复旦有机化学

复旦有机化学第1页/共82页构造异构

立体异构同分异构现象碳链异构位置异构官能团异构互变异构构型异构构象异构

顺反异构

对映异构

第2页/共82页§3.1链烷烃的构象构象异构体（conformationalisomer）因单键的旋转而产生的异构体构象（conformation）：在常温下，分子中的原子或原子团可以绕着碳碳单键旋转，从而产生了在空间不同位置的排列方式，这些不同的排列方式就称为分子的构象。构象异构体的分子构造相同，但空间排列不同，构象异构属立体异构第3页/共82页

描述立体结构的三种方式伞形式锯架式Newman投影式例：乙烷CH3CH31.乙烷的构象第4页/共82页最不稳定键电子云排斥，vonderwaals排斥力，内能较高交叉式构象扭曲式构象重叠式构象staggeredconformerskewedconformereclipsedconformer最稳定原子间距离最远，内能较低（无数个）两种极限构象式

小于两个H的vonderwaals半径（1.2Å）之和，有排斥力第5页/共82页……

乙烷构象转换与势能关系图旋转中须克服能垒——扭转张力电子云排斥相邻两H间的vonderwaals排斥力一般情况下(T>-250oC):

单个乙烷分子：绝大部分时间在稳定构象式上。一群乙烷分子：某一时刻，绝大多数分子在稳定的构象式上。第6页/共82页交叉式（anti）（反交叉式）部分重叠式邻位交叉式（gauche）全重叠式邻位交叉式（gauche）最稳定(甲基相距最远)较不稳定较稳定最不稳定（甲基相距最近）2.丁烷的构象第7页/共82页

丁烷构象转换与势能关系图第8页/共82页规律:大基团总是占据反式对位交叉最稳定最不稳定3.其它烷烃的构象第9页/共82页4.分子内氢键对优势构象的影响氢键：在成共价键的带部分正电荷的H和带部分负电荷的N,O,F之间形成的一种弱作用力。氢键具有很强的方向性。第10页/共82页角张力（anglestrain）：

环的角度与sp3轨道夹角差别引起的张力Newman投影式所有C-H键均为重叠式构象，有扭转张力平面型§3.2环烷烃的构象1.环丙烷的结构第11页/共82页若环丁烷为平面型分子角张力扭转张力90o重叠式构象环丁烷的稳定构象角张力稍增加,扭转张力明显减小扭曲式构象88o2.环丁烷的构象第12页/共82页“信封”状分子C4-C5为全重叠式构象C1-C2,C2-C3为交叉式环戊烷的构象3.环戊烷的构象第13页/共82页如果环己烷的6

个碳原子在同一平面上:

将有角张力

将有扭转张力偏离109.5oC—H重叠

环己烷不是平面型分子重要!!!4.环己烷的构象第14页/共82页

环己烷碳架是折叠的椅式构象船式构象C2,C3,C5,C6共平面1）椅式构象和船式构象

HHHHHHHHHHHH123456HHHHHHHHHHHH123456第15页/共82页

椅式构象H~H之间距离均大于H的VanderWaal’s半径之和（2.40Å

）2.50Å2.49Å2.49Å交叉式Newman投影式第16页/共82页

船式构象227pm227pm183pm有几组H~H之间距离均<

H的VanderWaal’s半径之和（240pm）重叠式（有扭转张力）旗杆键第17页/共82页

环己烷的其它构象式半椅式(halfchairform)扭船式(twistboatform)椅式船式椅式第18页/共82页

半椅式构象5个碳在同一平面上有角张力（C－C键角接近120o）平面碳上的C-H键为重叠式构象（有较大的扭转张力）

扭船式构象>1.84Å扭曲式构象第19页/共82页

各种环己烷构象的势能图第20页/共82页2）直立键(a)和平伏键(e)a键(axialbond)

竖键,直立键e键(equatorialbond)

横键,平伏键第21页/共82页椅式构象中C—H键的顺反关系相邻碳上的a键和e键为顺式两个相邻的a键（或e键）为反式a键和e键的相互转换翻转后,原来的a键转变为e键,而e键转变为a键第22页/共82页环己烷椅式构象的画法

相间的两根键相互平行（画Z

字形）六个碳原子交替分布在两个平面上每个碳均有一根C-H键在垂直方向，上平面的向上画，下平面的向下画其它C-H键分别向左（左边的三个）或向右（右边的三个），且上下交替第23页/共82页i)一取代环己烷的构象

