高等有機(jī)第三章++立體化學(xué)

1、第三章立體化學(xué)分分子子結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)造異構(gòu)構(gòu)造異構(gòu)分子式相分子式相同，原子同，原子的成鍵順的成鍵順序不同。序不同。碳骨架異構(gòu)碳骨架異構(gòu)互變異構(gòu)互變異構(gòu)官能團(tuán)異構(gòu)官能團(tuán)異構(gòu)官能團(tuán)位置異構(gòu)官能團(tuán)位置異構(gòu)碳干異構(gòu)碳干異構(gòu)取代基位置異構(gòu)取代基位置異構(gòu)分子構(gòu)型分子構(gòu)型對映異構(gòu)對映異構(gòu)分子構(gòu)造相分子構(gòu)造相同，原子或同，原子或原子團(tuán)在空原子團(tuán)在空間的排列不間的排列不同。同。順反異構(gòu)順反異構(gòu)分子構(gòu)象：分子構(gòu)象：由于單鍵的自由旋轉(zhuǎn)，原由于單鍵的自由旋轉(zhuǎn)，原子或原子團(tuán)在空間的排列子或原子團(tuán)在空間的排列不同。不同。立體異構(gòu)立體異構(gòu)不同化合物相同化合物1 分子的手性與對稱性如果分子沒有對稱性，即缺少對稱元素，那么該分子與

2、其鏡像就不能疊合，該分子就有手性。1.1 對稱元素：對稱元素：symmetry elements1 1、對稱軸、對稱軸 (C(Cn n) )：分子繞某軸旋轉(zhuǎn)分子繞某軸旋轉(zhuǎn)360n時，時，同原來的分子重合，同原來的分子重合，n n重：當(dāng)分子旋轉(zhuǎn)重：當(dāng)分子旋轉(zhuǎn)360360時，已經(jīng)重復(fù)了時，已經(jīng)重復(fù)了 n n 次圍繞對稱軸的次圍繞對稱軸的旋轉(zhuǎn)操作旋轉(zhuǎn)操作。P511習(xí)題21.1此軸稱此軸稱 n重對稱軸重對稱軸 (Cn)。2 2、對稱面、對稱面 ():symmetry():symmetry plane plane1). 1). 所有的原子共同處于的分子平面所有的原子共同處于的分子平面2). 2). 通過

3、分子中心，且將分子平均通過分子中心，且將分子平均分成互成實(shí)物與鏡象關(guān)系的兩部分分成互成實(shí)物與鏡象關(guān)系的兩部分的平面的平面CCHClClHCClClHCH3COOHHOHHOHCOOH具有對稱面的分子是具有對稱面的分子是對稱分子。非手性分子對稱分子。非手性分子。P512習(xí)題21.23 3、對稱中心、對稱中心 (i)(i)：center of symmetrycenter of symmetryPhFHHCOOHHCOOHPh 具有對稱中心的分具有對稱中心的分子是子是對稱分子。非對稱分子。非手性分子。手性分子。CCHClClHP513習(xí)題21.34 4、交替對稱軸、交替對稱軸 (Sn):alter

4、nating(Sn):alternating axis of axis of symmetrysymmetryR+R-R+R-旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)9 90 0R+R-R+R-垂直于對稱軸垂直于對稱軸的鏡面的鏡面反射反射R+R-R+R-重合重合 通過反射的操作，上、下通過反射的操作，上、下方的基團(tuán)交換位置，基團(tuán)的方的基團(tuán)交換位置，基團(tuán)的構(gòu)型改變。構(gòu)型改變。S4注：R與R是互為鏡像但不能重疊的關(guān)系對稱分子對稱分子 (Symmetric Molecules)(Symmetric Molecules)：具有具有、i i、S Sn n 分子。分子。非對稱分子非對稱分子 (Dissymmetric Molecules

5、)(Dissymmetric Molecules)：僅具有僅具有C Cn n的分子。的分子。不對稱分子不對稱分子(Asymmetric Molecules)(Asymmetric Molecules)：不含有任何對稱要素的分子。不含有任何對稱要素的分子。CCH3HOHPhCHOCH3PhH27 D= +42.9 27 D = -42.9 非對稱分子非對稱分子不對稱分子不對稱分子手性分子手性分子(Chiral(Chiral molecule) molecule)對映體對映體旋光活性旋光活性手性分子一定不含有手性分子一定不含有,i, S,i, Sn nOOOOC2C2P516例1.2 對稱元素與手

