立體化學命名法；外消旋反應和離析

講座二十八

1949年酒石酸中實際原子排列的確定，驅動了立體化學命名法的改變，從費雪1891年的（D，L）族系命名法，演變到以習慣上取代基優先順序為基礎的CIP（R，S）系統命名法。構型異構物可藉由外消旋反應和差向異構作用而互相轉換。純鏡像異構物可藉由叢晶體的選擇性結晶，或形成暫時非鏡像異構物等離析方法，從外消旋混合物中分離出來。

講座二十八：立體化學命名法；外消旋反應和離析

    第一章：不明確的D∕L族系命名法 教授：好，今天時代雜誌刊登了一篇臨床試驗報告，跟我們上週五談論的是同一類議題，內容跟司他汀類藥物有關，類似於立普妥－這是一種不同的藥物，Crestor，但他們報導的是，這項18000人參與的研究－所以這是一個非常大型的臨床試驗，似乎顯示它有助於使膽固醇不高的人減少一半罹患心臟病的風險，但會產生另一種與C -反應蛋白，CRP有關的風險。今天早上的報導內容是：「正如許多臨床試驗，這項Jupiter研究由一家製藥公司贊助，此項研究由AstraZeneca公司贊助，製造這種試驗中的藥物－瑞舒伐他汀，商品名稱為Crestor，」然後它寫著：「Ridker博士，CRP測試的共同發明者說，他第一次為這項研究申請聯邦融資時遭到拒絕，他及其他接受本文採訪的科學家，包括Nabel博士、Gardner博士和Wolfe博士，擔任司他汀類藥物製造商顧問，或接受其提供的研究經費。」我想我應該說，司他汀類藥物製造商偶爾也會提供我研究經費，但不是因為這類的研究。 好，所以這很有趣，跟我們即將討論的內容有關，但具體來說我們現在討論的是命名法。上次我們談到構成命名法，即人們針對鍵的性質及排列順序所制定的命名規則，但因為原子在空間中的排列也很重要，你必須能為立體化學結構命名。現在我們感興趣的是構型立體化學，只有打斷鍵結才能使結構改變的化合物，對嗎？然而，如我們很快就會談到的，改變構象異構物不需打斷鍵結，所以通常容易得多。 因此構型異構物，包括我們一直談論的酒石酸，它們擁有這些物理性質，一個擁有與眾不同的熔點，另外兩個的熔點相同，但這兩個不同處在於使偏振光旋轉的方向，因此第一種是內消旋化合物。現在我們該如何命名這些東西？一種方法是根據你觀察到的現象命名，所以有時這兩種酒石酸是鏡像異構物－彼此互為鏡像，但無法重合，有時它們被標示為小d或小l，代表dextro或levo，意味著右旋或左旋，代表它們使偏振光平面旋轉的方向，可由實驗觀察得知。 所以其中沒有深奧難解之處；或者可以標示為＋或－，意味著它們使光右旋或左旋，這些都代表完全相同的意義，對嗎？dextro和＋；levo和－，有時人們同時使用兩種名稱，但這是多餘的，這些都代表它使光旋轉的方向，因此它只是描述這個現象，因此其中沒有任何不明確之處。這是一種相當好的命名方式，但它無法告訴你該用何種模型顯示這些分子，哪些分子彼此互為鏡像，你只知道它使光旋轉的方向，所以這是一種現象。但還有其他跟我們所畫的費雪投影有關的命名法，明確顯示出它是何種鏡像，所以這個相當清楚。這個分子有一個鏡像－它本身的鏡像，有一面鏡子通過分子當中，因此上方是下方的鏡像，它是本身的鏡像，這顯然是一個內消旋分子，對嗎？但其他的呢？其中一個可能看起來是這種或那種鏡像，但是否有任何已知的基本資訊可以告訴我們，哪一種可以使光向右旋轉，哪一種可以使光向左旋轉？我可以告訴你們，我無法確定，我認識的大多數人－事實上幾乎我認識的每個人都無法確定，但也有少數人認為他們可以確定，我們很快就會談到其中一個，星期三的時候。但無論如何，這是一個問題，這就像－這些應該代表右旋和左旋、d和l分子，或那些？哪個代表哪一種？ 好，費雪認為我們必需為這個命名，我們必須能畫出圖形，然後猜測它屬於哪一種鏡像分子，他發明了一個新命名系統，根據的不是現象，而是genealogy（族系），也就是合成。你取一種像甘油這樣的化合物，它是小d和＋，d和＋代表什麼意思？ 學生：同樣的東西 教授：對這個來說？假設有一瓶擁有這種結構的甘油，對嗎？