第三章立體異構(gòu)

第三章立體化學(xué)Chapter3Stereochemistry——討論有機(jī)化合物的立體結(jié)構(gòu)。立體異構(gòu)——具有相同的原子組成，并采用相同的鍵用相同的方式連接，但三維空間取向不同，且不能互變?！@些三維立體結(jié)構(gòu)被稱為構(gòu)型。KindsofIsomerization(geometricisomers)一、光學(xué)活性與手性

★光學(xué)活性：使平面偏振光發(fā)生偏轉(zhuǎn)的性質(zhì)；★手性：物體不能與其鏡像重合的性質(zhì)；★光學(xué)活性與手性的關(guān)系是絕對(duì)對(duì)映的，光學(xué)活性的最終判據(jù)就是手性，此為充分必要條件；★對(duì)映異構(gòu)體：對(duì)于每種具有光學(xué)活性的純化合物，有且只有兩種異構(gòu)體互為鏡像。ThesethingsareallidenticalwiththeirmirrorimagesachiralThesethingsareNotidenticalwiththeirmirrorimageschiral

對(duì)映體的性質(zhì)：對(duì)映異構(gòu)體使平面偏振光偏轉(zhuǎn)的方向相反，但角度相同。右旋物質(zhì)使偏正光的振動(dòng)方向向右旋轉(zhuǎn)，通常用“d”或“+”表示；左旋物質(zhì)使偏正光的振動(dòng)方向向左旋轉(zhuǎn)，通常用“l(fā)”或“-”表示。對(duì)映體的一般物理性質(zhì)(熔點(diǎn),沸點(diǎn),相對(duì)密度...,以及光譜)都相同,只有對(duì)偏振光的作用不同。對(duì)映異構(gòu)體與手性化合物的反應(yīng)速度不一樣，與非手性化合物反應(yīng)速度一樣；對(duì)映異構(gòu)體在手性催化劑存在時(shí)與非手性分子的反應(yīng)速度不一樣；對(duì)映異構(gòu)體在手性溶劑中的溶解度不一樣；對(duì)映體的生理活性差別★外消旋體：相同量的對(duì)映異構(gòu)體組成的混合物。沒(méi)有光學(xué)活性；★外消旋體與單個(gè)對(duì)映體的性質(zhì)在氣態(tài)、液態(tài)或溶液中常常相同，但在固態(tài)時(shí)的性質(zhì)，例如熔點(diǎn)、溶解度等常常并不相同。例如：外消旋酒石酸：204oC，206g/L；單一對(duì)映體：170oC，1390g/L★拆分：將外消旋混合物分離成兩個(gè)光學(xué)活性的純化合物。WXG-4圓盤(pán)旋光儀WZZ-1自動(dòng)指示旋光儀

旋光度和比旋光度

Ifanopticallyactivecompoundrotatestheplaneofpolarizationclockwise,itiscalleddextrorotatory(右旋),indicatedby(+).Ifanopticallyactivecompoundrotatestheplaneofpolarizationcounterclockwise,itiscalledlevorotatory(左旋),indicatedby(-).Dextro