6、性2 手性化合物的各種類型2.1含有手性中心（含有手性中心（chiral center）的分子）的分子 不對稱碳原子手性中心C C、N N、或其它雜原子：、或其它雜原子：CH3C2H5DHCH3COOHBrH*手性中心手性中心NCH2PhC2H5CH3PhCl*P517習(xí)題21.5不同取代開鏈?zhǔn)灏贩肿硬痪哂行饣钚圆煌〈_鏈?zhǔn)灏贩肿硬痪哂行饣钚裕?兩種對映體因快速翻轉(zhuǎn)，相互轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致消旋。兩種對映體因快速翻轉(zhuǎn)，相互轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致消旋。NCH2CH3CH3C6H5NC6H5CH3CH2CH3CH2CH3NCH3C6H5CH2CH3NCH(CH3)2CH3C6H5CH2CH3NC6H5CH3CH(

7、CH3)2CH2CH=CH2PCH(CH3)2CH3C6H5CH2CH=CH2PC6H5CH3CH(CH3)227D= +92.4 D= +16.8 PCHCH2CH3H2COSCH2Ph氮原子被固定在剛性環(huán)中，構(gòu)型不能翻轉(zhuǎn)時，如果分子沒有對稱因素，則可能拆分成旋光的對映體。如Troger堿即已經(jīng)成功拆分。NNCH3CH3Troger堿2.2 有手性軸（chiral axis）的化合物一、丙二烯衍生物CCCababCCCbaab端位上連接的基團(tuán)端位上連接的基團(tuán)處于垂直平面處于垂直平面C CCCH3HCH3HNH2HNH2HCHCH3CH3H分子中沒有手性中心分子中沒有手性中心P519問題21.

8、6手性軸O2NCOOHNO2HOOCNO2COOHHOOCO2N二、聯(lián)苯衍生物HHH H原子被體積較大的基團(tuán)取代后，苯環(huán)間碳原子被體積較大的基團(tuán)取代后，苯環(huán)間碳- -碳碳 鍵旋轉(zhuǎn)受鍵旋轉(zhuǎn)受阻，產(chǎn)生位阻構(gòu)象異構(gòu)。阻，產(chǎn)生位阻構(gòu)象異構(gòu)。手性軸a ab bc cd da ab bc cd da ab bc cd da ab bd dc c（1）（4）（3）（2）只要基團(tuán)ab,cd,化合物（1）就有手性，手性因素是通過C-C鍵的手性軸鍵旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生無數(shù)個構(gòu)象形式。從（1）（4）是4個極端構(gòu)象。它們的能量不同。P520圖21.10 當(dāng)a=c=H, b=d=X時，（1）和（3）之間的能量差如下： X OCH

9、3 CH3 OCOCH3 CH(CH3)2E/kJmol 57.4 72.9 77.9 7109.0當(dāng)E85kJ/mol時，室溫下構(gòu)象（1）和（3）不易互變，可以拆分，互為對映異構(gòu)體。三、乙烷衍生物HAdBu-tBu-tAdHBu-tHAdBu-tAdHAdt-BuHBu-tAdH(1)(2)(3)下面三個二叔丁基（Bu-t）和二金剛烷基（Ad）取代的乙烷構(gòu)象都能分離出來。也是含手性軸的化合物。手性軸是乙烷的C-C鍵所在的直線。2.3 有手性面（chiral plane）的化合物一、（E）-環(huán)烯烴(提籃型）E-環(huán)辛烯雙鍵所在的平面是手性面二、cyclophanes（提籃型）OO(CH2)8HO

10、OC2.4 螺烯（helicene）(-)-6-螺苯(+)-6-螺苯(-)-6-hexahelicene(+)-6-hexahelicene空間位阻使分子扭曲失去對稱性，產(chǎn)生手性。P5223 3 外消旋體的拆分（外消旋體的拆分（resolutionresolution）在手性環(huán)境下如手性試劑、手性溶劑、手性催化劑存在下，兩個對映體的反應(yīng)速度將會有不同程度的差異，有時差異還很大。生物體中的酶具有很高的手性，因此像藥物等許多可受酶影響的化合物，其對映體的生理作用會表現(xiàn)出很大差異。（-）-氯霉素有抗菌作用，其對映體則無療效。有些旋光性藥物的對映體不但無療效，甚至有毒。例如，NNHOOOOH*S-(-

11、)-thalidomide沙力多邁(thalidomide) 在二十世紀(jì)六十年代在歐洲曾作為妊娠初期的鎮(zhèn)靜劑和抗惡心藥物廣為使用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)有上萬名新生兒的畸形與服用過此藥的婦女有關(guān)。沙力多邁含一個手性碳原子，當(dāng)時作為藥物使用的是外消旋體。后來的研究表明，沙力多邁中的一種異構(gòu)體有鎮(zhèn)靜作用，另一種異構(gòu)體則有致畸作用。因此，在當(dāng)今的藥物研究開發(fā)和生產(chǎn)中提出了開發(fā)生產(chǎn)手性藥物和旋光純度的要求。要得到純粹的對映體，必須對外消旋體進(jìn)行拆分（resolution)3.1 用結(jié)晶的方法拆分：用結(jié)晶的方法拆分：法國化學(xué)家Pasteur最先用結(jié)晶的方法拆分了外消旋酒石酸鈉銨，第一個發(fā)現(xiàn)了對映異構(gòu)現(xiàn)象。但是這種方法

