立体有机化学整理课件

有机立体化学 立体化学 Stereochemistry 以三维空间研究分子结构和性质的科学任务 研究分子的立体形象及与立体形象相联系的特殊物理性质和化学性质的科学 2 讨论分子的立体形象及与物理性质的关系等 讨论分子的立体形象对化学反应性的影响及产物分子和反应物分子在立体结构上的关系等 原子在分子内的空间位置 在反应中 分子内或分子间的原子重新组合 在空间上的要求条件和变化过程如何 及由此如何决定产物分子中各原子的空间向位 绪论 一 范畴 3 1797年法国化学家Proust 普卢斯特 提出定比定律之后 人们便认为具有相同组成的化合物 便具有相同的性质 这一错误观点直到1822 1826年间才被新的发现所否定 这就是 W hler 魏勒德国化学家 Liebig 李比希德国化学家 分别证实了异氰酸 HNCO 和雷酸 HONC 异氰酸银 AgNCO 和雷酸银 AgONC 二 历史 4 1848年Pasteur 巴斯德法国化学家 在显微镜下用镊子将外消旋酒石酸拆分成右旋和左旋酒石酸 标志着立体化学的开始 5 1861年Butlerow 布特列洛夫俄国化学家 在德国自然科学代表大会上作了 论物质化学结构 的报告 从而建立了化学结构学说 说明了产生同分异构现象的原因是化学结构的不同 化学结构的概念初步建立1874年Van tHoff 范特霍夫荷兰化学家 和LeBel 法国化学工艺师 独立地提出了 碳原子正四面体假说 标志着立体化学的诞生 1931年P uling 鲍林美国化学家 提出了杂化轨道理论 解决了价键的方向性问题 1943年 对环已烷问题的解释1947年 发展了构象理论 立体化学日趋成熟1951年 指定了绝对构型 R 和 S 的转变 提出了描述立体异构体的新系统 6 7 三 立体结构在有机化学研究中的重要性 1 生物活性分子的立体异构与药性 1 1天然产物结构及其生理活性 1 2合成药物结构与活性 8 天然产物结构与活性 Science 143 474 1964 144 1100 1964 河豚毒素在医疗上用于治疗癌症 镇痛 止喘 镇痉 止痒 对痢疾杆菌 伤寒杆菌 葡萄球菌 链球菌 霍乱弧菌均有抑制作用 可以防治流感 国际市场上 结晶纯河豚毒素高达17万美元 克 蝾螈 9 天然产物结构与活性 Tetrahedron 42 89 1986 十几种立体异构体中活性最高者 植物黄花蒿中的抗疟有效成分 青蒿素 青蒿素 10 青蒿素 蒿甲醚 天然产物结构与活性 11 天然产物结构与活性 JACS 114 3475 1992 TL 34 3251 1993 TL 34 4477 1993 Epibatidine 呃瓜多尔三色蛙 毒液成份镇痛作用是吗啡的200 500倍 12 天然产物结构与活性 紫杉 红豆杉 13 天然产物结构与活性 辛伐他汀 Synthesis 1014 1995 真菌提取物 降血脂 降胆固醇 预防和治疗冠心病 动脉粥样硬化28亿 年售最畅销2 25 Simvastatin 真菌 14 天然产物结构与活性 具有抗癌 散结 破血化瘀等功效 用于多种肿瘤 胃癌 肠癌 绒毛膜上皮癌 淋巴肉瘤等的治疗 康复 15 天然产物结构与活性 EpothilonesA F 埃坡霉素 能强烈抑制乳腺癌 直肠癌等细胞株 其抗癌机制紫杉醇 taxol 相类似 把该产物归为抗肿瘤抗生素之行列也是可行的 它干扰癌细胞分裂繁衍 具有广谱抗癌效果 并有良好的水溶性 对那些耐紫杉醇的癌细胞具有高的活性 黏细菌 黏球菌纤维堆囊菌 HOCH2 16 天然产物结构与活性 actinomycete 放射菌 红霉素 Erythromycin 17 1 对映体药效差别大 合成药物 JACS 100 5833 1988 Ar药效 S R 36 S R 29 Naproxen Ibuprofen 18 合成药物 2 对映体药效相反 Ann Rev Pharmacol Toxical 21 83 1981 巴比妥酸盐 S 催眠镇痛 R 兴奋剂 引起惊厥和痉挛 19 3 对映体之一有严重毒副作用 合成药物 镇静剂 孕妇用 R和S都有效 S 有严重胎毒性致畸性 2万多婴儿畸形 Thalidomide 反应停 DrugRes 29 1640 1979 20 4 对映体之间药理作用不同 合成药物 S 治疗心脏病 R 男性避孕药 Propanolol S 心得安 Chem inbritain 847 1988 21 5 两种对映体协同作用 合成药物 混合使用 可避免血中尿酸过高引起心血管病 肾脏病 风湿疼痛等疾病 IndacrynicAcid 利尿 促进尿酸排泄 22 二 其他精细化学品光学异构体的生物活性差别 Paclobutrazol 2R 3R 杀菌剂 2S 3S 植物生长调节剂 23 二 其他精细化学品光学异构体的生物活性差别 Sucatol 甲虫聚集信息素 JCS PerkinTrans 1 69 1982 100 S 无活性 65 S 35 R 活性最大 24 二 其他精细化学品光学异构体的生物活性差别 Sciense 172 1043 1971 第一章基本概念 25 立体异构构造相同 分子中原子或基团在空间的排列方式不同 26 不能相互转化 产生顺反异构体的原因 具有双键的化合物 由于双键不能自由旋转 当双键连有不同的原子或基团时 