有机立体化学资料-南开大学-周其林

有机立体化学

周其林

南开大学元素有机化学研究所

目录

第一章引言第五章无对称中心的手性分子

第二章分子对称性第六章双键化合物的立体化学

第三章构型与构型测定第七章环状化合物的构型与构象

第四章对映异构体的性质和分离第八章不对称合成

主要参考书：

(1)E.L.Eliel,S.H.Wilen,L.N.Mander"StereochemistryofOrganicCompounds^^,John

Wiley&Sons,NewYork,1994

(2)E.L.Eliel,S.H.Wilen,M.P.Doyle“BasicOrganicStereochemistry”,JohnWiley&

Sons,NewYork,2001(及其中译本)

第一章引言

1.1有机立体化学定义定义

立体化学（stereochemistry）

静态立体化学（分子立体化学）

动态立体化学（反应立体化学）

1.2立体化学的历史

1801年法国矿物学家Hauy发现石英有两种晶型。

Malus（1809年）、Arago（1811年）和Biot（1812年）发现石英晶体使平面偏振光的偏振面发生旋转。

1815年Biot拓展到有机化合物，他发现松节油、樟脑和酒石酸等都有旋光性。

1822年英国天文学家JohnHerschel发现两种石英晶体与旋光方向的对应关系。

1848年法国Pasteur分离到两种晶型的酒石酸钠胺盐。

1860年Pasteur已经认识到晶体和有机分子之间的相似性“它们都是因为缺少对称性才具有旋光性”。

1874年van"Ho情和LeBel和同时提出了碳原子的四面体构型。揭示了“旋光性是由于分子具有不对

称段”这个旋光化合物的结构本质。后来的研究又发现了具有其它不对称因素的旋光化合物和类。

第二章分子对称性

2.1对称元素

对称性是指一个物体或者结构中的某一单元有规律地重复出现。对称性普遍存在于自然界、以及艺术

和建筑学中。在分子光谱、分子结构解析和量子力学等领域也都有广泛应用。

对称元素是指“能够产生对称性图形重复”的单元操作。具体到一个物体或者结构，它就是对称轴G“

对称面。，对称中心i和反轴Sn等。

5

对称轴

对称轴是指图形绕该轴旋转一定角度后与原来图形完全重合，即旋转360%】时则为具有G轴，例如

。3,等。

（C1是否有意义?）

对称面。

对称面是指图形中存在一个面，图形被这个面所分成的两部分互为镜像（是否能重合？）,

（这类分子是否有手性？）

6

s

对称中心i

对称中心是指图形中存在这样一个点i,当对图形中任何一点a到i点的连线做反向延长线时都能找到

一个与a相同的点。

（这类分子是否有手性？）

7

反轴Sn

反轴Sn是指图形绕该轴旋转一定角度（360。/!!）后，再相对与该轴相垂直的面做镜像操作，所得到的

图像与原来的图形完全重合，这时称该图形存在Sn反轴。

例如具有S4反轴的分子A经过一个C4和一个。操作后得到Bo分子A和分子B完全重合。

实际上，Sn反轴中的n一定是偶数（为奇数时不能独立存在）。另外，如果分子中有Sn时，则一定有

一个G1/2轴。

问题：（DSn分子是否有手性？

（2）哪些分子具有Si反轴？是否有对称面？

（3）S2分子中是否有对称中心？

2.2对称性操作和点群

应用对称性元素对分子进行操作时称为对称性操作。例如当全顺式的1,2,3,4—四甲基环丁烷分子进行

&操作时，可以产生能够与原来分子相重合的三种新的状态。它们分别是分子绕C轴旋转90%180"和270°

所产生。绕C4轴旋转360。，分子回到原来状态，称为等同操作，用E表示。这样，一共有4种对称性操作，

分别用E,CJ,C?,Ca3表示。

I

C4

所有可能的对称性操作集合称为点避。如C4点群就有4种券作(E,CJ,C?,C?)o从对称性划分,

1()

