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第六章 动态立体化学 6 1前 潜 手性分子 一 sp3杂化原子的前 潜 手性1 分子Cabc2 a b c是不同取代基 经过一简单的操作变成手性分子Cabcd Cabc2称作前 潜 手性分子 C称为前 潜 手性中心 1 2 对映面 平分H C H键角或 HO2CH2C C CH2CO2H 键角的平面称为对映面 对映基 基团1 中的H 2 中的 HO2CH2 被定义为对映基 3 这些分子都是前手性分子 和 分别是对映基 2 前手性基标记 前 R 前 S前手性分子Cabc2中两个c基团能区分为前 R基和前 S基 按顺序规则 指定一个c优先于另一个c 如果得到的前手性中心是R 构型 则指定优先的c是前 R基 如果得到S 构型 则指定优先的c是前 S基 例 指定Cl1 Cl2 得 a 为R 构型分子 Cl1称作前 R基 指定Cl2 Cl1 得 b 为S 构型分子 Cl2称作前 S基 3 在这个分子中两个Cl或两个H都不是对映的 是等价 完全相同 的 非前手性分子 二 sp2杂化原子的前 手性1 前 手性 当R1 R2时 进行加成反应得到对映体 产生一个手性中心 1 2 OH 2 准对映面的标记与分子中心C相连的三个取代基按顺序规则排序 从较优基到较不优基 若顺时针转时 这个准对映面用Re 表示 称作Re 面 从较优基到较不优基 若反时针转时 这个准对映面用Si 表示 称作Si 面 Re 面 Si 面 分子所在平面称为准对映面 前 手性面 这个碳原子称前 手性中心 羰基化合物称前 手性分子 4 将Re Si 标记应用到上 分子的平面是对映面 例如 3 当R1 R2时 进行加成反应不产生对映体 产生两个相同的化合物 R1和R2是等价的 这个分子是非前手性分子 非前手性分子 三 连手性分子的sp3 前手性和sp2 前手性1 连有手性中心的前手性中心 sp3 前手性中心 1 C3称为前 手性中心 连在有手性中心的前 手性中心上的两个Ha Hb基是非对映基 相应的平面称为非对映面 两个氢是非对映基 相应C为前 手性中心 2 有刚性平面的分子 分子中有一个刚性结构平面 是非对映面 Ha与Hb是非对映基 所在碳原子是前 手性中心 甘油CH2OH CHOH CH2OH中间C一个前 手性中心和两边C两个前 手性中心 用同位素D取代四个H中任何一个 生成两个手性中心 产物非对映体 H1 H2 H3 H4 H1 H3 H2 H4四对非对映氢 2 连有手性中心的sp2前 手性中心1 羰基化合物 平面称非对映面 2 非对映面的标注 分子有刚性平面 是一个非对映面 上面为Si 面 下面为Re 面 3 两个sp2前 手性中心 分子有一个非对映面 上方非对映面 两前 手性中心标记Si Re 下方非对映两前 手性中心标记Re Si 6 2饱和碳原子上的亲核取代反应的立体化学 X Cl Br I OH2 OSO2C6H4Me 4 OSO2C6H4Br 4 SR2 Y HO RO R alkyl NMe3 CN SR I 亲核性Y X 1 动力学方法鉴别SN1 SN2 2 用立体化学方法鉴别SN1 SN2反应 第一个取代反应 SN1 V k1 M SN2 V k2 M1 M2 6 2 1SN2反应 构型翻转 转变为旋光方向相反的化合物 转化速度是1 2消旋化速度 6 2 2SN1反应 两步反应 消旋化 含有一个好的离去基团 I 和能稳定正电荷的取代的分子倾向SN1反应 6 2 3SNi反应 分子内的SN2 构型保持 旋光方向不变 