立体化学和手性
什么是外消旋混合物?
最后更新:2022年12月6日|
什么是外消旋混合物？
一个外消旋混合物是一个克分子数相等的混合物两个对映体这是光学活性。
在这篇文章中，我们分解了什么外消旋混合物是，并给出大量的例子。
目录
- 外消旋混合物的定义
- “外消旋混合物由两个对映体组成……”
- “外消旋混合物是等摩尔的……”
- “外消旋混合物不具有光学活性……”
- 结合光学纯对映体的外消旋混合物
- 你怎么知道一个反应是否会产生外消旋混合物?
- 例1:烯烃中添加HBr
- 例2:HBr的自由基添加
- 例3:烯烃氢化
- 例4:SN2的烷基卤化物
- 例5:SN1卤代烷
- 例子#6:预先存在的手性例子
- 例子7:有趣独联体- 2 -丁烯
- 例子8:Fun With反式- 2 -丁烯
- 例9:手性试剂
- 结论
- 笔记
- 测试你自己!
1.外消旋混合物的定义
- 一个克分子数相等的混合物的
- 两个对映体这是
- 光学活性的。
为了将混合物归类为“外消旋体”，必须满足所有三个条件。
请注意，在您可能遇到的99.99%的情况下，满足前两个条件将满足第三个条件。［注1]
*请注意，IUPAC不喜欢这个术语外消旋混合物,而是外消旋体代替。我们将使用外消旋混合物因为它继续在入门课程中被教授。
你会经常看到外消旋混合物用(+/-)或(较少使用)用dl -或rac -。
这是用来表示等量的(+)(右旋，顺时针旋转平面偏振光)和(-)(左旋，逆时针旋转平面偏振光)对映体。
(参见:光学纯度和对映体过剩]
2."外消旋混合物由两个对映体组成" ?
让我们覆盖"对映体首先，因为这样就会更清楚为什么“等摩尔”是重要的。
当我们说分子是对映体，我们在描述a的关系两个分子之间——就像“兄弟”或“表兄妹”描述人与人之间的关系一样。我可以是一个人的兄弟，却可以是另一个人的表兄;反过来，我表姐的妹妹也是我的表妹。
术语“对映体”是用来描述两个分子之间的关系不可重叠的镜像彼此之间。这种情况最常见的情况是分子中含有一个单键手性中心。这导致分子缺乏a对称平面。
为什么要为这个关于“不可重叠”镜像的免责声明而烦恼呢?这是因为an的镜像非手性的像乙烷这样的分子相同分子的旋转版本因此重合。就化学而言，两个可叠加的分子是完全相同的。
对于手性分子则不是这样，例如(R)- 2-醇丁烷及其对映体(年代) -butan-2-ol。
这两个是不相互叠加，因此是不相同的分子。他们是对映体。
顺便说一下，这并不是分子所特有的。这在乐高也会发生!
另一种可能出现的情况是分子有立体异构体不一个镜像。这通常发生在分子不止一个手性中心。
不是镜像的立体异构体被称为非对映体。
经典的例子是(R, R)酒石酸及((R, S))酒石酸，它们是彼此的立体异构体，但不是镜像。注意它们在一个手性中心共用一个(R)构型。（对映体总是有完全相反的R,S名称)
这两种分子有不同的物理性质-不同的熔点，沸点，溶解度，在手性分子的情况下，它们旋转平面偏振光的程度完全不同。
3.外消旋混合物是等摩尔混合物?
对我们来说，等摩尔混合物是指由两种组分的摩尔数相等，通常溶解在溶剂中。
50:50的比例或1:1的比例对映体是克分子数相等的。
60:40或20:80的比例则不然。
回想一下,对映体具有相同的物理性质(如熔点、沸点)除了,他们将平面偏振光旋转到相等且相反的程度。［欲知更多讨论:旋光性，旋光性，比旋]
因此，两种物质的等摩尔混合物对映体在非手性溶剂中通过必要性有光学旋转零，满足我们对a的定义外消旋混合物。
非等摩尔混合物，如0.7 mol的(S)-丁烷-2-醇和0.3 mol的(R)-丁烷-2-醇，将有一个多余的是一种对映体的光学活性的,不是一个外消旋混合物。
注意，等摩尔混合物非对映体不是外消旋混合物！
4.外消旋混合物不具有光学活性?