就会出现两种不同的空间排布方式 从而产生顺反异构体 双键上C与N的不同之处是 C原子连有两个不同的原子或基团 而N原子只连有一个原子或基团 另一个sp2杂化轨道是被孤对电子所占据 环状化合物 环的存在象双键存在一样 防碍转动 把碳环近似的看成一个平面 连在环碳上的原子或基团就有在环平面的上下之分 从而产生顺反异构现象 27 顺反异构体的命名方法 1 顺 反标记法相同的原子或基团位于双键 或环平面 的同侧为 顺式 否则为 反式 28 2 Z E标记法 该法是1968年IUPAC规定的系统命名法 规定按 次序规则 若优先基团位于双键的同侧为Z式 德文Zusammen的缩写 中文意为 在一起 否则为E式 德文Entgegen的缩写 中文意为 相反的 29 30 应用举例 含C N N N双键的化合物 31 环状化合物 32 顺 反标记法和Z E标记法一致吗 两种标记方法在绝大多数情况下是一致的 即顺式就是Z式 反式就是E式 但有时却刚好相反 33 构象异构 构象异构产生的原因 由于以 键连接的两个原子可以相对的自由旋转 从而使分子中的原子或基团在空间有不同的排布方式 一 乙烷的构象 在乙烷分子的无数个构象异构体中 其两个典型的构象异构体 又称极限构象异构体 可表示如下 烷烃的构象 34 乙烷分子不同构象的能量曲线如下图所示 35 由此可见 交叉式构象的能量较低 故较为稳定 36 环己烷及取代环己烷的构象 一 环己烷的构象 船式构象 37 环己烷的六个碳原子构成两个平面 六个a e键分别为三上三下 同一碳原子若a键在上 e键必然在下 a e键可以相互转化 38 二 取代环己烷的优势构象 1 一取代环己烷 39 结论 取代基处于e键稳定 2 二取代环己烷 1 1 2 二取代环己烷 40 处于e键的取代基越多越稳定 当有两个不同的取代基时 大的取代基处于e键稳定 结论 稳定性 反式 顺式 2 1 3 二取代环己烷 41 结论 稳定性 顺式 反式 练习 1 试写出1 4 二甲基环己烷顺反异构体的构象异构体 并比较其稳定性 2 写出下面化合物的优势构象 42 对映异构现象 实验事实 同为乳酸 为什么会具有不同的光学性质呢 43 44 手性 Somechiralobjectsinourlife Pasteur的贡献 我把任何几何图形或任何点群称为是手征性的 并说它有手征性 是指它的在一个平面镜子里的 想象的镜象 不能和它本身相重合 Kelvin爵士 1893年 1964年 Cahn Ingold Prelog提议化学家采用 45 分子式相同 构造式相同 但对偏振光的旋光度不同 而这两种乳酸是互为物体和镜面关系的立体异构体 象这种分子式相同 构造式相同 构型不同互呈镜像对映关系的立体异构现象成为对映异构 由于它们异构体之间的旋光性能不同 故又称旋光异构 光学异构 46 产生手性分子的必要与充分条件是实体和镜像不能重叠首先介绍平面偏振光及旋光性 Section1物质的旋光性 一 平面偏振光及旋光性 什么叫平面偏振光 借助于尼克尔 Nicol 棱镜把普通光变为平面偏振光 47 旋光度 48 二 比旋光度 1 旋光度 旋光物质使偏光振动平面旋转的角度 用表示右旋 左旋 49 2 影响的因素 化合物的本性 浓度 与浓度成正比 旋光管的长度L成正比 与溶剂有关 与温度有关 与光源有关通常用钠光589 3nm 用D表示 50 为了能比较物质的旋光性 规定 1ml含1g旋光性物质浓度的溶液 放在1dm 10cm 长的盛液管中测得的旋光度称为该物质的比旋光度 用 t 表示 t为温度 为波长 20D 3 8 从肌肉中产生的乳酸 20D 3 8 从酸牛奶中产生的乳酸 20D l dm c g ml l c 51 问题 1 为什么有的物质具有旋光性 而有的物质不具有旋光性 2 为什么旋光物质存在对映异构现象 3 旋光性和对映异构与分子结构有什么关系 Section2对映异构现象与分子结构的关系 52 用肉眼把晶粒分开 配成溶液 用旋光仪测定 一种左旋光 一种右旋光 同时还发现晶体外形是不对称的 由晶体外形联想到分子的内部结构 结论 旋光性与分子结构有关 53 1874年 波兰物理学家Van tHoff范德霍夫和Lebel拉贝尔提出 C是四价的C连有四个不同的基团则原子或基团在空间上有两种不同的排列 且成物体与镜面的关系 54 象这样物体与镜像不能重叠 这种分子具有手性 叫手性分子 中心碳叫手性碳 C 凡是连有四个不同原子或基团的碳原子称为手性碳或叫不对称碳原子如 55 二 手性和对称因素 手性 物质的分子和他的镜面不能重叠 把物质的这种特征称为手特性 手性 具有手性的分子称为手性分子 Chiralmolecules 分子具有手性就有旋光性和对映异构现象 分子有无手性碳不能作为判断该物质分子是否为手性分子 要判断分子是否具有手性 必须研究分子的对称性质 56 常见的对称因素 对称面 把分子切成为物和镜像的平面 57 凡具有对称面 的分子 物体和镜象可重叠 因此 该分子无手性 无旋光性 无对映异构现象 凡具有一个手性碳的分子 一定具有手性和旋光性具有两个手性碳的分子 不一定具有手性和旋光性 58 2 对称中心 i 59 具有对称中心的分子和它的镜像能重合 因此它不具有手性 不具有旋光性 3 对称轴Cn分子绕一个一定的轴旋转360 n n 2 3 4 后 跟原来的分子重叠 