3）取代环己烷的构象

甲基环己烷中的1,3-二竖键效应取代基体积越大，两种构象能量差也越大，e键取代构象所占比例就更高。平衡混合物中占95%第24页/共82页

叔丁基环己烷的构象1,3-竖键作用非常大优势构象室温：100％第25页/共82页

cis-1,2-二甲基环己烷

trans-1,2-二甲基环己烷1,2-cis能量相等1,2-trans优势构象e,a-a,e-e,e-a,a-1.3-竖键作用较大ii）二取代环己烷的构象分析第26页/共82页

cis-1,3-二甲基环己烷

trans-1,3-二甲基环己烷1,3-cis1,3-transe,a-a,e-a,a-e,e-能量相等优势构象有较大的1.3-竖键作用第27页/共82页

cis-1,4-二甲基环己烷

trans-1,4-二甲基环己烷能量相等e,a-a,e-a,a-1,4-cis1,4-trans有1.3-竖键作用优势构象e,e-第28页/共82页

不同基团二取代环己烷大基团总是占据e键1,2-cis优势构象1,3-竖键作用较大第29页/共82页

cis-1,4-二叔丁基环己烷的构象有较大的1,3-竖键作用扭船型构象Gill,G.;Pawar,D.M.;Noe,E.A.J.Org.Chem.

2005,70,10726.第30页/共82页较稳定transcis十氢萘二环[4.4.0]癸烷5.十氢化萘的构象

第31页/共82页

反式十氢萘的构象全为交叉式构象第32页/共82页顺式十氢萘的构象1.3-竖键作用第33页/共82页6.天然产物甾体骨架全反式连接天然甾体化合物骨架第34页/共82页环己烷椅式构象的画法加竖键(a键)加竖键(a键)加氢加横键(e键)加横键(e键)加横键(e键)加氢第35页/共82页本次课要求掌握构象的概念，熟练掌握几种开链烷烃构象式的表达方法（重要：Newman投影式），判断优势构象。掌握环丙烷、环丁烷、环戊烷的结构特点和构象。掌握并熟练画出环己烷的构象（主要：椅式、船式构象），了解各构象的相对稳定性，掌握椅式的a键和e键及相邻键的顺反关系。了解并掌握各类取代环己烷的构象，判断其中的优势构象。会画顺、反式十氢萘的构象，分析两者的相对稳定性。习题p84习题3-2,p86习题3-4,p94习题3-8(不必计算势能差),p95习题3-9(不必计算势能差),p97习题3-10第36页/共82页构造异构

立体异构同分异构现象碳链异构位置异构官能团异构互变异构构型异构构象异构

顺反异构

对映异构

第37页/共82页一、手性分子和非手性分子§3.3旋光异构体第38页/共82页第39页/共82页手(征)性(Chirality)

RighthandLefthand手性(chirality)：互为镜像与实物关系，彼此又不能重合的现象ChiralisderivedfromtheGreekwordcheiros,meaning“hand”.第40页/共82页手性分子(chiralmolecule)

：不能与其镜像重叠的分子不能重合手性分子Mirror转180°第41页/共82页

手性碳——手性分子的特征连有四个不同基团的碳原子手性碳(chiralcarbon)手性中心(Chiralcenter)手性碳标记****例：*第42页/共82页

非手性分子（achiral

molecules）两者互相重合非手性分子镜像转60o非手性分子：与镜像相重合（非手性分子不含有手性碳）转180o两者完全重合非手性分子第43页/共82页手性分子有光学活性(旋光性，opticalactivity)

手性化合物=光学活性化合物=旋光性化合物第44页/共82页

旋光度(a)observedrotation：偏振面被旋光性物质所旋转的角度[a]t=atlct:实验观察到的旋光度l:样品管长度(dm,分米)c:样品密度或浓度(g/ml)t:测试时温度:光源波长顺时针(右旋)：“+”dextrorotatory(d)

逆时针(左旋)：“-”levorotatory(l)

手性分子旋光能力的表示方式

——比旋光度([a]t)

specificrotation第45页/共82页二、对映体和外消旋体(-)-2-丁醇(+)-2-丁醇[a]27D=+13.5º[a]27D=-13.5º[a]25D=+3.8º[a]25D=-

3.8º(-)-乳酸(+)-乳酸对映异构体:具有相同分子构造的两个异构体，互为实物与镜像关系，且不能完全重合，互称为对映异构体,简称对映体.第46页/共82页

光学纯opticallypure和光学纯度opticalpurity

光学纯：一个样品中所有分子具有相同手性光学纯度：一个对映体在样品中的含量，又称为对映体过量

percentenantiomericexcess(%ee)光学纯度％=[a]tD样品

×100％

ee%=[S]-[R]

×100％[a]tD纯品[S]+[R]某2-丁醇样品的光学纯度为50％，请问2个对映体在该样品中的含量。2个对映体在该样品中的含量分别为75％和25％。已知(+)-乳酸的比旋光度为+3.8º，现有某乳酸样品的比旋光度为-1.9º，请问2个对映体在该样品中的含量。(+)-乳酸的含量为25％，(-)-乳酸的含量为75％。第47页/共82页

