大学化学对映异构 72页

第六章对映异构\n\n一、偏振光和旋光活性光是一种电磁波，它是振动前进的，其振动方向垂直于光波前进的方向，普通光是由各种波长的在垂直于前进方向的各个平面内振动的光波所组成。如果使普通光通过一个特制的叫做尼可尔棱镜的晶体，由于这种晶体只能使在和棱镜的轴平行的平面内振动的光通过，所以通过尼可尔棱镜的光，其光波振动平面就只有一个和镜轴平行的平面。这种仅在某一平面上振动的光，就叫做平面偏振光，或简称偏振光。\n\n我们来做一个实验，如果在镜轴平行的两个尼可尔棱镜之间，放一支玻璃管，在玻璃管中分别放入各种有机物的溶液，然后用一光源由第一个棱镜向第二个棱镜的方向照射，并在第二个棱镜后面观察，可以发现：①当玻璃管中放有乙醇、丙酮等物质时，光的亮度没有改变；②而当玻璃管中放有乳酸、丙氨酸、酒石酸等的溶液时，则在第二个棱镜后面见到的光的亮度就减弱，但如将第二个棱镜向左或向右转动一定角度以后，又能见到最大亮度的光。\n这种现象必然是由于这些有机物将偏振光的振动平面旋转了一定的角度所致。具有这种性质的物质，就叫做“旋光活性物质”(或光学活性物质)，它使偏振光振动平面旋转的角度叫做“旋光度”。使偏振光振动平面向右旋转(顺时针方向)的叫右旋，向左旋转(反时针方向)的叫左旋。\n测定物质旋光度的仪器是旋光仪，其工作原理如下：\n在旋光仪中，起偏镜b是一个固定不动的尼可尔棱镜，其作用是使由光源a射来的光变成偏振光。检偏镜d是能转动的尼可尔棱镜，用来测定物质使偏振光振动面旋转的角度和方向，其数值可由与d相连的刻度盘上读出。\n二、旋光度和比旋光度物质旋光度的大小随测定时所用溶液的浓度、盛液管的长度、温度、光波的波长以及溶剂的性质等而改变。但在一定的条件下，旋光度是旋光活性物质的一项物理常数，通常用比旋光度[α]表示。比旋光度可以通过测得的旋光度，测定时溶液的浓度和盛液管的长度，按以下公式计算：\n以下公式计算：α——由旋光仪测得的旋光度；λ——所用光源的波长；t——测定时的温度；c——溶液的浓度，单位为g·mL-l；l——盛液管的长度，单位为分米。\n物质使偏振光振动面向右旋转的，叫做右旋，用“+”表示，左旋用“—”表示。一般测定旋光度时，多用钠光灯作光源，其波长的通用平均值是589.3nm，通常以D表示。例如，由肌肉中取得的乳酸的比旋光度，表示测定该乳酸的旋光度时，是在20℃，以钠光灯作光源。\n\n三、对映异构现象与分子结构的关系1.对映异构现象的发现1848年，巴斯德早期发现酒石酸钠铵有两种晶体结构。\n两只手的这种关系可以比喻为“实物”与“镜象”的关系，它们之间的区别就在于五个手指的排列顺序恰好相反，因此左手与右手是不能完全重叠的。实物与其镜象不重叠的特点叫做“手性”或称手征、手征性(chirality)，这种特点也同样存在于微观世界的分子中。某些化合物的分子也具有“手性”。\n任何一个不能和它的镜象完全重叠的分子，就叫做手性分子，一般说来凡具手性的分子就有旋光活性。手性与分子的对称性有关。使有机物分子具有手性的最普遍的因素是手性碳原子。和四个不相同的原子或基团相连的碳原子叫做手性碳原子(过去叫做不对称碳原子)，并用“*”号标出。随便列出几个化合物（待定），要求学生指出它的手性碳原子。\n2.手性和对称因素分子的手性（而不是手性碳）是其具有旋光性和对映异构现象的充分必要条件⑴对称面（）：凡有对称面的分子，不具旋光性，也没有对映异构体。模型演示反-1，2-二氯乙烯、二氯甲烷的对称面。\n\n⑵对称中心（i）：有对称中心的分子不具手性，也无旋光性\n⑶对称轴（Cn）：n＝3600/旋转度数。叫n重轴。对称轴不能作为分子有无光学活性的判据。\n正n边形有n重对称轴：CHBr3，对称轴\n一般地说，物质分子凡在结构上具有对称面或对称中心的，就不具有手性，也就没有旋光性。