高等有机第二章立体化学原理ppt课件

1、高等有机化学异构体分类：异构体分类：同同分分异异构构构造异构：分子式构造异构：分子式一样，分子中原子一样，分子中原子相互相互 衔接的方式和衔接的方式和次序不同。次序不同。CH3CH2CH2CH3 CH3CHCH3CH3CH3CH2OH CH3OCH3CH3CH2CH2Cl CH3CHCH3Cl碳链异构碳链异构官能团异构官能团异构官能团位置异构官能团位置异构互变异构互变异构立体异构立体异构立体异构：构造式立体异构：构造式一样，分子中原子一样，分子中原子在空间的陈列方式在空间的陈列方式不同。不同。顺反异构顺反异构构型异构构型异构非对映异构：非实非对映异构：非实物与镜像的关系物与镜像的关系旋光异构旋

2、光异构烯烃的顺反异构烯烃的顺反异构脂环烃的顺反异构脂环烃的顺反异构HH3CHCH3HH3CHCH3构象异构构象异构对映异构：实物与对映异构：实物与镜像的关系镜像的关系构象异构构象异构单键旋转单键旋转叔胺翻转叔胺翻转HHHHHHHHHHHHR1、R2、R3是烃基是烃基两种异构体两种异构体A和和BA和和B分子中的原子具有一样的衔接顺序吗？分子中的原子具有一样的衔接顺序吗？构造异构体构造异构体立体异构体立体异构体否否是是A和和B具有相互不能重合的实物与镜像关系吗？具有相互不能重合的实物与镜像关系吗？非对映异构体非对映异构体对映异构体对映异构体否否是是化合物的对称性可以用对称元素加以确定，而对称元化合

3、物的对称性可以用对称元素加以确定，而对称元素又可以用一定的对称操作加以描画。对称元素可以素又可以用一定的对称操作加以描画。对称元素可以分为对称轴、对称面、对称中心和更迭对称轴或旋分为对称轴、对称面、对称中心和更迭对称轴或旋转反射对称轴。转反射对称轴。 对称轴对称轴 Cn： 经过分子的一条直线，以这条直线为轴旋经过分子的一条直线，以这条直线为轴旋转转 360/ nn=2、3、4、角度，角度，得到的物体或分子的笼统和原来的笼统完得到的物体或分子的笼统和原来的笼统完全一样，这种轴称为对称轴，并相应地称全一样，这种轴称为对称轴，并相应地称之为之为n重对称轴。重对称轴。例如：反例如：反-2-丁烯有一个二

4、重对称轴丁烯有一个二重对称轴C2垂直于碳碳双键中心。垂直于碳碳双键中心。水分子水分子NH3对称面对称面 ：某一平面将分子分为两半，就象一面镜子，实某一平面将分子分为两半，就象一面镜子，实物一半与镜象另一半彼此可以重叠，物一半与镜象另一半彼此可以重叠，那么该平面是对称面。那么该平面是对称面。 经过经过N N原子和任何两原子和任何两个个H H构成的平面构成的平面经过经过O O和两个和两个H H构成的平面，与构成的平面，与此平面垂直的平面此平面垂直的平面对称中心对称中心 i 分子中有一中心点，经过该点所画的直线分子中有一中心点，经过该点所画的直线都以等间隔到达一样的基团，那么该中心点是对都以等间隔到

5、达一样的基团，那么该中心点是对称中心。称中心。 反反1 1，3 3二甲基环丁烷二甲基环丁烷反反1 1，2 2二氯乙烯二氯乙烯更迭对称轴又称为旋转轴更迭对称轴又称为旋转轴 Sn ：围绕某轴旋转：围绕某轴旋转360/ nn=2、3、4、然后对垂直于该轴的平然后对垂直于该轴的平面作反射，假设与原化合物一样，相应的称之为面作反射，假设与原化合物一样，相应的称之为n重更迭对称轴。重更迭对称轴。Sn = Cn + 垂直于垂直于CnNHCH3HCH3H3CHHH3CNHH3CHH3CCH3HHCH3NHH3CHH3CCH3HHCH3NHCH3HCH3H3CHHH3C旋转90反映操作S4I = IVII =