12、只能用于外消旋混合物（racemic mixture)，而外消旋體中絕大多數(shù)以不能用結(jié)晶的方法分開的外消旋化合物（racemic compound)形式存在。在外消旋體溶液中引入其中一種純對映體晶種，可以使這種對映體優(yōu)先結(jié)晶出來，這種方法稱為優(yōu)先結(jié)晶（preferential crystallization)dl-氯霉素 + d-結(jié)晶 d-氯霉素濾液加入dl-結(jié)晶 l-氯霉素濾液1）2）冷卻1）2）冷卻例如：3.2 3.2 用化學(xué)方法拆分用化學(xué)方法拆分例如拆分（）-酸 ：（）-酸 （）-醇 酯化（）-酸-（）-醇酯 和（）-酸-（）-醇酯的混合物（非對映體）（非對映體）分離（）-酸-（）-醇酯

13、（）-酸-（）-醇酯水解（）-酸水解（）-酸基本原則：提供手性環(huán)境和條件，使對映異構(gòu)體轉(zhuǎn)化成具有不同性質(zhì)的非對映體從而得以拆分(Resolve，Resolution)P524諸多方法再如，拆分外消旋的胺3.3 色譜法（色譜法（Chromatograph, chiral column)在色譜柱中用手性物質(zhì)作固定相，可以直接將兩個對映體拆開。2.3.4 動力學(xué)拆分外消旋體與一個手性化合物等量反應(yīng)時，兩個對映異構(gòu)體起反應(yīng)的速率不同，如反應(yīng)在完成之前停止，反應(yīng)速率快的一個對映體則富集在產(chǎn)物中，反應(yīng)速率慢的對映體富集在為作用的原料中：(R,S) - A手性試劑 C未反應(yīng)的反應(yīng)物 + 生成物KR KS(S

14、) - A + C(R) - A - C例如，外消旋 2-苯氧基丙酸的拆分(PhOCHC)2O + MeHCOMeOHN PhOCHCOOCHOMeMeN + PhCHCOOHMe(R,S) -(S) -92% (R,S) - 酯 8% (S,S) - 酯(S) - , ee = 84%酶作催化劑進(jìn)行動力學(xué)拆分P525酶的手性使它優(yōu)先與對映體中的一個發(fā)生反應(yīng)。所以可以用酶作催化劑對對映體進(jìn)行拆分。例如：(R,S) -CH3(CH2)9CHCH3 + AcOCH=CH2 CH3(CH2)9CHCH3 + CH3(CH2)9CHCH3OHOAcOH豬胰脂酶(R) -, ee= 81% (S) -,

15、 ee=92%(R,S) -發(fā)面酵母(R) -, ee= 95%PhCHMe PhCMe + PhCHMeOHOHOR-型的醇進(jìn)行了酯交換，而S-型的沒反應(yīng)S-型的醇被氧化了，而R-型的沒反應(yīng)4 順反異構(gòu)4.1 烯烴的順反異構(gòu)一般地，鍵不能繞鍵軸自由旋轉(zhuǎn)E 260 kJ/mol所以一般的烯烴具有順反異構(gòu)。在特殊結(jié)構(gòu)中，烯烴順反異構(gòu)體之間的能壘比較小，例如雙鍵一端連有強(qiáng)吸電子基，而另一端連有強(qiáng)給電子基時，雙鍵性質(zhì)降低，接近單鍵。P526不同取代的烯烴，雙鍵旋轉(zhuǎn)能壘不同原因:共軛效應(yīng)導(dǎo)致雙鍵的性質(zhì)降低，接近單鍵。CCMeMeOCCO2MeOMeOCCMeMeOCCO2MeOMeO上面化合物中，兩個

16、六元環(huán)間的雙鍵不如單鍵形式穩(wěn)定。ClClClClPhPhPhPhClClClClPhPhPhPh由于位阻，右面的化合物的兩個芴環(huán)之間夾角41434.2 順反異構(gòu)體的性質(zhì)一般地，雙鍵上連有相同基團(tuán)的烯烴順反異構(gòu)體的性質(zhì)關(guān)系如下性質(zhì)：穩(wěn)定性 順式反式反式空間體積大；順式偶極矩大，分子間引力密度 順式反式同上折射率 順式反式反式對稱性好，排列更緊密有序熔點(diǎn) 順式反式同上同上偶極矩 順式反式P527J H-C=C-H 順式順式轉(zhuǎn)動能壘小的順式烯烴受熱可以變?yōu)榉词较N，例如：COOHHHCOOHHHHOOCCOOH馬來酸富馬酸催化劑或光都有可能引發(fā)順反異構(gòu)體的轉(zhuǎn)變COOHHHCOOHHHHOOCCOOH