每个分子都属某个点群。虽然分子有千千万万，但是它们所属的点群种类非常有限。

221手性分子可能属于的点群

C点群

G表示最低级别的对称性，分子只有旋转360。时才能与原来状态相重合，称为等同操作（£）。实际上,

属Ci点群的分子没有任何对称性。这样的例子如CHFCIBr等具有手性中心的分子。

Cn点群

在心点群中G对称轴是唯一的对称元素。

属于C2点群的分子较为普遍。如（+）和（一）一酒石酸和1,3一二氯丙二烯化合物都只有C2对称轴。

属于C3点群的分子较少。Tri-o-thymotide是一个例子。

0

Tri-o-thymotide

属于C6点群的分子如a•环糊精等。

13

OH

a-Cyclodextrin

Dn点群

Dn点群是Cn（主轴）和与之相垂直的n个Cz轴组成。这类分子的对称性较高。扭烷（twistane）和一

些螺环化合物属于4点群。

14

HO2C//Z/1

C2

H

Twistane

2.2.2非手性分子属于的点群

点群中除了Cn和Dn以外，都有对称面、对称中心和对称反轴。属于这些点群的分子都是非手性的。

G点群（也称Cih）

Cs的操作是£和。。这类分子具有一个对称面，很多平面型分子都属于Cs点群，如取代烯燃芳环和杂

环化合物等。

15

HH

尽■PT

Sn点群具有一个n重旋转反轴。它的操作是G和。，n为偶数，I）为奇数时不能独立存在（实际为Cnh

群）。

Sz点群的操作为E和i。例子如下。

HOHO2C

H2C-^_CH

好「二共：2

W、CH3113c\—N\HH2C-^_CH2

OH'co2H

16

S4点群的例子有:

E(S)-Ph(CH3)NH

3(7?)-Ph(CH3)NH

Cnv点群

Cnv点群分子具有一个n重旋转轴Cn和n个对称面。它的操作为E,。2和6。

C2,点群包含了很多平面化合物，例如:

17

属于C3、•点群的分子有CHCI3,NH3和(AX6H6)Cr(CO)3等。

18

『3

Cnh点群

Cnh点群只有一个n重旋转轴和一个垂直与旋转轴的对称面5

属于C2h的分子如:

19

属于C3h的分子有均三甲苯等。

Dnd点群

Dnd点群是在Dn点群的基础上再加上n个与主轴相交的对称面，即含有一个G和与之相垂直的n个

C2轴，以及n个与主轴相交的对称面。

属D2d的分子如：

2()

HH

6

D5d分子有二茂铁等。

Fe

Dnh点群

Dnh点群是在Dn点群的基础上再加上n个与主轴成水平关系的对称面,即含有一个Cn和与之相垂直的

n个C2轴，以及与主轴成水平关系的对称面。

Dzh的分子有：

C1

D.)h,Dsh»D6h的分子有:

03h

2.3对称性与分子性质

对称性影响分子的多种性质，如旋光性、偶极矩等。

2.3.1分子对称性与旋光性

手性化合物能使平面偏振光的偏振面发生旋转的性质称为旋光性。只有属于手性群（Cn和Dn）的分子

才会使偏振光发生旋转。能够使偏振光发生顺时针方向旋转的化合物称为右旋化合物，旋光方向为正（+）。

反之，能够使偏振光发生逆时针方向旋转的化合物称为左旋化合物，旋光方向为负（一

手性化合物的旋光性用比旋光［CC］描述，它是手性化合物的本征性质，是在特定波长的光源、特定的

温度、溶剂和浓度下测定。例如：-50（c1.0,ethanol）o

a=[a]•c•£

a100a

[a]=------------------------

c(g/mL)・(dm)c(g/100mL)<(dm)