反之，同时不具有对称面和对称中心的，分子就有手性和旋光性。一个分子是否有对称性，则可以看它是否有对称面、对称轴或对称中心等对称因素。如果一个分子中没有上述任何一种对称因素，这种分子就叫不对称分子，不对称分子就有手性。\n四、含一个手性碳原子的化合物1.对映异构体、外消旋体乳酸就是含一个手性碳原子的化合物，其—碳原子分别与H、OH、CH3和C00H相连，所以α-碳原子就是手性碳原子。含一个手性碳原子的化合物可以有两种构型，也就是连在α-碳原子上的四个基团，在空间有两种排列方式，如图：（同时用模型进行演示）\n\n用透视式可表示为如下：\n(a)和(b)之间恰呈实物和镜像的关系，因此把这样的异构体叫做对映异构体。这一对对映异构体都是手性分子，所以都有旋光活性。它们使偏振光的振动平面旋转的角度相同，但方向相反，它们分别是左旋和右旋乳酸，分别用(-)-乳酸和(+)-乳酸表示。由蔗糖发酵得到的乳酸是左旋的，由肌肉中取得的是右旋的。\n如果将等量的左旋体和右旋体组成体系，会发生什么呢？由于左旋体和右旋体的旋光度相同，而旋光方向相反，所以等量的左旋体和右旋体组成的体系，是没有旋光活性的，这种体系叫做外消旋体。与其它任意两种物质的混合物不同，外消旋体常有固定的物理常数。由酸牛奶中得到的乳酸就是外消旋体，没有旋光活性，熔点是16.80C，以(±)-乳酸表示。外消旋体可以拆分为右旋和左旋两个有旋光活性的异构体。\n2.构型的表示方法（R、S命名法）（1）首先按次序规则，将与手性碳原子相连的四个基团确定先后顺序，对于乳酸来说，四个基团的顺序为OH>COOH>CH3>H。（2）将四个基团中最小的基团放在眼睛对面最远的位置上，然后观察眼前的三个基团由大到小的排列方式，如为顺时针方向，以R表示，如为反时针方向，以S表示。\nR构型\nS构型\n3.费歇尔投影式:编号小的基团（主要官能团）朝上将一个立体模型放在幕前，用光照射模型，在幕上投影出平面影象，这种表示方法叫做费歇尔(FischerE)投影式，如图：\n费歇尔投影式规则：以“+”字的交点代表手性C原子；（1）横前竖后；（2）在纸面上旋转900的偶数倍，构型不变；（3）在纸面上旋转900的奇数倍，构型改变；（4）将任何两个基团交换一次，构型改变；（5）如果连续交换两次，构型不变。\n五、含两个不相同手性碳原子的化合物从上图可知，2，3，4—三羟基丁酸分子中含有两个手性碳原子，在这样的分子中，每个手性碳原子都各有两种不同的构型，它们可以组成以下四种不同构型的分子：\n(Ⅰ)构型为2S，3S；(Ⅱ)为2R，3R；(Ⅲ)构型为2S，3R；(Ⅳ)是2R，3S。\n所以，分子中含有两个不相同手性碳原子的化合物有四个旋光异构体，手性碳原子数目增多，则异构体数目也越多。含n个不相同手性碳原子的化合物，可能有的旋光异构体的数目为2n个。\n六、含两个相同手性碳原子的化合物（既每个手性C原子上连接的四个基团彼此相同）。从上图可知，酒石酸分子中含有两个相同的手性碳原子，在这样的分子中，每个手性碳原子都各有两种不同的构型，它们可以组成以下四个分子：\n(I)和(Ⅱ)为对映异构体(Ⅲ)和(Ⅳ)实际上是同一个分子。\n(Ⅲ)中，可以用虚线将分子分成实物和镜像关系的两半，这样，虚线所代表的平面就是这个分子的对称面，所以(Ⅲ)没有手性，从而没有旋光活性，这种异构体叫内消旋体，用meso表示。与外消旋体不同，内消旋体所以不具旋光活性，是由于分子中两个相同的手性碳原子的构型相反，一个为R，一个为S，所以由它们引起的旋光性在同一分子内相互抵消了。内消旋体是一个分子，不能像外消旋体那样可分离成有旋光活性的两种异构体。