浙江工业大学1-立体化学1课件

目录第一章立体化学第二章取代基效应第三章有机反应活性中间体第四章芳香性与同芳香性第五章饱和碳原子上亲核取代反应第六章消除反应第七章周环反应第八章分子重排反应12021第一章立体化学

早在十九世纪初化学家已经注意到某些晶体有旋光性，如石英晶体，氯酸钾、溴酸锌的晶体等。但当它们熔化或溶解于水后其旋光性都消失了，显然这些物质的旋光性与它们的晶体结构有关。后来又发现某些天然有机物如松节油、樟脑等，它们在液态下或溶液中也具有旋光性，说明这些物质的旋光性与分子的结构有关，即旋光性是这些化合物分子的性质。

两种石英晶体22021巴斯德的发现1848年法国化学家巴斯德（Pasteur）在进行酒石酸盐的结晶学研究时，观察到外消旋酒石酸钠铵有外形不同的两种结晶，一种晶面偏向左边；另一种晶面偏向右边。32021

Pasteur很仔细地将两种晶体分开，分别溶解于水，再用旋光仪观测它们的旋光性，惊奇地发现一种溶液是左旋的，另一种是右旋的。把等量左旋的和右旋的混在一起，则和起始原料一样，无旋光性。这是人类历史上第一次成功地将外消旋体拆分成左旋体和右旋体。外消旋体拆分42021巴斯德的推想巴斯德由酒石酸钠铵晶体的外形联想到化合物的立体结构，他认为酒石酸钠铵的立体结构缺少某些对称元素以致与其镜象不能互相叠合。他指出：“右旋酸中的原子是排列在一个右螺旋上或是排列在一个不规则四面体的顶点上，或是有其他的非对称排列方式，我们尚不能回答这些问题。但是存在着一种非对称的排列方式，并不能与其镜象相叠合，这是没有疑问的”。52021范特霍夫的假设1874年，荷兰化学家范特霍夫发现当时已知的有旋光性的有机化合物中，都含有一个与四个互不相同的一价原子或基团相连接的碳原子。如果分子是平面的话，即便这个碳原子连接了四个互不相同的原子或基团，该分子与其镜象是可以互相叠合的。他推想分子必定是立体的，提出了著名的不对称碳原子的正四面体假设。他指出碳原子的四个价指向以碳为中心的正四面体的四个顶点，当与碳原了连按的四个一价基团互不相同，它们就有两种不同的排列方式。范特霍夫用四面体模型显示这两种排列方式之间的关系相当于物体和镜象，两者不能叠合。62021手性碳原子的四面体模型(Van,tHoff-LeBel模型)20世纪上半叶X射线晶体学的发展，使范特霍夫假设的不对称碳原子的正四面体结构得到证实。72021结构(Structure)构造(Constitution)分子式相同，原子的成键顺序不同。碳骨架异构互变异构碳链异构官能团异构官能团位置异构构型(Configuration)对映异构非对映异构分子构造相同，原子或原子团在空间的排列不同。顺反异构非对映异构构象(Conformation)分子构型相同，由于单键的自由旋转，原子或原子团在空间的排列不同。82021构造异构体：官能团异构：官能团位置异构互变异构：顺反异构：对映异构：D-(+)-乳酸L-(-)-乳酸

