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第二章 立体化学 (Steric Chemistry) 立体化学 分子结构 一. 对映异构 （一）分子的对称性 对称要素 对称分子 非对称分子 不对称分子 （二含一个手性中心的分子 手性中心为碳原子的分子 手性中心为氮原子的分子 手性中心为其它杂原子的分子 （三） 含两个（或多个）手性中心的分子 赤藓型 苏阿型 非对映异构 体 (Diastereomers) 内消旋体 (meso-) （四 环状化合物的对映异构 （五）不含手性中心的手性分子 （六） 前手性分子 （Prochiral Molecules) （七 不对称合成 (Asymmtric Synthesis) 二. 顺反异构 (Cis-Trans Isomerism) 立体化学 原子或原子团在分子中的排列形式 原子在空间的成键形状和顺序 由此引起的物理性质、化学性质 的变化 分子 结构 (Structure) 分子构造 (Constitution) 分子式相同，原子的成键顺序不同。 碳骨架异构 互变异构 官能团异构 官能团位置异构 分子构型 (Configuration) 对映异构 非对映异构 分子构造相同，原子或原子团在空间 的排列不同。 顺反异构 非对映异构 分子构象 (Conformation) 分子构型相同，由于单键 的自由旋转，原子或原子 团在空间的排列不同。 构造异构体： 官能团异构： 官能团位置 异构 互变异构： 顺反异构： 对映异构： D-(-)-乳酸 mp: 52.8 L-(-)-乳酸 mp: 53 构象异构： 对位交叉邻位交叉 一. 对映异构 (Enantiomerism) (一). 分子的对称性 对称要素： 1 对称轴 (Cn)： 分子围绕通过分子中心、并且垂直于分子所在 平面的直线旋转一定的角度后，同原来的分子重合， 此直线为一般对称轴。 分子旋转的角度为 360 n 时，称 n重对称轴 (Cn)。 C3C4C5C6 n重：当分子旋转360时，已经重复了 n 次围绕 对称轴的旋转操作。 2 对称平面 (): （1）. 所有的原子共同处于的平面 （2）. 通过分子中心，且将分子平均 分成互成实物与镜象关系的 两部分的平面，相对于某一平 面左右对称 请你各举一例。 如内消旋酒石酸 3 对称中心 (i)：围绕某一午心四面对称，如化合物 (J)即有一个对称中心c 4 交替对称轴(旋转反映轴)：设想分子中有一条直 线，当分子以此直线为轴旋转360/n后，再用一个与此 直线垂直的平面进行反映，如果得到的镜象与原来分 子完全相同，这条直线就是交替对称轴。 返回下页退出上页动画 注意下列定义： （1）具有对称面或对称中心的分子不具有手性 （2）但具有n阶对称轴的分子不能作为判断分子没有手 性的条件 （3）不含有任何对称因素的手性分子叫不对称（ asymmetric) 分子 （4）具有对称轴但不具有对称面与对称中心的手性分 子叫非对称（dissymmetric)分子，而此时的对称轴也叫 手性轴。 由此，不对称分子与对称分子都是手性分子。 （5）凡具有更迭对称轴的分子一般不具有手性 如含一阶更迭对称轴的分子（Si）。含有对称中心的分 子实际上是含有一个二阶更迭对称轴的分子 例： 对称分子 (Symmetric Molecules)： 具有、i、Sn 分子。 非对称分子 (Dissymmetric Molecules)： 请各举一例 不对称分子 (Asymmetric Molecules)： 不含有任何对称要素的分子。 27 D = +42.9 27 D = -42.9 非对称分子 不对称分子 手性分子 (Chiral molecule) 对映体旋光活性 （二）. 含有一个手性中心的分子 （1）手性碳 5 D = +52 5 D = -52 () - 乳酸 在非手性条件下反应产物外消旋体 25 D = -0.56 金刚烷桥头C原子 1, 3, 5, 7位不同基团旋光活性 相当于溴代丙酸 （2）含其它杂原子的手性中心： (3)含三价的手性原子的化合物 两种对映体因快速翻转 相互转化，导致消旋。 27 D = +92.4 D = +16.8 （三）. 含两个（或多个）手性中心的分子 (2R, 3S)(2S, 3R)(2R, 3R)(2S, 3S) D-赤藓糖L-赤藓糖L-苏阿糖D-苏阿糖 1 非对映体 (Diastereomers)： 不是对映体的立体异构体。 结构特征： 至少在一个不对称中心上具有相同的结构， 至少在一个不对称中心上具有不同的结构。 物理性质、化学性质不同 如：(I)与(III)、(II)与(IV) 2 内消旋体 (meso)： 两个相同的手性中心， 构型相反。 (V)、(VI)为内 消旋体的两种表示 例如，2苯基3溴丁烷的Newman投影式、 Fischer投影式、透视式三者的关系可表示为； 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 （四） 构型保持与构型反转 1 构型保留 一个分子转变成另一个具有相同构型的分子，称为构 础保持 (S)l苯基2丙醇与对甲苯磺酰氯反应，生成(S) 对甲苯磺酸(1甲基2苯基)乙酸，底物和产物构 型相同。 