高等有机第六章-构象

.,第六章构象与构象分析,狭义定义：通过单键旋转而互变的异构体。广义定义：两立体异构体互变能小于60KJ/mol。(不能是构造异构体),第一节非环化合物的构象,一、烷烃的构象对于三碳以上直链烷烃，旋转异构发生在多个碳碳单键之间。丙烷有以下三种极限构象：,交叉-交叉(最稳定),交叉-重叠,重叠-重叠（最不稳定,.,与,与互为镜象关系，互为构象对映体,室温下,占约70%,和各占约15%,正丁烷可看成二甲基乙烷，沿C2-C3旋转一周能量变化曲线：,.,s,a,取代基在同侧用s表示(syn)取代基在异侧用a表示(anti),p,c,c,p,叠位：p(perplarr)错位：c(clinar),：反叠ap,：顺错sc,：反错ac,：顺叠sp,.,旋转能垒,3.4,3.9,4.7,n-戊烷是1,3-多取代丙烷的代表，它的四个C-C单键旋转产生无数构象。几种可能的全交叉型构象如下；,I对-对交叉(meso),II对-邻交叉（）,III邻-邻交叉（）,IV邻-邻交叉(meso),在中，C1-C2键和C4-C5键处于同一平面，C1和C5甲基重叠，称“五原子重叠”构象，能量高，为禁阻构象。,.,二、其它饱和链状化合物构象,1,2二氯乙烷32：=1.12D；270：=1.54D,=0,对位交叉式：气态：55%液态：70%固态：100%对称性越高，越易以固体存在,=3.2D,室温以对位交叉为主，高温以邻位交叉为主。,.,8491%,根据偶极矩、核磁共振和X-衍射研究，类似于1,2-二取代乙烷的化合物，当取代基较大时，一般情况下这两个取代基倾向对位交叉构象。,90%,8088%,7490%,但当各个基团的体积相差较小时，尤其C1和C2上基团可能形成氢键时，两个较大基团处于邻位交叉也可成为优势构象。没有氢键时，邻位交叉为主的原因不好解释。,.,对赤式和苏式异构体，当相邻不对称碳原子上的取代基可能以氢键缔合时，构象稳定性分几种情况：,X=F，OH，OR，NH2，Cl，COR等，即带有孤对电子。Y，Y1为烃基,赤式,构象拥挤,.,范德华力与氢键力竞争,氢键能:56Kcal/mol，只有Y，Y1不过于拥挤，分子内氢键总是比较稳定。在苏式结构的优势构象中，X和Y,Y1之间的距离比在赤式中远，更稳定。,苏式,构象拥挤,优势构象,.,当Y，Y1体积很大时,无论赤式还是苏式都倾向以Y和Y1处于对位交叉为主。,赤式,优势构象，不形成氢键。,苏式,既克服了空间斥力，又有氢键作用。,.,以上三种异构体可分离,Ad=,构象异构体一般难以分离，但不绝对。有文献报道1,2-二金刚烷基1,2-二叔丁基乙烷可分离到固体形式存在的构象异构体，因为取代基太大，旋转受阻。,.,三、共轭体系中碳碳单键的旋转异构,1、1,3丁二烯,S-反式96%,S-顺式4%,S-反式比S-顺式的能量低16.4KJ/mol，S-顺式由于C2-C3上氢原子处于重叠式及C1和C4上氢之间的范德华斥力而不稳定。,.,主，96%,次,4%,2、异戊二烯S-顺式比S-反式稳定，因为，甲基与氢原子之间斥力比氢与氢之间斥力大。,3、,不饱和醛酮,例1:甲基乙烯基酮,在甲基乙烯基酮分子中取代基之间不利的范德华斥力较小，主要以S-反式存在。在丙烯醛中，S-反式是唯一可以测出的构象。,.,S-trans73%,S-cis27%,70%30%,55%45%,30%70%,0100%,R=Me,R=Et,R=i-Pr,R=t-Bu,唯一可测出构象,当甲基被其它体积更大的烷基取代时，S-顺所占比例会随取代基体积增大而增加。