我們將它標記為d -（+），這是什麼意思？Zack？ 學生：它使光向右旋轉嗎？ 教授：它使光向右旋轉，但我們不知道如何繪製其正確結構，對嗎？它的結構或它的鏡像。所以這裡的d和+，記得嗎？是多餘的，它們都意味著使光向右旋轉。但費雪進一步將這種甘油定義為大D，大D和小d有所不同，大D是他使用的名稱。這種大D -甘油，他猜測－使光向右旋轉這種，他猜測它擁有這種結構，以費雪投影繪製時是這種結構，所以這只是一個猜測。所以他說，這給了我們一個起點，這種我打算稱它為大D的甘油，我猜測它擁有這種結構，我可能完全猜錯，對嗎？它可能是另一種，但我們不妨就這麼猜測，這樣我們就能討論關於它的一切，所以你能討論什麼？你可以進行一個多步驟合成，其中箭頭連接的是相同的碳，也就是說，你以化學反應重新合成分子上半部，即綠色部分，所以CHO變成較複雜的原子團，但你使底部的碳保持不變，因此它在酒石酸中跟在D -甘油中相同，無論那是什麼。我們猜測的是OH在右側這個，大家都瞭解我說的，瞭解他的猜測嗎？所以現在，如果你可以製備這種酒石酸異構物－從D，大D -甘油製備，然後你說這是D -酒石酸，因為你可以從D -甘油將它製備出來，有任何問題嗎？所以它會類似於你的反應起始物，如果你可以從D型化合物將它製備出來，你稱它為D型化合物，它的鏡像是L型化合物，大L，Claire？ 學生：他只是交換綠色方形中的原子團嗎？我不太瞭解那個箭頭。 教授：交換－底部綠色方形中的原子團變成上方綠色方形中的原子團，顯然你必須另加一個碳，還有幾個氫和一些氧，所以你必須做一些化學轉換，但重要的是上方原子團的改變，箭頭連接的是完全相同的碳。 學生：是的 教授：對嗎？所以你知道這個的結構，因為你知道它來自哪一個族系，所以根據費雪投影，你會稱這種酒石酸為大D，但你們看得出這種命名法有何缺點嗎？請說，Sherwin？ 學生：它有賴於分子的結構，你對他顯示的結構有多少瞭解。 教授：好，當然它也可能完全錯誤，我們所認為的分子可能是其中任何一種鏡像，對嗎？這顯然是個問題，費雪早已心知肚明，但也許我不明白你的問題－是嗎？ 學生：是的，這就是我所說的。 教授：好，有人知道還有什麼缺點嗎？Sam？ 學生：大寫D無法善加描述結構。 教授：它顯然無法描述結構，除非－除非你知道d -甘油的結構，它才有描述作用，但它無法單獨描述結構，這只是一種相對描述，對嗎？這只是相對於d -甘油結構的描述，你必須知道這個相對性如何運用。例如某人可能會進入一間實驗室，想要由d -甘油製備出酒石酸，另一個人可能會做什麼？ 學生：將它製備成不同形式 教授：Lucas，我聽不見 學生：將它製備成不同形式 教授：將它製備成不同形式。所以某人可能將這個碳置於上方這裡，改變棕色部份，對嗎？你可能會做其他形式的轉換，改變底部的碳，上方的碳保持跟甘油中相同的位置，對嗎？在這個例子中，它會－左邊那個將被命名為大D，如果你製備成這種形式的話，大家都瞭解嗎？族系會有所不同，對嗎？因此存在一個基本問題－大D∕大L代表的意義並不明確，缺乏一些合成步驟細節，或人們對於製備成哪一種形式的協議，對嗎？所以它沒有－它本身不具任何意義，你必須確實知道該如何進行轉換，所以這是一種相當麻煩的命名方式，但這是六十年前發明的方法，對嗎？這些以大D和大L表示的名稱，例如用於糖和氨基酸的命名，對嗎？它是一種相對名稱，根據猜測而得。 第二章：酒石酸原子排列之發現及符號優先順序 但在1950年，情況改變了，因為在1950年，一位名叫Bijvoet的人－一位烏得勒支的X光繞射晶體學家，事實上他在凡特荷夫實驗室工作。在凡特荷夫於1874年進行研究的同一棟建築中，Bijvoet確定了銣鈉鹽的晶體結構。記得嗎，酒石酸中有兩個羧基，所以這是d（小d）-L-酒石酸鹽的銣鈉鹽。小d代表什麼意思？Andrew？ 學生：它使光反射－ 教授：它使偏振光平面向右旋轉或扭轉。大L代表什麼意思？Allison？ 學生：之前我們說它使光向左旋轉 教授：我聽不太清楚 學生：之前我們假設它使光向左旋轉 教授：不，事實並非如此，或也許我不明白你所說的「之前」代表什麼意思。 