24

问题：比旋光的量纲？

232对称性与分子偶极矩

分子的偶极矩（永久偶极矩）是由分子中的电荷分布不均匀造成的。比如分子中任何两个不同原子之

间都会产生局部偶极矩。

8+8-

XY

如果在分子中有另外一个与这种局部偶极矩大小相等、方向相反的偶极矩存在，那么它们将相互抵消,

偶极矩为零。同样，如果分子中的所有局部偶极矩都能相互抵消，则分子总的偶极矩将为零.显然，具有

对称中心和s”轴的分子永久偶极矩为零。

25

Br

〃=3.3D

2.33对称数概念

分子的对称数是指通过刚性旋转所得到的无法区别、但又不等同的位置数目总和。例如，1,3,5—三氯

苯属D3h群，它的对称数为6。

26

Cl1Cl2

分子的对称性提高会降低分子的商，因为对称性越高（对称数越高），分子通过刚性旋转所能得到的可

能态（位置）越少。

下表是各种群所对应的对称数:

CsC„v/CnhC8VDnd/DnhTdOhIh

群c„Dns„Dev

对称数1112n1niln1In2122460

对称数对于分子计算和晶体分析非常重要，它可以减少大量的计算。

第四章对映异构体的的性质和分离

4.1对映异构体、非对映异构体和消旋体的性质

几个概念：对映体、非对映体、消旋体、光学纯、光学活性、非光学活性、对映体纯、对映体过量、

手性分子、手性物质、手性催化剂、手性固定相（物质类，提倡用）

手性识别、手性合成、手性催化、手性分离（过程类，不提倡用）

消旋体的相图；

消旋体的结晶状态有三种：S）两种对映异构体分别结晶，有时能得到不同晶型（这称为半面晶型）。

（b）两种对映异构体在晶胞水平上是1:1。

（c）两种对映异构体形成完全均相的固体（又称固体溶液）。

28

T

有对映体过量的固体溶解曲线

Heatflow

(mpofrac.)(mpofenant.)

HOHH

Ph------------------PhPhCO2H

OHHOH

AHR=27.5℃△HR=14.8℃

△HR=TAf-TRf应化合物而异

3()

4.2对映异构体的分离

4.2.1结晶法

分别结晶法：

CH3

NH3*.HSO4'(Marchwald,1905)

CHj

、NH3,.O2CCH=CHPh(Nohira,19«1)

优先结晶法:

31

4.2.2转变成非对映异构体后分离

HOH

(+)-Cinchotoxine(-)-T.(+)-C,precipitated

HO2c-----------------CO2H

(+)-T.(+)-C,insolution

OHII

OHII

(+)-Quinotoxine(+)-T.(+)-Q,precipitated

HO2C-----------------CO2H

(-)-T.(+)-Q,insolution

HOH

用于酸或内酯的拆分试剂

R=OCH3,奎尼定OCH3,奎宁R=OCH3,奎尼辛

R=H,辛可宁H,辛可尼定R=H,辛可毒

33

用于碱的拆分试剂

（）

(1985)(1987)(1982)

34

用于醇、二醇和酚的拆分试剂

7

H3co

用于醒、朗的拆分试剂

CO2Et

HO——H

H—―OH

CO2Et

35

例一

36

例三

(±)

37

4.2.3动力学拆分

化学方法：(Sharpless,1985)

Sharpless1

epoxidation.+

OHOHOH

(±)(R)(5)

KR>K$Hu

(±)-A------------------------AB+(S)-A--------=100

Chira!reagentKs

酶催化方法

fAC

I0“IILipase

、、+人0。cCHH3--------------+OH

(±)

38

原料为前手性化合物：(Schreiber,1987)

Ti(OPr-i)4

l・・#)・DIPT

-------------------i

r-BuOOH

-25℃/24h得到93%ee的A

39

4.2.4消旋化

热消旋：（化学键不断裂）

Ea=AG*=29.8Kcal/mol

MeMe

50-70℃消旋化，AG*=24.7Kcal/mol(51℃)

酸催化消旋过程：（通过正碳离子机理进行）

112so4H2O

PhBiph

碱催化消旋化过程：（通过碳负离子机理进行）

Base

R—C—CO

R—C—CO2'2

+NH

NH32

41

4.3对映体纯度测定

43.1旋光比较法

[S]-[R1

(S)-ee%=--x-1-0-0%-

[S]+[R]