一种混合物光学活性的不旋转平面偏振光。
一般来说，如果你有一个克分子数相等的的混合物两个对映体，你会得到a外消旋混合物因此，由于每个对映体将平面偏振光旋转到相等且相反的程度*。如果它们的数量相等，就不会有净旋转。
除非我们做了一些奇怪的事情，比如使用手性溶剂，或者对溶液施加其他手性影响。但我们在99.99%的情况下都不会这么做。
5.结合光学纯对映体的外消旋混合物
首先,一个外消旋混合物可以由把等量的摩尔2加在一起对映体。如果我取0.5摩尔(R)- 2-丁醇和0.5摩尔(年代)-丁醇，我得到了1.0摩尔的a外消旋混合物butan-2-ol。
分离对映体有很多工作要做。由于时间就是金钱，纯对映体通常比1:1的对映体混合物更有价值。
所以做一个外消旋混合物通过加入等量的对映体通常是一些意外的事情(例如，由于没有足够清楚地标记你的瓶子)，并伴随着大量的咒骂。
注意:(S)-(+)- 2-丁烷醇58.70美元/克。(R)-(-)-丁烷-2醇62.10美元/克。外消旋丁烷-2-醇0.56美元/克。所以做一个外消旋混合物是一种非常有效的财富毁灭方法!
6.你怎么知道一个反应是否会产生外消旋混合物?
更常见的是，外消旋混合物可以形成反应形成一个新的手性中心在没有手性试剂的情况下。
马特对这个原则有一个很好的表述，他称之为"光学不活动的保存”。
一个光学活性的起始物质，与之反应光学活性的试剂会产生光学活性的产品。光不活度是守恒的。
现在我们来讨论一个大问题。
你怎么知道一个反应会不会形成a外消旋混合物？
我有个坏消息。不幸的是，除了产品必须是等摩尔混合物的(循环)要求外，没有“快速和肮脏”的规则可以遵循对映体。
决定一个反应是否会给你外消旋混合物与否取决于
- 起始材料(也就是“基底”）
- 反应中键形成/断开的方式
你还需要在个案的基础上应用三个主要技能:
- 你必须知道反应会形成什么键，破坏什么键，和(特别是为…烯烃)了解其“区域选择性”和“立体化学”模式。
- 你必须能够应用此模式从起始分子到确定正确的产物
- 假设形成了两种(或更多)产物，你必须能够准确确定这些分子之间的关系（对映体，非对映体，或其他)。如果只形成一种产物，它就不可能是外消旋混合物。
[更多讨论，见:"对映异构体，非对映异构体，还是相同?解决问题的两种方法”
这类问题不应该让人感到惊讶是考试题目的好素材。
因为没有“快速和肮脏”的规则，我认为最好给出大量的例子来说明不同的可能性。
它们没有任何特定的顺序，但它们大多数涉及的反应烯烃，所有这些都涵盖了第一学期有机化学中遇到的反应，因为这是这些问题最有可能被问到的时候。
当你浏览这些例子时，你应该问以下几个关键问题:
- 在这个反应中形成和断开的键是什么?
- 新化学键在哪里形成?形成的新化学键的立体化学是什么?(syn, anti，或两者的混合)
- 一个新的手性中心形成了吗?
- 有吗?手性的影响在起始材料或试剂中五月导致产品是不平等的混合物对映体？
在看完这些例子之后，我们可以试着找出一些一般的原则。
7.例1:烯烃加HBr
我们从一个简单的反应开始烯烃1-丁烯+氢氧根。
这是不是外消旋混合物？
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这是氢卤化反应烯烃，这属于“碳正离子途径”(第一桶)烯烃除了反应。［参见添加模式#1 -碳正离子途径]
一个新的手性中心形成了吗?是的。有没有手性的影响?不。
- 反应是马氏选择性的(H上较少的取代碳，Br上较多的取代碳)。
- 反应会产生syn+反加法。
- 画出产物，我们看到它得到了2-溴丁烷，它有一个手性中心。
- 因为我们不用任何手性试剂，我们会形成一个50:50的混合物对映体，满足a的条件外消旋混合物。
8.例2:烯烃加HBr (hν)
当HBr加入到an中，条件的微小变化是什么呢烯烃在有光的地方。
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这是HBr的自由基加成烯烃。［见HBr对烯烃的自由基加成]
手性中心形成了吗?不。
- 反应是anti-Markovnikov选择性的(H在更多取代碳上，Br在更少取代碳上)
- 产物是1-溴丁烷，是非手性的。不可能是外消旋混合物。
如果我们对原始材料做一点小小的调整，会有什么不同呢?你怎么看?
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(注- D为氘，氢的重同位素)
9.例3:烯烃的氢化
接下来，我们来看氢化反应烯烃
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加氢的烯烃属于“协调一致的途径”(第三桶为烯烃）.看到的:［协同烯烃机制-协同途径]
我们正在形成一个手性中心吗?不。
- 在相邻的碳上形成碳氢键syn给彼此
- 生成物是丁烷，是非手性的。不可能是外消旋混合物。
这个怎么样?