因为大的R基团与C=C重叠不利。,.,S-trans28%,S-cis72%,氢键和溶剂效应也对构象稳定性有影响。,非极性溶液,极性溶液,主,次,主,次,偶极方向一致时有排斥，在极性溶剂中，由于溶剂化结果降低了氧氧原子之间的偶极斥力，S-反式成优势构象。,S-trans,S-cis,例二：4-甲基3-戊烯2-酮S-反式中甲基之间斥力大于甲基和羰基氧原子的斥力。,.,苯,86%,73%,第二节环状化合物的构象,环状化合物张力：角张力，扭曲张力，非键作用,三、四元环(小环)：角张力最大，最不稳定，反应活性最大。,五、六、七元环(中等环，正常环)：无角张力，扭曲张力和非键作用均很小。,八元以上环(大环)：扭曲张力和非键作用，分子内过度拥挤，非键合原子之间有斥力。,在2-吡咯甲醛中，S-反式有氢键，为优势构象。在非极性溶剂中S-反式比例更大，因极性溶剂中，溶剂化效应削弱了分子内氢键作用。,.,三元环：三元环为平面，前体开链分子的两端头尾近，易成环。分子张力大，易开环，很活泼。,形成环的难易取决于动力学因素而并非热力学稳定性：,四元环：较难形成，形成四元环的过渡态中所有氢原子均处于重叠构象，能量高。开环比三元环稍难。,五、六元环：易形成，很稳定。,大环：不易形成，环越大，开链前体头尾碰到一起的几率越小，稳定性不如五、六元环，但比三、四元环好。,.,一、三元环到五元环的构象,0.151nm,0.109nm,顺(优势产物),反,准e键,准a键,20-25o,四元环不是平面可用下面实验说明：3-甲基环丁酸酯在碱作用下顺反异构化平衡中，顺式为主。,取代基在准e键比较稳定。,.,信封式,半椅式,环戊烷一般存在两个构象,环戊烷中各个碳原子并不处于平均平面的固定位置，构象翻转能垒17KJ/mol.,.,二、环己烷构象,1、椅式构象的特征,平伏键均朝环外。其中3个斜向上，另外3个斜向下。,CCC键角：11105,。,.,环己烷的碳碳单键不能象开链烷烃那样自由转动360o,但可在一定范围内转动，并且不断从一个倚式转成另一个倚式。,半椅式,船式,扭船式,椅式,I,II,IV,III,V,VI,VII,I与VII相同II与VI及III与V互为对应体，不重叠。半椅式内能最高，因C1-C2-C3-C4在同一平面，有角张力。,.,环己烷椅式构象互变的两条途经：,环己烷NMR,1.44ppm,-110,1.64ppm,1.15ppm,6e-H,6a-H,同碳偶合出双峰,室温时，翻转快，仪器分辨不出，得的是平均值。,.,2、一取代环己烷的构象分析,室温,95%,5%,取代基与环处于对位交叉,更稳定。,E=1.61.8Kcal/mol,取代基与环处于邻位交叉,一取代环己烷取代基处于e键构象为优势构象。e键构象：Me3CPh环己基Me2CHMe2Nn-烷烃MeCH2CH3,.,3、1,2-二取代环己烷的构象,(1)相同取代基,顺-1,2-二取代meso,构象转换,ae,ea,两个构象具有构象对映体关系,在极低温度下，化合物结晶一般是形成含等量构象对映体的晶体，而不是构象对映体各自形成晶体的混合物。,.,A,B,反1,2-二取代,.,a,a,e,e,aa,ee,构象异构,对映异构,反1,2-二取代环己烷有一对对映体，可以拆分。每个对映体有二个椅式构象：aa型和ee型。aa型和ee型不是对映体，不能使旋光性消失。aa和aa或ee和ee为对映体，不能互相转变。ee和ee为稳定构象，常温下占绝大多数。,.,顺式ea型和反式ee型5两取代基的二面角差别不大，所以顺式和反式取代基之间斥力差异不大，但顺式取代中有1,3作用。