假设[a]同浓度成线性关系，下式成立。

[a]

cc%=-----

[a]max

la］受光源、温度、溶剂、浓度等诸多因素的影响。

42

4.3.2核磁共振法

应用手性位移试剂（CSR）,

如Eu(hfc)3

CO2cH3

O

43

原理

3cus9-1

△8=-------------

△AS=ASR—A5s

转变成非对映异构体后用NMR测定（要求A8>0.2ppm,没有重叠干扰）:

1,2一丁二醇（主要用于环酮化合物等的测定）

44

Mosher酸（主要用于测定手性醇、胺等）:

OMeCH3

(R)-Moshcracid

(IhChC

C—0—c—C(CH3)3(/?,5)+(/?,R)

()H

111kIt

Subs.Products

45

4.3.3色谱法

46

手性固定相

(a)以氨基酸为基础的肽、蛋白质类手性固定相

如Chiralsil-Val™

Me—C・HPr-r

H|

O=C——NHBu*

(b)含有金属络合物的手性固定相

\/

47

(b)环糊精类手性固定相(a,B,Y)

如ASTEC—GTA(R=trifluoroacetyl)

48

(d)纤维素类手性固定相

如DAICEL—CHIRALCELHPLCCOLUMN

49

第五章无不对称中心的手性分子

5.1轴向手性化合物

手性轴

5()

5.1.1轴向手性化合物的命名

C1

51

(1)加上“前面的基团总是优先于后面的基团”这条限定，可以用CIP规则对轴向手性化合物进行命名，用

a/?和aS表示，其中a为axis的缩写。只考虑大基团。

(2)不同于Fisher投影式，没有横键、竖键之分。

(3)无论从分子的哪一端看，结果相同。

(4)用螺旋手性命名时，前面大基团到后面大基团的指向为顺时针为P,指向为逆时针为(aS通常对应

P,aR通常对应但不总是如此。)

(5)F类型的螺环化合物按中心手性处理更方便，原则是“同样基团前面的优先”。

52

<H

、=C=C^H\

XZ^ci

H3C^\

A

BC

(4)(2)(3)

HHCO2H

(1)；(2)(4)(3)(2)：~⑴

H3C―1—HH——L-ClH—1——CH

113

CH3COoHH

(3)(1)(4)

aR(M)a/?(M)aR(M)

53

(d)S,u(J)Su

(I)(I)

HOID

HD--OH汩3---------N°O

()⑺

(t)£7(E)

HDMOD

G)(Z)

ID

汨3

□ZOH

o

FaS(M)

55

5.1.2轴向手性化合物的合成

%___zH

HhC=C=C

CH282c2Hs

56

57

5.1.3联苯型手性化合物的稳定性

要求：⑴XHY,UKV

(2)X-U,X-V,Y-U,Y-V之间的作用足够大，造成旋转受阻。

“足够大”的确切含义由于处理的对象不同，要求不同，不可能有一个统一的规定。Gki(1983年)曾

规定旋转受阻异构体的t1/2至少为1000sec.(17.6min)才能被分离鉴定。但这规定也并没有说明AG*

到底多大，因为AG,与温度有关。

绝大多数邻位四取代的联苯型化合物的对映异构体可以拆分，只有当其中两个为F原子等体积较小的

基团时不可拆分。邻位三取代联苯当基团较大时对映异构体可以拆分。如2-竣基-2-硝基-2'-硝基联苯的两

58

个对映异构体在室温下可以拆分。邻位二取代联苯只有当基团特别大时对映异构体才可以拆分。如联蔡在

室温可以拆分，但在熔点以上温度消旋非常快，T=1601,t1,2=0.5sec.,AG*=23.5Kcal/mol.