这个轴叫Cn 60 结论 具有对称轴 Cn 的分子 不一定具有旋光性 因此 分子有无对称轴不能作为判断分子有无手性和旋光性的依据 61 4 反射对称因素 Sn 具有反射对称因素的分子是对称分子 非手性分子 62 总之 在结构上具有对称点或对称中心 i 分子就不具有手性 旋光性 反之 在结构上不具有对称面 对称中心的 这种分子就一定具有手性 旋光性 含一个C 一定不具有对称点和对称中心 因此具有手性 旋光性 注意 分子有无对称轴不能作为判断分子有无手性的标准 63 判别手性分子的依据 S1 S2 i 64 潜非对称性和潜不对称碳原子 如果一个对称分子经一个基团被取代后失去了其对称性 而变成了一个非对称分子 那么原来的对称分子称为 潜非对称分子 或称为 原手性分子 而分子所具有的这种性质称为 潜非对称性 或 原手性 而发生变化的碳原子称为 潜不对称碳原子 或 原手性碳原子 65 被OH取代 or S 乳酸 R 乳酸 潜不对称碳原子 原手性碳原子 潜非对称分子 原手性分子 66 含手性碳原子的分子的立体化学 1 含一个手性碳原子的分子 1 手性碳原子的概念 与四个不相同的原子或基团相连的碳原子 含一个手性碳的分子是手性分子 具有一对对映体 D20 3 8o 水 D20 3 8o 水 对映体 互为实物与镜影关系 不能相互重叠的两个立体异构体 67 2 左旋体 右旋体及外消旋体 一对对映体中 使平面偏振光向左旋的为左旋体 用 或 l 表示 使平面偏振光向右旋的为右旋体 用 或 d 表示 左旋体与右旋体 旋光度相同 旋光方向相反 外消旋体 等量的左旋体与右旋体的混合物 无旋光性 外消旋体用 或 RS 或 dl 或DL表示 外消旋体可分离成左旋体与右旋体 68 3 构型的R S表示方法 手性碳的构型 与手性碳相连的四个不同基团的空间排列 R S标记手性碳原子构型 S R R 69 4 Fischer投影式 规定 投影时 与手性碳相连横向两个键朝前 竖向两个键向后 交叉点为手性碳 将下列化合物改写成Fischer投影式 并标出手性碳原子构型 70 顺序最小的原子 或基团 在竖线上 顺时针排列为R构型 逆时针排列为S构型 顺序最小的原子 或基团 在横线上 顺时针排列为S构型 逆时针排列为R构型 如果固定某一个基团 而依次改变另三个基团的位置 则分子构型不变 SSSS 试判断下列Fischer投影式中与 s 2 甲基丁酸成对映关系的有哪几个 71 将投影式在纸平面上旋转90o 则成它的对映体 RS 72 将投影式中与手性碳相连的任意两个基团对调 对调一次 或奇数次 则转变成它的对映体 对调二次则为原化合物 5 D L标记法 73 含两个或多个不对称碳原子的手性分子 1 旋光异构体的数目 2 非对映体 3 赤式和苏式 4 差向异构体 74 含两个手性碳原子的分子 含两个不同手性碳原子的分子 对映关系 与 与 非对映关系 与 与 与 与 75 含两个不对称碳的分子 若在Fischer投影式中 两个H在同一侧 称为赤式 在不同侧 称为苏式 赤式和苏式 非对映体 76 i ii iii iv 2R 3R 赤藓糖 2S 3S 赤藓糖 2S 3R 苏阿糖 2R 3S 苏阿糖 HOCH2 CH OH CH OH CHO i ii 对映体 iii iv 对映体 i iii i v ii iii ii v 为非对映体 77 差向异构体 两个含多个不对称碳原子的异构体 如果 只有一个不对称碳原子的构型不同 则这两个旋光异构体称为差向异构体 如果构型不同的不对称碳原子在链端 称为端基差向异构体 其它情况 分别根据C原子的位置编号称为Cn差向异构体 78 阿拉伯糖 耒苏糖 木糖 核糖 i 和 iii ii 和 iv 是C2差向异构体 i 和 iiv ii 和 viii 是C3差向异构体 i 和 vi ii 和 v 是C4差向异构体 79 旋光异构体的数目 80 I I 2 3 酒石酸 酒石酸 R R R R S S S S mp D 水 溶解度 g 100ml pKa1pKa 酒石酸170oc 12 01392 984 23 酒石酸170oc 12 01392 984 23 酒石酸 dl 206oc020 62 964 24meso 酒石酸140oc01253 114 80 酒石酸的情况分析 81 化合物的旋光性与熔点 沸点一样 是许多分子所组成的集体性质 只要分子中任何一种构象有对称面或对称中心 其他有手性的构象都会成对地出现 内消旋酒石酸的对称性分析 82 旋转180o C3右旋60o C2左旋60o 交叉式 I 有对称中心 交叉式 II 交叉式 III 交叉式 II 与 III 是一对对映体 其内能相等 在构象平衡中所占的百分含量相等 83 2 内消旋体 分子内含有平面对称性因素的没有旋光性的立体异构体称为内消旋体 meso 84 研究表明 一个含有n个不对称碳原子的直链化合物 如果它有可能出现内消旋型的旋光异构体 那么它的旋光异构体的数目将少于2n个 如果n为偶数 将可能存在2n 1个旋光异构体和个内消旋型的异构体 如果n为奇数 则可以存在总共个2n 1立体异构体 其中个为内消旋型异构体 2 2 有内旋体时旋光异构体的计算 85 多个相同 相象 手性碳原子的化合物 假不对称碳原子内消旋体 86 一个碳原子 A 若和两个相同取代的不对称碳原子相连而且当这两个取代基构型相同时 