高等有机化学第2章

1、高等有机化学,第2章 立体化学 谢斌 教授,2.1 赤式和苏式构型 丁醛糖存在四种立体异构体，分属于两对对映体。在Fischer投影式中，凡是相同基团或原子位于横键同侧的叫赤藓糖，而位于异侧的叫苏阿糖。,凡含有两个手性碳原子的化合物的构型均可用赤式和苏式来表示。在Fischer投影式中，将不同的基团或原子位于竖键上，凡是相同基团或原子位于横键同侧的是赤式，相同基团或原子位于异侧的为苏式。,赤式和苏式各含有一对对映体，赤式和苏式互为非对映体； 若Y=Z时，赤式为内消旋体，苏式仍含有一对对映体。,赤式构型,交叉式构象,重叠式构象,重叠式构象,Fischer投影式的构象实际上为重叠式构象,让不同基团

2、处于重叠的位置,赤式,2.2 构型保持与构型反转 2.4.1 构型保持（retention of configuration） 产物构型与反应物构型相同的反应叫构型保持。 1-苯基-2-丙醇与对甲苯磺酰氯的反应为构型保持。,S,S,构型保持的反应的相关手性中心的化学键在反应过程中不会发生化学键断裂。,2.4.2 构型反转（inversion of configuration） 一个分子转化为构型相反的产物分子的反应叫构型反转。,该反应的外消旋化速度为取代反应的两倍,特别注意： （1）产物的旋光性与反应物相同时，与其构型是否保持无关；产物的旋光性与反应物相反时，与其构型是否反转无关。构型与旋光性

3、之间不存在必然的简单规律。 （2）产物的绝对构型标记与反应物相同的反应不一定构型保持；产物的绝对构型标记与反应物相反的反应不一定构型反转（绝对构型取决于与手性中心相连基团在空间的伸展和基团之间的先后顺序）。,（3）产物的相对构型标记与反应物相同的反应是构型保持，而相对构型标记相反的反应是构型反转。,构型保持,反应总的结果为构型保持,2.3 外消旋化（racemization） 旋光性物质转化为不旋光的外消旋体的反应叫外消旋化。只有极个别旋光体在室温不用加热、光照或催化剂，就能自行外消旋化。多数外消旋化一般要在加热、光照、催化剂或化学试剂作用下才能发生。,（1）含-H和-手性中心的羰基化合物通过

4、酮型-烯醇型互变异构可自行外消旋化。 如（+）-2-苯基丙酸缓慢失去旋光性。,（2）反应因形成平面型的碳正离子中间体发生外消旋化。,（3）反应因形成自由基发生外消旋化。 2-苯基-2-苯偶氮基丁烷在异辛烷中发生部分外消旋化。,对于多个手性中心的化合物，如果一个手性中心的构型发生转化的反应叫差向异构化（epimerization）。,2.4 立体专一反应和立体选择反应 2.4.1 立体专一反应(stereospecific reaction) 凡互为立体异构体的反应物在相同的条件下生成不同的立体异构产物的反应叫立体专一性反应。,反式的加成反应,反式消除,2.4.2 立体选择反应（stereose

5、lective reaction） 如果某一立体异构体反应物能同时生成几种立体异构体产物，其中一种的量超过其它立体异构体，这种反应称为立体选择性反应。,位置选择性为查依采夫消除，其立体选择性为过渡态的位阻尽量较小。,底物甲基之间的位阻较大，过渡态的位阻增加更大,过渡态的位阻进一步减小，对反应有利,主要从a键方向加成，得较稳定的反-4-叔丁基环己醇 。,a-H的位阻大,LiAlH4体积较小，轴向进攻带来的位阻增加不大,亲核试剂体积较大,空间上较为有利,含-手性碳的醛（酮）的还原得非对映异构体，其立体选择性遵从Gram规则。,还原含-手性碳的醛酮时，体积最大基团L与羰基呈反位重叠式构象，手性碳上两