學生：就像我們剛剛用費雪投影所討論的模型。 教授：是的，這是我們用費雪投影所討論的，他能從l -甘油製備出這種酒石酸，從我們之前提過的那種鏡像異構物，因此它與l -甘油這個特定分子的合成有關，所以d和L兩種表示法不會衝突，對嗎？它使光向右旋轉－以小寫字母表示，但它的族系與l -甘油有關，對嗎？但他使用一種非常特殊的X光繞射技術，名稱為非尋常散射，我們目前沒時間討論這一點，但它能準確顯示原子的方位，這是他繪製的圖形，對嗎？因此顯然頂端是C和兩個O，對嗎？一個羧基，底部有一個羧基，中間兩個碳分別連接一個H和一個O，O是有小點的，所以你看得出它是什麼，你繪製的方式－他繪製的方式清楚顯示哪個鍵朝你伸出，哪個鍵向後伸展。 現在這是費雪年60前對L-酒石酸鹽的猜測－他所謂的L -酒石酸鹽，費雪的猜測是對是錯？頂端那個連接OH的碳如何？那個HCOH，它跟Bijvoet發表的模型是否相同？它們是否一致？是的，它們是一致的，OH朝你伸出，朝向右方，與費雪圖形中頂端的碳一樣，大家都看得出來嗎？底部的碳呢？底部的碳在費雪圖形中是朝左，在Bijvoet模型中是朝右，這裡這個，對嗎？它從這個碳上向右伸展，在費雪的圖形中它是朝左伸展，它們是不一致的嗎？ 學生：不 教授：有人說了什麼嗎？它們是否一致？ 學生：一致 教授：Seth，你認為呢？費雪畫在這裡的鍵代表什麼意思，這個CH鍵？這個H是朝你的方向伸出，還是朝後伸展？Seth？這裡顯示的費雪投影，其中有垂直鍵和水平鍵，哪個是從這個碳上朝你伸出？好的，還有別的想法嗎？請說，Kate？ 學生：在費雪投影中，這些鍵會朝白板內伸展。 教授：哪些鍵？ 學生：碳－碳鍵 教授：碳－碳鍵會朝白板內伸展，這是費雪表示法，沒錯。 學生：因為他使鍵扭曲，所以其它鍵會朝白板外伸出。 教授：是的，因此這兩個鍵會朝白板外伸出。那Bijvoet的圖形呢？以第二個碳來說－這是第一個，這是第二個。 學生：OHCs會朝白板內伸展。 教授：啊哈！因此要使它像費雪圖形，你必須將它旋轉，使它朝白板外伸出，所以它們確實是一致的，對嗎？只是Bijvoet是以實際結構繪製而成，費雪的圖形是使用這些橡膠鍵繪製，你必須將它彎曲才能得到這個圖形，但它們擁有相同結構，所以費雪是正確的。所以這些60年前繪製而成的結構是正確的，對嗎？它們也可能－它們有一半的機會可能繪製成另一種形式，但感謝上帝，他是正確的，所以我們不需回頭修正一切，找出哪些圖形是在1950年之前或之後繪製的，請說？ 學生：但你不認為如果你旋轉這個分子，OH不是會變成，就像是每一個－他所畫朝白板外伸展的鍵，不是會向內伸展嗎？ 教授：好，如果你以垂直線為軸，將這個分子旋轉180度，那麼這個碳－以我們感興趣的碳來看，這個碳將朝白板內伸展，這個碳將朝白板內伸展，這是它們的方向，對嗎？但在旋轉過程中，這個朝後及朝右伸展的OH在繞著垂直軸旋轉180度後，會變成朝前及朝左伸展，這就是費雪投影所繪的方向。 學生：所以另一個OH會朝內伸展嗎？ 教授：是的，但你不在意這一點，這只是顯示分子的構型，對嗎？當你將它旋轉時，是的，這些原子將會朝另一個方向，但重點是費雪投影的結構是正確的，以每個碳伸展的方向及形成四面體的方式來說。好，所以這沒問題，然後Bijvoet寫道，或在同一篇論文中，他寫道：「命名法問題超出我們的研究範圍，」（他做的只是以X光繞射找出原子方位）「命名法問題現在涉及了已知構型」（現在你知道你想顯示的是哪一種）「並需要一種能顯示這些構型的表示法，以一種明確的、如果可能的話，能自我表達的方式。」所以你不需要知道如何合成或其他訊息。現在你知道它真正的模樣，對嗎？你打算為它取什麼名稱，讓人們得以瞭解，只從名稱就可得知它的構型。 現在這個想法與為包含雙鍵的構型命名有關，因此我們首先來看要如何做到這一點－事實上這是第二個步驟，然後我們再回頭來看，他們如何為四面體碳的構型命名。