故总的来说，反式更稳定。,顺式ea型,反式ee型,当1,2-二取代环己烷的取代基为卤素时，情况与二烷基时相反，二卤素占直立键成为优势构象。且直立键的比例为IBrCl,因为卤素有偶极之间的斥力。,.,主,次,u0无偶极斥力,有偶极斥力,1,2-二溴环己烷的构象比例与其状态及溶剂有关：a,a构象ee构象液态6535气体955在CCl4中8416在苯中5248在纯溶液中分子间作用加大，分子内斥力减小；在溶剂中，溶剂极性加大，增加分子与溶剂之间作用，减小自身偶极斥力，增加ee型结构稳定性。,.,4、1,3二取代环己烷的构象,meso,a,ameso,e,emeso,优势构象,对映异构,将一个构象异构体上下翻身可见两者为相同分子,相同分子,.,5、顺反1,4-二取代环己烷,同一结构,稳定构象,对1,2-和1,4-取代环己烷，最稳定的是反式ee构象，而对1,3-取代，最稳定是顺式ee构象。,.,6、不同基团的二取代环己烷,I与II为构象异构，不对映，不重叠。,III与IV为构象异构，不对映，不重叠。,较大基团在e键上为稳定构象,.,7、其它因素参与的取代环己烷构象,环己烷椅式构象中任何一个碳原子上e键和相邻e键或a键距离基本相等，能形成氢键的构象则成为优势构象。,1,2-ae,1,2-ee,1,3-aa,均为优势构象,.,樟脑,顺1,2二叔丁基环己烷由于一个叔丁基必须处于a键，使椅式构象张力很大，低温NMR表明其以椅式和扭船式的平衡混合物存在。,由于桥连或氢键使下列化合物的船式构象能稳定存在。,顺1,4-环己二醇,4-羟基1,2,2,6,6-五甲基4-苯基哌啶,.,三、环己酮构象在没有其它因素存在下，环己酮几乎完全以椅式构象存在，25oC时，99%.另1%为扭船式。,角张力和扭曲张力使环己酮比环己烷内能更高，化学反应中更活泼,HCN,HCN,k1,k2,k1/k2=70,2-位eH与C=O几乎平行（二面角4.3o),第一个反应快的原因有二方面：1环己酮比环己烷内能高。2环己酮比开链十三酮空阻小。,.,v1,NaBH4,v2,v1/v2=355,第一个反应快的主要原因是环己酮比环己烷内能高。,NaBH4,2-烷基和3-烷基效应在环己酮中，C2和C6e键氢与羰基部分重叠，如2-位或6-位被烷基取代，则烷基与羰基氧之间的作用将降低e烷基构象的稳定性，使e烷基构象和a-烷基构象之间的能量差比相应的环己烷构象差小，这称为2-烷基酮效应。它可由环己烷构象转换能与环己酮构象转化能之差GoR来测量。,2位e取代基环己酮构象与2-e取代环己烷构象相比，稳定性下降，即2-烷基效应,.,薄荷酮和香芹薄荷酮在酸或碱催化下异构化平衡时产物比例：,顺反异构化,.,3-烷基酮效应：在3-烷基环己酮中，由于缺乏1,3-作用，a-键型构象也比环己烷a-键型稳定，这称为3-烷基酮效应。,R与羟基有1,3作用,R无1,3作用,薄荷酮由于2-异丙基效应和3-甲基效应，使其在低极性溶剂中，a,a键占主要。,构象异构,.,(2)2-卤代环己酮环己酮2-位有一个极性基团（如卤素取代基和羰基部分重叠引起的空间斥力几乎平行的C-X和C=O之间的偶极作用e-键型构象稳定性减低偶极作用与溶剂极性有关构象的比例也与溶剂有关。,2-溴环己酮在酸或碱催化下异构化，极性溶剂中a-键型构象比例减少。溶剂极性大，将削弱分子内偶极作用。,顺反异构化,.,如果2,6-位或2,4-位有两个顺式取代基，二者处双直立键有较强的1,3-斥力，类似与“五原子重叠构象”。