构象异构：对位交叉邻位交叉92021一.对映异构(Enantiomerism)(一)分子的对称性对称要素：1、对称轴（Cn)：分子中的一条假想直线，分子围绕该直线旋转一定的角度后，同原来的分子重合，此直线为一般对称轴。分子旋转的角度为360°n时，称n重对称轴(Cn)。102021C3C4C5C6n重对称轴：当分子旋转360°过程中物体或图形复原的次数。2、对称面(σ):1.所有的原子共同处于的平面2.通过分子中心，且将分子平均分成互成实物与镜象关系的两部分的平面请你各举一例。112021下列化合物有几个对称面σ?1220213、对称中心（i）：分子中心等距离相同的原子4、交替对称轴(Sn):反射重合通过反射的操作，上、下方的基团交换位置，基团的构型改变。垂直于对称轴的镜面S4α-古柯间二酸点132021对称分子(SymmetricMolecules)：具有σ、i、Sn分子。非对称分子(DissymmetricMolecules)：仅具有Cn的分子。请各举一例不对称分子(AsymmetricMolecules)：不含有任何对称要素的分子。[α]27D=+42.9°[α]27D=-42.9°非对称分子不对称分子手性分子(Chiralmolecule)对映体旋光活性手性分子一定不含有σ,i,Sn142021具有交替对称轴的分子：凡具有对称面，对称中心或交替对称轴的分子，都能与其镜象叠合。它们都是非手性分子。而既没有对称面，又没有对称中心，也没有交替对称轴的分子，都不能与其镜象叠合，它们都是手性分子。至于对称轴，它的有无对分子是否具有手性没有决定作用。152021(二).旋光性、旋光仪和比旋光度旋光性(opticalactivity)是识别对映异构体的重要方法

1.偏振光（Plane-polarizedlight）普通光通过尼科尔棱镜形成的只在一个方向上振动的平面光162021旋光性物质：具有光学活性(旋光性)的物质。2.旋光性（光学活性opticalactivity）物质能使偏振光的振动面发生偏转的性质1720213.旋光仪polarmeter：定量测量液体或溶液的旋光程度的仪器1820214.旋光度（observedrotation）

旋光活性物质使偏振光振动面发生旋转的角度，用“

”表示

左旋：使偏振光振动面向左旋称左旋，用“l”

或“–”右旋：使偏振光振动面向右旋称右旋，用“d”或“﹢”影响旋光度的因素:(a)被测物质;(b)溶液的浓度;(c)盛液管长度;(d)测定温度;(e)所用光的波长1920215.比旋光度（specificrotation）在一定温度和波长条件下，样品管长度为1dm,样品浓度为1g.ml-1时测得的旋光度。比旋光度只决定于物质的结构.各种化合物的比旋光度是它们各自特有的物理常数.

[

]T

=DclD-钠光源，波长为589nmT-测定温度，单位为℃-实测的旋光度l-样品池的长度，单位为dmc-为样品的浓度，单位为g·ml-1202021（三）.含有一个手性中心的分子1.对映体、外消旋体(±)-乳酸在非手性条件下产物是外消旋体[α]5D=+52°[α]5D=-52°212021同位素[α]25D=-0.56手性中心－N原子：2.手性中心可以是C、N、或其它杂原子手性中心－C原子：222021不同取代开链叔胺分子不具有旋光活性：

两种对映体因快速翻转相互转化，导致消旋。手性中心－其它杂原子：[α]27D=+92.4°[α]D=+16.8°R-苯基苄基亚砜S-苯基烯丙基甲膦2320213.对映异构体特点

*结构：实物与镜影关系*内能：内能相同。*物理性质和化学性质在非手性环境中相同，在手性环境中有区别。*旋光能力相同，旋光方向相反。*对映体的生理性质不同。2420214.外消旋体特点对映体中的左旋体与右旋体等量混合旋光性消失可以拆分成左旋体与右旋体252021（四）.含两个（或多个）手性中心的分子1.苏式与赤式表示法赤（藓〕型(ery-)：相同原子或基团碳链同侧Fischer投影式：氧化态高的基团在上端。苏（阿〕型(threo-):相同原子或基团碳链异侧D-赤藓糖L-赤藓糖L-苏阿糖D-苏阿糖(2R,3R)(2S,3S)(2R,3S)(2S,3R)262021

根据习惯将赤藓糖和苏阿糖的名称套用于非糖化合物。凡是有两个不对称碳原子的链状化合物其中有些取代基可以和糖分子类比的也都被冠以“赤藓”或“苏阿”字样，这两种构型至少是非对映体的关系。例如：2-溴-3-苯基丁烷，它有两个不对称碳原子。(S)-2-溴-(S)-3-苯基丁烷赤藓型(R)-2-溴-(S)-3-苯基丁烷苏阿型2720212.构象分析

