高等有機化學

高等有機化學第二章立體化學

原子或原子團在空間排列的方式不同，互為構(gòu)型異構(gòu)體，構(gòu)型異構(gòu)已屬于立體異構(gòu)的范疇。立體異構(gòu)

構(gòu)型異構(gòu)構(gòu)象異構(gòu)

對映異構(gòu)非對映異構(gòu)（包括順反異構(gòu)即幾何異構(gòu)）本章將重點討論構(gòu)型方面的立體化學關系和從能量角度出發(fā)對構(gòu)象加以分析,并對反應過程中的立體化學做一簡單介紹?！?.1含有剛性結(jié)構(gòu)化合物的構(gòu)型異構(gòu)

一、雙鍵化合物的構(gòu)型異構(gòu)——順反異構(gòu)

碳氮雙鍵的化合物有亞胺（又稱西佛堿Schiffbase）、肟、腙、縮氨脲，含氮氮雙鍵的有偶氮化合物等。具有n個C==C雙鍵的化合物，總共最多應存在2

n個Z-E異構(gòu)體?！?.1含有剛性結(jié)構(gòu)化合物的構(gòu)型異構(gòu)

二、單環(huán)化合物的順反異構(gòu)

可是視作平面處理。異構(gòu)體數(shù)目。命名:（1）RS命名；（2）參考基命名。

§2.1含有剛性結(jié)構(gòu)化合物的構(gòu)型異構(gòu)

三、稠環(huán)化合物的順反異構(gòu)

稠環(huán)方式：小環(huán)只能順式橋環(huán)異構(gòu)體數(shù)目可能低于2n個命名:（1）

系統(tǒng)命名（2）內(nèi)式與外式§2.2構(gòu)象分析

構(gòu)象是立體異構(gòu)中的一個重要結(jié)構(gòu)層次，是在構(gòu)造、構(gòu)型確定的基礎上因為單鍵的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的分子中的原子或原子團在空間的排列。構(gòu)象分析：對與構(gòu)象相關的“能量－含量”關系的確定，以及與化學和物理性質(zhì)的關系的研究等，被統(tǒng)稱為構(gòu)象分析。

§2.2構(gòu)象分析

一、構(gòu)象異構(gòu)§2.3旋光異構(gòu)

一、旋光性與手性§2.3旋光異構(gòu)

物體與其鏡像不能重疊的現(xiàn)象叫手性。兩個立體異構(gòu)體若滿足互為鏡像且不能重疊的關系，則兩者都是手性分子且互為對映異構(gòu)體。不是對映體的立體異構(gòu)體是非對映異構(gòu)體。手性分子具有旋轉(zhuǎn)偏振光平面的能力。互為對映異構(gòu)體的兩種化合物在相同的測試條件、相同的濃度下，旋轉(zhuǎn)偏振光平面的角度相同，但方向相反。旋光性是手性分子的一種性質(zhì)，手性分子的這種性質(zhì)是非常有用的，在研究反應機理時可根據(jù)旋光的方向和大小的變化來判斷產(chǎn)物和反應物之間的立體化學關系，從而為推導反應機理提供證據(jù)?！?.3旋光異構(gòu)

二、旋光譜和圓二色譜

許多有機化合物具有光學活性，能使偏振光的偏振平面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為旋光。化合物的旋光度和光的波長有關，亦即一個化合物的比旋度隨著波長而改變。測定在紫外及可見光（200-700nm）內(nèi)的旋光，然后將比旋度對波長作圖，所得的譜線即旋光譜?！?.3旋光異構(gòu)

三、對稱因素和手性因素

對稱因素§2.3旋光異構(gòu)

三、對稱因素和手性因素

手性因素

（1）手性中心（2）手性軸（3）手性面

（1）以碳原子為手性中心的化合物代表著最大一類手性分子。如乳酸、2-辛醇、2-氨基丙酸等。這些化合物的一個共同特點是都含有一個連有四個不同基團的碳原子-不對稱碳原子。對手性碳原子的構(gòu)型采用的R、S命名。（2）有些不含手性碳原子的化合物也滿足與其鏡像不能重疊的條件，如硫原子上連有三個不同取代基的亞砜18、亞磺酸酯、锍鎓離子、磷原子上連有不同取代基的膦19，這些分子都是非平面的，角錐體翻轉(zhuǎn)所需的活化能較大，對映異構(gòu)體可以分離。一、含有1個手性中心的化合物（3）具有三個不同取代基的胺原則上應是旋光性的，但是角錐體翻轉(zhuǎn)所需的活化能太小，以致不能將對映異構(gòu)體分離出來。但是，季銨鹽的四個基團不同時，存在著可以分離出來的對映異構(gòu)體。例如，碘化甲基烯丙基苯基芐基銨。二.含有多個手性中心的化合物