6、III结论：判别一个分子有无手性，普通只需判别这个分子结论：判别一个分子有无手性，普通只需判别这个分子有没有对称面、对称中心。假设既没有对称面又没有对有没有对称面、对称中心。假设既没有对称面又没有对称称中心，那么这个分子有手性，有对映异构体，有旋光中心，那么这个分子有手性，有对映异构体，有旋光性；假设分子中有对称面或者有对称中心，那么这个分性；假设分子中有对称面或者有对称中心，那么这个分子无手性。子无手性。 1. 有手性碳原子的化合物有手性碳原子的化合物假设分子中只含有一个手性碳原子衔接的四个假设分子中只含有一个手性碳原子衔接的四个原子或基团都不一样，那么化合物具有手性。原子或基团都不一样，那

7、么化合物具有手性。例：例：CH3CHOHCOOH*乳酸，乳酸，2-羟基丙酸羟基丙酸分子中只含有一个不对称碳原子，有手性。分子中只含有一个不对称碳原子，有手性。HCCH3COOHOHHCH3CCOOHHO一对对映体一对对映体从肌肉中提取，右旋乳酸从肌肉中提取，右旋乳酸 D-(+)乳酸；乳酸；葡萄糖发酵制取，左旋乳酸葡萄糖发酵制取，左旋乳酸 L-(-)乳酸；乳酸；从酸牛奶中提取，对偏光无影响，外消旋乳酸从酸牛奶中提取，对偏光无影响，外消旋乳酸乳酸。乳酸。 2. 含有其它手性原子的化合物含有其它手性原子的化合物分子中含有四个键指向四面体的四个顶点的原子，假分子中含有四个键指向四面体的四个顶点的原子，

8、假设四个基团不同就有旋光性。设四个基团不同就有旋光性。CH2CH3NCH(CH3)2CH3C6H5CH2CH3NC6H5CH3CH(CH3)2CH2CH=CH2PCH(CH3)2CH3C6H5CH2CH=CH2PC6H5CH3CH(CH3)2 3. 含有三价的手性原子的化合物含有三价的手性原子的化合物棱锥构造的分子中，中心原子假设与三个不同基团相棱锥构造的分子中，中心原子假设与三个不同基团相连会产生旋光性。如：连会产生旋光性。如：铵类化合物铵类化合物NCH2CH3CH3C6H5NC6H5CH3CH2CH3CH2CH3NCH3C6H5膦化合物膦化合物PCH3CH2CH2CH3C6H5SC6H4C

9、H3CH2C6H5O亚砜类化合物亚砜类化合物1. 含两个不一样的不对称碳原子的化合物含两个不一样的不对称碳原子的化合物手性碳与立体异构体数目的关系：手性碳与立体异构体数目的关系： 假设分子有假设分子有 n 个手性碳，实际上有个手性碳，实际上有 2n 个个立体异构体立体异构体2n / 2对对 对映体。假设手性碳对映体。假设手性碳组成一样，数目有所减少。组成一样，数目有所减少。OHCCHOHCH2OHCHOH*例：例：OHOHHHCHOCHOCH2OHHHHOHOCHOCH2OHHHHOCHOOHCH2OHHOHHCHOHOCH2OHRRRRssss总结：总结：ABRSRSSRRS 一对对映体一对

10、对映体 一对对映体一对对映体 等摩尔的一对对映体的混合物构成外消旋体。等摩尔的一对对映体的混合物构成外消旋体。非对映异构体非对映异构体不成镜象关系的对映异构体。不成镜象关系的对映异构体。2. 含有两个以上的不一样的不对称碳原子的化合物含有两个以上的不一样的不对称碳原子的化合物3. 含有两个一样的不对称碳原子的化合物含有两个一样的不对称碳原子的化合物COOHCHOHCHOH*HOOCOHHHCOOHCOOHHOOHHHHOCOOHCOOHHHCOOHCOOHOHOH有对称面，无对有对称面，无对映异构体，无旋映异构体，无旋光性内消旋体。光性内消旋体。RRssRs分子中有对称面的化合物分子中有对称面