2 构型反转 一个分子的构型转变成另一个具有相反构型的分子，称为构型反 转(inversion configuration ) 例如，在丙酮溶液中，(+)2碘辛烷与放射性2*I128(用*I-表示) 的反应 又如 3 外消旋化 旋光物质(左旋体或右旋体)转变为不旋光的外消旋体的过程，称 为外消旋化，外消旋化通常在两种情况下发生 长期放置发生外消旋化 (1)由于反应过程中发生烯醇化从而导致消族化 例 由于反应过程中生成碳正离子而消旋化 如s-2-氯代乙苯，碱性水解生成不旋光的2-苯乙醇 由于反应过程中生成自由基而消旋化 （五 环状化合物的对映异构 反式异构体 对映体对 顺式异构体 对映体对 非对映异构体 非对映异构体 内消旋体 mp: 130 反式 (+) 异构体 mp:175 反式 (-) 异构体 mp: 175 对映体对 内消旋体 反式异构体 对映体对 （六）含手性轴的手性分子 分子的轴上原于不是对称地被取代，而使分子整体产生手性（此 没有对称面与对称中心） 分子中没有手性中心 端位上连接的基团处于 垂直平面 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 二、外消旋体的拆分 化学合成得到的物质往往是外消旋体，而各立体异构体中，往往 是只有一个异构体是具有人们期望的生理活性。所以外消旋体的 拆分具有重大的理论和实际意义。“拆分”是指把一对对映异构体 分开为光学活性的产物。多数情况是在合成过程中的某个适当阶 段，而不一定直到最后一步才进行。外消旋体的拆分效果视不同 的拆分对象或不同的拆分方法而大为不同，有时效率颇高，有时 只能获得稍占多数的一种光学活性物质。拆分的效果通常有两种 表示方法：光学纯度（OP）和对映体过量值（ee）。 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 1 晶体机械分离法 该方法只能用于外消旋混合物的拆分，而要求分别析出的（+） 和（-）对映体晶体可以被看出区别开来，从而可在放大镜的帮 助下用镊子之类的工具将它们分开，达到拆分的目的。L. Pasteur在1848年完成的第一次外消旋体的拆解就是用的这种方 法拆分了外消旋酒石酸的铵钠盐。右旋光性和左旋光性的晶体显 出半面晶的形态，并互为实物镜像的关系。由于晶面特征的差 别的不明显，这种方法在实际应用中受到限制 2生物化学法 利用微生物或酶在外消旋体的稀溶液中生长时 破坏其个一种对映体比另一种快的方法，分离出其中一种对 映体。例如，在LD氨基酸中加入酵母因酵母易与 L氨基酸作用而剩下D氨基酸 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 3 种晶拆分法 这是一种改良的机械分离法，该方法是在一个外消旋混合物的饱 和溶液中，用其两个对映体之一的晶体小心地接种和适当冷却， 这些晶体便要增长，而使相当量的这一旋光性的对映体自外消旋 体混合物溶液中析出。如果某外消旋化合物比纯对映体的溶解度 大，那么也可以用任一纯的对映体的晶种接种，从而使这一对映 体的晶体从外消旋化合物的饱和溶液中析出。例如DL-氯霉素的 母体的拆分方法如下：将10克DL-氨基醇和1克D-氨基醇溶解在 100毫升80的水中，冷却至20。因为在这些条件下，D-氨基 醇已达到结晶析出的浓度，所以析出D-氨基醇约1.9克。然后将 母液再加热到80，并加适量的水以保持溶液的体积仍为100毫 升，再溶解2克DL-氨基醇于其中，冷却至20，这次是L-氨基 醇达到结晶析出的浓度，于是，析出L-氨基醇约2.1克。用这种 分段操作法，分批连续地溶解DL-氨基醇，交替分离出D-氨基醇 和L-氨基醇，达到拆分目的，产物的光学纯度可达94.8%。 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 4 逆向结晶法 在外消旋体中加入一种光学活性外加物，其立体化学与其中的一 种对映体是相似的。这种手性外加物能立体选择性地吸附在这种 对映体的结晶表面，因而阻延了它的结晶的生长。结果，对映体 的结晶速度有较大的差异，其中手性相反的对映结晶体以过量析 出。这种现象称为逆向结晶。 S为光学活性的外加物，其立体化学与S对映体相似，可以干扰S 对映体结晶的生长；当S不存在时，kd=kl；当S存在时kdkl。 显然这对对映体的结晶速度相差越大，Rd的纯度越高。 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 5 形成非对映异构体进行化学拆分 该方法是将对映异构体与光学活性试剂作用，形成非对映异 构衍生物或盐，然后通过分步结晶达到分离的目的。然后用 无机酸或碱等分解，以便获得有光学活性的产物。例如，外 消旋的酸可以用光学活性的碱拆分，反之亦然。这种拆分法 对于三种类型的外消旋体都适用。 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 6 层析拆分法 （1） 柱色谱析解法 该方法用于手性化合物，如淀粉、蔗糖粉、乳糖粉和（+）或（- ）石英粉等作为柱色谱的吸附剂，可以使一个外消旋体去拆解成 旋光性的对映体。例如DL-丙氨酸的拆解可以淀粉为吸附剂，水 作为洗脱剂，（D）-丙氨酸先被洗脱。 （2）配位体交换层析 使含有旋光性氨基酸残基的非对称离子交换树脂（固定的左或右 旋配位体）与Cu2+或Ni2+离子配位，即先生成所谓的“配位体交换 树脂”，当流动相带着DL-氨基酸通过这种柱时，便发生配位体的 竞争交换，于是可以用来析解DL-氨基酸。 （3） 纸色谱析解法 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 纤维素具有手性结构，因此纸色谱分离法可以用于外消旋体的 析解。该方法主要用于检验光学异构体是否纯净。 （4） 气相色谱析解法 气相色谱析解法方法之一是将待析解的外消旋体先制备成两个 非对映异构体衍生物的一个混合物，然后再进行分析或者是选 用具有光学活性色谱柱直接进行外消旋体的分析。该方法主要 用来鉴定旋光异构体的纯度。 三、构象与构象分析 二溴二苯基乙烷PhCHBr-CHBrPh有三个立体异构体左旋 体、右旋体(总称旋光体)和内消旋体，它们的物理性质和化学行 为不同。内消旋体：mp237，旋光体：m“p114，在乙 醚中的溶解度旋光体比内消旋体大。在碘化钾丙酮溶液中脱 溴时内消旋体比旋光体约快100倍。旋光休和内消放体的存在 及其性质上的差异可以利用构象分析得到完满解释。在二溴二 苯基乙烷分子中，占优势的构象是两个苯基处于对价交叉 式，因此两个溴 原子的相对位置有两种可能。 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 1 开链体系的构象 当X=NH2 OH SH COOH 时 这是因为在a与b中，一NH2与一OH之间存在着氢键，它大大地降 低了构象的能量， 而c中不存在分子内氢键。再仔细分析a与b，不难看出，a中一CH3 和一C2H5在空间位置上是分布在体积较小的氢原子两边，而b中一 CH3和一C2H5则分布在一C2H5的两边，前者的范德华斥力显然小 子后者，故三种构象的稳定性有上述顺序：abc。 但如果把 以上化合物中的两个一C2H5换成体积很大的C6H5其最稳 定的构象则是对位交叉式(即相当于上面的c式)。 醛酮的构象 在醛酮的稳定构象中,羰基往往与烃基成反交叉构象 如果位连有合适的取代基与羰基氧原子能开有成氢键,则以 下列构象为主 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 环己烷衍生物的构象 环己烷构象的稳定性为：椅式扭船式船式。单取代环己烷 ，取代基处在平伏键较好 两个非极性取代基的环已烷，以e e式较稳定，但多数反1，2 二卤环己烷主要以a a构象存在。 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 A A B 1 写出顺式1,3-二甲基环己烷和顺式1,3-环己二醇的稳定构象。 （2分） 写出下列化合物的优势构象式。(2分) 顺式-1-甲基-4-异丙基环己烷 FCH2CH2OH（纽曼投影式） 构象效应 由于构象不同而对分子的化学反应性质所产生的不同影响统 称构象效应。例如，利用铬酸酐(CrO3)氧化4叔丁基环己醇 的顺反异构体，顺式的反应速度为反式的323倍这是 由于顺式的羟 基被氧化前因处于直立键，它与3，5位上的氢 原子之间存在非键张力，氧化后非键张力解除，故反应较反 式快。 从中间体的结构来看，先是铬酸与醇形成的酯的cH键断裂 的同时消去一分子四价铬 化合物，由于直立式的相互排斥，氧化后非键力解除，所以 顺式酯的分解速度较反式酪的分 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 酯的水解: A B 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 进行SN2亲核取代: E F 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 4.5.1 不对称合成反应及其分类 不对称合成反应（Reaction of Asymmetric Syntheses），亦称 为手征性合成反应（Reaction of Chiral Syntheses），其定义是 ：反应物分子整体中的一个对称的结构单元，由一个试剂转化为 一个不对称的结构单元，而产生不等量立体异构体产物的反应。 不对称合成反应实际上也是一种立体区别反应，产物可以是对映 体，也可以是非对映体，只不过是两种异构体的量不同而已，不 对称反应的效率正是由两者的数量差别来表示的。对于生成物为 对映体的不对称合成，其效率可以用某一对映体过量的百分率（ Percent enantiomeric excess，简称%e. e. ）来衡量。 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 例某化合物经立体选择合成后得到一对新的对映体，经测 定a 测(混合物)为+21。R型占85，S型占15，求对映体 过量百分率及R型 对映体的a纯 。 相应地，非对映体组成可描述为非对映体过量(d e diastereoisomeric excess)，它指个非对映体与另一个非对映 体的过量，计算公式为： 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 不对称合成是近代有机合成中十分活跃的一个领域，研究工 作已有许多进展。 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 在研究不对称合成反应时，不仅要注意反应物分子静态的立体化 学特点，而且要涉及化学反应过程中的立体化学变化动态立 体化学的规律，尤其是研究按何种立体化学途径实现反应。