\n一个含n个相同手性碳原子的直链化合物，当n为偶数时，存在2n－1个旋光性异构体和2(n/2)-1个内消旋体；当n为奇数时，存在2n－1个立体异构体，其中有2（n－1)/2内消旋体。\n七、不含手性碳原子的化台物的旋光异构现象1.丙二烯型化合物又如丙二烯的衍生物，当Cl及C3各连有不同基团时，也有旋光异构体。\n2.阻转型化合物1）联苯型化合物2,2’,6,6’位上有体积较大的基团时，苯环间的单键不能自由旋转，两个苯环不能处于同一平面。\n\n2）螺环化合物：类似于丙二烯型化合物\n3）把型（柄型）化合物\n手性碳原子只是使分子产生手性的因素之一。内消旋酒石酸分子虽然含有手性碳原子，但整个分子不具手性。另一方面，具有手性的分子，也不一定含有手性碳原子。如联苯分子中每个环的邻位上的氢原子被体积相当大的不同基团取代时，由于位阻作用而使两个苯环不能处在一个平面内，同时联接两个苯环的碳—碳单键的自由旋转也受到阻碍，整个分子由于没有对称因素而具有手性。\n八、环状化合物的立体异构环状化合物的立体异构包括顺反异构和对映异构。单环化合物的立体异构情况跟开链化合物相似。可以把环看成是平面多边形，其结果与实际情况一致。\n\n1，2-二氯代环戊烷有顺、反两个几何异构体，连结氯的两个碳原子，又都是手性碳原子。\n在顺式异构体中，用虚线表示的平面可将分子分成对称的两半，所以顺式异构体无旋光活性，为内消旋体。反式异构体为手性分子，所以存在一对对映异构体：\n九、亲电加成反应的立体化学1.实验结果外消旋体内消旋体外消旋体外消旋体\n2.加成反应立体化学解释\n\n\n十、旋光异构体的性质一对对映异构体除旋光方向相反外，其它物理性质（如熔点、沸点、相对密废、比旋光度以及在非手性溶剂中的溶解度等）都完全相同。在化学性质方面，对映异构体与非手性试剂的作用是完全相同的，但在与手性试剂作用时，两者有差别。\n例如，许多微生物在生长过程中只能利用某一构型的氨基酸作为它们的食物；氯霉素有四个旋光异构体，而有抗菌作用的只是其中的一个，即D-(-)-苏型氯霉素。外消旋体不同于任意两种物质的混合物，它常具有固定的熔点，而且熔点范围很窄。\n\n十一、外消旋体的拆分(resolution)因为生物体内的大多数反应是在手性的环境下进行的，所以左旋体与右旋体对生物的作用就有显著的不同。例如，生物体中非常重要的催化剂酶具有很高的手性，因此许多可以受酶影响的化合物，其对映体的生理作用表现出很大的差别。如右旋的葡萄糖在动物代谢中能起独特的作用，具有营养价值，但其对映体左旋葡萄糖则不能被动物代谢。左旋的苯并吗啡\n烷能使人成瘾，而右旋的苯并吗啡烷则是无瘾的；，其(S)-(-)异构体具有制畸性和毒性，它能使胎儿变畸形，而R-异构则具有镇静作用，可用作良好的镇静剂。左旋的氯霉素具有抗菌能力，是药用合霉素的有效体，合霉素的抗菌能力仅为左旋氯霉素的一半。由此可见，对映体的分离对药学、医疗健康、环保等方面具有极其重要的意义。\n60年代在欧洲曾广泛给妊娠妇女服用镇静药反应停，很多孕妇服用后生出了海豹样的畸形儿。后来经研究发现，反应停是消旋体，其右旋体有镇静作用，而左旋体对胚胎有很强的致畸作用。\n手性与气味:香芹酮薄荷油\n由不旋光的化合物合成手性分子时，在没有外界手性因素的影响下，得到的总是由等量的对映异构体组成的外消旋体。对映异构体除了旋光方向相反以外，其它的物理性质完全相同，因此要将它们拆分成左旋体和右旋体，用一般的物理方法如分馏、重结晶等，常无法达到目的，而必须采用其它的方法，目前用于拆分的主要方法有：\n1.化学分离法经常使用的光活碱有奎宁、马钱子碱等；光活性的酸有酒石酸、樟脑磺酸等。这些自然界的光活性酸碱称为拆分剂。\n2.生物分离法酶(enzyme)是生命过程中的化学反应的催化剂。