第二章立体化学原理

1、第二章第二章 立体化学立体化学n异构体: 分子式相同而构造（即化合物中键的特定结合方式和原子的顺序）不同的各种分子集合体之间互称为异构体。包括：碳链异够构，官能团异构，官能团位置异构和互变异构。 n立体异构体：构造相同而原子或基团的空间排列上不同的化合物。包括：构型异构（顺反异构、对映异构）和构象异构。2.1 2.1 对映异构关系对映异构关系 n 手性（chirality）是用来描述一种物体和它的镜象不能重叠时一个名称，历史上手征性和旋光性非常密切相关，化学家们能互换地使用旋光的和手征的这两种描述方法。 n 旋光性是手征分子的一种性质，即旋转偏振光平面的能力。旋光度的符号和大小都与测量条件有关

2、，包含温度、溶剂和射入样品中的入射光的波长。n 一个旋光性的分子一定是手征的，反之亦然。但在一些测量条件下，有些手征分子的旋光性可能非常小，以至无法与零相区别。在这种情况下，可以在另一个波长上测定，得出较大的旋光度。手征中心手征中心 n碳手征中心： 连在sp3碳上的配基按四面体方式取向，当具有四个不相同的配基时，分子是手征的，我们把这个碳原子称为手征中心。如2-丁醇是手征的，而乙醇却不是。不是手征的分子叫做非手征的。H3COHHHHOCH3HHH3COHHCH2CH3HOCH3HCH2CH3手征中心手征中心n除了碳手征中心外，还有硫、磷、氮手征中心，如n具有三个不同取代基的胺原则上是能够有旋光

3、性的因为它们是手征的，但是角锥体翻转所需要的活化能太小，以致不能将对映异构体分离。当它变为季胺盐时，就不能翻转而变成手性的。nSOPH3CH2CH2CCH3PhH2CNCH2CHPhCH3CH2+手性的描述手性的描述 n手性可以用菲舍尔（Fischer）惯用法（D，L）或凯恩-英格尔德-泼莱劳格（Cahn-Ingold-Prelog）惯用法（R，S）来描述 。n注意：分子的旋光度符号和构型（D，L）之间没有简单的关系。不是都象甘油醛那样D-是右旋，L-是左旋；例如，L-丙氨酸这个氨基酸是右旋的。HOH2CCHOHO HHOH2CCHOH OHCCHOCH2OHHOHCHOOHHCH2OHCCH

4、OCH2OHHOHCHOHHOCH2OHDD-(+)-甘油醛L-(-)-甘油醛Ln因此，D，L与R，S以及旋光度的左旋，右旋它们彼此之间没有必然联系。 CO2HHH2NCH2SHCCHOCH2OHHOHCHOOHHCH2OHDR-甘油醛L-半光氨酸R-半光氨酸不含手性中心的手性分子不含手性中心的手性分子n手性轴和手性面的化合物，如某些旋光性的丙二烯、联芳基、亚烷基环己烷就是轴型非对称分子的例子（手征轴）。反式环烯可作为分子中有非对称性面的例子。n CCCHHO2CHCO2HR-(-)- 戊二烯二酸S-（+）-螺环3，3-庚-1，5-二烯手性因素与手性化合物的关系手性因素与手性化合物的关系n含有

5、手性中心等手性因素的化合物不一定是手性化合物：如果该化合物含有对称中心，对称面等对称因素则是非手性的。n1, 2-二甲基环丁烷的三个可能的立体异构体是： H3CH3CHHH3CHH3CHHH3CHH3C立体异构体的数目立体异构体的数目n手征中心的数目和立体异构体的数目之间不存在一个简单的一般关系，因为某些式子可以和它们的镜象重叠。当不存在这些情况时，具有n个不同的不对称中心的体系可能有的立体异构体的数目是2n个。2.2 非对映异构关系非对映异构关系 n2.2.1 非对映异构体n它们之间不是物体与其镜象的关系的立体异构体。HOOHHHHOH2CCHOHOHHOHHOH2CCHOHOHHHOHOH

6、2CCHOHHHOHOHOH2CCHO2R,3R2S,3S2S,3R2R,3S非对映异构体非对映异构体非对映异构体对映异构体非对映异构体2,3,4-三羟基丁醛中的立体异构关系非对映异构体的性质非对映异构体的性质n非对映异构体在化学和物理性质上可以是不相同的。它们具有不同的熔点、沸点、折射率、溶解特性、偶极矩、比旋光度等等。n在非对映异构体中可以把每个手征中心按顺序规则规定为R或S。.2拆分和动力学拆分拆分和动力学拆分 n拆分是把一个含有等量对映体的混合物（称为消旋体或外消旋混合物）分离成其组分的过程。n用一个旋光性试剂（拆分剂）来处理对映异构体混合物，使其转变为非对映异构体混合