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在这里,我们是形成一个新的手性中心。由于没有手性的影响，产物将是一种混合物对映体因此成为一个外消旋混合物。
10.例4:SN2个仲烷基卤化物
我们看一下a取代反应下一个。(S)-2-溴丁烷和NaCN的反应呢?
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- 反应是SN2反应，生成C-CN并破坏C-Br
- 它发生在位型反转。
- 起始物质是a单一对映体因此旋光性。因为它发生在100%反转的情况下，所以我们的乘积也是a单一对映体。
- 单个对映体具有光学活性。因此这个不能是a外消旋混合物。
如果我们从1:1的混合物开始对映体而不是?
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在本例中，所有(年代)-2-溴丁烷会转化为(R)及所有(R)将转换为(年代）
我们的起始物质是无光学活性的。因此我们的产物是无光学活性的。
这仍然是外消旋混合物。
11.例5:SN1反应
(回想一下，(+/-)表示存在外消旋混合物）.
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注意，即使起始物质具有光学活性，我们仍然可以得到a外消旋混合物由于产物是通过非手性中间体(碳正离子)形成的。
12.例子#6:预先存在的立体化学
有时候分子中可能已经有立体中心了。这里发生了什么?
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反应是an的环氧化反应烯烃使用m-CPBA（m-chloroperoxybenzoic酸）.环氧化反应可以从两个面发生烯烃。
注意，在这种情况下，然而，使混合物对映体是不可能的。这是因为反应只影响烯烃，并且和甲基不接触手性中心。
这个甲基(右)。所以这个不可能是a外消旋混合物。
【注:相关的问题。如果起始材料本身就是一个外消旋混合物?]
13.例子#7和#8。的乐趣,独联体- 2 -丁烯
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- 这是烯烃溴化，通过三元环途径进行。［看到烯烃加成途径#2 -“三元环”途径]
- 有两个C-Br键反彼此之间的关系。
- 在这种特殊情况下，生成物是(2R,3R)-二溴丁烷和(2S,3S)-二溴丁烷对映体。
- 所以这确实是a外消旋混合物
相同的分子，不同的试剂。那么二羟基化呢OsO4？
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- 这是烯烃二羟基化，通过协同途径[见上图]
- 有两个C-OH键syn彼此的关系
- 在本例中，产品为(2 r，3 s)丁二醇，它是相同(2 s，3 r)丁烷二醇。也就是说，乘积是a内消旋体。(参见:内旋圈闭]
- 产物有两个手性中心，但就是它自己非手性的由于内部的镜面。不可能有对映体并且是非光学活性的。
- 因此这不是外消旋混合物。
有趣的是，根据你选择的试剂(Br2或OsO4)你可以得到手性产物或a外消旋混合物？
14.例子#9和#10-有趣反式- 2 -丁烯
有点不同的分子。如果我们用反式- 2 -丁烯吗?
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- 溴化反应得到两个新的碳溴键反的关系。
- 分析产品，我们得到(2 r, 3 s)-二溴丁烷，与(2, 3 r)-二溴丁烷由于内部镜像平面。
- 分子是非手性的。这不是外消旋混合物。
那么二羟基化呢OsO4？
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15.使用手性试剂
那么这个反应呢
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这是一个无锐不对称环氧化，从而产生新的环氧。它使用手性试剂(酒石酸盐)来制造新的环氧。
试剂是手性在这种情况下主要产生一种主要的对映体。由于一种对映体过量存在，因此这不是外消旋混合物。
16.总结
外消旋混合物是等摩尔混合物对映体它们没有光学活性。
它们可以通过将等量的对映体或者(更常见的是)在没有任何手性影响的情况下产生一个新的手性中心的反应产物。
要知道一个给定的反应是否会形成化学反应，没有好的“捷径”外消旋混合物或者没有，除了1)知道形成和断开的键的模式，2)在个案的基础上分析产生的产品。
如果已经存在不受反应影响的手性中心，那么要注意形成的可能性非对映体。
如果在一个反应中形成两个(或更多)新的手性中心，也可以形成非对映体。
笔记
注1-在非常罕见的情况下可能会使用手性溶剂特别是在核磁共振光谱的背景下。对映体在手性环境中会有稍微不同的物理性质和不同的化学位移。
注2——SN1反应通过非手性(平面)碳正离子中间体进行，该中间体的任意一侧都可能受到攻击。有些课程教SN1，导致一个"外消旋混合物”。在实践中是否有外消旋混合物反应的形式取决于反应持续的时间和可逆的程度。如果离去基团在“溶剂笼”中相对靠近碳正离子，则仍可能发生一些光学活性的保留。
而不是暗示光学活动在所有情况下都是损失的SN1.就我个人而言，我更喜欢说它是“保留和反转的混合”。
测试你自己!
