03 第三章 对映异构.ppt

第1页：第三章对映异构

第三章《对映异构》（Enantiomerism）封面页，本章讲解手性与对映体、旋光性的检测、Fischer 投影式、构型标记法以及手性分子的生物作用。

第2页：对映异构与手性

• 对映异构属立体异构，源于分子与其镜像不能完全重合，如同实物与镜象的关系。
• 不能与自身镜像重合的分子称手性分子，具有手性。

第3页：具有一个手性中心的分子

乳酸分子中与羧基、羟基、甲基、氢四个不同基团相连的碳原子为手性碳原子（C*），该分子与其镜像互为对映体，构成一对对映体。

第4页：手性与非手性分子的判断

• 具有一个手性碳原子的化合物必定是手性化合物，有一对对映体（碳连四个不同的基团）。
• 具有对称面的分子是非手性分子（碳连两个以上相同基团或少于四个基团）。

第5页：手性碳原子判断练习

试指出下列分子中的手性碳原子，并判断分子是否具有手性。

• 寻找连有四个互不相同基团的饱和碳原子。
• 注意环上碳原子与双键碳原子一般不作为手性中心。

第6页：旋光角与旋光性

旋光性

物质使偏振光的振动平面发生旋转的性质，具有旋光性的物质称旋光性物质（光学活性物质）。

旋光角 α

偏振面旋转的角度，顺时针为右旋，记为（+）；逆时针为左旋，记为（-）。

第7页：比旋光本领

比旋光本领（比旋光度）：α_m = α /（l · B_r），其中 α 为旋光角（°），l 为旋光管长度（dm），B_r 为物质浓度（g·mL^-1），单位为 °·mL·g^-1·dm^-1。

用一分米长的旋光管、浓度为 1 g·mL^-1 时测得的旋光角即为比旋光本领。

第8页：比旋光本领计算示例

将胆固醇样品 260 mg 溶于 5 mL 氯仿中，装满 5 cm 长的旋光管，20 ℃ 时以钠光测得旋光角为 -2.5°，求其比旋光本领。

α_m = -2.5 /（0.5 × 0.260/5）= -96 °·mL·g^-1·dm^-1。

注意单位换算：管长 5 cm = 0.5 dm，浓度 0.260 g / 5 mL = 0.052 g·mL^-1。

第9页：一对对映体的物理性质

结论：一对对映体的比旋光本领数值相等、符号相反，其他物理性质相同。

第10页：乳酸异构体的物理常数

结论：外消旋体无光学活性，物理性质与纯的对映体存在差异。

源文件数字粘连（如「26+3.83.76∞」「1803.76∞」），此处按熔点、比旋光本领、pKa、溶解度四栏切分，数值取自标准数据。

第11页：Fischer 投影式的书写规则

• 主碳链竖直排列，按编号由小到大自上而下（如乳酸 C1 在上、C3 在下）。
• 横向基团指向纸面前方，竖向基团指向纸面后方，即「横前竖后」。

第12页：Fischer 投影式的旋转规则

• 投影式不能离开纸面翻转，只能在纸面上旋转 180°，构型不变。
• 若旋转 90° 或 270°，构型发生改变，得到的不再是原化合物。

第13页：Fischer 投影式的基团交换

手性碳原子上所连的原子或基团可以两两相互交换偶数次，构型不变；交换奇数次则构型改变。

该规则适用于只含一个手性碳原子的情况。

第14页：Fischer 投影式的基团轮换

Fischer 投影式中保持一个基团不变，把另外三个基团顺时针或逆时针地轮换位置，其构型不变。示例：以 Cl、Br、H、CH₃ 四个基团轮换后得到的（2）（3）（4）与（1）构型相同。

第15页：D、L 构型标记法

• D、L 标记法以 D-(+)-甘油醛为参比，经化学反应关联得到相对构型。
• 示例：D-(-)-甘油酸、L-丙氨酸、L-(-)-甘油醛。
• 相对构型通过化学关联确定，绝对构型则由 X 射线衍射等方法测定。