所以這是來自蘋果的蘋果酸，結構顯示在圖上，如果你將它加熱，會失去水而形成一個雙鍵，但你會得到兩種異構物－順丁烯二酸及反丁烯二酸，你們應該記得，我們之前看過，凡特荷夫用他的模型做出這些分子的結構，其中一種有兩個相鄰的COHs，另一種的COHs則是彼此遠離；我們也可以用這種方式繪製，左邊是彼此相鄰的，右邊是彼此遠離的，如果你進一步將這些分子加熱，左邊那個會失去水而形成酸酐，但右邊那個不會，為什麼右邊那個不會？非常明顯，Russell？ 學生：它們相距甚遠 教授：它們相距甚遠，所以你知道哪一種彼此相鄰，哪一種彼此遠離，因此這個實驗證明了它們屬於哪一種異構物，不像在右旋及左旋例子中那麼困難，你得使用這種相當特殊的X光繞射技術，因此已知順丁烯二酸就是可形成酸酐的異構物，因此它們在同一側，它被稱為cis（順），意味著在同一側，另一種被稱為trans（反），意味著跨越，所以對這兩種脫水蘋果酸的異構物來說，這是一個非常好的命名法。順丁烯二酸是順式，反丁烯二酸是反式，因此這些命名法使用了很長一段時間，但它們並非真正好的命名法，你可以由這個分子看出其中原因，你會稱這個為順式還是反式？同側或不同側？Andrew，你認為呢？ 學生：我不知道 教授：另一個Andrew，這是我們命名法的問題。 學生：我認為是反式 教授：你說你會稱它為反式？ 學生：我想我可能會稱它為－ 教授：這裡這個 學生：好，那個，我會稱它為順式 教授：為什麼？ 學生：因為CH_3 教授：因為CH_3彼此相鄰，所以你可能會稱它為順式。另一方面，如果你想描述這一端與酸的關係，你會說它是反式，對嗎？因此這意味著它－以絕對命名法來說，很難一概而論，因為你必須知道你選擇哪一個來判斷它是順式或反式，它對討論相對構型來說是沒問題的，描述左邊的甲基與右邊的甲基是順式，或描述左邊的甲基與右邊的COOH是反式，這沒問題，但若談到分子本身是順式或反式時，你必須知道談論的是右側哪一個取代基，所以還有另一件事必須有所協議之類的。人們決定的做法是這樣－你將原子團放在每一端，觀察一端，再觀察雙鍵的另一端，然後決定優先順序，所以我們打算賦予某個原子團較高的優先權，這就是我們要使用的名稱。所以你可能根據什麼來決定原子團的優先順序，決定哪個原子團較為優先，CH_3或H？你認為哪一個應該比較優先？ 學生：CH_3 教授：CH_3，好的，這一端呢？CH_3或COOH，哪一個比較優先？ 學生：COOH 教授：為什麼？ 學生：它比較重 教授：它比較重。好的，現在我們思考一下要如何進行。因此我們以原子序，或原子量來決定，如果我們有兩種不同的同位素，對嗎？但我們不會將其中所有原子團的原子序相加，也就是說，我們不會將C和O、O和H和C和3Hs全部相加。為什麼不將它們全部相加，看看哪一個有較高的總原子序？這會有什麼問題？這是非常明確的。 學生：太麻煩了 教授：將這些全部加總太麻煩、太繁瑣了。所以你打算使用什麼規則？ 學生：尋找差異處 教授：你會繼續前進，直到遇上差異處，繼續前進，直到遇上差異處，一旦你遇上差異處就停下來，這樣就不需考慮其他部份。好的，所以第一個差異處，跟我們上次所說的編號方式相同，對嗎？好，在這兩個例子中，左側直接連接的原子是碳相對於氫，碳較為優先，因為有較高的原子序；在右側，開始出現不分軒輊的情況。順帶一提，我們必須處理雙鍵底部的COOH，對嗎？你進行的方式只是依照慣例，沒有任何－上帝沒有寫在告示牌上，對嗎？這是－當其中有一個雙鍵時，你只是假設有兩個原子；只是假設而已。 好，所以現在我們將頂端與底部做比較，如果我們進行第一步，碳相對於碳，是勢均力敵的局面，因此我們得進行下一步。當我們進行到下一步時，看見左邊是氧相對於氫，對嗎？氧的原子序較高，我們不需再繼續前進，我們已經找到一個差異，所以不管其它的，大家都明白嗎？好，所以我們可以說左邊是反式，右邊是順式。然而，人們60年來，或以這個例子來說，在更長一段時間中，一直使用這種順式及反式的名稱來代表不同分子；有時我們同意這種命名，有時不同意，你使用的是1950年之前或之後的命名法會造成很大混淆，至少有一半化合物是錯的，對嗎？所以順反式命名法已受到之前用法的污染，因此我們必須有新的命名法，請說，Lucas？ 