该碳原子为对称碳原子 而若这两个取代基构型不同时 则该碳原子为不对称碳原子 则 A 为假不对称碳原子 假不对称碳原子的构型用小r 小s表示 在判别构型时 R S 顺 反 假不对称碳原子 87 对称碳原子 不对称碳原子 2R 4R 2 3 4 三羟基戊二酸 2S 4S 2 3 4 三羟基戊二酸 2R 3s 4S 2 3 4 三羟基戊二酸 2R 3r 4S 2 3 4 三羟基戊二酸 三羟基戊二酸 88 对称碳原子 不对称碳原子 2R 4R 2 3 4 三羟基戊二酸 2S 4S 2 3 4 三羟基戊二酸 2R 3s 4S 2 3 4 三羟基戊二酸 2R 3r 4S 2 3 4 三羟基戊二酸 三羟基戊二酸 89 4 含手性碳原子的单环化合物 判别单环化合物旋光性的方法 实验证明 单环化合物有否旋光性可以通过其平面式的对称性来判别 凡是有对称中心和对称平面的单环化合物无旋光性 反之则有旋光性 无旋光 对称面 有旋光 90 无旋光 对称中心 有旋光 无旋光 对称面 无旋光 对称面 91 无旋光 对称面 有旋光 无旋光 对称面 有旋光 92 取代环己烷旋光性的情况分析 例一 顺 1 2 二甲基环己烷 旋转120o 1 2 1 的构象转换体 1 和 2 既是构象转换体 又是对映体 能量相等 所以构象分布为 1 2 1 1 结论 用平面式分析 化合物是内消旋体 用构象式分析 化合物是外消旋体 93 S S 结论 用平面式分析 1R 2R 1 2 二甲基环己烷或 1S 2S 1 2 二甲基环己烷是一种有旋光的化合物 用构象式分析 1R 2R 1 2 二甲基环己烷或 1S 2S 1 2 二甲基环己烷是无数种有旋光的构象式组合而成的混合物 例三 1S 2S 1 2 二甲基环己烷 例二 1R 2R 1 2 二甲基环己烷 R R 94 二不含手性碳原子的手性分子 1 有手性中心的旋光异构体2 有手性轴的旋光异构体3 有手性面的旋光异构体 95 1 有手性中心的旋光异构体 一对对映体已拆分 未拆分出光活异构体 未分电子对起不到一个 键的作用 除C外 N S P As等也能作手性中心 96 2 有手性轴的旋光异构体 1 丙二烯型的旋光异构体 2 联苯型的旋光异构体 3 把手化合物 97 1 丙二烯型的旋光异构体 A 两个双键相连 VontHoff 荷兰 Bel 法 1901年诺贝尔奖 实例 a 苯基 b 萘基 1935年拆分 98 B 一个双键与一个环相连 1909年拆分 C 螺环形 D 81 4o 乙醇 25 99 C原子与X1 或X3 的中心距离和C原子与X2 或X4 的中心距离之和超过290pm 那么在室温 25oC 以下 这个化合物就有可能拆分成旋光异构体 C H 94 104 C CH3 94 150 C COOH 94 156 C NO2 94 192 C NH2 94 156 C OH 94 145 C F 94 139 C Cl 94 163 C Br 94 183 C I 94 200 2 联苯型的旋光异构体 100 C NO2与C NO2384pmC NO2与C CH3365pm 由于位阻太大引起的旋光异构体称为位阻异构体 101 除了考虑基团的大小 还要考虑基团的形象 反应温度 118 X CH3NO2COOHOCH3 消旋化t1 2 1 501 921 561 45179分125分91分9 4分 半衰期越短 说明旋转的阻力越小 I Br CH3 Cl NO2 COOH NH2 OCH3 OH F H 阻转能力下降 旋光异构体在适当的条件下会发生消旋 102 n 8 可析解 光活体稳定 n 9 可析解 95 5oC时 半衰期为444分 n 10 不可析解 3 把手化合物 103 n 4m 4可析解 43oCn 8半衰期170分 104 蒄 无手性 六螺并苯 有手性 3 有手性面的旋光异构体 105 消旋 拆分和不对称合成 一外消旋化二差向异构化三外消旋体的拆分四不对称合成 106 一外消旋化 一个纯的光活性物质 如果体系中的一半量发生构型转化 就得外消旋体 这种由纯的光活性物质转变为外消旋体的过程称为外消旋化 如果构型转化未达到半量 就叫部分外消旋化 107 含有手性碳原子的化合物 若手性碳很容易形成正碳离子 负碳离子 自由基等中间体时 常会发生外消旋化 经形成正碳离子 负碳离子 自由基等中间体发生外消旋化 H H H H H2O H2O H2O H2O 60 70oC4小时 肾上线素 无药效 肾上线素 有药效 H 108 含手性碳的化合物 若手性碳上的氢在酸或碱的催化作用下 易发生烯醇化 在烯醇化的过程中常会发生外消旋化 经烯醇化发生外消旋化 D 乳酸 L 乳酸 109 含多个C 的化合物 使其中一个C 发生构型转化的过程称为差向异构化 如果是端基的C 发生构型转化 则称为端基差向异构化 二差向异构化 110 D 麻黄素有生理活性 易结晶 L 假麻黄素生理活性只有麻黄素的1 5 碳正离子 111 将外消旋体拆分成左旋体和右旋体 称为外消旋体的拆分 三外消旋的拆分 112 1 化学析解法 形成和分离非对映体异构体的析解法 RCOOH RNH2 成盐 分级结晶 HCl HCl RCOO RNH2 RCOO RNH2 RCOOH RNH3 Cl RCOOH RNH3 Cl 113 1 析解剂与被析解剂之间易反应合成 