6 3生成烯烃的一些反应的立体化学 生成烯烃的三种主要反应 1 消除反应 消除 醇 卤代烃 磺酸酯 硼酸酯 季胺盐消除 2 Wittig反应得 Z E 混合烯烃选择试剂可控制一定比例的E 或Z 烯烃 改用Peterson试剂可控制以E 或Z 烯烃为主 3 羟基砜的消除反应 6 3 1消除反应一 消除反应制备烯烃酸催化的醇脱水 碱催化卤代烷脱卤化氢 磺酸酯消去磺酸 硼酸酯脱硼酸 季胺盐脱叔胺等反应 区域选择性 SaytzeffRul HofmannRule 立体专属性反应 E2反应是反式消除 邻位阻大 速率慢 邻位阻大 速率慢 规律 1 消去的H与离去基团处于反位交叉构象 最易消除 2 两个季胺盐消除很慢 因H与 NMe3处于反位交叉构象 有两个大的基团处邻位交叉构象 空间位阻大 Zn粉脱邻二卤原子的机理不同 是順式 消除 二 环状化合物的E2 反式 消除在六元环系统中 H与离去基反式处于两a 键上易进行E2 反应 三 羧酸酯 黃原酸酯 N 氧化叔胺 氧化硒是順式 消除 羧酸酯 黃原酸酯 N 氧化叔胺 氧化硒 1 R R 1 乙酰氧基 2 氘代 1 2 二苯基乙烷热消除得 E 氘代二苯乙烯 得不到 Z 二苯乙烯 因为两个苯基全重叠空间位阻大 R S 1 乙酰氧基 2 氘代 1 2 二苯基乙烷 热消除得 E 氘代二苯乙烯 位阻大 2 3 4 CH3可以转化 但空间位置一样 可以绕 键转动 使 C上大基团转到异侧 Z E H 5 脂环族化合物离去基团的构型和需要形成环状过渡态仅生成一种烯烃 船 由于离去基团可以旋转 接近相邻两个碳上的椅式构象e键上的两个氢机会相等 得到两种烯烃量相近似 6 3 2Wittig反应及有关反应膦烷与醛酮反应生成烯烃和氧化膦的反应称为Wittig反应 是区域选择性 不是立体专属性反应 双键位置是固定的 机理 磷酸酯用适当的碱处理 得到C负离子不再把负电荷反馈到P的空d轨道中 亲核性强 改进的Wittig试剂广泛用来合成 不饱和酯和酮 是C的负电荷反馈给P的空d轨道而得到稳定 又可写成 碳上的负电荷可以被象这种能分散负电荷的基团稳定 因此同 反应很慢 因此 又有改进的Wittig试剂 Wittig反应的缺点 1 合成的内烯烃为E Z 两种烯烃的混合物 主要是E 产物 2 细心选择Wittig试剂 Z E 烯烃选择性控制得到改善 主要原因是形成中间体一步是可逆反应 不稳定的叶立德同醛反应主要产物为Z 烯烃 使用非极性溶剂或无盐条件 增加不稳定的中间体的量 即增加动力学产物中间体 使Z 烯烃增加 磷酸酯负离子同醛反应主要是E 烯烃 3节课4 12 2008 皮特逊 Peterson 反应Wittig试剂换成硅的试剂 进行的反应称为皮特逊反应 中间体 羟基烷基三甲基硅烷混合物可以分离 然后在不同条件下消除两个中间体的三甲基硅烷醇 可以得到以 E 或 Z 为主的烯烃 S S S R 6 3 3砜的反应在碱的作用下 砜易脱去质子形成碳负离子 与醛或酮反应形成 羟基砜 再与乙酸或对甲基苯磺酸反应生成乙酸酯或对甲基苯磺酸酯 在Na Hg齐还原裂解形成烯烃 可制得二 三 四取代烯烃 产物几乎全是E 烯烃 可能是苯磺酰基还原裂解产生一个阴离子 这个阴离子有足够长时间允许键旋转 给出能量低的构型 脱去一分子酸 得到E 烯烃 H 6 4简单烯烃反应的立体化学烯烃反应的内容丰富 有区域选择性 有立体选择性 有电子效应控制 有空间位阻控制 反应机理有离子型 有自由型 6 4 1溴的亲电反式加成反应一 1 2 3 4 二 当 Z 或 E 2 丁烯在甲醇溶液中 慢慢加入Br2可得到两个不同的手性中心 