第03章有机化合物的同分异构现象

1、Chapter 3Chapter 33.1 3.1 构造异构现象构造异构现象3.2 3.2 构象异构现象构象异构现象3.3 3.3 几何异构现象几何异构现象3.4 3.4 含手性碳化合物的异构现象含手性碳化合物的异构现象3.5 3.5 拓朴异构现象拓朴异构现象3.6 3.6 化合物的旋光性与旋光性化合物化合物的旋光性与旋光性化合物 的拆分和合成的拆分和合成Chapter 3分子结构构造 ( constitution )构型 ( configuration )构象 ( conformation )Chapter 3分子中原子分子中原子和和的差异的差异。同分异构现象构造异构立体异构构型异构构象异构

2、顺反异构光学异构拓拓扑扑异构Chapter 3Chapter 3分子式相同，分子中原子相互连接顺序不同现分子式相同，分子中原子相互连接顺序不同现象称为象称为 分子中碳原子相互连接的顺序不同，产生不同的分子中碳原子相互连接的顺序不同，产生不同的碳链或碳环现象，称为碳链或碳环现象，称为 碳架异构现象碳架异构现象。CH3CH2CH2CH3AlCl3 ，HCl90- -95 ， 1- -2MPaCH3CHCH3CH3B.P / - -0.5- -11.7Chapter 3 采取逐步缩小碳环，缩下来的碳，连到缩小后的碳采取逐步缩小碳环，缩下来的碳，连到缩小后的碳环的不同位置上，写出环烷烃环的不同位置上，

3、写出环烷烃C6H12碳架异构体。碳架异构体。CCCCC碳架异构体的推导碳架异构体的推导CCC CCCCCCCC CCCC CC C CCCCChapter 3Chapter 3 在多官能团化合物中，官能团位置异构体通常表在多官能团化合物中，官能团位置异构体通常表现在不同官能团相对位置上。现在不同官能团相对位置上。1-溴环己烯溴环己烯3-溴环己烯溴环己烯4-溴环己烯溴环己烯BrBrBr官能团位置异构体的推导官能团位置异构体的推导Chapter 3 分子式相同，构成官能团的原子连接顺序和方式不分子式相同，构成官能团的原子连接顺序和方式不同形成不同的官能团，可以形成不同类型化合物，构成同形成不同的官

4、能团，可以形成不同类型化合物，构成。羰基类：烯醇类：环醇类：烯醚类：环氧类：CH3CH2COHCH3C CH3OCH2CHCH2OHOHOCH2CHOCH3OCH3Chapter 3官能团异构体的推导官能团异构体的推导 一个分子中原子数目越多，形成官能团异构体数目一个分子中原子数目越多，形成官能团异构体数目也越多。也越多。C C C OCC C C COC C C C OHCH2CHOCH3CH3OHC C C COChapter 3 在常温下，不同官能团异构体处于动态平衡之中，在常温下，不同官能团异构体处于动态平衡之中，能很快地互相转变，称为能很快地互相转变，称为。它是一种特殊。它是一种特殊

5、的官能团异构。的官能团异构。CH3CHOCH3HOCH3CHOCH3OH酮式烯醇式24%76%活泼氢 pKa=9.0氢氢键键，闭闭合合六六元元环环Chapter 3CH3CH2NOOCH3CHNOHOChapter 3Chapter 3 Chapter 3RH :sp3CH1ssp3Csp3CChapter 3 HHHHHH60oC1旋转HHHHHH60oC1旋转HHHHHHChapter 3Chapter 3 Newman投影式投影式是从一个键轴延长线的方向观察分是从一个键轴延长线的方向观察分子并投影形成的分子形象。子并投影形成的分子形象。 用前、后两个碳上的两个用前、后两个碳上的两个CH键

6、与键与CC键构成的键构成的两平面的二面角两平面的二面角“”表示表示旋转的角度旋转的角度。Chapter 3HHHHHHHHHHHH顺顺叠叠反反叠叠060apspChapter 3顺顺叠叠顺顺错错060反反错错反反叠叠120180反反错错240sp+sc+acap-ac(synclinal)（anticlinal）CH3HHHCH3H1234CH3HHHHH3CCH3HHHHH3CCH3HHH3CHHCH3HHCH3HHCH3HHHCH3H1234300顺顺错错-scChapter 3060120potential energy (KJ/mol)degrees of rotation12.1 k