學生：你不是真的有－在雙鍵的第二部分，以取代基來說，它本身也有順式或反式。 教授：你將所有鏡像－你也可以將這些重覆命名。 學生：好的 教授：好的。好，所以這個名稱是使用德國字源，因為這是一位來自瑞士的傢伙發明的－entgegen，意味著相對；而右邊那個，所以當它們是反式時，當它們在彼此對面時，以E代表；當它們彼此相鄰時被稱為一起，zusammen，以Z代表。我一直認為這個名稱不是反過來的很可惜，所以我希望這不會讓你們混淆，因為這些是在同一側，這些是在不同側，對嗎？但這只是跟原來的相反，所以只要記得這是不幸的就好，對嗎？所以Z指的是一起，E表示分開。好，這是我們在這裡使用的命名法。 好，現在注意，在決定優先順序部份，如我們所說的，只是解釋起來有點冗長，你一次觀察一個差異處，所以當碳相對於碳時，我們看到不分軒輊的局面，當它是三個氧相對於三個氫時，顯然頂端的獲勝。但現在我們來看這個例子。好，現在碳相對於碳，這是一個平局。我們進行下一步－三個氧贏過一個碳和兩個氫，對嗎？但底部也有氯，對嗎？氯才是真正優先的，對嗎？但它是不相關的，因為已經做出決定，所以你尊重較早的決定，對嗎？你只前進到所需之處，找到一個差異即可。好，我想我們說得夠多了。 第三章：Cahn-Ingold-Prelog優先命名法 現在，這些是發明手性命名法的傢伙，就是所謂的CIP優先命名法。C是指R.S. Cahn，I是指C.K. Ingold－兩人都來自英國－P是指Vladimir Prelog，他來自瑞士，雖然本籍是南斯拉夫。現在，這些是－很多人，特別是合成化學家認為，Robert Robinson和R.B. Woodward是20世紀最偉大的有機化學家，他們倆都認為自己或許是最偉大的那個，對嗎？所以我很喜歡這張由Jack Roberts拍攝的照片，當他們大約在同一時期參加麻省理工學院研討會時，因為他們有點不願正視對方，對嗎？Robinson在看什麼？Robinson在看Ingold，他們相當鄙視對方，對嗎？Ingold和Robinson對彼此沒有好感，Prelog在他的自傳中說明了其中原因。他在蘇黎世機場遇見Robinson，Robinson正準備前往以色列參加會議。 Robinson：「哈囉！Katchalsky，你在蘇黎世做什麼？」 Prelog：「對不起，Robert爵士，我只是Prelog，我住在這裡。」（Prelog也獲得了諾貝爾獎）「我只是Prelog，我住在這裡。」 Robinson：「你知道，Prelog，你和Ingold發明的構型符號全都錯了。」 Prelog：「Robert爵士，它不可能是錯的，它只是一個協定，你可以選擇接受或不接受。」 Robinson：「好吧，如果它沒有錯，也絕對是不必要的。」 對嗎？所以，總之這張投影片的重點是，它是一項協定，沒有對錯問題，這是他們提出，而人們願意接受的規則，這就是你如何為一個對掌碳的絕對構型命名的方法。為了好玩，星期三時你可以試試這個練習，回頭來看這篇中世紀手稿，使用其中圖形，設計你自己的設定，來描述對掌性。所以你可以把自己當做Cahn、Ingold和Prelog。好，所以這是關於對掌中心的Cahn-Ingold-Prelog R/S系統命名法，首先你必須決定這些碳中的每一個－它們彼此互為鏡像，你看得出來哪個原子有什麼樣的優先順序，因此我們先從左邊開始。在中心碳上，哪個取代基有最高優先權？其中有四個取代基，哪個有最高優先權？ 學生：OH 教授：哪一個？ 學生：OH 教授：Zack？ 學生：我認為是OH 教授：OH，是的，O擁有最高的原子序，最低的是什麼？ 學生：H 教授：H，對嗎？其中也有一個D，它們的原子序相同；氫和氘哪個應該擁有較高優先權？ 學生：氘 教授：氘較重，如果是同位素，你選擇較重的，好，所以這是1、4、3、2，對嗎？這是優先順序；右邊也是一樣。所以現在我們必須決定它們是否－哪一個稱之為右，哪一個稱之為左。你進行的方式，其中一種方法是，以這個模型來說，我將它的鍵畫上紅、黃、綠、藍，紅、橙、黃、綠、藍，對嗎？