1 2 CH3 H 3 三 空间位阻控制的加成方向 Br 首先从空间位阻小的exo 面进攻C C 形成 R S 构型溴鎓离子 接着Br 从位阻大的endo 面进攻R 或S 溴离子碳 完成反式加成 1 外消旋化 2 Br 首先从空间位阻小的exo 面进攻C C 形成溴鎓离子 接着H3COH从位阻大的endo 面进攻R 或S 溴离子碳 进攻离四元环远的阻力小的那个C 为主要产物 在前手性两个碳上产生了立体化学的差别 3 6 4 2順式加成1 烯烃OSO4氧化然后水解 2 碱性高锰酸钾与烯烃反应也得順式邻二醇 6 4 3烯烃硼氢化反应 順式加成 1 2 在空间位阻小的面形成四元环中间体 密 H 不对称烯呢 6 4 4烯烃的环氧化一 环氧化物形成1 2 3 二 环氧化物开环的立体化学 6 4 5烯烃与卡宾的反应1 卡宾两种构型 2 卡宾的形成 HCCl3 N2CH2 可有四种构型的化合物 3 反应 6 4 6烯烃的交互置换反应 舞伴机理 6 5简单羰基化合物反应的立体化学6 5 1羰基化合物的构象与反应一 羰基化合物的构象三种情况 1 碳无取代或取代醛的优势构象羰基氧与 碳上的烷基呈重叠式构象为优势构象 与分子的电荷分布有关 Y CH3 C2H5 OCH3 Oph CH CH3 2 ph Cl C CH3 3 SCH3这是B构象稳定性和含量增加顺序 碳上有 OH NH2 形成氢键 主要为A构象 碳上有卤原子等电负性基团 主要为B构象 A B 2 碳有两个取代基醛的优势构象有一个是甲基 仍保持重叠构象 有两个取代基均大于甲基或是环状时 羰基氧与 H呈重叠式构象 B A 3 酮化合物的优势构象 4 邻接手性中心的酮化合物的优势构象1 2 二 结构与反应性 1 当R1 R2时 有对映面 生成非手性化合物 Nu 进攻羰基的两个面机会相等 2 当R1 R2时 有对映面 生成手性化合物 对映体 Nu 进攻羰基的两个面机会相等 生成外消旋体 3 当R1 R2中含一个或多个手性中心时 有非对映面 Nu 进攻羰基的两个面机会不相等 生成不等量的非对映体 6 5 2羰基接手性中心的非环状羰基化合物的亲核加成反应一 Gram规律开链化合物的自由旋转容易 构象多 难预料 准非对映酮键合到手性中心的四个基团为COR1 S M和L基 S M L 最大基团L必须尽可能离开C O基氧 L与R1接近 亲核试剂从C O位阻最小的面进攻 1 主要用于金属有机化合物为亲核试剂 2 用金属氢化物还原的例子 a b 二 Felkin Ahn规律大基团L与羰基成直角 避免了L与R重叠产生排斥力 L与羰基两种取向 取决于过渡态能量 即M与R间力 如果M和R作用力大 不利于反应 R和M是交叉 亲核试剂从离开L的面进攻 例 S 3 苯基丁酮用LiAlH4还原得 2R 3S 和 2S 3S 3 苯基 2 丁醇 产物为2 1 1 S和M间体积差大 两种构型产物比例增加 2 S和M间体积差小 两种构型产物比例接近 三 电子因素影响构象 碳上有卤原子 构象改变 例 S 2 氯 1 苯基丙酮用LiAlH4还原主要得 S S 构型产物 6 5 3羰基亲核加成反应中的锁住效应 Li 正电性 与MeO 和羰基的氧配位 锁住了羰基绕C C键转动 构象不再变化 使H 从离开 OMe方向 即Re 面进攻羰基 因此产物比例为88 和12 这种现象对 OH NH2和小体积的 OR出现 但大体积的 OR OSiR3不出现 6 5 4链状非手性醛酮的不对称还原非手性醛酮用手性铝试剂还原可得到旋光活性产物 首先是Al O C配位形成六元环过渡态 在过渡态1中 两个比较大的L和L 