。分子的上下兩部分對(duì)偏振光的影響相互抵消，使整個(gè)分子無旋光性（見圖3-7）。由于內(nèi)消旋體

16、的存在，酒石酸只有三種立體異構(gòu)體，其數(shù)目少于按照2n規(guī)則所預(yù)測(cè)的數(shù)目。表3-3 為酒石酸的三種立體異構(gòu)體的一些物理性質(zhì)。    題3-3如果將(-)、(+)和內(nèi)消旋酒石酸三者等量的混合物進(jìn)行分步結(jié)晶，將得到兩部分均無旋光性的結(jié)晶。哪兩部分?酒石酸的一對(duì)對(duì)映體和內(nèi)消旋酒石酸。問題3-4 2,3-二溴丁烷的立體異構(gòu)體中有內(nèi)消旋體嗎？解答:有 因?yàn)橛袃蓚€(gè)相同的手性碳,有對(duì)稱面。  小結(jié):彼此不成鏡像關(guān)系的立體異構(gòu)體叫非對(duì)映體。非對(duì)映體間具有不同的物理性質(zhì)。例如，熔點(diǎn)、沸點(diǎn)和溶解度等物理性質(zhì)都不相同。用重結(jié)晶或蒸餾等方法可以將非對(duì)映體分開。內(nèi)消旋化合物有對(duì)稱面，

17、無旋光性。第六節(jié)構(gòu)型命名構(gòu)型是指分子結(jié)構(gòu)中的原子或基團(tuán)在空間排列的順序。對(duì)映異構(gòu)和順反異構(gòu)都屬于構(gòu)型異構(gòu)。不過兩者略有差異：對(duì)映異構(gòu)體的構(gòu)型一般指手性中心(或手性碳原子)所連的四個(gè)不同原子或原子團(tuán)在空間排列的順序。而順反異構(gòu)體的構(gòu)型是指分子中某些共價(jià)鍵的旋轉(zhuǎn)受阻而導(dǎo)致分子中的原子或原子團(tuán)在空間排列的順序。順反異構(gòu)體構(gòu)型的命名已在第二章作了初步學(xué)習(xí)，在第四章還要繼續(xù)學(xué)習(xí)。這兒只介紹對(duì)映異構(gòu)體的兩種構(gòu)型命名方法。一、D.L 命名法一個(gè)化合物的絕對(duì)構(gòu)型通常指鍵合在手性中心的四個(gè)原子或基團(tuán)在空間的真實(shí)排列方式。1951年前，人們還無法確定化合物的絕對(duì)構(gòu)型。費(fèi)歇爾(Fischer)人為地選定()-甘油醛

18、為標(biāo)準(zhǔn)物，并規(guī)定其碳鏈處于垂直方向，醛基在碳鏈上端的投影式中，C2上的羥基處于右側(cè)的為D-構(gòu)型。其對(duì)映體，(-)-甘油醛為L(zhǎng)-構(gòu)型。兩者結(jié)構(gòu)分別如下： 以甘油醛為標(biāo)準(zhǔn)物，通過合適的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化成其它旋光性化合物，只要在反應(yīng)過程中不斷裂與手性中心直接相連的化學(xué)鍵，那么所得的化合物的構(gòu)型就與原甘油醛的構(gòu)型相同例如： D-()-甘油醛與氧化汞(HgO)反應(yīng)，醛基被氧化成羧基(-COOH)，生成甘油酸。由于與手性中心(C2)直接相連的鍵沒有發(fā)生斷裂，因此甘油酸的構(gòu)型應(yīng)與D-甘油醛相同，也是D構(gòu)型。但甘油酸的旋光方向卻為左旋。這一事實(shí)說明化合物的構(gòu)型與旋光方向沒有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系?；?/p>

19、物的旋光方向只是通過旋光儀直接測(cè)定的。1951年，拜捷沃特(J.M.Bijvoet)用X-衍射技術(shù)測(cè)定了()-酒石酸銣鉀鹽的絕對(duì)構(gòu)型之后，確定了原來人為規(guī)定的D-()-甘油醛的構(gòu)型剛巧就是它的真實(shí)構(gòu)型。當(dāng)然以甘油醛為標(biāo)準(zhǔn)物，確定的其它化合物的構(gòu)型，自然也是絕對(duì)構(gòu)型了。D.L命名法的使用有一定的局限性，它只適用與甘油醛結(jié)構(gòu)類似的化合物。目前，一般用于糖類和氨基酸的構(gòu)型命名(見第15章和第17章)。二 R. S 構(gòu)型命名法R.S構(gòu)型命名法廣泛應(yīng)用于各種類型手性化合物構(gòu)型命名。它遵循凱恩-英戈德-普雷洛格規(guī)則(R. S.Cahn-R. S. Ingold-V. Prelog Rules)，命名手性化合物的構(gòu)型。1979年IUPAC建議采用R. S構(gòu)型命名法。 R.S構(gòu)型命名規(guī)則:1、按原子序數(shù)大小為序，排列與手性碳相連的四個(gè)原子或基團(tuán)的大小順序(或稱優(yōu)先級(jí))，具體方法按照次序法則(例題1和例題2中的敘述內(nèi)容)。2、將手性碳上的四個(gè)原子或基團(tuán)中最小的 (大多數(shù)情況下是氫原子)置于遠(yuǎn)離我們視線的位置(即放在最遠(yuǎn)的位置)，然后觀察朝向我們的另外三個(gè)基團(tuán)由大到小的順序。如為順時(shí)針方向?yàn)镽構(gòu)型；反時(shí)針方向?yàn)镾構(gòu)型。若abcd圖3-8 R.S構(gòu)型命名法圖示:   次序法則（確定C上連的四