通过构象分析下列化合物苏阿型的分子张力比赤藓型的高。

(S)-2-溴-(S)-3-苯基丁烷(赤藓型)(R)-2-溴-(S)-3-苯基丁烷(苏阿型)2820213.非对映体、内消旋体非对映体：不是对映体的立体异构体。结构特征：至少在一个不对称中心上具有相同的结构，至少在一个不对称中心上具有不同的结构。物理性质、化学性质不同内消旋体(meso)：两个相同的手性中心，构型相反。(V)、(VI)为内消旋体的两种表示内消旋体：是同一化合物，无旋光性，不可能拆分292021思考：相对构型与绝对构型对映体与非对映体内消旋体与外消旋体302021（五）环状化合物的对映异构反式异构体对映体对顺式异构体对映体对非对映异构体非对映异构体312021内消旋体mp:130°反式(+)异构体mp:175°反式(-)异构体mp:175°对映体对内消旋体反式异构体对映体对322021思考:二取代环己烷的立体异构

二取代环己烷:二个取代基相同时，1,2-二取代环己烷有三个立体异构体，1,3-二取代环己烷也有三个立体异构体。1,4-二取代环己烷只有顺式和反式两种立体异构体。332021

当环己烷用椅式表示时，人们或许会对上述结论发生怀疑，1,2-二氯代环己烷，在顺式异构体中，一个氯以直立键与环相结合的同时另一个氯必然以平伏键与环相连，如果椅式的环不翻转，这一分子构型没有对称因素，理应是手征性的。

事实上顺式1,2-二氯环己烷具有两种构象体，彼此间互相翻转，其结果是两种构象体彼此虽是对映体的关系却又是彼此构象互变体的关系，所以是内消旋体。反式1，2-二氯环己烷能保持它的手征性。这些结论与我们从平面结构(假定环己烷为平面)式所推导出来的结果一致。

342021（六）不含手性碳的手性分子分子中没有手性中心端位上连接的基团处于垂直平面3520211.丙二烯型的旋光异构体范特霍夫当年预言该结构理论上是手性分子，即使没有不对称碳原子，也应有旋光异构体存在。60年后，该预言被密尔斯（W.H.Mills）证实。实例：a=苯基，b=萘基，1935年拆分。3620212.一个双键与一个环相连（1909年拆分）[]D=81.4o(乙醇)253720213.联苯型的旋光异构体382021蒄（无手性）六螺并苯（有手性）4.有手性面的旋光异构体3920215.金刚烷桥头C原子1,3,5,7位连有不同基团时，具有旋光活性相当于溴代丙酸402021（七）对映体混合物1.外消旋混合物：在结晶状态，相同的构象分子容易排列在晶格中，适当条件下，可以看到R型分子形成一种晶体，S型分子生成另一种晶体，从外表晶型上彼此也呈对立面，从而可以通过外观选择不同的晶型的方法而把外消旋混合晶体加以拆分。外消旋混合物4120212.外消旋固体溶液：结晶的过程如果不能选择—定的构象而分别成晶的时候，两种对映体混合在一起成晶，这种固体叫做外消旋固体溶液，这种情况相当于溶液或熔化状态的分布，这种晶体表现出与纯旋光体(R或S型)晶体相同的熔点。外消旋固体溶液4220213.外消旋化合物最后还有一种情况，就是R型和S型之间结合力较强，它们以1：1分子比例成对地结晶出来，这叫做外消旋化合物。后者的物理性质已经完全不同于任何一个纯旋光异构体，例如熔点、溶解度都不同。外消旋化合物432021（八）外消旋的拆分外消旋体是由一对对映体等量混合而成，对映体除旋光方向外，其它物理性质均相同。用一般的物理方法（蒸馏、分馏、结晶等）不能把一对对映体分离开来。必须用特殊方法。拆分—将外消旋体分离成旋光体的过程叫“拆分”。（1）机械拆分法：