11、的化合物2个手性个手性C，最多有，最多有2n个异构体，一样的手性个异构体，一样的手性C减少其异构体数目减少其异构体数目l 假设分子含有对称面或对称中心，为非手性分子假设分子含有对称面或对称中心，为非手性分子 对映异构体的表示方法对映异构体的表示方法常有三种表示方法常有三种表示方法透视式透视式费歇投影式费歇投影式FischerCH3HOHH3CH2CHClHCH2CH3ClH3CHOHCH2CH3ClHCH3HOHCH3HOHCH2CH3HClR,S)3氯氯2戊醇戊醇纽曼投影式纽曼投影式NewmanNewman透视式透视式费歇投影式费歇投影式纽曼投影式纽曼投影式1、外消旋化：旋光物质转变为不旋光

12、的外消旋体的过程。、外消旋化：旋光物质转变为不旋光的外消旋体的过程。 例如例如(s)-2-溴代苯乙烷溶于液态的溴代苯乙烷溶于液态的SO2中，其旋光性逐渐减小，中，其旋光性逐渐减小，为什么？为什么？C CH3BrH+SOOC CH3BrS活性中间体具有平面构型SO+HOC CH3BrHSC CH3HBrR+ 主要是反响过程中发生外消旋化，发生外消旋化必需具备两主要是反响过程中发生外消旋化，发生外消旋化必需具备两个条件个条件1底物有一个手性中心；底物有一个手性中心；2活性中间体有平面活性中间体有平面构型。构型。 例如例如(s)-2-甲基环己酮在碱性溶液中，其旋光性逐渐甲基环己酮在碱性溶液中，其旋光

13、性逐渐减小，为什么？减小，为什么？OH3CHOH-OHCH3(1)(2)OHCH3SR烯醇式OH3CHHCH32s,4ROH-OHCH3HCH3(1)(2)OHCH3HCH32R,4R烯醇式2、差向异构化：在含有多个手性碳的化合物中，使其、差向异构化：在含有多个手性碳的化合物中，使其中一个手性碳发生构型转化的过程。中一个手性碳发生构型转化的过程。条件：条件：1有两个或多个手性原子；有两个或多个手性原子；2生成的不生成的不是对映体。是对映体。CBrC6H13H3CHROH-+CBr-C6H13HCH3-HOCC6H13HCH3HOS 许多合成反响中，产物往往是一对对映体，而普通一种单一许多合成反

14、响中，产物往往是一对对映体，而普通一种单一的构型运用更为广泛，尤其是在医药卫生行业。的构型运用更为广泛，尤其是在医药卫生行业。 用普通的物理方法分馏、分步结晶等不能把一对对映体用普通的物理方法分馏、分步结晶等不能把一对对映体别分开来。必需用特殊方法。别分开来。必需用特殊方法。 拆分拆分将外消旋混合物分别成两个独立的对映体的过程通常将外消旋混合物分别成两个独立的对映体的过程通常叫做叫做“拆分。拆分。NOONHHOONHOONOOHR configuration S configuration常用的拆分的方法普通有以下几种：常用的拆分的方法普通有以下几种：1机械拆分法：利用外消旋体中对映体的结晶形

15、状机械拆分法：利用外消旋体中对映体的结晶形状上的差别，借肉眼直接识别，或经过放大镜进展识上的差别，借肉眼直接识别，或经过放大镜进展识别，而把两种结晶体挑捡分开。别，而把两种结晶体挑捡分开。(1848年年Pasteur初初次拆分胜利两种不同晶型的酒石酸钠铵，目前很少次拆分胜利两种不同晶型的酒石酸钠铵，目前很少用用)2诱导结晶拆分法晶种结晶法：在外消旋体的诱导结晶拆分法晶种结晶法：在外消旋体的过饱和溶液中，参与一定量的一种纯的光学异构体过饱和溶液中，参与一定量的一种纯的光学异构体作为晶种，构成非平衡结晶，从而优先结晶出这种作为晶种，构成非平衡结晶，从而优先结晶出这种对映体，母液经浓缩再用另一种对映

16、体的晶体为晶对映体，母液经浓缩再用另一种对映体的晶体为晶种，如此反复进展，可到达一定的拆分目的。种，如此反复进展，可到达一定的拆分目的。3生物化学法：利用某些微生物或它们所产生的酶生物化学法：利用某些微生物或它们所产生的酶的立体专注性，对对映体中的一种异构体有选择的的立体专注性，对对映体中的一种异构体有选择的分解作用。分解作用。4选择吸附拆分法：用某种旋光性物质作为吸附剂，选择吸附拆分法：用某种旋光性物质作为吸附剂，使之选择性地吸附外消旋体中的一种异构体构成使之选择性地吸附外消旋体中的一种异构体构成两个非对映的吸附物。通常是利用手性色谱柱来两个非对映的吸附物。通常是利用手性色谱柱来分别。分别。