依光譜順序，紅、黃、綠、藍，我用一條螺旋將它們連接起來，像這樣。現在，這是習慣上稱之為右螺旋和左螺旋的東西嗎？你知道，如果你觀察它，如果我將它像這樣扭轉，它會向這個方向移動，對嗎？所以有所謂的右旋和左旋螺絲，原因是－你知道，主幹連接支幹那一類的事，你手臂放置的方式，對慣用右手的人來說－像這樣轉動螺絲較容易，對嗎？所以這是習慣上所謂的右旋螺絲，所以你會稱它為右式，對嗎？ 現在，如果你不記得如何轉動螺絲起子，你可以看－你可以用手試試看，你將拇指沿著最低優先原子的方向開始，以這個例子來說是H，因此它向外伸出白板，對嗎？然後你將手指屈起，對嗎？然後你注意到它沿著1、2、3、4旋轉，所以左邊這個是左式，大家都瞭解我是怎麼做的嗎？屈起你的手指，它們沿著1、2、3、4旋轉，對嗎？所以這是一個左式分子。右邊這個－如果你這麼做，你－所以是這樣，你稱它為－不是左，而是S－代表拉丁文的sinister（左邊），因此它不會與D和L等已使用的符號混淆，這是一種新命名方式，所以這個是S。右邊這個，如果將拇指向後朝著H，然後屈起手指從1到2到3旋轉，對嗎？所以這個被稱為R，代表rectus，拉丁文的右邊，對嗎？ 現在還有另一種－有很多方法可以瞭解這一點，如果你不喜歡這麼做，可以這麼做；假設這是一個汽車方向盤，H朝後伸向裡面，對嗎？所以我在這裡－右邊這個－我坐在這裡，像這樣開車，H朝遠離我的方向伸展，大家都明白嗎？我注意到我沿著1、2、3的方向轉動，對嗎？這會使車子向右轉，大家都瞭解嗎？所以這個會使車子向左轉，如果我將方向盤從O到C到D轉動，對嗎？所以這個是左轉，這個是右轉，所以你用哪種方法都可以，我保證在一些測驗中，當我觀察一些人寫考卷時，他們會像這樣，對嗎？因為這是個方便的方法（笑聲）用手（笑聲）。好，所以我們用酒石酸試試看，在這裡我們以酒石酸頂端的碳來看，對嗎？所以我們得決定這些原子團的優先順序，這是一個，還有另一些等等，哪一個有最高優先權？ 學生：OH 教授：OH是最高的，對嗎？O是最高的，現在我們看到有兩個碳勢均力敵，哪個會獲勝，頂端或底部的？ 學生：頂端的 教授：Kate，你說是頂端的嗎？為什麼？ 學生：平分秋色 學生：因為它有－好，我們可以假設有三個氧，底部那個有一個氫、一個碳和一個氧。 教授：只有一個氧，對嗎？因此頂端那個有－不是更多的氧，但它的氧較為接近，對嗎？所以我們不需繼續進行下去，所以這是1、2、3、4。好，現在讓我看你們的手動起來，將拇指沿著H，H前進的方向，然後屈起你的手，1、右、上、下，1、2、3，然後告訴我它是右式還是左式？對嗎？多少人認為是左式？多少人認為是右式？這是民主表決，右式得勝，它也是正確的。好，這是1、4、2、3，好，那個，它是右式的，底部那個也是右式，為什麼我不需要花很多時間讓你們做這個，底部那個？為什麼如果你知道頂端那個，底部那個也會一樣？因為你可以將它旋轉180度，它會是相同分子，這會將頂端的變成底部的，所以無論頂端是什麼，底部也會相同。所以它的名稱，在括號中的（2R，－碳2是R；碳3也是R），然後是破折號（-），2, 3 - 二羥基丁二酸。 好，所以現在我們有一個可用來命名的方法。注意，這是進入新化學大樓的大門，就在前景街，上面有一些跟化學不同分支有關的東西。這上面是一些連著螺旋的四面體碳，說明它屬於何種手性，其中有右式也有左式，好的。 第四章：外消旋反應及差向異構作用 現在來談外消旋反應。如果你以一個分子開始，也許是來自然界的，全都擁有同一種手性，例如來自牛奶的乳酸，（R）-乳酸，有些反應過程可將它轉換成50:50的R和S混合物。例如，假設有一個鹼，可以將它的一個氫拉離，我們可從這個鹼分子上拉離哪一個氫？有人知道嗎？這裡最具反應性的官能基是什麼？ （學生此起彼落發言） 教授：或另一種說法，這是一個高HOMO，低LUMO是什麼？好，這裡有幾個低LUMO，C＝O雙鍵，π*軌域，這是很好的選擇，對嗎？然而，它不會有任何實質改變，你可以把它放上，然後再次拉離，對嗎？或這裡有σ* OH，但這裡也有σ* OH，但這個比較好，因為它在π*旁邊，對嗎？