在环平面的两边 能量低 产物是主要的 6 5 5缩醛反应 1 1的不对称酮与醛在稀碱条件下加热 可得四种构型产物 两个手性中心 a 与 b c 与 d 为两对对映体 a 与 c a 与 d b 与 c b 与 d 是非对映体 a 与 b 为順式交叉式 c 与 d 为反位交叉 其他情况下缩酮 缩醛产物更为复杂 6 6重要的成环反应6 6 1重要的周环反应一 Diels Alder反应 这个反应是动力学控制 是立体选性的 但反复成环 裂环变成热力学控制 反应特点 1 順式加成 正常Diels Alder反应 亲双烯体游吸电子基 双烯体有推电子基加快反应速率 双烯烃s 顺式构象反应快 2 分子内Diels Alder反应 3 endo 规则环戊二烯在室温下自聚 内型 endo 不稳定 动力学控制产物 外型 exo 较稳 热力学控制产物 内型可转化为外型 4 环状二烯与环状亲二烯反应的endo 规律环状二烯与非环状亲二烯反应是exo 构型和endo 构型的混合物 5 使用Lewis酸催化剂 endo 产物增加是普遍现象 无AlCl390 10 AlCl398 2 无AlCl30 88 12 有AlCl30 96 4 有AlCl3 80 99 1 Lewis酸催化Diels Alder反应很普通 反应温度降低 反应速率可增加106Lewis酸作用 降低了亲二烯题的LUMO能级 有效的与二烯体的HOMO交盖 反应容易 动力学有利 endo 构型 99 CH3 6 区域选择性 3节课11 12 2008 二 烯烃和烯酮的环加成两个简单烯烃环加成 2 2 很少 因为同面加成轨道不对称 异面加成空间阻力大 烯酮与烯烃环加成 2 2 异面空间阻力则可减少 这是合成多取代的环丁酮的简单方法 例如双环酮的合成 三电环化反应立体专属性反应 加热反应 对旋 对旋 共轭三烯六个 电子组成六个分子轨道 加热反应 光照反应 顺旋 L 电子处于激发态 四 cope 重排 3 3 椅式过渡态 船式过渡态 重新画图 不利的作用 主要轨道重叠 LUMO HOMO 0 0 6 6 2通过高能量中间体的成环反应 分子内由高能量中间体C C 和C 进行环化反应 一 分子内亲核进攻 C 中间体 1 Baldwin规律 进攻角度 SN2反应 对第二周期元素C N O等进攻的角度能严格服从Baldwin规律 而大体积 易极化的第三周期元素 进攻角能达到这个值 但不像第二周期那样容易 影响成环的两个因素 1 成环 环上原子数目2 成环 环上电子的流向 形成环上原子数为n或n 1a路线 电子流向环内 endo 环上原子数目n 1 b路线 电子流向环外 exo 环上原子数目n 可用这些术语描述这类成反应 1 新形成环上原子数目n 2 被进攻中心是tet trig dig形状 3 成环电子流向内 endo 外 exo 反应难易程度 2 亲核试剂进攻亲电中心的有利反应的列举 共轭加成 dig 后类反应与碘化反应类似 构成环上含氧化合物 有很好的立体控制 是流行的合成方法 这样卤化反应经常用Baldwin规律解释 是通过碳正离子中间体进行的 但这个规律有时不能严格应用 3 从烯酸和烯醇类化合物合成多官能团的杂环化合物 在动力学条件和缺少立体或电子的因素条件下 一般以exo 反应有利 难进行 易进行 4 通过动力学或热力学控制也能得到不同比例产物 s 4 甲基 5 己烯酸的碘化反应 动力学控制得到顺 内酯 热力学控制得到反 内酯 I 5 exo tet 二 分子内亲电取代环化反应 C 中间体 由多烯烃合成甾族化合物 三 自由基机理的环化 C 中间体 