更多的小测验，大多是一些奇怪的案例，这会让这篇文章更长。
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测试2246
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本文已大幅更新(2022年)。
这正是Anam教授对我的看法。感谢这个网站，它给了我更多的启发。感谢所有成功制作这一页的人
非常感谢你，这很有意义!!
真是有创意的解释
非常非常感谢>>，这是非常有创意的解释方式:)
来做我的化学老师吧!喜欢手套的使用!非常感谢
这正是我想要的课堂报告，非常感谢
我们能预测什么时候会得到外消旋混合物吗?
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谢谢你!不知何故，这样看更有意义!
我们总能假设酮总是手性的而醛总是手性的吗?
谢谢你用手套把它分解了，很棒的技术，我现在完全明白什么是外消旋混合物了。
谢谢。这个解释非常清楚
那些手套看起来太诡异了，吓得我心惊胆战
有人能回答我这个问题吗?如果起始化合物是外消旋的，那么产物也是外消旋的吗?)
是的，有两个注意事项:1)你的试剂是非手性的，2)反应不会导致任何立体异构体的破坏。作为后者的反例，外消旋的2-丁醇氧化会得到2-丁酮，它是非手性分子(不是外消旋的)。
非常感谢
我还有最后一个问题。
异硫脲酮从反应中分离出来，然后用氢氧化钠在乙醇中处理。在碱催化异构化的平衡条件下，pulegone是最受青睐的产物，在检查后，作为原油被分离出来(为什么pulegone，而不是异pulegone，在这个平衡中更受青睐?
我还有最后一个问题。
异硫脲酮从反应中分离出来，然后用氢氧化钠在乙醇中处理。在碱催化异构化的平衡条件下，pulegone是最受青睐的产物，在检查后，作为原油被分离出来(为什么pulegone，而不是异pulegone，在这个平衡中更受青睐?
如此之大!我希望我能早点找到这个网站!
很高兴你发现这个网站有帮助，塞布丽娜!谢谢你过来!
是否有外消旋混合物有什么关系呢?只对化学家重要吗?因为当Primatene Mist从世界上消失时，唯一的哮喘OTC药物现在清楚地写着“外消旋肾上腺素”为什么?谁在乎呢?为什么要在标签上写?在药品生产中是否存在功能性差异?毕竟，我们不会用“……的异构体”来形容所有的药物和异构体(仿制药之间的区别通常是异构体，尤其是在精神病学中，它会影响人们，尽管人们认为这无关紧要)。那为什么哮喘药上写"外消旋"呢?
嗨,塞尔玛
好问题。简单的回答是:制造外消旋体更便宜，而且几乎同样有效。
下面是更长的回答
肾上腺素有一个手性中心，因此可以作为一种或另一种光学异构体或“对映体”存在。说到药物，对映体通常具有非常不同的药用特性。典型的例子是沙利度胺(其中一种对映体治疗晨吐，另一种导致出生缺陷)，但这甚至是当今市场上常见的药物，如抗抑郁药西酞普兰(西酞普兰)，其中一种对映体比另一种更活跃。
对映体存在不同的有效性，因为你的酶和蛋白质，例如，也作为单一的对映体存在，就像左手适合左手手套而右手不适合一样，每个对映体在蛋白质的活性位点上都有不同的“适合”，导致不同的效果。
像任何其他产品一样，药品制造商必须注意成本，特别是在像肾上腺素这样的非专利保护药品的情况下。
虽然可以制造纯“D”或“L”形式的肾上腺素，但这增加了生产过程的额外成本。将其制成“外消旋”版本(DL)通常更便宜。在大多数情况下，它是同样有效的。
以肾上腺素为例，维基百科告诉我，L型是活性成分，D型是非活性成分。只要D形式是不活跃的，没有实际危害，制造外消旋形式更便宜，只需要使用纯L形式的两倍剂量。
唯一需要担心的是另一种对映体是有毒的。沙利度胺就是典型的例子。在肾上腺素的情况下，这不是一个问题。
我希望这对你们有帮助
詹姆斯
当我在纽约州立大学石溪分校攻读有机化学硕士学位时，“镜像”分子不是外消旋体就是立体异构体。不管名字是什么，事实是，当你买了一瓶1000毫克的维生素E，也就是D,L-生育酚醋酸酯有一半会在体内保持不变。没用，但如果把维生素E的成本分开，将接近一个小国的GDP。
太好了，这教会了我。谢谢。
好的，谢谢Nabulime。
两个对映体具有相同的沸点和熔点