室温下可以稳定唯一拆分的单取代联苯

59

5.2平面手性化合物

5.2.1平面手性化合物的命名

(1)

CrtCO)3

pS(P)

5.2.2手性环芳燃化合物的稳定性

60

53螺旋手性化合物

采用右手螺旋尸(phis)和左手螺旋M(Minus)命名。

Newman(1947年)将化合物A拆分，发现室温下几分钟就全部消旋。化合物B的对映异构体在室温下

可以稳定存在。而化合物C的对映异构体非常稳定，Newman(1956年)将其拆分，［f-3640(CHCL),

它只有在熔点(260℃)以上才可能发生消旋。

rechtslinks

第六章双键化合物的立体化学

6.1双键化合物的结构和命名

顺反异构体的性能差异：

HHHCO2H

\/

c=cc=c

/\/\

HO2CCO2HHO2CH

maleicacidfumaricacid

m.p.130℃286℃

Solubility7887

(H2O/25℃)pKal2.043.02

pKa26.234.38

6.1.1顺反异构体的形成

键能：

cc-c=83Kcal/mol

Tic-c=62Kcal/mol

Ec=c=145Kcal/mol

6.1.2双键化合物的命名

(2E,4Z)-2,4-hcxadicnoicacid3-[(E)-l-chloropropenyl]-

(3Z,5E)-heptatrienoicacid

用cis,syn容易造成混乱

cis-2-buteneb-methyl-trans-cinnamicacidphenylmethyloxime

Zorh-phenyl-cis-crotonicacid?syn-methyloranti-phenyl

EE

65

用Z,月系统命名有时注意:

6.1.3低异构化能垒的烯煌

/

li3CO2C、CO2cH3

AG.(Kcal/mol)：R=H,27.7；R=CH3,

66

Me,NR

AG'(Kcal/mol)：R=H,22.1；R=CH3,16.4

机理：（三线态双自由基过渡态）

IIHH

△

PhHCCHPh

PhPhPhH

67

6.1.4C=N和N=N双键

C=N和N=N双键的E式和Z式异构化能垒如下:

Compound△G#(Kcal/mol)

(CH3)2C=NPh20.3

(CHA)2C=NCN18.9

(CH5)2C=N-N(CH3)Ph21.1

(CFj)2C=NPh15.45

p-ClPh(Ph)C=NCIIj25

Ph(H)C=NPh16.5

PhN=NPh23.7

FN=NF35.2

p-C!Ph(Ph)C=N-OCH3>39

68

R

Compound△G*(Kcal/mol)CH2=CHCON(CH3)216.7

HCONH217.8PhCON(CH3)215.5

CH3CONH216.7NCCON(CH3)221.4

PhCONHi15.7HCSN(CH.O224.1

20.9

HCON(CH3)2CH3CSN(CH3)221.X

CH3CON(CH3)217.3PhCSN(CH3)218.4

CF3CON(CH3)218.6H2NCS(CH3)213.9

69

6.2双键构型确定

6.2.1用化学方法确定双键构型

马来酸构型的确定(1875,van'tHoff)

△

0

7()

B-烷基苯乙烯的构型测定(1967,Corey)：

Ph9H3

(CH3)2€uLi

(CH3)2CuLi

用Beckmann重排反应确定后的双键构型:

o

H2s。4肝

R—C—NHR

R'O

H2S()4

R-C—NHR'

OH

71

1891年Hantzsch发现Beckmann重排反应是立体专一性的，但他断定（没有任何依据）是顺式基团迁

移，结果造成1891—1921年间确定的所有后类化合物的构型都是错误的。直到1921年Meisenheim才发现

并纠正了这一错误。

6.2.2物理方法

很多物理方法，如偶极矩、密度、折光率、沸点、熔点和酸常数等都可以用来确定双键构型C

例如：

CHCI=CHC1

g(D)n20D20b.p.(℃in760mmHg)

cis：1.841.44861.283560.3

trans：01.44541.258347.4

72

目前常用的是光谱方法，最主要是振动光谱和核磁共振。

IR和Raman光谱:

IR弱，Raman(1577cm")强IR(1590cm")强，Raman弱

HCO2CCH=CHCO2H的情况类似