6、个体积较小的基团(S与M)分处于羰基平面两侧，还原剂(亲核试剂)从体积较小的S一侧进攻羰基占优势，这就是Gram规则.,优势构象,空阻小,反应只是立体选择的，而非立体专一的,凡立体专一性反应都是立体选择性反应，而立体选择性反应并不一定立体专一性反应。,反应既非立体选择性，也非立体专一性,2.5 潜手性分子（prochiral molecule） 一个原子或基团被取代或发生其它反应形成手性分子的非手性分子叫做潜手性分子，而发生反应的对称原子叫潜手性原子。,潜手性分子的两个-H原子的关系为对映异位关系（enantionpic）。对于CX2YZ的一个X被W取代可产生手性中心，处于对映异位关系的X分别

7、命名为pro-R 和pro-S。 按次序规则，规定X的次序最优先，按照次序规则观察轮转顺序的构型为R时，则X为pro-R,否则为pro-S。 一般在原子(或基团)的下角标记为R或S。,S,R,含双键分子的三角中心加成上一个其它原子或基团时形成四面体的手性中心时，这个三角平面就是潜手性面(prochiral face)。三个基团按次序规则为顺时针时的平面为Re面，如为逆时针时的平面则为Si面。,2.5 不对称合成(asymmetric synthesis) 分子整体中的一个对称结构单位被一个试剂转化成一个不对称的单位,从而产生不等量的旋光体产物的反应叫不对称合成(asymmetric synth

8、esis)。 不对称合成的产物不需要分离就存在旋光性,它属于立体选择性反应。 反应物为非手性分子的不对称反应的效率用对映体过量百分数(e.e, enantiomeric excess)来衡量。,e.e =R %-S % 反应物为手性分子的不对称反应的效率用非对映体过量百分数(d.e,diastereoisomeric excess)来衡量。 d.e =SS-SR/SS+SR100% 手性产物的比旋光度与该纯净物质在相同条件下的比旋光度之比为该手性产物的光学纯度（O.P，optical purity）。,一般情况下：O.P =e.e,实现不对称合成的方法有： （1）利用手性辅助试剂(chiral

9、 auxiliary)的不对称合成,S*为手性辅助试剂,手型试剂：(-)-薄荷醇,非手性条件下的反应,使用了手性试剂(-)-薄荷醇,第一步形成了手性的丙酮酸-(-)-薄荷酯 (酯的-C为R构型)。,应用手型辅助试剂是获得光学纯化合物的一个有效方法，它在分子内部引入一个手性辅助部分，用其控制反应中心的立体化学，生成非对映异构体,通常可用柱色谱分离，最后去掉这个手性的辅助部分。,噁唑啉酮是手性辅助剂,在酰胺的-位借助碱，进行不对称烃基化反应,(2) 利用手性试剂(chiral reagent)的不对称合成,LDA= (i-Pr)2NLi,(3)利用不对称催化(chiral catalysis)的不

10、对称合成,手性催化剂可循环使用,具有手性放大效应。 手性钛酸酯和过氧叔丁醇(Sharpless试剂)对烯丙醇的不对称环氧化。,这是底物控制的不对称合成,为试剂诱导的不对称合成,2.6 构象分析(conformational analysis) 研究分子中优势构象的存在以及构象对分子的物理性质和化学性质的影响称为构象分析。 内消旋二溴茋在KI-丙酮溶液中脱溴的反应比旋光体快100倍. 内消旋体的优势构象中两个溴处于反位，而发生E2消除的立体化学为反式消除，其过渡态的位阻较小，活化能低，反应速度快。,1.5.1 开链体系的构象 对于丁烷及XCH2-CH2Y结构的化合物，一般情况为对位交叉式构象为优势构象，但含卤素或羟基的化合物由于形成分子内氢键以邻位交叉式为优势构象。,稳定性IIIIII，II的甲基和两个乙基处于顺位，排斥力较大,1-丁烯以重叠式构象为优势构象，1-丙醛也是以甲基为重叠式构象为优势构象。,favored conformation,1.5.2 环己烷衍生物的优势构象 （1）1-取代环己烷的优势构象为e取代的椅式构象，二取代烷基环己烷以ee取代椅式构象为优势构象，