17、5化学拆分法：将外消旋体与旋光性物质作用，得化学拆分法：将外消旋体与旋光性物质作用，得到非对映体的混合物，根据非对映体不同的物理性到非对映体的混合物，根据非对映体不同的物理性质溶解度、沸点、蒸汽压、吸附特性等，将它质溶解度、沸点、蒸汽压、吸附特性等，将它们拆分后再经过反响分别恢复到原来组成的组分。们拆分后再经过反响分别恢复到原来组成的组分。 对于酸，拆分步骤可用以下通式表示：对于酸，拆分步骤可用以下通式表示： 拆分酸时，常用的光学活性的碱，如天然的生物碱拆分酸时，常用的光学活性的碱，如天然的生物碱-奎宁、奎宁、-马钱子碱、马钱子碱、-番木鳖碱和合成得到的光学番木鳖碱和合成得到的光学纯的胺类等。

18、纯的胺类等。(+)-RCOOH(-)-RCOOH+ 2 (-)-RNH2(+)-RCOOH (-)-RNH2(-)-RCOOH(-)-RNH2外消旋体非对映混合体重结晶(+)-RCOOH (-)-RNH2(-)-RCOOH(-)-RNH2HClHCl(+)-RCOOH + (-)-RNH2HCl(-)-RCOOH + (-)-RNH2HCl 拆分碱时，常用的天然的光活性酸，如酒石酸、樟拆分碱时，常用的天然的光活性酸，如酒石酸、樟脑脑-磺酸等。磺酸等。 如如a-苯乙胺的拆分：苯乙胺的拆分：NH2HCH3Ph(R-)NH2HCH3Ph(S-)外外消消旋旋体体+HOOCCOOHOHNH3+HCH3P

19、h(R-)NH3+HCH3Ph(S-)非非对对映映异异构构体体HOOCCOO-OHHOOCCOO-OHOH-NH2HCH3Ph(R-)-OOCCOO-OH+NH2HCH3Ph(S-)-OOCCOO-OHOH-+ 对非酸非碱的外消旋体，可以设法在分子中引入酸性基团，然对非酸非碱的外消旋体，可以设法在分子中引入酸性基团，然后按拆分酸的方法拆分；也可以选适当的旋光性物质与外消旋后按拆分酸的方法拆分；也可以选适当的旋光性物质与外消旋体作用而生成非对映体的混合物，然后分别。体作用而生成非对映体的混合物，然后分别。 例如：拆分醇时例如：拆分醇时 方法方法1：先使醇与丁二酸酐或邻苯二甲酸酐作用生成酸性酯：先

20、使醇与丁二酸酐或邻苯二甲酸酐作用生成酸性酯： 然后再将这种含有羧基的酯与旋光性碱作用生成然后再将这种含有羧基的酯与旋光性碱作用生成非对映体后分别。非对映体后分别。COCOO+ROHCCOOOROH 方法方法2：使醇与旋光性酰氯作用，构成非对映体的酯：使醇与旋光性酰氯作用，构成非对映体的酯的混合物，然后分别；的混合物，然后分别；+ROHN*SHOOClON*SHOOORO+HCl(-)+N* NH2H(-)C R2R1ON* NHCR2R1腙拆分醛、酮时，可使醛、酮与如下的旋光性的肼作用，拆分醛、酮时，可使醛、酮与如下的旋光性的肼作用，然后分别：然后分别： 不对称合成反响是近20年来有机化学中开

21、展最为迅速也是最有成就的研讨领域之一。它泛指:一类反响由于手性反响物、试剂、催化剂以及物理要素(如偏振光)等呵斥的手性环境,使得反响物的前手性部位在反响后变为手性部位时构成的立体异构体不等量,或在已有的手性部位上一对立体异构体以不同速度反响,从而构成一对立体异构体不等量的产物和一对立体异构体不等量的未反响原料。 研讨不对称合成反响,具有非常重要的实践意义和艰苦的实际价值。对于不对称化合物来讲,制备单一的对映体是非常重要的,由于对映体的生理作用往往有很大差别。 6.1 不对称合成反响的意义不对称合成反响的意义(+)-抗坏血酸具有抗坏血病的功能抗坏血酸具有抗坏血病的功能, (-)-抗坏血酸那么无此