7、J/molHHHHHHHHHHHHHHHHHH12 kJ/molChapter 3CHHCHHHH0.23nmH 的 范德华 半径 为0.12nmC1- -H成键轨道和成键轨道和C2- -H反键轨道相互作用的倾向反键轨道相互作用的倾向Chapter 3Chapter 3 分子处于热运动状态，从交叉式构象转到另一分子处于热运动状态，从交叉式构象转到另一交叉式构象仅需要克服交叉式构象仅需要克服12.6 kJmol-1能垒，因此各种构能垒，因此各种构象处于动态平衡。象处于动态平衡。 12.641.8 KJ/mol83.74KJ/molChapter 3060120degrees of rotatio

8、n360300240180163.819163.8potential energy (kJ/mol)CH3HHHCH3HCH3HHHHH3CCH3HHCH3HHCH3HHHCH3HCH3HHHHH3CCH3HHHCH3HCH3HHH3CHHCH3HHHHH3CCH3HHH3CHH4 kJ/mol6 kJ/mol4 kJ/mol11 kJ/mol3.8 kJ/molCH3HHCH3HHChapter 3EKJmol-1.apscacsp3.715.618.8Chapter 3Chapter 3Chapter 3Chapter 3Chapter 3 构造：构造： Baeyer 1885年提出张力学

9、说，认为年提出张力学说，认为环状化合物是平面构型。环状化合物是平面构型。120o构型：构型：CSP3 杂化，四面体构型，键角杂化，四面体构型，键角 0.24nm)，有，有，能量比椅型高，能量比椅型高 30 kJmol-1。 Chapter 3半半椅椅型型(half chair form)扭扭船船型型(twist boat form)最最稳稳定定最最不不稳稳定定较较不不稳稳定定较较稳稳定定向向上上翻翻 当由一种椅型翻转成另一种椅型构象时，要经过当由一种椅型翻转成另一种椅型构象时，要经过两个半椅型，两个扭船型和一个船型等构象：两个半椅型，两个扭船型和一个船型等构象：Chapter 3HHHHHHH

10、HHHHH123456HHHH相相距距较较远远HHHHHHHH邻邻位位交交叉叉Chapter 34623.55.4势势能能kJ / mol扭扭转转过过程程255： 83.74KJ83.74KJmolmol-1-1 101010104 4次次/ /秒秒Chapter 3HHHHHHHHHHHH123456HHHHHHHH612543C- -H：直立键直立键 ( a 键键 axial bond )C- -H：平伏键平伏键 ( e 键键 equatorial bond )相邻碳上的相邻碳上的 a键键和和 e键键为顺式为顺式相邻的相邻的 a键键 (或或 e键键)为反式为反式Chapter 3 当从一种

11、椅型构象翻转成另一种椅型构象时，当从一种椅型构象翻转成另一种椅型构象时，平平伏键伏键转变成转变成直立键直立键，直立键直立键变成变成平伏键平伏键。HHHHHHHHHHHH123456翻翻转转HHHHHHHHHHHH123456Chapter 3 Chapter 3HHHHHHHHCHHH123456HHHHHHH3CH612543HHCHHHHHH1234561,3- -竖竖键键作作用用CH3与C2为为对对位位交交叉叉; ;室室温温时时占占95%CH3与C2为为邻邻位位交交叉叉HHHHHHHHHHCH3HHH612543apsc 椅型椅型 扭船型扭船型 船型船型 半椅型半椅型。Chapter 3

12、室室温温: : 100%有非常大的1, 3-竖键作用CH123456CHH123456H3CH3CH3CH3CH3CHHHBarton rule: 对于取代环己烷，应尽可能对于取代环己烷，应尽可能让最大的取代基位于让最大的取代基位于 e 键键从而有从而有利于体系能量降低而稳定。利于体系能量降低而稳定。Derek H. R. Barton(1918 - - 1998)Chapter 3Chapter 3Hassel rule: 对于多取代环己烷，应尽可对于多取代环己烷，应尽可能多的让取代基位于能多的让取代基位于 e 键键从而有从而有利于体系能量降低而稳定。利于体系能量降低而稳定。Odd Hass