这时，e-键构象有利。,.,四、十氢化萘及其衍生物,反式,顺式,反式(中心对称，无手性),顺式(手性),e,e键稠合的反十氢化萘不存在环己烷椅式构象的相互转换，即不可能转换成a,a键稠合，分子是刚性的。,.,而e,a键稠合的顺十氢化萘存在椅式构象的互换，即ea与ae互变。,翻身使II与II重合,分子向上抬起使I与I重合,I与II对映，I与II对映,.,顺-2-十氢化萘酚,反-2-十氢化萘酚,反-2-十氢化萘酚e键取代醇和a键取代醇不能互换，e键取代醇稳定，a键取代有1,3作用。,.,第三节构象对反应活性及立体选择性的影响,例1:D-A加成,S顺,一、开链化合物构象与反应活性及立体选择性,I,II,III,IV,II比IV更不稳定，II在I与II平衡中的比例比IV在III与IV平衡中的含量更少。,.,.,反应速度,1,27,D-A反应双烯体都需从S反转变为S顺,.,HF,HF,苏式,赤式,例2:,2,3-二苯1,2-二氢1-萘酮,2-苯3-苄基1-茚酮,.,苏式,赤式,最优构象,最优构象,苏式原料优势构象中羧基与苄基距离近，付氏反应发生在苄基苯环上。,赤式原料优势构象中羧基与苯基距离近，付氏反应发生在苯基苯环上。,.,二、环己烷衍生物构象与反应活性及立体选择性,1、E2消除,1,2消除要求反式共平面,由稳定构象转为不稳定构象需能量高，反应慢。,.,E1,E1消除生成碳正离子中间体，a键和e键型反应物生成碳正离子时过渡态能量基本相等，但a键型反应物内能比e键型反应物高。所以a键型反应物与过渡态之间的能垒小，a键型反应物更易发生E1反应。,、水解及酯化,例3,a键酯中间体从sp2变为sp3，1,3斥力比原料更大，活化能更高。,.,羰基离环远一个原子，空间斥力影响比例3小。,例4,例5,KeKa,由于角甲基的空阻使a键酯水解更慢，可用水解反应分离a，e两种异构体,.,例6,a,a*,e,e*,a键型酯水解中间体氢键比原料氢键更强，过渡态能量低，反应活化能比e键型酯小，水解速度快。,.,薄荷醇,新薄荷醇,酯化反应相对速率,16.5,1,酯化反应和水解相同，一般情况下e键羟基易酯化。,.,EtOH,orAcOHorHCOOH,溶剂解,SN1，形成C+,1,:,相对速率,2.3-4.0,3、亲核取代反应,SN14-t-丁基环己烷对甲苯磺酸酯的溶剂解反应Kcis/Ktrans2.3-4.0,因为aTsO取代原料基态能量比eTsO基态高,.,(2)SN2,假设Nu体积大于L,e-构型基态能量低,过渡态能量高,a-构型基态能量高,过渡态能量低,慢,快,V相1:60,.,4、环己醇的氧化用铬酸(H2CrO3)氧化环己醇，a键醇比e键醇活泼，因a键醇能量高，而氧化后碳由sp3转变成sp2后，直立键的1,3-作用减小了.,H2CrO3,V相,3.2,1,:,.,5、环己酮及衍生物的还原,(1)催化氢化,+,H2,+,Pt,动力学控制产物,热力学稳定产物,催化氢化时，催化剂从位阻小的一面吸附双键，即e键方向，并从此面转移氢。酸性条件下，产物很快从催化剂表面脱离为主产物。在中性介质中，延长了产物与催化剂表面的接触时间，热力学稳定产物为主。,快速还原时80%长时间反应，选择性降低。,.,內侧进攻受3,5-位a-H位阻，动力学不利，但H-很小，无取代环己酮用NaBH4或LiAlH4还原以內侧为主，热力学产物为主产物。,LiAlH4,9193%,內侧,外侧,有取代基时，不同位置、不同构象、不同体积取代基，还原产物不同。4-e取代，产物以e键型为主，因取代基对羰