物理性质相同：

♦有相同的熔点

♦相同的沸点

♦相同的溶解度(在水和其它普通的非手性溶剂)等

♦两者对偏振光的偏振面的作用不同

②化学性质

除了与手性试剂反应外，对映体的化学性质也相同

两者在生理作用上有着显著的不同

一对对映体性质的异同第48页/共82页外消旋体：一对对映体的等量混合物（一对对映体对光的影响是比旋光度值相等，旋光方向相反旋光性相互抵消——消旋）（）()-2-溴丁烷外消旋体表示方式第49页/共82页例1：2-丁醇常用立体结构表达式伞形式Fischer投影式(Fischerprojection)十字式主链放在垂直方向上,伸向后方不是立体结构式立体结构的表示方法第50页/共82页Fischer投影式正规写法的原则：主碳链直立上小下大横前竖后Fischer投影式第51页/共82页Fischer投影式的获得第52页/共82页例：2,3-丁二醇将主链转至同一方向互为镜像，不能重合第53页/共82页2.手性分子的构型命名1）D.L命名法（相对构型）

参照物D-(+)-甘油醛L-(-)-甘油醛D-(+)-葡萄糖D-(-)-乳酸L-(+)-乳酸第54页/共82页例：2-丁醇将手性碳上的四个原子或基团中最小的置于远离我们视线的位置(即放在最远的位置)，然后观察朝向我们的另外三个基团由大到小的顺序。如为顺时针方向即为R构型；反时针方向为S构型

(S)-2-丁醇(R)-2-丁醇沿C-H方向S（逆时针方向）R（顺时针方向）(1)透视式2)

R/S构型命名法第55页/共82页手性碳上的两个基团或原子交换奇数次得对映体,交换偶数次回到原来结构第56页/共82页（2）环状化合物(S)-(-)-4-甲基环己烯(R)-(+)-4-甲基环己烯(-)-香芹酮(+)-3-丁烯-2-醇2-甲基-2-溴环己酮问题：找出下列化合物中的手性碳原子，并标出构型第57页/共82页（一）分子中含有两个不同的手性碳（Diastereomers）四、含两个以上手性碳原子的有机分子[a]D=+9.5º[a]D=-9.5º[a]D=-17.8º[a]D=+17.8º(2R,3R)

(2S,3S)

(2R,3S)

(2S,3R)对映体对映体非对映体diastereomers并非实物与镜像关系的2

个构造相同的化合物第58页/共82页

酒石酸(tartaricacid)

的构型异构体同一化合物(2R,3S)

(2S,3R)(2R,3R)

(2S,3S)对映体非对映体（二）分子中含有两个相同的手性碳第59页/共82页含有两个以上手性碳原子的化合物存在两个以上的立体异构体，其最大数目是2n

(n代表手性碳原子数)

meso-酒石酸分子内存在对称因素一个手性碳的旋光性正好被分子内另一构型相反的手性碳所抵消：无旋光性第60页/共82页（三）1,2-二甲基环己烷的构型异构体同一化合物，内消旋体cis-1,2-二甲基环己烷trans-1,2-二甲基环己烷对映体非对映体，顺反异构体第61页/共82页

cis-1,2-二甲基环己烷有对称面,非手性（内消旋体）平面结构式构象对映体(构象外消旋体)无对称面,手性分子椅式构象式第62页/共82页

trans-1,2-二甲基环己烷对映体构象非对映体平面结构式椅式构象式第63页/共82页（四）含假手性碳原子的有机分子有对称面,内消旋体对映体

C3为假手性碳原子，构型以r,s

表示相同组成的手性碳优先顺序：R型>S型第64页/共82页（五）差向异构体epimers：只有一个手性不同非对映体，差向异构体第65页/共82页五、不含手性中心的手性分子(P.115,3.7-8)丙二烯型右旋左旋非手性分子螺环型第66页/共82页联苯型(位阻异构体、阻转异构体

atropisomers)非手性分子第67页/共82页螺旋型(M/P构型)第68页/共82页“ThalidomideBabies”第69页/共82页六、手性分子的获得（一）来源于自然界手性分子第70页/共82页（二）不对称有机合成Asymmetricsynthesis立体专一反应StereospecificReaction

不同立体异构体在同样反应条件下得到相应的立体异构体。立体有择反应StereoselectiveReaction

一个反应底物在一定反应条件下可以生成2个以上立体异构体，其中有一个占优势。StereoselectivityEnantioselectivityDiastereoselectivity第71页/共82页W.S.Knowlesl-DOPA的工业生产RyojiNoyori第72页/共82页有机反应中的立体化学加成消除顺式syn反式anti第73页/共82页取代

构型翻转reversion

构型保持retentionWaldeninversionPaulWalden(1863-1957)

(外)消旋化racemization

差向异构化epimerization第74页/共82页巴斯德LouisPasteur(1822～1895)1848:巴斯德借助放大镜拆分外消旋酒石酸钠铵

sodiumammoniumsaltsof(+)and(-)-tartaricacid机械拆分（三）外消旋体的拆分第75页/共82页