and

levo

areLatinprefixesfor“totheright”and“totheleft,”respectively.directionoflightpropagationlightsourcenormallightplane-polarizedlightsampletubecontainingachiralcompoundPlanepolarizedlightanalyzerpolarizerviewer旋光儀的工作原理Specificrotation(比旋光度)a：標(biāo)尺盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度讀數(shù)（即旋光度），用旋光儀測(cè)定；λ：光源的光波長(zhǎng)；光源的波長(zhǎng)一般用鈉光的D線.d：純液體的密度（單位：g/cm3）；l：旋光管的長(zhǎng)度（單位：dm）；c：溶液的濃度（1.0mL溶液中所含樣品的質(zhì)量，g）；t：測(cè)量時(shí)的溫度（℃）。純液體的比旋光度[a]λ=a/（d·l）溶液的比旋光度=[a]λ=a/（c·l）ttSpecificrotationisthenumberofdegreesofrotationcausedbyasolutionof1.0gofthecompoundpermLofsolutioninasampletube1.0dmlongataspecifiedtemperatureandwavelength.★手性和分子對(duì)稱性(1)Symmatricplane對(duì)稱面Aplaneofsymmetrybisectsamoleculesothatonehalfofthemoleculeisthemirrorimageoftheotherhalf.(2).對(duì)稱軸Cn（symmetryaxis）：當(dāng)分子以某一直線為軸旋轉(zhuǎn)360°/n時(shí)，與原來(lái)的分子重合，這條直線稱為分子的n重對(duì)稱軸。苯分子的六重對(duì)稱軸C6C2C2★有無(wú)對(duì)稱軸不能作為判斷分子是否具有手性的條件。(3)Symmatriccenter對(duì)稱中心(a)StructuralformulasAandBaredrawnasmirrorimages.(b)ThetwomirrorimagesaresuperposablebyrotatingformB180°aboutanaxispassingthroughthecenterofthemolecule.Thecenterofthemoleculeisacenterofsymmetry.手性的判斷★非手性分子：凡具有對(duì)稱面、對(duì)稱中心的分子；★手性分子：既沒(méi)有對(duì)稱面，又沒(méi)有對(duì)稱中心的分子，都不能與其鏡象疊合，都是手性分子；對(duì)稱軸的有無(wú)對(duì)分子是否具有手性沒(méi)有決定作用?！锸中苑肿拥囊话闩袛啵褐灰粋€(gè)分子既沒(méi)有對(duì)稱面，又沒(méi)有對(duì)稱中心，就可以初步判斷它是手性分子?！镉惺中蕴荚拥幕衔铮弧镉衅渌膬r(jià)手性原子的化合物；★有三價(jià)手性原子的化合物；★合適取代的金剛烷；★旋轉(zhuǎn)受限產(chǎn)生的不對(duì)稱垂直平面；★螺旋產(chǎn)生的手性。手性化合物的分類有手性碳原子的化合物★如果分子中只有一個(gè)手性碳原子，無(wú)論四個(gè)基團(tuán)差別再小，必然具有光學(xué)活性?！镄舛鹊拇笮〕ｋS著四個(gè)基團(tuán)極化性差別的增大而增大。有其他四價(jià)手性原子的化合物★分子中某原子含有指向正四面體四個(gè)頂點(diǎn)的四根鍵，且相連四個(gè)基團(tuán)各不相同，該化合物具有光學(xué)活性；★Si、Ge、Sn、N（季銨鹽或N氧化物）有三價(jià)手性原子的化合物★當(dāng)含有錐形鍵的原子所連的三個(gè)基團(tuán)互不相同時(shí)，可能具有光學(xué)活性。★氮原子在三元環(huán)中且與帶有孤對(duì)電子的原子相連時(shí)可拆分出對(duì)映體；有三價(jià)手性原子的化合物★第一批報(bào)道的無(wú)環(huán)三價(jià)手性氮原子★氮位于橋頭時(shí)，錐形的轉(zhuǎn)化被阻止，可拆分★磷和砷的錐形翻轉(zhuǎn)較慢有三價(jià)手性原子的化合物★亞砜、亞磺酸酯、锍鹽、亞硫酸鹽中的硫具有錐形鍵，有可拆分的例子合適取代的金剛烷★在橋頭具有四個(gè)不同取代基的金剛烷是手性的，具有光學(xué)活性；旋轉(zhuǎn)受限產(chǎn)生的不對(duì)稱垂直平面聯(lián)苯類化合物★鄰位含有四個(gè)大基團(tuán)的聯(lián)苯，由于位阻的影響，分子不能圍繞中心的鍵自由旋轉(zhuǎn)；★只因轉(zhuǎn)動(dòng)受阻或大大減慢而可以拆分的異構(gòu)體叫阻轉(zhuǎn)異構(gòu)體。viewalongthisdirection丙二烯類化合物★丙二烯結(jié)構(gòu)當(dāng)兩側(cè)都是不對(duì)稱取代時(shí)，具有手性。螺環(huán)類化合物與丙二烯類化合物類似，當(dāng)A≠B而且C≠D時(shí)，分子中既沒(méi)有對(duì)稱面也沒(méi)有對(duì)稱中心，分子有手性螺旋產(chǎn)生的手性六螺苯有手性AtetrahedralcarbonatomisrepresentedinaFischerprojectionbytwocrossedlines.Thehorizontallinesrepresentbondscomingoutofthepage,andtheverticallines

representbondsgoingintothepage.EmilFischer(1852–1919)

GermanyFischerprojectionformulasConvention（規(guī)定）ThecarbonchainisdrawalongtheverticallineoftheFischerprojection,usuallywiththemosthighlyoxidizedendcarbonatthetop.A：Verticallines(豎線）:BondsgoingintothepageB：Horizontallines（橫線）：bondscomingoutofthepage橫前豎后!Rotationonthepage180o(Not90o,270o)——Samemolecular:旋轉(zhuǎn)180o，構(gòu)型不變AllowedmotionsforFischerprojection:Enantiomers2)Rotationonthepage90o,270o——Enantiomers旋轉(zhuǎn)90，270…構(gòu)型翻轉(zhuǎn)3.Flipover——enantiomers翻轉(zhuǎn)得對(duì)映體Onegroupholdsteady,theotherthreerotate.