13、el(1897 - - 1981)1, 3-cis1, 3-transCH3H3CCH3H3CH3CH3CCH3CH31, 4-cis1, 4-transChapter 3Chapter 3Chapter 3 C CC CChapter 3烯烃亚胺偶氮化合物CCNNCNNNCNChapter 3CCbead 键键：不不能能沿沿 键键轴轴自自由由旋旋转转取取代代基基：不不同同空空间间排排列列CNbadChapter 3CCCCadbabdeeCCCCabaabbab baCNCNababddChapter 3CCabde a b, d e : Z - 构型构型 a b, d COOH CH3H

14、最不优先的最不优先的原子或原子或基团置于基团置于远离观察者远离观察者最远的最远的位置位置:Chapter 3 然后按优先顺序观察其它三个基团然后按优先顺序观察其它三个基团:Chapter 3HCOOHOHCH3MSLHCOOHCH3OHSLM R-S构型标记中，在化学转化过程中即使手性中构型标记中，在化学转化过程中即使手性中心构型不改变，产物构型的标记有可能改变。心构型不改变，产物构型的标记有可能改变。Chapter 3Fischer投影式投影式R-S构型标记法的要点：构型标记法的要点：（1）顺序最后的基团处于竖键，其余三个基团：）顺序最后的基团处于竖键，其余三个基团：若若a b d e，则：

15、，则：abdebadeaedbaebdChapter 3 （2 2）顺序最后基团处于横键，顺时针排列者为）顺序最后基团处于横键，顺时针排列者为，逆时针排列者为，逆时针排列者为。OHCOOHHCH3HCOOHHOCH3R-(+)-乳酸S-(-)-乳酸m（3 3）多个）多个*C原子的化合物：构型分别记。原子的化合物：构型分别记。COOHHHOHClCOOH1234(2R,3R)-(-)-2-羟基羟基-3-氯丁二酸氯丁二酸Chapter 3 具有旋光性化合物的完整的系统命名法应该标出具有旋光性化合物的完整的系统命名法应该标出手性碳的构型、旋光方向和系统名称。手性碳的构型、旋光方向和系统名称。HOHC

16、H3HOHCH3（2S,3S）-2,3-丁二醇丁二醇ClHCH3ClHCH3（2S,3R）-2,3-二氯丁烷二氯丁烷Chapter 3 构型标记与旋光方向无必然的联系，因为手性碳构型标记与旋光方向无必然的联系，因为手性碳的构型是由顺序规则确定的，而手性化合物的旋光方的构型是由顺序规则确定的，而手性化合物的旋光方向是由实验测得的。向是由实验测得的。HOHCH2OHCHOOHHCHOCH2OH(R)-(+)-甘油醛甘油醛(S)-(-)-甘油醛甘油醛HOHCH3COOHOHHCH3COOH(R)-(-)-乳酸乳酸(S)-(+)-乳酸乳酸Chapter 3 这类化合物两个手性碳原子所连接四个原子或基这

17、类化合物两个手性碳原子所连接四个原子或基团不完全相同。团不完全相同。HOOCCHClCHOHCOOHChapter 3立体透视式：立体透视式：HClCOOHHHOCOOHClHCOOHOHHCOOHClHCOOHHHOCOOHHClCOOHOHHCOOHmmFischer投影式：投影式：COOHHOHCOOHClHCOOHHOHCOOHHClCOOHHOHCOOHHClCOOHHOHCOOHClH(2R，3R)-(-)(2S，3S)-(+)(2R，3S)-(-)(2S，3R)-(+)mmChapter 3 对映体，旋光方向相反，其它物对映体，旋光方向相反，其它物性相同性相同 非对映体非对映体，