17、催化量HCl或HBr或紫外光COOEtHHCOOEtHHEtOOCCOOEtI24.4 C=N和N=N雙鍵的順反異構(gòu)N原子上的孤電子對相當(dāng)于一個最小的基團(tuán)。C NHMeOHC NHMeOH(Z) - 乙醛肟(E) - 乙醛肟C NC2H5MeNH2C NC2H5MeNH2(E) - 丁酮腙(Z) - 丁酮腙NNNN(E) - 偶氮苯(Z) - 偶氮苯肟的E-Z轉(zhuǎn)變能壘在163kJ/mol之上，可以得到順反異構(gòu)體。偶氮化合物和腙的E-Z轉(zhuǎn)變能壘較低，P527 5 前手性5.1 同位配體和異位配體CH2OHCCH2OHHaHbC2CH2OHCCH2OHHaDCH2OHCCH2OHDHb1,3-丙二

18、醇（HOCH2CH2CH2OH）的C2上的兩個H（標(biāo)為Ha和Hb），分別用其他原子如D取代后，得到能相互重疊的相同分子，這兩個H原子同位的（homotopic).將1,3-丙二醇繞C2軸旋轉(zhuǎn)，可以使同位配體Ha和Hb互換。OHCCH2CH2OHHaHbOHCCH2CH2OHHaDOHCCH2CH2OHDHbS-R-將1,3-丙二醇（HOCH2CH2CH2OH）的C1上的兩個H（標(biāo)為Ha和Hb），分別用其他原子如D取代后，得到不能相互重疊的對映體，則Ha和Hb是異位的（heterotopic)，他們不能通過C2 軸互換，但是可以由對稱面反映，互換位置。因此稱為對映異位配體（enantiotopi

19、c).將兩個對映異位配體，如Ha和Hb，其中任一個用其它基團(tuán)取代，產(chǎn)生新的手性中心，得到一對對映體。則對映異位配體所連碳原子稱為前手性中心。前手性中心pro-Spro-R配體也可以是一個原子團(tuán)。例如：OHCCH2CH2OHH3CH3COHCCH2CH2OHH3CD3COHCCH2CH2OHD3CH3CS-R-pro-Spro-R兩個異位配體如不能由對稱面的反映互換則稱為非對映異位（diastereotopic),他們用另一個配體取代后得到兩個非對映異構(gòu)體。例如：COOHHaHbMeHBrCOOHDHbMeHBrCOOHHaDMeHBr(R)-(R,R)-(S,R)-5.2 異位配體的性質(zhì)1、分

20、子中非對映異位配體的化學(xué)位移不同，對映異位配體的化學(xué)位移相同OHHaHbMeHOHc3.503.593.73例如：CH3CH（OH）CH2OH中C2是前手性中心，其上的兩個H （標(biāo)為Ha和Hb）是非對映異位配體，他們的化學(xué)位移不同。（S）-1，2-丙二醇再如：3-甲基-4-氨基丁酸C3上的兩個CH3基團(tuán)是非對映異位配體，其H和C的化學(xué)位移都不相同。COOHNH3HH3CCH3H/ppm=0.98C/ppm=17.8H/ppm=1.05C/ppm=18.6（R）-3-甲基-2-氨基丁酸2、非對映異位配體與非手性試劑起反應(yīng)的速率不同對映異位配體與非手性試劑起反應(yīng)的速率相同，產(chǎn)物是外消旋體；非對映異

21、位配體與非手性試劑起反應(yīng)的速度不同，產(chǎn)物中某一對映體的量較多，即為對映富集（enantiomerically enriched) 產(chǎn)物。如產(chǎn)物中較多的一種對映體的物質(zhì)的量為X，另一種為Y，則對映體過量(enantiomeric excess, ee)為：%100YXYXeeee值的大小，反映對映選擇性的高低。酶反應(yīng)的對映選擇性一般很高，達(dá)到95%以上。5.3 同位面和異位面（C=O或C=C雙鍵所在的平面）甲醛羰基所在的平面就是分子的對稱面，對稱面內(nèi)還存在一個C2軸，分子通過C2軸旋轉(zhuǎn)，可以使分子的兩面互換，這兩個面就成為同位面（homotopic faces)。甲醛用氘化鋁鋰還原，試劑從羰基平面的上面或下面進(jìn)攻，得到同一化合物。COHHC2COHHDDCODDHHCODDHH在乙醛分子中