利用外消旋体中对映体的结晶形态上的差异，借肉眼直接辨认，或通过放大镜进行辨认，而把两种结晶体挑捡分开。(目前很少用)（2）微生物拆分法：

利用某些微生物或它们所产生的酶，对对映体中的一种异构体有选择的分解作用。（3）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。（4）诱导结晶拆分法（晶种结晶法）：在外消旋体的过饱和溶液中，加入一定量的一种旋光体的纯晶体作为晶种，于是溶液中该旋光体含量多，在晶种的诱导下优先结晶析出。（5）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质，用一般的分离方法将它们分离。442021例：化学拆分法—形成非对映异构体然后分离的拆分法(+)—RCOOH+(-)-RNH2成盐分离HClHCl(+)-RCOO-(-)-RNH2(-)-RCOO-(-)-RNH2(+)-RCOOH+(-)-RNH3Cl-(-)-RCOOH+(-)-RNH3Cl-++-452021国际悲剧-----反应停（沙利度胺）在20世纪60年代，镇静药肽胺哌啶酮(反应停thalidomide)是以两个对映体的混合物(消旋体)用作缓解妊娠反应药物的。但后来发现在欧洲曾有服用此药的孕妇产下四肢呈海豚状的畸形儿，成为震惊国际医药界的悲惨事件。随后的研究表明．肽胺哌啶酮的两个对映体中只有(R)-对映体具有镇静作用．而(S)-对映体是一种强力致畸剂，会导致胎儿畸形。462021类似的例子还有很多,如右旋丙氧吩（propoxyphene)是一种镇痛剂，而其左旋体则是一种止咳剂，两者表现出完全不同的生理活性。又如噻吗心安(timolol)的S-构型是β-阻断剂,而其R-构型则用于治疗青光眼。为得到单一的旋光异构体，可采用:1.外消旋体的拆分2.不对称合成472021不对称合成对称的反应（选向率为0）不对称的反应立体选向性反应0<选向率<100%立体专一性反应选向率≈100%通过反应把分子中的一个对称的结构单元转化为不对称的结构单元，称之为不对称合成。选向率0100%选向率用拆分法提纯几乎只有一种产物；要用重结晶法来提纯。（八）不对称合成的几个概念482021若产物是一对对映体当R构型的产物大于S构型的产物时，%ee为

当S构型的产物大于R构型的产物时，%ee为

对映体过量百分率(%ee);简称ee值492021反应物+试剂*1.手性反应物*2.手性试剂*3.手性溶剂*4.手性催化剂*5.在反应物中引入手性产物催化剂溶剂不对称合成常采用的方法502021非手性分子有一个手性中心外消旋体实例512021（多）（少）产物有二个手性中心，非对映体。反应物有一个手性中心522021大量实验事实证明：一个非手性分子在反应过程中产生一个手性中心时，产物为外消旋体；但一个手性分子在反应过程中产生第二个手性中心时，将会产生二个不等量的非对映体。532021二、动态立体化学

动态立体化学是指反应过程中的立体化学。在动态立体化学中，有2种不同类型的反应是经常碰到的，一种叫立体专一反应，另一种叫立体选择反应。立体专一反应是指在相同的条件下由立体异构的底物得到立体异构的不同产物的反应；立体选择反应是指在反应中，一种反应物能够生成两种或两种以上可能的立体异构体，但其中一种异构体比其它的多得多。542021立体专一反应

是指在相同的条件下由立体异构的底物得到立体异构的不同产物的反应

如：从Z-2-丁烯与溴加成差不多只得到苏式外消旋体；从E-2-丁烯与溴加成差不多只得到赤式内消旋体。它们都是立体专一反应：552021卤代烷是通过反式消去进行的，其过渡态要求被消去的质子和溴离子处于相对位置，这样非对映异构的苏式和赤式-1，2-二苯基-1-溴丙烷发生碱催化β-消去反应时，就生成立体异构的产物：

562021立体选择反应：

是指在反应中，一种反应物能够生成两种或两种以上可能的立体异构体，但其中一种异构体比其它的多得多。

5720212-溴原菠烷的消去反应选择性非常强，消去反应的结果只生成一种产物原菠-2-烯（即原冰片烯）

582021羰基的亲核加成反应，有的表现出高度的立体选择件，而有的反应表现出中等程度的立体选择性，甚至微弱的立体选择性。

用氢化铝锂还原4-叔丁基环己酮的反应是