18、旋光方向可能相同，旋光方向可能相同，其它物性不同其它物性不同*C数数 = n光学异构体数目光学异构体数目 = 2n（含相同（含相同*C， 2n）外消旋体数目外消旋体数目 = 2n-1Chapter 3 这类化合物两个手性碳原子所连接四个原子或基这类化合物两个手性碳原子所连接四个原子或基团完全相同。团完全相同。HOOCCHOHCHOHCOOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHOHCOOHHOH(2R，3R)-(+)(2S，3S)-(-)mmChapter 3 构型构型的对称因素：的对称因素：对称面对称面COOHOHCOOHOHHH对称中

19、心对称中心HOOCHHOCOOHHOHChapter 3 分子内虽具有手性碳原子，但含有对称因素，因分子内虽具有手性碳原子，但含有对称因素，因而无旋光性的非手性化合物，称为而无旋光性的非手性化合物，称为。通常用。通常用“meso-”或或“m-”表示。表示。 对映体的性质与内消旋体、外消旋体的性质不同。对映体的性质与内消旋体、外消旋体的性质不同。 纯物质纯物质：分子内部的分子内部的*C旋光能力相旋光能力相互抵消。互抵消。 等量对映体的混合物等量对映体的混合物：两种分子构两种分子构型旋光能力相互抵消。型旋光能力相互抵消。Chapter 3Chapter 3椅式构象式椅式构象式平面结构式平面结构式

20、对称面对称面, 非手性非手性（内消旋体）（内消旋体）HCH3HCH3CH3CH3ICH3CH3II1122转转120o构象对映体构象对映体 (构象外消旋体构象外消旋体)H3CCH312IICH3CH3I12Chapter 3平面结构式平面结构式 对映体对映体HCH3HCH3IIIHCH3HCH3椅式构象式椅式构象式构象非对映体构象非对映体CH3CH3H3CH3CII (a, a)II (e, e)CH3CH3CH3CH3I (e, e)I (a, a)Chapter 3 能形成手性中心的元素不仅仅限于碳，其他的元素也能形成手性中心的元素不仅仅限于碳，其他的元素也可以生成手性中心，构成对映异构现

21、象。如连有四个不同可以生成手性中心，构成对映异构现象。如连有四个不同配体（基团、原子或电子对）的元素有机化合物很多。配体（基团、原子或电子对）的元素有机化合物很多。Chapter 3 (1) 丙二烯型化合物丙二烯型化合物 两端双键碳原子上连有不同基团时，分子具有两端双键碳原子上连有不同基团时，分子具有手性轴，可以形成对映体。手性轴，可以形成对映体。Chapter 3右旋右旋CCCHClHCl左旋左旋CCCHClHCl非手性分子非手性分子CCCHClClClChapter 3(2) 螺环化合物螺环化合物CHCOOHHHOOCCHHOOCHCOOH 在螺在螺3.3庚烷庚烷2,6-二甲酸分子中，两个

22、四元环二甲酸分子中，两个四元环是刚性的，两个平面互相垂直，在是刚性的，两个平面互相垂直，在C2和和C6上的两个基上的两个基团所在平面也互相垂直，与团所在平面也互相垂直，与1,2-丙二烯结构相似，分丙二烯结构相似，分子中含有手性轴，有对映异构体存在。子中含有手性轴，有对映异构体存在。螺螺3.3庚烷庚烷-2,6-二甲酸二甲酸Chapter 3在联苯的邻位有四个大的取代基时，限制两苯在联苯的邻位有四个大的取代基时，限制两苯环绕环间轴线自由旋转，当两苯环上是不对称被取环绕环间轴线自由旋转，当两苯环上是不对称被取代时，就出现对映体。代时，就出现对映体。 (3) 联苯型化合物联苯型化合物2,6-二羧基二羧

23、基-2,6 -二硝基联苯二硝基联苯O2NCO2HNO2HO2CNO2HO2CO2NCO2HChapter 3 2,6,2-三羧基三羧基-6 -硝基联苯硝基联苯 非手性分子非手性分子O2NCO2HCO2HHO2CChapter 3 六螺苯类化合物，分子中的碳原子都是六螺苯类化合物，分子中的碳原子都是spsp2 2杂化。杂化。分子应该是平面结构，但两端环上的两个氢原子拥挤，分子应该是平面结构，但两端环上的两个氢原子拥挤，使两端苯环不能在一个平面上使两端苯环不能在一个平面上, ,一上一下，像个螺旋，一上一下，像个螺旋，出现不对称现象，产生对映异构现象。出现不对称现象，产生对映异构现象。Chapter