又易被分解 2 两个非对映立体异构体在溶解度上有可观的差别 3 析解剂应当尽可能地达到旋光纯度 4 析解剂必须是廉价的 易制备的 或易定量回收的 析解试剂的条件 114 1gR氨基醇 5gS 5gR氨基 醇饱和液 80 100ml 析出2gR氨基醇 余下4gR 5gS 分去晶体 剩下母液 过滤 加水至100ml 冷却至20 80 加2g消旋体 冷却至20 2gS氨基醇析出 2 接种结晶析解法 115 3 微生物或酶作用下的析解4 色谱分离法选择光活性物质作柱色谱的吸附剂5 机械分离法 116 不对称合成 对称的反应 选向率为0 不对称的反应 立体选向性反应0 选向率 100 立体专一性反应选向率 100 通过反应把分子中的一个对称的结构单元转化为不对称的结构单元 称之为不对称合成 选向率 0 100 选向率 用拆分法提纯 几乎只有一种产物 要用重结晶法来提纯 不对称合成 117 1 光学纯度百分率 O P 反应物1 反应物2 产物1 R 产物2 S 若 R S 若 R S 关于不对称合成的几个基本概念 118 若产物是一对对映体 当R构型的产物大于S构型的产物时 ee为 当S构型的产物大于R构型的产物时 ee为 2 对映体过量百分率 ee 简称ee值 119 3 立体选向百分率 简称选向率 如果产物A和B是非对映异构体 当 A B 时 立体选向百分率为 当 B A 时 立体选向百分率为 120 反应物 试剂 1 手性反应物 2 手性试剂 3 手性溶剂 4 手性催化剂 5 在反应物中引入手性 产物 催化剂 溶剂 不对称合成常采用的方法 121 非手性分子 有一个手性中心 外消旋体 122 少 多 反应物有一个手性中心 产物有二个手性中心 非对映体 123 大量的实验事实证明 一个非手性分子在反应过程中产生一个手性中心时 产物为外消旋体 但一个手性分子在反应过程中产生第二个手性中心时 将会产生二个不等量的非对映体 124 非对映体 构造相同 构型不同 相互间不是实物与镜影关系的立体异构体 非对映异构体其旋光性不同 物理性质不同 光活异构体数目 2n n 不同手性碳原子数 外消旋体数目 2n 1 2 含两个相同手性碳原子的分子 125 内消旋体 meso 分子内部形成对映两半的化合物 有平面对称因数 具有两个手性中心的内消旋结构一定是 RS 构型 RS 内消旋体无旋光性 两个相同取代 构型相反的手性碳原子 处于同一分子中 旋光性抵消 内消旋体不能分离成光活性化合物 指出下列 A 与 B A 与 C 的关系 即对映体或非对映体关系 126 3 含三个不同手性碳原子的分子 八个旋光异构体 组成四对对映体 C 2差向异构体 差向异构体 含多个手性碳的两个光活异构体 仅有一个手性碳原子的构型相反 其余的手性碳构型相同 这两个光活异构体称为差向异构体 C 2差向异构 由C 2引起的差向异构 C 2构型相反 127 4 差向异构体 两个含多个不对称碳原子的异构体 如果 只有一个不对称碳原子的构型不同 则这两个旋光异构体称为差向异构体 如果构型不同的不对称碳原子在链端 称为端基差向异构体 其它情况 分别根据C原子的位置编号称为Cn差向异构体 128 阿拉伯糖 耒苏糖 木糖 核糖 i 和 iii ii 和 iv 是C2差向异构体 i 和 iiv ii 和 viii 是C3差向异构体 i 和 vi ii 和 v 是C4差向异构体 129 猜猜看 1 内消旋2 3 二甲基 1 4 丁二醇经氧化后得到2 3 二甲基 4 羟基丁酸 问产物有没有旋光性 2 胆甾醇分子中有多少个不对称碳原子 130 四 不含手性碳原子的光活性异构体 1 丙二烯型分子 中心碳原子两个 键平面正交 两端碳原子上四个基团 两两处于互为垂直的平面上 当A B 分子有手性 类似物 含偶数双键的累积多烯烃 亚烷基环烷烃 螺烷 无有 131 2 联苯型分子 苯环间碳碳 键旋转受阻 产生位阻构象异构 当同一环上邻位有不对称取代时 取代基或原子体积较大 整个分子无对称面 无对称中心 分子有手性 132 当一个苯环对称取代时 即邻位两个取代基相同时 分子无手性 联萘衍生物 2 2 联萘二酚是手性分子 3 螺旋型分子 六螺駢苯 末端两苯环不在同平面上 133 4 含其它不对称原子的光活性分子 五 环状化合物的立体异构 meso S S R R 同时存在顺反异构 对映异构 134 1R 3S 3 溴 1 环己醇 思考题 1 写出化合物 1R 3S 5R 1 甲基 3 硝基 5 氯环己烷的结构并画出其优势构象 2 写出环己六醇所有立体异构体及其中一个最稳定的构象 六 外消旋化 差向异构化 外消旋化 某一旋光化合物的一半转化为其对映体 成为外消旋体的过程 135 差向异构化 在含有两个或多个手性中心的体系中 仅有一个手性中心发生构型转化的过程 136 七 旋光异构体的性质 在相同的非手性条件下 旋光异构体的物理性质与化学性质相同 名称熔点 oC 25 20 水 溶解度pka1pka2 酒石酸170 12o1392 934 23 酒石酸170 12o1392 934 23 137 旋光异构体在手性条件下 如手性试剂 手性催化剂等 其反应速率不同 生物体内的酶和各种底物具手性 手性分子的对映体进入生物体内手性环境后 引起不同的分子识别 使其生理活性相差很大 例如 抗妊娠反应的镇静药 R 酞胺哌啶酮 