因此這－這就是為什麼它被稱為酸，你們已經瞭解這一點。它可以失去H +，得到下面這個分子。好，它會不斷地連上然後脫離，很長一段時間，這沒問題，沒什麼特殊之處，但偶爾你會－這很簡單，偶爾你可能會將不對的氫拉離，你可能會將這個拉離，對嗎？所以這不是那麼容易，但當它發生時是很有趣的。有兩個原因，其一是，它不像你所想的那麼糟，因為它與這個π*相鄰，意味著這個空軌域可以穩定這個高HOMO，對嗎？這意味著你可以畫出這個共振結構，其中有一個雙鍵，因此這不容易，但也不是那麼難。 一段時間後，它會變成這種共振結構，通常它會再變回原樣，對嗎？但特別有趣的是－好，就像註腳中的圖形一樣，可能兩個氫都被拉離，但形成兩個陰離子是極不尋常的事，它的能量很高，因為你把這麼多電子放在彼此附近，對嗎？但跟我們目的有關的是，這個分子是平面的，所以它不具手性，這個當中有一個對掌碳，但這個沒有不對稱碳，沒有對掌碳，因此這個，中間這個，既不是右式也不是左式，所以如果你從某種既非右式也非左式的分子開始，你可以反過來把一個氫放上，這個氫從螢幕前方而來，前進到有負電荷的地方，會變回左邊這個分子，但氫也可以從螢幕後方而來，連上相同的碳，會形成右邊這個分子，變成（S）-乳酸，所以經過很長一段時間與鹼一起加熱後，你可以將一種全是R的分子變成50:50的R和S混合物，這個過程被稱為外消旋反應。它為什麼會被稱為外消旋反應？因為它會形成一種外消旋混合物，從某種純物質變成50:50的混合物。好，這很有趣。 但或許更有趣的是－好，這只是關於它的一個註腳，如果在這裡－從（R，R）-酒石酸變成內消旋酒石酸，你改變的只是一個氫，這個氫被拉離，然後放到另一側，形成那個分子，所以這不是外消旋反應，你不會得到50:50的兩種手性分子混合物，對嗎？因此它有不同的名稱，就是所謂的差向異構作用，這只是詞彙的不同。但外消旋反應更有趣的是反向過程，從50:50的混合物開始，變成單一種分子，這是剩下時間中我們要討論的主題，在考試之前。 好，所以你從（R，S）開始，將它分離成R和S，放在不同瓶子中，所以你可以取得你想要的分子。好，我們已經談過一種巴斯德使用的方法，所謂叢晶體，是一種晶體混合物，其中每一種晶體都是某種手性分子，但它是這種晶體的50:50混合物，因此淨手性為零，對嗎？但如果你，如果有像這樣的例子－注意，你無法得到分離的分子，如果這種晶體是由右式及左式分子交錯而成，你無法將它們分開，因為你無法將每一個分子彼此分離，對嗎？但如果所有晶體都是右式，一些晶體全都是左式，對嗎？原則上你可以將它們分開，這正是巴斯德注意到這一點時所做的，對嗎？所以你可以將它們分開，有一些方法可以幫助你將這項工作進行的更完美或更容易，當這種晶體－當結晶物全都是右式或左式時，首先是以溶液中的分子開始，只讓其中一種形成結晶，將另一種留在溶液中，然後你只需將它過濾即可，對嗎？你要如何做到這一點？這是因為－另一種方法是使用手性拆分劑，它會防止另一種形式形成結晶，所以只有一種形式會形成結晶。 你要怎麼進行？這是一種溶液中的晶體，假設它正好處於平衡狀態，所以它既不溶解也不結晶，它正好處於平衡狀態，是一種飽和溶液。好，現在這個晶體分子內部非常穩定，因為它們被包圍在完全適合的環境中，對嗎？比它們在溶液中更穩定，表面上的分子不是那麼穩定，因為它們相鄰的分子不是－不全是它們所需的相鄰分子，對嗎？但以平均分子來說，它在溶液中是完全相同的，所以它只是存在於溶液中，與溶液形成平衡狀態。現在，所以這是我們已知的情況，溫度與濃度的關係，所以這種晶體與溶液是完全平衡的，現在假設你有一種較小的晶體，它也會與溶液平衡嗎？如果是較小的晶體？或者你知道其中有任何差異嗎？較小晶體的表面分子佔有較大比例，對嗎？這是什麼意思？表面分子比內部分子更不穩定，如果溶液中這種分子平均來說是完全相同的，所以它只是存在於溶液中，那這種分子呢？這種分子比溶液中的分子更不穩定，所以它會如何？ 學生：它會溶解 教授：它會溶解。