7、物，然后利用非对映异构体的沸点、溶解度等性质的差异，通过蒸馏或重结晶而使其分离， 2-苯基-3-甲基丁酸的拆分为例(H3C)2HCCO2HHPh(H3C)2HCCO2HPhHHNH2CH3Ph(H3C)2HCCO2HPhHR-(-)S-(+)外消旋混合物R-(+)非对映异构的羧酸铵盐（R-酸，R-胺和S-酸，R-胺）的混合物，从乙醇-水中重结晶重结晶后的产物：R，R盐从滤液中回收的盐富集了的S，R盐酸化酸化R-(-)-酸部分拆分的S-（+）-酸拆分的分类拆分的分类n化学拆分：这种拆分试剂与消旋体发生反应而进行的拆分称为化学拆分。n包结拆分：如果利用拆分试剂与消旋体之间的物理作用，比如生成氢键等

8、而将其拆分开来，叫包结拆分。n动力学拆分 动力学拆分动力学拆分 n用来描述利用与旋光性试剂的选择性反应进行对映异构体分离的一个术语。n它依靠对映异构体与手征试剂反应时速度的差别。一种手征分子与另一种手征分子反应的过渡态能量，对于每一种对映异构体来说都可以是不同的。n如果一个外消旋混合物(R-分子+S-分子)与一个旋光性试剂（R-试剂）反应，那么两个过渡态（R-分子R试剂和S-分子R试剂）彼此具有非对映异构的关系。 OPhOOPhOPhCat*O*+CH2CHOHTi(OR)4,t-BuOOHCH2CHOH(+)diisopropyl tartrate37% yield recovered, 9

9、5%e.e.OHOCH3NH2CO2HH+CO2OCH3H2N+racemicL-valine27% yield,96% d.e.酶拆分也是动力学拆分的一类酶拆分也是动力学拆分的一类 CHCH3O2CCH3CHCH3OHRhizopus nigricansR-enantiomer,98%e.e.at 28% conversionOCO2C2H5PhCH2OCO2C2H5PhCH2OOHBakers yeast38% yield, 82% d.e., 84% e.e.2.3 2.3 动态立体化学动态立体化学 n2.3.1立体专一反应和立体选择反应n立体专一反应是指：在相同的反应条件下，由立体异构

10、的起始物得出立体异构的不同产物。n立体选择性反应是指：在特定反应中，单一一种反应物能够形成两种或更多种立体异构产物，但观察到的是其中一种异构体的形成占优势。某些立体专一反应某些立体专一反应 对烯的立体专一加成反应：如环氧化反应 亲核取代反应 (CH2)8OHHH3C(H2C)7H(CH2)8OHHHH3C(H2C)7CH3CO3HCH3CO3HOHHH3C(H2C)7HO(H2C)8OHH3C(H2C)7HHO(H2C)8OSO2C6H4pCH3H3CH3C(H2C)5HOSO2C6H4pCH3H3CH3C(H2C)5HCH3CO2-CH3CO2-H3CO2CCH3H(CH2)5CH3H3CO

11、2CHH3C(CH2)5CH3n消除反应：如脱卤化氢反应消除反应：如脱卤化氢反应n氧化胺的热解反应氧化胺的热解反应 BrHPhH3CPhHKOCH2CH3PhHH3CPhBrHPhH3CHPhKOCH2CH3HPhH3CPh苏型赤型；HN(CH3)2PhHH3CCH3-OCH3H3CPhHHN(CH3)2PhCH3H3CH-OHH3CPhCH3+115+苏型赤型125;某些立体专一反应某些立体专一反应n在这些立体专一过程中，起始物都是一对对立在这些立体专一过程中，起始物都是一对对立体异构体，产物彼此也是立体异构体。体异构体，产物彼此也是立体异构体。n每个反应进行时，只得到单一一种立体异构体，每