反应停 手性药物的旋光异构与生物活性 1 旋光异构体具有不同的生物活性强度 138 非麻醉性的消炎镇痛药 S 酮咯酸 2 旋光异构体具有完全相反的生物活性 利尿药 S 依托唑啉 3 旋光异构体的毒性或严重副作用 减肥药 S 氟苯丙胺 139 八 不对称合成 非手性化合物在非手性条件下生成外消旋体 为什么总得外消旋体 140 一个分子在对称环境下反应 不可能有选择性 左旋体与右旋体过渡态能量相同 反应活化能相同 反应速率相同 141 1 由手性化合物进行不对称合成 构象分析 中间体自由基构象能 142 反应中的立体化学 烯烃亲电加成反应的历程可通过加成反应的立体化学实验事实来证明 我们以2 丁烯与溴的加成为例进行讨论 亲电加成反应的立体化学 2 丁烯与溴的加成的立体化学事实说明 加溴的第一步不是形成碳正离子 146 147 形成的环状结构中间体 溴鎓离子 即阻碍环绕碳碳单键的旋转 同时也限制Br 只能从三元环的反面进攻 又因Br 进攻两个碳原子的机会均等 因此得到的是外消旋体 148 149 150 扩张环 非扩张环 不稳定 a直键a 假直键e平键e 假平键 环己烯的构象 1 要画成扩张环 151 环己烯的加溴反应 6 6 1 2 3 4 5 6 6 6 5 5 5 4 4 4 3 3 3 1 1 1 2 2 2 1 2 3 4 5 152 1 甲基环己烯的加溴反应 双键旁有取代基时 要考虑碳正离子的稳定性 153 S 3 甲基环己烯的加溴反应 4 由平面式改写成构象式时 构型不能错 5 当3 位上有取代基时 要首先考虑避免双邻位交叉构象 双邻位交叉构象 154 Br2 Br2 S 4 甲基环己烯的加溴反应 优势构象 非优势构象 1R 2R 4S 4 甲基 1 2 二溴环己烷 主 1S 2S 4S 4 甲基 1 2 二溴环己烷 次 155 加氯与加溴反应机制的比较 反式加成产物顺式加成产物加氯32 68 加溴83 17 C6H5CH CHCH3 Br2 C6H5CH CHCH3 Cl2 碳正离子 环正离子 离子对 156 一般情况 加溴 加氯通过环正离子中间体进行 特殊条件下 加溴通过环正离子中间体进行 加氯通过碳正离子或离子对进行 157 烯烃的环氧化反应 O 158 环氧化合物 1 2 环氧丙烷 2 3 环氧丁烷 n n 1 环氧化合物是不稳定的 在酸或碱的催化作用下都会发生开环反应 159 慢 亲电加成 快 反应机理 CH3CO3H CH3CO2H 环氧化反应 定义 烯烃在试剂的作用下 生成环氧化合物的反应 160 速率问题 双键上的电子云密度越高越易反应 过酸碳上的正性越高越易反应 环氧化反应的几点讨论 161 3 当双键两侧空阻不同时 环氧化反应从空阻小的一侧进攻 2 产物是对称的 只有一个产物 产物是不对称的 产物是一对旋光异构体 CH3CO3H CH3CO2H CH3CO2H CH3CO2H NaCO3 99 1 1 环氧化反应是顺式加成 环氧化合物仍保持原烯烃的构型 反应中的立体化学问题 162 1 2 环氧化合物的开环反应 1 2 环氧化合物是不稳定的 在酸或碱的催化作用下都会发生开环反应 碱催化 负离子进攻空阻较小的碳 酸催化 负离子进攻正性较大的碳 163 在酸催化作用下的开环反应机理如下 CH3COOH 30 H2O2 H OOCCH3 H2O H or OH C6H5COOOH Na2CO3 C6H5COONa 溶于水相 反型开环 164 硼氢化反应的机理 CH3CH CH2 H BH2 B2H6 亲电加成 CH3CH CH2 H BH2 CH3CH CH2 HBH2 CH3CH2CH2BH2 硼接近空阻小 电荷密度高的双键碳 并接纳 电子 负氢与正碳互相吸引 四中心过渡态 165 硼氢化反应的特点 1立体化学 顺型加成 烯烃构型不会改变 2区域选择性 反马氏规则 3因为是一步反应 反应只经过一个环状过渡态 所以不会有重排产物产生 166 硼氢化 氧化反应 硼氢化 还原反应的应用 硼氢化 氧化反应的应用 1CH3CH CH2 B2H6 H2O2 HO H2O CH3CH2CH2OH 2 B2H6 H2O2 HO H2O 3 B2H6 H2O2 HO H2O 167 4 B2H6 H2O2 HO H2O 5 CH3CH CHCH2CH3 B2H6 H2O2 HO H2O CH3CH2CHCH2CH3 CH3CH2CH2CHCH3 OH OH 168 狄尔斯 阿尔德反应 共轭双烯与含有烯键或炔键的化合物相互作用 生成六元环状化合物的反应称为狄尔斯 阿尔德反应 双烯体亲双烯体环状过渡态产物 对双烯体的要求 1 双烯体的两个双键必须取S 顺式构象 2 双烯体1 4位取代基位阻较大时 不能发生该反应 一定义 二反应机理 169 三分类正常的D A反应 电子从双烯体的HOMO流入亲双烯体的LUMO 反常的D A反应 电子从亲双烯体的HOMO流入双烯体的LUMO 中间的D A反应 电子双向流动 170 正常的D A反应 1 3 丁二烯 乙烯 1 0eV 1 5eV 9 1eV 10 5eV LUMO LUMO HOMO HOMO E10 6eV E11 5eV 电离能的负值 电子亲和能的负值 反应时 电子要由能量低的HOMO流向高能量的LUMO 所以 能差越小 越利于电子的流动 本反应为正常的D A反应 