酶都是有旋光活性的大分子，而且对化学反应有特殊的专一性，就像一把钥匙只能开一把锁一样。例如某一种酶只对某一特定构型的立体异构体有作用，而对其它构型的异构体无作用。所以可以选择适当的酶作为某些外消旋体的拆分试剂。例如分离(±)-苯丙氨酸，则可将它们先乙酰化生成(±)-N-乙酰基苯丙氨酸，然后再用乙酰水解酶使它们水解：\n另外，利用某些微生物也可以达到上述目的，因为生物在生长过程中总是只利用对映异构体中的一个作为它生长的营养物质。例如在含有外消旋酒石酸的培养液中培养青霉菌，经过一定时间以后，在培养液中留下的是左旋酒石酸。\n3.晶种结晶法这种方法是在外消旋体的过饱和溶液中加入一定量的左旋体或右旋体的晶种，则与晶种相同的异构体便优先析出，例如向某一外消旋体(±)-A的过饱和溶液中加入(+)-A的晶种，则(+)-A优先析出一部分，滤出析出的(+)-A，则滤液中(-)-A便过量，这样在滤液中再加入外消旋混合物，又可析出一部分(-)-A结晶，过滤，如此反复处理就可以得到相当数量的左旋体和右旋体。这种方法已用于工业上，例如，在氯霉素的生产中，便用这种晶种结晶法拆分其中间体。\n4.柱层析法柱层析是色谱法的一种，是利用不同物质对同一吸附剂的不同吸附作用分离混合物的方法。如果选择适当的光学活性的吸附剂，则一对对映体被吸附的强弱会有所不同，再选用适当的淋洗剂，就可以分别将它们淋洗出来，从而达到分离的目的。另外，还有毛细管电泳等方法。\n立体化学的几个名词“不对称的”（asymmetric）不存在任何的对称因素。虽则一些不对称的分子确有对映异构体的存在，然而有些仅有简单对称轴的分子也有对映异构体，因此人们宁选择“异称”（dissymmetric）一词。\n“手性”（chiral）表征象双手一样的特征，即如左右二手彼此为镜像但又无法重叠的分子结构；这个形容词与“对映体纯”（enantiomeiricallypure）或“光学活性”（opticallyactive）含义不同，故三者不可彼此代用。\n“构象”和“构型”（conformationandconfigllcition）构象指分子的形象结构，当所含原子的种类、数目、及连接方式相同，然而在二维或三维空间中和环境温度下，通过原子间价键的翻转或旋转可产生许多可相互转变的分子形象。所有多原子分子在其翻转或旋转自由度未受限制条件下均可有无限构象，但在晶态中仅有一种\n稳定构象。构型则特指某些类型的分子结构，因其连接原子间的化学键的性质或连在其邻近的原子不容许它占据同一空间，致使其价键的翻转或旋转受阻而产生二种或多种难以互相转变的分子形象。这类分子无论在气、液或晶相中均可具有一定的结构构型。\n“D或L”（与小写字母同型号的大写字母）表达“绝对构型”（absoluteconfiguration）这是依据用D-或L-甘油醛作参照，用不改变其构型的化学反应方法取得互通的程序关系，即认定某测试分子与其互通的D-或L-甘油醛有真正相同的构型结构，称为绝对构型。而用旋光仪测出并以d或l表达的分子结构则称为相对构型。例如糖类或氨基酸：前者多属D-型；后者多属L-型。\n“d或l”（小写字母） 表达受测分子在旋光仪中促使其平面偏振光右旋（d）或左旋（l），现已该用（+）或（-）表示。“非对映异构体”（diasterioisomers）为具有二个或多个异称中心的立体异构体，而其分子结构却无彼此成镜像的关系。诸如赤藓糖（erythrose）和苏糖（threose）；常简称非对映体。\n“异称的”（dissymmetric）分子结构中缺乏一更迭对称轴，因而可以有对映体出现。人们宁用这一形容词取代“不对称的”。“对映体”（enantiomers）指二个立体异构体彼此仅具有镜像结构关系但无法令其互相重叠一致（nonsuperimposable）。