因此 有必要区别两类反应： 立体选择反应（Stereoselective reaction）与立体专一反应（ Sterospecific reaction）。 立体选择反应系指一种反应物能生成两种或两种以上立体异构体 产物，但其中仅一种异构体占优势的反应。 立体专一反应系指有不同的立体异构体得到立体构型不同的产物 的反应。 显然，一切立体专一反应均为立体选择反应，但立体选择反应不 一定是立体专一反应。 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 立体专一反应 在相同的反应条件下由立体异构的起始物得出立体异构 的不同产物，立体专一过程中，起始物都是一对立体异构 体。如：二溴卡宾对双键的加成，产物也是立体异构体。 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 b. 消去反应 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 b. 消去反应 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 C 双羟 基化反应 每个立体专一性反应只得到一种立体异构体，而不混杂有其他立 体异构体。 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 (3) 立体选择性反应实例： a. 羰基的加成反应（还原反应） b. 消去反应 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 甲基碘化镁对2苯丙基醛的加成反应是中等程度的立体选择性 反应，生成的赤式3苯基2丁醇是苏式产物的2倍。 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 上述反应是在有一个不对称碳原子的反应物上进行的反应的 结果又增加一个不对称碳原子，生成了赤式和苏式产物，而且 一种占优势，显然是一种立体选择性反应，产物3苯基2 丁醇的分子内能随构型的 不同而异，赤式3苯基。2丁醇(I和III)比苏式的(II和IV) 具有更稳定的构象，所以，赤式是主要产物。 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 由(S)2苯基丙醛得到的(1)与(II)是非对映体，由(R)2苯 基丙醛得到的 (皿)与(IV)也是非对映体，但(1)与(皿)，(II)与(1V)都是对映体的 关系，可见碳基加成时受到反应物中原有不对称碳原子构型的诱 导作用，加成方向选择构象能量较低的途径进行。 潜手性分子 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 一个对称的非手性分子，经过一个基团被取代或发生其他 反应的过程，失去其对称性而成为一个非对称的手性分子， 这种对称的分子即称为“原子性分子”或“潜手性分子” (Prochiral mo1ecule)。而发生反应的对称碳原子，则是“原手 性碳原子”或称“潜手性碳原子”。例如，苯乙酮分子有一个 对称面通过羰基，一侧叫做“R”向，另一侧叫做“S而， 所谓R面是指平面上所连的三个基团按它们的次序大小以顺 时针方向排列的这面，反之是S向 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 又如 氯代乙酰乙酸辛酯经面包酵母还原可得到(R)” 氯 代”羟基丁酸辛酯，后者经取代和水解两步可得到L肉碱 ，它是一种健康的食品添加剂： 不对称合成反应 实现不对称合成的常用方法： (1)选用非对称的光学纯态的化合物作为起始反应物。 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 Cram规则一 如果酮的碳原子上连有三个大小不同的原子或基团，其优势 构象为羰基双键处在两个较小之间的构象，试剂优先从空间位阻 较小的一面进攻羰基。 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 克拉姆规则一 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 于是羰基的加成反应、氢化物的还原反应、醇铝的还原反应和格 氏反应等等，进攻基团都将倾向于在空间阻碍较小的S一边进攻 羰基碳原子。例如： 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 a. b 其它环酮的还原反应 例如： 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 Cram规则 2 当酮的手性碳原子上连有羟基或氨基时，可以与羰基氧形 成氢键。 催化加氢总是从位阻小的一端进攻 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 高等有机化学高等有机化学 第 五 章 第五章第五章 立体化学立体化学 c. Cram规则三（即Cornforth规则）：如果在不对称的-碳原 子上结合着一个卤原子，由于卤原子和羰基氧原子都是电负性 很大的元素的原子，并带有部分的负电荷，所以它们之间因相 互排斥，而呈现“类反型”的构