自由基反应在合成上有广泛的用途自由基两种构型 烷基自由基是亲核 的 能攻击象反 丁烯二甲酸二甲酯这样简单烯烃 反应速度叔C 仲C 伯C 在自由基环关闭反应中 亲核自由基优先与电正性心反应 有选择时 自由基倾向形成较小的环 5 exo trig 6 endo trig 环化立体控制程度取决于非环状前体的取代情况 一些简单的环戊烷衍生物 立体控制选择性不好 有大取代基时能很好的控制立体选择性 缩醛结构很好地控制立体选择性 例 多烯烃由基环化反应有很好的立体控制 6 7聚合物的立体化学 聚合物包括 合成聚合物 天然生物大分子 立体化学影响聚合物的性能 一 合成聚合物1 聚丙烯是最简单的合成聚合物 其立体结构决定性质 使用Ziegler Natta催化剂得到等规聚合物 甲基有规律的排列 范德华力大 甲基螺旋形排列 等规度越高 熔点越高 脆性材料 无规聚合物 熔点低 趋向胶状材料 2 单体是不对称的有旋光性 得到聚合物也是不对称 有旋光性 R 环氧丙烷导致等规的有旋光性的聚 R 环氧丙烷 其他蛋白质是复杂的 毛发含半胱氨酸 二硫键交联 二 蛋白质蛋白质由氨基酸缩合而成 天然存在20种NH2CHRCOOHL 型 S 构型 氨基酸缩合给出肽键 多肽链是蛋白质的一级结构 最简单蛋白质是丝 由甘氨酸 丙氨酸和丝氨酸缩合而成 大的取代基R R Me H除外 互相吸引 排斥作用 使骨架扭曲 烷基旋转互相离开 减少不利的空间因素 总平面排成折叠板型 大分子的二级结构 相临近的肽键 可两个方向取向 在适当的地方形成分子间氢键 形成反平面得蛋白质折叠板型或同平行的蛋白质折叠板型 分子内形成氢键是螺旋结构 键卷曲的左右方向是相等得 分子内氢键使R侧链放到明显的位置 右螺旋时 a 氨基酸的侧链取向或多或少离开螺旋结构 氢原子指向外部 左螺旋时 取代基间作用不同 折叠板型和螺旋结构都是蛋白质的二级结构 右螺旋 蛋白质的三级结构 螺旋状 板状 匙状和筒状结构构成了完整的蛋白质的三级结构 蛋白质的三级结构 酶的作用 蛋白质有酶的作用 在水溶液中催化底物 如酯 转变成产物 如醇 酸 水解酶的活性中心处有丝氨酸结构 在酶催化反应中 底物被固定到蛋白质的活性点上 通过各种作用 静电 氢键 范德华力等等 取向底物 致丝氨酸迅速发生酰化 水解酶和底物 同伴 像锁和钥匙一样配合完全 假丝酵母玫瑰脂肪酶与 1R 薄荷己基磷酸酯 箭头所指 的配合物 在蛋白质内部发生构型变化 在同伴内发生适宜的分子内捆绑 酶与底物间缔合 导致底物发生转变 如酯水解成酸和醇 蛋白质与小分子的另一种作用是接受体 反键合 大 小分子间的作用是非共价键结合 静电 氢键等 结合结果 小分子没有变化 接受体的作用与其构型变化有关 与反应相反 三 糖多糖也是聚合物 在植物体内特别重要 a 直链淀粉是葡萄糖的聚合物 a 直链淀粉的结构 在同一个聚合物分子上 邻近环面的氢键作用形成螺旋型结构 淀粉是一个聚合物 很像a 直链淀粉 只是它是a 1 4 和a 1 6 联结 代替了a 直链淀粉的全是a 1 4 联结 水溶性淀粉含1 4000个单糖单位 纤维素是3000 5000个葡萄糖通过 构型的端基羟基联结起来的缩合物 水不溶性高聚物 水不溶性的部分原因是重复的 键联结 使不同的聚合物互相困在一起 不同键间得氢键作用存在 纤维素过度乙酰化得醋酸纤维素 它可溶于有机溶剂种 这样的溶液能加工成感光胶片 环糊精是一个环状糖化合物 它的结构很有趣 在外边是亲水的体 在分子内部是曾水的体 它的曾水底部能使水中有机分子溶于其内 环糊精使反应的选择性提高 环糊精键合到担体上 在色谱柱种提供静止相 分离对映体 环