171 取代基对前线轨道能量的影响 吸电子基团 既降低HOMO能量 又降低LUMO的能量 给电子基团 既增高HOMO能量 又增高LUMO的能量 共轭碳链的增长 可以增高HOMO能量和降低LUMO的能量 所以 具有给电子取代基的双烯体和吸电子取代基的亲双烯体最易发生正常的D A反应 双烯体亲双烯体 172 四D A反应的特点 1反应具有很强的区域选择性 70 100 0 30 当双烯体和亲双烯体上均有取代基时 可产生两种不同的产物 实验证明 邻或对位的产物占优势 173 2反应是立体专一的顺式加成反应 1 参与反应的亲双烯体顺反关系不变 174 90oC 25oC 内型产物动力学控制 外型产物热力学控制 1 2 2 2 3 3 3 4 连接平面 连接平面 与烯键或炔键共轭的不饱和基团 内型加成产物 双烯体中的C 2 C 3 键和亲双烯体中与烯键或炔键共轭的不饱和基团处于连结平面同侧时的生成物 处于异侧为外型加成产物 2 当双烯体上有给电子取代基 而亲双烯体上有不饱和基团与烯键或炔键共轭时 优先生成内型加成产物 175 内型产物 外型产物 3D A反应是一个可逆反应 提高温度利于逆向分解反应 176 五D A反应的应用 1合成环状化合物 KMnO4 177 2利用可逆性提纯双烯化合物 鉴别双烯化合物 3利用逆反应制备不易保存的双烯体 200oC 20MPa 200oC镍铬丝 178 烯烃顺反异构体的转化 自由基引发光的引发下在酸的作用下顺反异构体的互变 179 亲核取代反应 180 1定义 有机化合物分子中的原子或原子团被亲核试剂取代的反应称为亲核取代反应 RCH2 A Nu RCH2 Nu A 中心碳原子 底物 进入基团 亲核试剂 产物 离去基团 受进攻的对象 一般是负离子或带未分电子对的中性分子 反应包括中心碳原子与离去基团相连的键断裂 进入基团 亲核试剂 和中心碳原子构成新键 181 2亲核取代反应的机制 1 一级反应和二级反应 2 构型保持和构型翻转 3 双分子亲核取代反应 SN2 4 单分子亲核取代反应 SN1 182 1 一级反应和二级反应 反应速度只取决于一种化合物浓度的反应 在动力学上称为一级反应 V k A 反应速度取决于两种化合物浓度的反应 在动力学上称为二级反应 V k A B 183 2 构型保持和构型翻转 如果一个反应涉及到一个不对称碳原子上的一根键的变化 则将新键在旧键断裂方向形成的情况称为构型保持 而将新键在旧键断裂的相反方向形成的情况称为构型翻转 这种构型的翻转也称为Walden转换 R 2 溴辛烷 D 34 6o S 2 辛醇 D 9 9o 构型保持 构型翻转 HO R 2 辛醇 D 9 9o 184 定义 有两种分子参与了决定反应速度关键步骤的亲核取代反应称为SN2反应 双分子亲核取代反应 SN2 185 反应机理一步完成 新键的形成和旧键的断裂同步进行 无中间体生成 经过一个不稳定的 过渡态 186 1 这是一个一步反应 只有一个过渡态 过渡态的结构特点是 中心碳是sp2杂化 它与五个基团相连 与中心碳相连又未参与反应的三个基团与中心碳原子处于同一平面上 进入基团 亲核试剂 和离去基团处在与该平面垂直 通过中心碳原子的一条直线上 分别与中心碳的p轨道的二瓣结合 SN2的特点 2 所有产物的构型都发生了翻转 3 消旋化速度比取代反应的速度快一倍 4 该反应在大多数情况下 是一个二级动力学控制的反应 187 SN2反应的立体化学 异面进攻反应 Nu 从离去基团L的背面进攻反应中心 188 构型翻转 产物的构型与底物的构型相反 瓦尔登Walden转化 189 单分子亲核取代反应 SN1反应 190 定义 只有一种分子参与了决定反应速度关键步骤的亲核取代反应称为SN1反应 Br Nu 191 单分子亲核取代反应的机理 过渡态 反应物 产物 中间体 过渡态 过渡态 慢 Br Nu 快 192 193 SN1的特点 1 这是一个两步反应 有两个过渡态 一个中间体 中间体为碳正离子 2 由于亲核试剂可以从碳正离子两侧进攻 而且机会相等 因此若与卤素相连的碳是不对称碳 则可以得到构型保持和构型翻转两种产物 3 这是一个一级动力学控制的反应 又是单分子反应 194 重排产物 消除产物 4 在SN1反应中 伴随有重排和消除产物 195 SN1反应的立体化学 外消旋化 构型翻转 构型保持 因 SN1反应第一步生成的碳正离子为平面构型 正电荷的碳原子为sp2杂化的 第二步亲核试剂向平面任何一面进攻的几率相等 196 部分外消旋化 构型翻转 构型保持 SN1反应在有些情况下 往往不能完全外消旋化 而是其构型翻转 构型保持 因而其反应产物具有旋光性 例如 197 理论解释 离子对历程离子对历程认为 反应物在溶剂中的离解是分步进行的 可表示为 在紧密离子对中R 和X 之间尚有一定键连 因此仍保持原构型 亲核试剂只能从背面进攻 导致构型翻转 在溶剂分隔离子对中 离子被溶剂隔开 如果亲核试剂介入溶剂的位置进攻中心碳 则产物保持原构型 由亲核试剂介入溶剂的背面进攻 就发生构型翻转 当反应物全部离解成离子后再进行反应 就只能得到外消旋产物 198 构型完全保持 199 理论解释 邻近基团的参与分子内中心碳原子邻近带负电荷的基团 上述为羧基负离子 象Nu 一样从连接溴原子 离去基团 的背面向中心碳原子进攻 进行了分子内的类似于SN2反应 