24、 3Chapter 3 许多药物都是手性化合物，往往只有一个对映许多药物都是手性化合物，往往只有一个对映体有效，另一个药效不大，甚至有毒副作用。体有效，另一个药效不大，甚至有毒副作用。 (CH3)2CHCH2CHOHCOOHChapter 3NNOOOOHHHOHOCH2CNH2CH3COOHChapter 3。 HHCH3COOHBr2HBrCH3COOHBrHCH3HOOC+BChapter 3 用某种方法，将外消旋体分成纯的左旋体和纯的用某种方法，将外消旋体分成纯的左旋体和纯的右旋体的过程称为右旋体的过程称为外消旋体的拆分外消旋体的拆分。 (1) 机械分离法机械分离法Louis Past

25、eur (18221895)COONaOHHCOONH4HOHChapter 3 利用现代仪器利用现代仪器(GC, HPLC等等)，选，选用手性吸附剂用手性吸附剂装柱，进行柱层析，可分离外消旋体。装柱，进行柱层析，可分离外消旋体。 (2) 柱层析方法柱层析方法Chapter 3 (3) 生物拆分法生物拆分法 微生物如各种酶都是手性化合物，能将对映体中的微生物如各种酶都是手性化合物，能将对映体中的一个化合物代谢，留下另一化合物，达到分离目的。一个化合物代谢，留下另一化合物，达到分离目的。H2NCOOHCH3HNH2COOHCH3HL-丙丙氨氨酸酸D-丙丙氨氨酸酸()-丙丙氨氨酸酸Ac2OAcHN

26、COOHCH3HNHAcCOOHCH3H+外外消消旋旋体体酰酰基基转转移移酶酶（取取自自猪猪肾肾）H2NCOOHCH3HNHAcCOOHCH3H+L-丙丙氨氨酸酸D-乙酰丙丙氨氨酸酸溶溶于于乙乙醇醇不不溶溶于于乙乙醇醇 其缺点是只有一个异其缺点是只有一个异构体得到利用，另一异构构体得到利用，另一异构体被消耗，寻找合适酶也体被消耗，寻找合适酶也不是件容易的事。不是件容易的事。Chapter 3(4) 化学分离法化学分离法( ) A(+) B*(+) A(+) B*(- -) A(+) B*一一对对非非对对映映体体拆拆分分(+) A(+) B*(- -) A(+) B*去去除除( (+ +) )B

27、*去去除除( (+ +) )B*(+) A(- -) AChapter 3酒石酸酒石酸 樟脑磺酸樟脑磺酸(- -)-马钱子碱、马钱子碱、 (- -)-奎宁、奎宁、 (- -)-番木鳖碱番木鳖碱 (+)-辛可宁辛可宁Chapter 3HCH3PhNH2HCH3PhH2N+COOHOHHCOOHHOH(R, R)-(+)-酒酒石石酸酸+HH3CPhNH3COOOHHCOOHHOH+HCH3PhH3NCOOOHHCOOHHOH非非对对映映体体（盐盐）甲甲醇醇冷冷却却加加热热外消旋体抽抽滤滤晶晶体体HH3CPhNH3COOOHHCOOHHOHNaOHHCH3PhNH2(S)-(- -)-苯苯乙乙胺胺滤

28、滤液液浓浓缩缩HCH3PhH3NCOOOHHCOOHHOH得得晶晶体体NaOH(R)-(+)-苯苯乙乙胺胺HCH3PhH2NChapter 3Asymmetric synthesisClHCH2CH3CH3Cl2hv+(S)- -2- -氯氯丁丁烷烷ClHCH3ClHCH3ClHCH3ClHCH3(S, S)- -2, 3- -二二氯氯丁丁烷烷meso- -2, 3- -二二氯氯丁丁烷烷29%71%Chapter 3Chapter 3Chapter 3OMeOHMeMeHH(1) MeMgI主主要要HOMeMeH+次次要要选选择择性性生生成成非非对对映映异异构构体体(2) H2OChapter 31. 碱2. MeI可回收