12、个反应进行时，只得到单一一种立体异构体，而不混杂有另一种立体异构体。而不混杂有另一种立体异构体。 某些立体选择性反应某些立体选择性反应 PhOCH2ClHHHOPhHHOPhHn-BuLi /乙醚+(26%)(14%)PhCH3CHOHCH3MgIPhCH3HOHCH3HPhCH3HOHHCH3+赤型（67%）苏型（33%）O(H3C)3CLiAlH4(H3C)3CHOH(H3C)3COHH+(90%)(10%)PhCH3ClHOH-HOCH3HPhPhCH3OHH+n构型保留：在反应中立体化学方面有意义的原子的空间排列在反应物和产物中是相同的。n构型转变：在反应中立体化学方面有意义的原子的空

13、间排列在反应物和产物中是对映异构的关系。n如果在生成产物过程中反应物失去了立体化学的完整性，那么这个反应进行时发生外消旋化作用。n如果仅仅丧失一部分立体化学完整性的许多反应实例，我们把它称为部分外消旋化作用。C XR1R2R3C+R1R2R3-X-Nu-C NuR1R2R3+CR1R2R3NuPure enantiomerachiral intermediateracemic productn有机分子发生外消旋化作用时最常见的机理过程是：从不对称碳原子处断裂掉一个配基而得出一个平面的三配位中间体。n当不存在象非对称溶剂化作用这样特殊的效应时，这样一个中间体能以两边相等的几率被俘获，结果产生等量

14、的对映异构体产物。n外消旋化反应也可以通过角锥体的翻转作用和围绕碳-碳单键旋转的过程而发生。 2.4 2.4 潜手征关系潜手征关系n2.4.1同位配基 n如果在反应过程中C（2）上的一个质子被另一个配基（例如氘）所取代，则两种可能的取代方式产生同一种产物。所以C（2）上的两个质子在拓扑学上和在化学上都是相当的，它们被称为同位配基。 HOOHH HHOOHD HHOOHH D2.4.2 2.4.2 异位配基异位配基 n如果所发生的过程涉及到C（1）上的两个质子，则结果应得到立体化学上不同的状态。氘取代C（1）上的质子产生一个手征性产物1-氘-1，3-丙二醇： HOOHHHHOOHHDHOOHDH

15、R-1-氘-1,3-丙二醇S-1-氘-1,3-丙二醇nC（1）上的两个质子在拓扑学上是不相当的，因为一个氢被取代产生的产物与另一个氢被取代而产生的产物是不同的，它们是立体异构体。这 种 类 型 的 配 基 称 为 异 位 的 ，（heteortopic）,并且由于取代的产物是对映异构体的(enantiotopic).1，3-丙二醇的C（1）和C（3）都是潜手征中心（prochiralcenters）.n如果一个点配基被一个新的点配基取代时产生一个手征组合体(chiral assembly),则原来的组合体就是潜手征的。HOOHHHHOOHHDHOOHDHR-1-氘-1,3-丙二醇S-1-氘-1

16、,3-丙二醇用字母用字母pro-R pro-R 和和 pro-Spro-S来规定手征分子中的异位来规定手征分子中的异位配基配基n选取潜手征中心上的一个异位配基，并且认为选取潜手征中心上的一个异位配基，并且认为它比另一个异位配基有较高的序位，而不打乱它比另一个异位配基有较高的序位，而不打乱其余配基的序位。如果应用顺序规则的结果是：其余配基的序位。如果应用顺序规则的结果是：潜手征中心的构型规定为潜手征中心的构型规定为R,R,则所选的配基是则所选的配基是pro-R.pro-R.如果这个潜手征中心是如果这个潜手征中心是S S，则所选配基，则所选配基是是pro-Spro-S。n对映异构位的原子或基因，除

17、了对手征试剂的对映异构位的原子或基因，除了对手征试剂的作用以外，在一切化学性质方面都是等当的。作用以外，在一切化学性质方面都是等当的。 HOOHHSHRHRHS.3潜手征面潜手征面 n乙醛羰基有两个面呈现在进攻试剂面前，这两乙醛羰基有两个面呈现在进攻试剂面前，这两个面彼此具有镜象关系，并且是对应异构位的。个面彼此具有镜象关系，并且是对应异构位的。 n如果从某一个面方向看过去，取代基按递降序如果从某一个面方向看过去，取代基按递降序位的排列顺序是顺时针的，那么这个面就是位的排列顺序是顺时针的，那么这个面就是rere，如果是反时针的，那就是如果是反时针的，那就是sisi。H3CHOre 面si 面H3CH2CCH3OCH3OHHCO2HHO2Cn一个非手征试剂与一个呈现对应异构位面的分子反应时，将产生