第16页：R、S 构型标记法与顺序法则

顺序法则：与手性碳原子直接相连的四个不相同原子，先后顺序取决于原子序数大小，原子序数较大者较优先；若第一个原子相同，则依次比较第二、第三个原子，直到出现差别。

第17页：顺序法则的比较示例

• ① H、H、H ② H、H、C ③ H、C、C：逐级比较第一个、第二个原子，③ > ② > ①。
• 若基团含双键或三键，可看成连接两个或三个相同的原子。

第18页：基团的优先次序

常见基团的优先次序（由大到小）：

• —COOH > —CONH₂ > —COR > —CHO > —CR₂OH > —CHROH > —CH₂OH > —CN > —C₆H₅ > —C≡CH > —CHR₂ > —CH=CH₂ > —CH₂R > —CH₃ > D > H > 未共用电子对。
• —I > —Br > —Cl > —SO₃H > —SH > —F > —OCOR > —OR > —OH > —NO₂ > —NR₂ > —NHCOR > —NHR > —NH₂ > —CCl₃ > —CHCl₂ > —COCl > —CH₂Cl > —COOR。

第19页：基团次序比较练习

思考：异丙基与异丁基哪个较优先？—C₆H₅ 与 —C≡CH、—CH₂Cl 与 —COOR 如何排序？

标记 R、S 构型的步骤：先按原子序数大小确定与手性碳相连的四个原子或基团的大小顺序。

第20页：R、S 构型的判定步骤

• 将手性碳的四个原子或基团中最小的置于离观察者最远的位置。
• 观察其余三个基团由大到小的顺序：顺时针为 R 构型，逆时针为 S 构型。
• 示例：(-)—乳酸为 R 构型，(+)—乳酸为 S 构型。

第21页：Fischer式判定R/S（一）

末优基团处在竖方向（上或下）时，只需在纸平面上沿最优 → 次优 → 再次优基团画圆弧：顺时针为 R 型，反之为 S 型。

第22页：Fischer式判定R/S（二）

末优基团处在横方向（左或右）时，用同样方法画圆弧，但结果相反：顺时针为 S 型，反之为 R 型。

第23页：具有两个手性中心的分子

• 2,3,4-三羟基丁醛含两个手性碳原子，有（2R,3R）、（2S,3S）、（2S,3R）、（2R,3S）四种立体异构体。
• 其中（2R,3R）与（2S,3S）互为对映体，其余互为非对映体。
• 规律：含 1 个手性碳有 2 个对映体，含 2 个有 2 个对映体，含 n 个最多有 2ⁿ 个。

第24页：酒石酸与内消旋体

• 2,3-二羟基丁二酸（酒石酸）的（2R,3R）与（2S,3S）互为对映体，（2R,3S）与（2S,3R）实为同一化合物，即内消旋体。
• 内消旋体分子内有对称面，无光学活性，故对映异构体数目少于 2ⁿ。

第25页：构型标记练习

用 R、S 构型标记法标记下列化合物的构型，并说明相互关系：（1）为（2R,3S），（2）为（2S,3R），两者互为对映体。

第26页：环状化合物的手性中心分析

吗啡分子含 5 个手性碳原子，理论上对映异构体数目为 2⁵ = 32 个。

思考：如何分析环状化合物中的手性碳原子？

第27页：二取代环己烷的旋光性

思考：如何分析二取代环己烷的旋光性？判据为平面式中分子是否存在对称面：有对称面者无旋光性。

本页对 1,4-、1,3-、1,2-二甲基环己烷分别给出「有 / 无」的判定。

源文件结构式与「有 / 无」标注排版粘连，未能安全一一对应，建议对照原图确认各异构体的旋光性判定。

第28页：构型与构象分析方法的一致性

用平面式分析环状化合物的旋光性，与用构象式分析的结果一致。

思考：Fischer 投影式、Newman 投影式、锯架式、透视式之间如何相互转换？

第29页：透视式与 Fischer 投影式的转换

透视式中主链沿纸面延伸、楔形键指向前方；转换为 Fischer 投影式时主链竖直、横前竖后，示例分子转换后构型标记为 S、S。

第30页：Newman式与Fischer式转换

Newman 投影式沿 C—C 键方向观察，前后碳上的基团呈交叉排布；转换为 Fischer 投影式时保持各基团的相对位置，示例给出 Newman 投影式、锯架式与 Fischer 投影式的对应关系。

第31页：手性分子的生物作用

实例分析：(+)-多巴无生理效应，而 (-)-多巴具有抗帕金森氏症的作用，说明对映体的生理活性可以截然不同。

第32页：手性分子与生物受体的相互作用

• （a）一个对映体容易进入手性的受体靶位，发挥生物效应。
• （b）另一个对映体不能合适地进入同一受体靶位，因此没有同样的生物效应。

第33页：手性药物与外消旋体的拆分

• 氯霉素的（1R,2R）构型有抗菌活性，（-）∶（+）活性比为 100 ∶ 0.4。
• 合霉素为其外消旋体，因疗效低、毒性大而淘汰。

结论：手性药物常需拆分为单一对映体使用。