22、活性；抗坏血酸那么无此活性；(R)-天冬酰胺是甜的天冬酰胺是甜的, (S)-天冬酰胺是苦的天冬酰胺是苦的;L-四咪唑是驱虫剂四咪唑是驱虫剂, D-四咪唑有毒且不能驱虫四咪唑有毒且不能驱虫; 6.2 不对称合成中的立体选择性和立体专注性不对称合成中的立体选择性和立体专注性立体选择性反响普通是指反响能生成两种或两种以上立体立体选择性反响普通是指反响能生成两种或两种以上立体异构体产物有时反响只生成一个立体异构体，但其中异构体产物有时反响只生成一个立体异构体，但其中仅一种异构体占优势的反响。仅一种异构体占优势的反响。 HCO2HOCHOH(单一的立体异构体)OLiAlH4HOHMe3COHHMe3CM

23、e3C+90%10%立体专注性反响是指在一样的反响条件下，由立体异构的起立体专注性反响是指在一样的反响条件下，由立体异构的起始物得出立体异构的不同产物，立体专注过程中，起始物都始物得出立体异构的不同产物，立体专注过程中，起始物都是一对立体异构体，如：亲核取代反响，产物也是立体异构是一对立体异构体，如：亲核取代反响，产物也是立体异构体。体。AcO-CMe(CH2)5MeHOSO2C6H4-Me-pCMeCO2MeCH2(CH2)4CH3HAcO-CMe(CH2)5HMeOSO2C6H4-Me-pCMeCO2HCH2(CH2)4CH3Me 6.3 不对称合成的反响效率不对称合成的反响效率 不对称合

24、成反响实践上是一种立体选择反响,反响的产物可以是对映体,也可以是非对映体,只是两种异构体的量不同而已。立体选择性越高的不对称合成反响, 产物中两种对映体或两种非对映体的数量差别就越为悬殊。不对称合成的效率, 正是由两者的数量差别来表示的。假设产物彼此为对映体, 那么其中某一对映体过量的百分率(percent enantiomeric excess,简写为 %e.e)可作为衡量该不对称合成反响效率高低的规范,表示方法如下: %e.e =R + S+100%R - S式中R和S分别为主要对映体产物的量和次要对映体产物的量。如两个对映体产物的比是95:5，那么%e.e是95-5=90(或e.e=90

25、%) 通常情况下,可假定比旋光度与对映体组成具有线性关系，因此在实验丈量误差略而不计时，上述 %e.e即等于下述所谓光学纯度百分率(percent optical purity,简写为 %O.P). %O.P =实测不对称合成产物 o纯净的立体产物+100% 假设产物为非对映异构体时假设产物为非对映异构体时,不对称合成反响效率用非不对称合成反响效率用非对映过量百分率对映过量百分率(percent diastereomeric excess，简写为，简写为 %d.e)来表示。来表示。%d.e =A + B+100%A - B式中A和B分别为主要非对映体产物的量和次要非对映体产物的量。 6.4 不

26、对称合成反响不对称合成反响6.4.1 用化学计量手性物质进展不对称合成用化学计量手性物质进展不对称合成 1. 由手性反响物进展不对称合成由手性反响物进展不对称合成HOHOC关键步骤CH3NH2HOHNCH3CH3COHHNCH3HCH3CH3H2, Pd/CD-(-)-乙酰苯甲醇D-(-)-麻黄碱OHNHCH3phHHNCH3OCH3HHCH3ph催化剂吸附和加氢的主要方向B2H6CH3HBCH3HOHHOOHHOHOH2B产率94%，90% d.eH2O22 2用手性试剂进展的不对称合成用手性试剂进展的不对称合成1) 不对称烷氧基铝复原剂不对称烷氧基铝复原剂LiOHOHOOAlHOR(s)-BINAL-H+-R=Me, EtPhOHPhCOC3H7-