生成不稳定的内酯 在内酯中手性碳原子的构型发生了翻转 碳正离子的构型被固定 因此 亲核试剂 OH 就只能从原来溴原子离区的方向进攻 手性碳原子的构型再一次发生翻转 经过两次翻转 结果使100 保持原来的构型不变 200 在有机化学反应中 有很多与次类似的邻近基团参与的亲核取代反应 若反应物分子内中心碳原子邻近有 COO O OR NR2 X 碳负离子等基团存在 且空间距离适当时 这些基团就可以借助它们的负电荷或孤电子对参与分子内的亲核取代反应 反应结果除得到亲核取代产物外 还常常导致环状化合物的形成 201 邻基参与使产物具有一定的立体化学特征 即构型保持 反应经历环状过渡态 邻基参与有时得到一定构型的重排产物 邻基参与的主要类型 1 含杂原子的邻近基团 如 COO OH OR NH2 SR Cl Br I 2 邻近双键参与 3 邻近芳基参与 SN1反应与SN2反应的区别SN1SN2单分子反应双分子反应V K R X V K R X Nu 两步反应一步反应有中间体碳正离子生成形成过渡态构型翻转 构型保持构型翻转 瓦尔登转化 有重排产物无重排产物 205 一个卤代烷的亲核取代反应究竟是SN1历程还是SN2历程 要从烃基的结构 亲核试剂的性质 离取基团的性质和溶剂的极性等因素的影响而决定 烃基结构对SN1反应是3 RX 2 RX 1 RX CH3X对SN2反应是CH3X 1 RX 2 RX 3 RX叔卤代烷主要进行SN1反应 伯卤代烷SN2反应 仲卤代烷两种历程都可 由反应条件而定 206 烯丙基型卤代烃既易进行SN1反应 也易进行SN2反应 桥头卤代的桥环卤代烃既难进行SN1反应 也难进行SN2反应 离去基团的性质无论是SN1还是SN2都是 离去基团的碱性越弱 越易离取 如 对卤素是 R I R Br R Cl碱性很强的基团 如R3C R2N RO HO 等 不能作为离去基团进行亲核取代反应 象R OH ROR等 就不能直接进行亲核取代反应 只有在H 性条件下形成RO H2和RO R后才能离去 207 亲核试剂的性能溶剂的影响溶剂的极性增加对SN1历程有利 对SN2历程不利 208 消除反应 消除反应是从反应物的相邻碳原子上消除两个原子或基团 形成一个 键的过程 消除反应的类型有 1 2 消除反应 消除反应 1 1 消除反应 消除反应 1 3 消除反应 消除反应 209 一 消除反应的反应历程 与卤代烷的亲核取代反应相似 卤代烷的消除反应也有两种反应历程 1 双分子消除反应 E2 以CH3CH2CH2Br为例 亲核取代反应 消除反应 210 由反应历程可见 卤代烷的双分子消除反应也是一步完成的反应 反应的动力学方程为 上述反应的本质差别在于 按 进行反应 碱进攻的是 C 发生的是亲核取代反应 按 进行反应 碱进攻的是 H 发生的是消除反应 211 E2反应的特点 1 一步反应 与SN2的不同在于B 进攻 H E2与SN2是互相竟争的反应 2 反应要在浓的强碱条件下进行 3 通过过渡态形成产物 无重排产物 212 2 单分子消除反应 E1 以 CH3 3CBr为例 213 由此可见 a 反应也是分步进行的 b 反应速度只与RX有关 其动力学方程为 E1反应的特点 1 两步反应 与SN1反应的不同在于第二步 与SN1互为竞争反应 2 反应要在浓的强碱条件下进行 3 有重排反应发生 214 215 消除反应的取向 当卤代烷分子含有两个或两个以上不同的 H原子可供消除时 生成的烯烃也就不止一种结构 那么 究竟优先消除哪一个 H原子 这就是取向问题 实践表明 卤代烷的 消除反应 一是Saytzeff 查依采夫 取向 另一个是Hofmann 霍夫曼 取向 但在通常情况下将遵循Saytzeff规则 生成连有取代基较多的烯烃 216 E1消除 活化能较低 易于形成 活化能较高 不易形成 217 从产物的电子效应看 Saytzeff产物有九个C H 键参与的 超共轭效应 而Hofmann产物只有五个C H 键参与的 超共轭效应 故以Saytzeff产物为主 E2消除 由此可见 无论是过渡态的稳定性 还是产物的稳定性 都说明主要产物应是Saytzeff产物 218 然而 当消除的 H所处位置有明显的空间位阻或碱的体积很大时 其主要产物将是Hofmann产物 例如 219 三 消除反应的立体化学 消除反应可能会有两种不同的顺反异构体生成 将离去基团X与被消除的 H放在同一平面上 若X与 H在 键的同侧被消除 称为顺式消除 若X与 H在 键的两侧 异侧 被消除 称为反式消除 实践表明 在按E2机理进行消除的反应中 一般情况下发生的是反式消除 如 220 例如 只有 H与Cl处于反式 H和 H均与Cl处于反式 产物比例取决于产物的稳定性 221 四 取代与消除反应的竞争 如前所述 在卤代烷的反应中 试剂既可进攻 C原子而发生SN反应 也可进攻 H原子而发生E反应 这是两个相互竞争的反应 然而 如何才能使反应按我们所需的方向进行 就必须对影响SN和E反应的因素有一个清楚的认识 1 烃基结构的影响 C上烃基 因空间位阻增大 故对SN2反应不利而对SN1 E1反应有利 C上烃基 虽然对进攻 C不利 但对进攻 222 H的影响不大 相对而言 对E2反应有利 C上烃基 对SN2 E2都不利 而对SN1 E1有利 但对E1更有利 这是因为 叔卤烷易于