好，所以小晶體會溶解，這種晶體只是存在於溶液中，因此它會逐漸消失，因此隨著時間過去，它會越變越小，表面產生變化，那這個呢？會發生什麼情形？ 學生：它會成長 教授：它會成長。因為它在溶液中較穩定，對嗎？賓果！所以這個會成長，小晶體會縮小，中間這個被稱為亞穩態，我們將它定義為穩定狀態，只是存在於溶液中，對嗎？但它是亞穩態，如果它變得較小就會萎縮；如果它變得較大就會成長，對嗎？所以你必定會得到一種大小是這樣的晶體，稱之為「臨界體積」，在晶體成長之前，對嗎？所以這提供了一種只讓一種形式成長的方式，你取一種含有50:50外消旋體的溶液，對嗎？但其中沒有任何足夠大的晶體能進行成長，你知道你能做什麼嗎？你在其中加上一點小粉末，對嗎？取兩種形式其中一種的粉狀晶體，但使它們大到足以成長，因此只有那些晶體會成長，然後你可以將它過濾，得到其中一種晶體，這是在工業上使用以得到其中一種形式的方式，分離兩種形式；這是一種離析法。好，另一種方法是添加拆分劑，它會吸附其中一種晶體，防止它成長。好，這是一種在工業上及實驗室中實際使用的方法，另一種方法是形成暫時非鏡像異構物，因為記得嗎，右式和左式是鏡像異構物，所以幾乎所有性質都相同，例如溶解度，對嗎？但假設你在其中加入其他東西，像是－我們握個手，Josh，感覺正常嗎？ 學生：不 （笑聲） 教授：感覺很怪，對嗎？ 學生：很怪 教授：這感覺很好，因此右式和右式與右式和左式不同，對嗎？這是不同的性質，對嗎？所以，如果我製備非鏡像異構物的方法是將某些其他東西加入這些分子中，它本身只有一種手性，像是右式，現在我有右式與右式反應的產物，及右式與左式反應的產物，這些新產物之間有什麼關係？它們是鏡像異構物嗎？右式與右式，右式與左式；現在我將RR與RS比較，它們有什麼關係？它們是鏡像嗎？ 學生：不 教授：不，它們不是鏡像，它們完全不同，溶解度不同，沸點不同－一切都不同－不同的反應性，對嗎？因此，根據這個，我可以將它們分離。但如果我這麼做，現在我可以將所添加的東西移除，在分離過程後，我可以回頭來分離原始的東西，對嗎？因此這是暫時異構物。還有一種方法是色層分析法，所以我放入層析管中的可以是同一種手性的分子，我放入新的東西－之前的是管柱填充物，現在我將溶液注入管中，其中一種的吸附力比另一種強，不像它流動的那麼快，因此其中一種會較快流到管柱底端，這是一種製備暫時異構物的方法，或製備一種能拆分手性分子的化合物。 好，例如這個是我們之前看過的丙二烯類化合物，證明凡特荷夫是正確的，這就是它如何離析、如何分離的方法，所以頂端寫著他們使用生物鹼。生物鹼是一種由植物萃取的有機鹼，植物只會產生其中一種手性分子，所以你用它來製備非鏡像異構物鹽，其中含有右式和左式酸的外消旋混合物，所以現在你有兩種鹽－右右鹽和右左鹽，它們有不同的溶解度，你可以使它們結晶，因此這是實驗過程；這是番木鱉鹼；其中一種生物鹼，你可以看見它有這些中心，對掌中心，所以它是對掌性的，只有一種手性，因為你是從大自然中得到的。現在你將4.7克酸和5.2克番木鱉鹼混合，這意味著大約是1:1的比例，所以你得到兩種鹽。現在你使它結晶，得到一種固體鹽，重量是4克，意味著產率是42％，對嗎？大約得到一半的產物，然後你將這個東西－你使它再結晶，確保它的純度，得到這種鹽，熔點不會改變，它已經是純物質。將它加入鹽酸與乙醚後搖晃，分離出其中的酸。現在你得到這種酸，熔點是145至146度，旋光度為＋29.5度，然後你使它再結晶，這不會使它改變，得出這種純物質，結果證明這是另一種物質，熔點是144至146度，所以基本上它擁有相同的熔點，但旋光性正好相反，因此他們設法將它分離，藉由製備一種非鏡像異構物鹽－所以它們有不同的溶解度－然後再次分離這些鹽類。巴斯德想出一個進行這種離析的方法，在這個故事中，但我懷疑這不是真實的故事。 現在我要在這裡停下，但我們將會有－星期三所上的大部分內容都不包括在考試中，但我可能在考試中多加一點今天講的，我會在星期三談到這一點，我得想一下要加考多少內容，或許不會加太多，對嗎？所以星期三見，星期三所上的大部分都不考。 2008年11月10日