保持一個(gè)不動(dòng)，順次旋轉(zhuǎn)其他三個(gè)基團(tuán)，構(gòu)型不變5.Exchangingthepositionsofanytwogroups

交換任意兩個(gè)基團(tuán).Oddtimes——enantiomer奇數(shù)次，對(duì)映體eventimes,samemolecular偶數(shù)次，同一分子相對(duì)構(gòu)型和絕對(duì)構(gòu)型相對(duì)構(gòu)型——D-/L-systemD-甘油醛:[a]D20=+8.7°

D/L標(biāo)示法：Fischer投影式：將主鏈豎向排列，氧化態(tài)高的碳原子在上方，-OH在右方為D-，左方為L(zhǎng)-（D-，L-）與（+、-）沒(méi)有必然聯(lián)系1951年的X射線晶體分析確認(rèn)，右旋甘油醛的絕對(duì)構(gòu)型的確是D-型結(jié)構(gòu)的，與當(dāng)初的猜測(cè)恰好吻合。Cahn-Ingold-Prelog體系(R/S命名)thishasthehighestpriorityHowcanwedeterminetheconfigurationofacompound？1.Rankthegroups(oratoms)bondedtotheasymmetriccarboninorderofpriority.thishasthelowestpriorityHowtorank？？？2.Orientthemoleculesothatthegroup(oratom)withthelowestpriority(4)isdirectedawayfromyou，Thendrawanimaginaryarrowfromthegroup(oratom)withthehighestpriority(1)tothegroup(oratom)withthenexthighestpriority(2).clockwise=

R

configurationanticlockwise=

S

configurationRisforrectus,whichisLatinfor“right”.S

isforsinister,whichisLatinfor“l(fā)eft”6.4.2determinetheconfigurationofacompounddrawnasaFischerprojection.判斷Fischer投影式的構(gòu)型當(dāng)最小的基團(tuán)處于豎鍵位置時(shí)，其余三個(gè)基團(tuán)從大到小的順序?yàn)轫槙r(shí)針，構(gòu)型為R，反之，構(gòu)型為S。當(dāng)最小的基團(tuán)處于橫鍵位置時(shí)，其余三個(gè)基團(tuán)從大到小的順序?yàn)槟鏁r(shí)針，構(gòu)型為R，反之，構(gòu)型為S。H在橫鍵，R構(gòu)型H在豎鍵，S構(gòu)型PracticeIndicatewhethereachofthefollowingstructureshastheRortheSconfigurationDothefollowingstructuresrepresentidenticalmoleculesorapairofenantiomers?IndicatewhethereachofthefollowingstructureshastheRortheSconfiguration含有多個(gè)手性碳原子的化合物兩個(gè)不同的手性碳原子threo-anderthro-(赤式和蘇式)注意：赤式和蘇式是非對(duì)映異構(gòu)體Differencebetweenenantiomersanddiastereomershaveidenticalphysicalproperties(exceptforthewaytheyinteractwithpolarizedlight)andidenticalchemicalproperties—theyreactatthesameratewithagivenachiralreagent.EnantiomersDiastereomershavedifferentphysicalproperties(differentmeltingpoints,differentboilingpoints,differentsolubilities,differentspecificrotations,andsoon)anddifferentchemicalproperties—theyreactwiththesameachiralreagentatdifferentrates.兩個(gè)相同的手性碳原子PhysicalPropertiesoftheStereoisomersofTartaricAcid內(nèi)消旋體MesoCompoundsSomecompoundswithtwoasymmetriccarbonshaveonlythreestereoisomers.perspectiveformulasofthestereoisomersof2,3-dibromobutane(staggered)★外消旋體與內(nèi)消旋體都沒(méi)有旋光性，但它們有本質(zhì)的不同：★外消旋體是等量左旋體和右旋體的混合物，可拆分；★內(nèi)消旋體是分子內(nèi)有對(duì)稱面的單一化合物，不可拆分；★對(duì)映體的物理性質(zhì)相同，旋光度數(shù)相同，方向相反。在手性條件下，對(duì)映體的性質(zhì)不同。★非對(duì)映體的物理性質(zhì)不相同，旋光度數(shù)和方向都有可能不同。syn和anti

分子的主鏈用鋸齒形畫(huà)法，如果兩個(gè)非氫取代基在主鏈所確定的平面的同一側(cè)則為syn，否則為anti

注意：赤式和蘇式是針對(duì)Fisher投影式測(cè)定構(gòu)型的方法1.在不干擾手性中心的前提下，將未知構(gòu)型化合物轉(zhuǎn)變?yōu)橐阎獦?gòu)型化合物，或?qū)⒁阎獦?gòu)型化合物轉(zhuǎn)變?yōu)槲粗獦?gòu)型化合物；注意：并不意味著手性中心未被干擾，R構(gòu)型反應(yīng)物就一定還生成R構(gòu)型產(chǎn)物。測(cè)定構(gòu)型的方法2，在已知機(jī)理的前提下令手性中心的構(gòu)型翻轉(zhuǎn)；3，生物化學(xué)方法；例如特定的酶只進(jìn)攻一種構(gòu)型的分子，一種酶如果只進(jìn)攻已知氨基酸的L型結(jié)構(gòu)，那么它對(duì)未知氨基酸的進(jìn)攻也只針對(duì)L型；4，光學(xué)比較法；有時(shí)能用旋光的符號(hào)和大小來(lái)確定哪個(gè)異構(gòu)體具有哪種構(gòu)型。在同系物中，旋光通常沿一個(gè)方向逐漸變化。如果該系列已知構(gòu)型的成員足夠多，未知成員的構(gòu)型可用類推法確定；獲取手性化合物的方法1，從天然產(chǎn)物中分離；D-(+)-葡萄糖GlucoseD-(+)-半乳糖GalactoseD-(-)-果糖Fructose

L-(+)-酒石酸Tartaricacid

D-(-)-麻黃堿2，不對(duì)稱合成；有機(jī)合成中通常希望合成手性化合物的某個(gè)對(duì)映異構(gòu)體或非對(duì)映異構(gòu)體，而不是異構(gòu)體的混合物。1994:33種批準(zhǔn)上市的新藥中，21種是手性藥2000:手性藥年銷售額1233億$，占總銷額（3900億$）~1/3；其他手性精細(xì)化學(xué)品66.3億$，每年還以~20%增長(zhǎng)

2001：諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予Noyori,R.日本東京大學(xué)教授不對(duì)稱催化氫化Knowles,W.S.孟山多公司高級(jí)研究員催化加氫，生產(chǎn)L-多巴Sharless，K.BMIT教授，不對(duì)稱環(huán)氧化不對(duì)稱合成的基本策略*1.手性反應(yīng)物——手性誘導(dǎo)*2.手性試劑*3.手性溶劑*4.手性催化劑*5.在反應(yīng)物中引入手性——手性輔基手性底物——手性誘導(dǎo)當(dāng)已有光學(xué)活性的分子中產(chǎn)生新的手性中心時(shí)，新生成的非對(duì)映體通常量不相等；原因是試劑進(jìn)攻的方向受到了底物分子原來(lái)的手性基團(tuán)影響；在包含不對(duì)稱a碳的酮羰基進(jìn)行加成時(shí)，進(jìn)攻基團(tuán)優(yōu)先從小基團(tuán)一側(cè)進(jìn)攻。Cram規(guī)則反應(yīng)位置距離手性中心越遠(yuǎn)，原手心中心對(duì)新生成的手性中心的影響就越小，則生成的非對(duì)映體過(guò)量就越小。手性試劑——手性輔基為非手性底物引入手性，反應(yīng)后除去。手性催化▲過(guò)度金屬催化二、構(gòu)象分析

★Baeyerstraintheory（拜爾張力學(xué)說(shuō)）●開(kāi)鏈烷烴每個(gè)CH2的燃燒熱為658.6KJ/mol；越接近它的環(huán)烴越穩(wěn)定?！顲yclopropane（環(huán)丙烷）C-C鍵角偏離sp3軌道夾角所有C-H鍵均為重疊式構(gòu)象★Cyclobutane（環(huán)丁烷）相鄰C-H鍵處于鄰位交叉式構(gòu)象C-C鍵角偏離sp3軌道夾角★Cyclopentane（環(huán)戊烷）C1-C2,C2-C3為交叉式C4-C5為全重疊式構(gòu)象★Macrocycliccompounds（大環(huán)化合物）大環(huán)原子在不同的平面內(nèi)，鍵角接近正常的鍵角，為無(wú)張力環(huán)?！顲yclohexane（環(huán)己烷）——whichisthemostimportantcompoundinalicyclichydrocarbons.●Conformationofcyclohexane如果6個(gè)碳原子在同一平面上：將有角張力（偏離109.5o）將有扭轉(zhuǎn)張力（C-H鍵重疊）將有范德華力（相鄰碳上氫之間）Com