含有兩個相同手性碳原子的化合物有三種構(gòu)型異構(gòu)體，含有兩個不同手性碳原子的化合物有22個構(gòu)型異構(gòu)體，含有n個手性碳原子的化合物至多有2ｎ個構(gòu)型異構(gòu)體，少于2ｎ個構(gòu)型異構(gòu)體是由于相同的手性中心產(chǎn)生的內(nèi)消旋體所至。

§2.3旋光異構(gòu)

三、對稱因素和手性因素

手性因素（2）手性軸§2.3旋光異構(gòu)

若用兩個環(huán)來代替兩個雙鍵，則所得到的螺環(huán)化合物也應當有對映異構(gòu)。

§2.3旋光異構(gòu)

當(a+c)及(b+d)的半徑大于0.29nm時，苯環(huán)繞單鍵的旋轉(zhuǎn)受到阻礙，整個分子沒有對稱面和對稱中心，有對映異構(gòu)?！?.3旋光異構(gòu)

三、對稱因素和手性因素手性因素（3）手性面§2.3旋光異構(gòu)

六個苯環(huán)不能容納在同一個平面內(nèi)，而使分子發(fā)生扭曲，存在對映異構(gòu)體。

§2.3旋光異構(gòu)

四、相對構(gòu)型與絕對構(gòu)型

Rosanoff,FischerBijvoet，1951年，酒石酸鈉銣§2.3旋光異構(gòu)

五、旋光性與分子構(gòu)型

化學轉(zhuǎn)變法§2.3旋光異構(gòu)

五、旋光性與分子構(gòu)型

旋光比較法（1）Chugaev規(guī)律（2）Brewster規(guī)則（3）似外消旋體法

（4）ORD法和CD法（5）螺旋理論§2.3旋光異構(gòu)

六、外消旋體的拆分

將外消旋體拆分成左旋體和右旋體，稱為外消旋體的拆分。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。氯霉素是左旋的，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，沙立度胺在二十世紀五十年代在歐洲曾作為鎮(zhèn)靜劑廣為使用。后兩發(fā)現(xiàn)有上萬名新生兒的畸形與服用過此藥的婦女有關。沙立度胺含一個手性碳原子，當時作為藥物使用的是外消旋體。后來的研究表明，沙立度胺中的一種異構(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。§2.3旋光異構(gòu)

1.機械拆分法LouisPasteur（1822-1895）于1848年，借助放大鏡，用鑷子成功地將外消旋的酒石酸鈉銨進行拆分，這一發(fā)現(xiàn)為其后的立體化學打下了基礎?！?.3旋光異構(gòu)

2.形成非對映異構(gòu)體的拆分方法（化學方法）通過化學方法，把對映體變成非對映體，利用非對映體的熔點、沸點、溶解度等的不同進行分離。§2.3旋光異構(gòu)

3.誘導結(jié)晶拆分法§2.3旋光異構(gòu)

4.生物拆分法利用微生物或酶的選擇性反應進行拆分?！?.3旋光異構(gòu)

5.色譜拆分法在色譜柱中用手性物質(zhì)作固定相，可以直接將對映體分開。如一種市售的手性填料是將纖維素醚負載在硅膠上?！?.3旋光異構(gòu)

七、不對稱合成

術(shù)語“不對稱合成”在1894年首次由E．Fischer提出，其后被Marckwald定義為“從對稱構(gòu)造的化合物產(chǎn)生光學活性物質(zhì)的反應，使用光學活性材料作為中間體，但不包括使用任何分析過程作為手段”。接著Morrison和Mosher提出了一個廣義的定義，將不對稱合成定義為“一種反應，其中底物分子整體中的非手性部分經(jīng)過反應試劑作用，不等量地生成立體異構(gòu)體產(chǎn)物的手性單元。也就是說，不對稱合成是這樣一個過程，它將潛手性單元轉(zhuǎn)化為手性單元，使得產(chǎn)生不等量的立體異構(gòu)產(chǎn)物。最早的不對稱反應實例可以追溯到1890年。當時，E．Fischer將L—阿拉伯糖和HCN進行羥腈化反應，得到多一個碳的腈化合物，然后經(jīng)腈水解，得到3：1量的L—甘露糖酸和L—葡萄糖酸。這證明了從不對稱的化合物(手性源化合物)出發(fā)進行的反應，其反應可按不對稱的方式發(fā)生?！?.3旋光異構(gòu)

七、不對稱合成

手性中心的產(chǎn)生：潛手性（前手性）?！?.3旋光異構(gòu)

光學純度百分率（%O.P）或?qū)τ丑w過量百分率(%ee)立體選向百分率（簡稱選向率）§2.3旋光異構(gòu)

不對稱合成常采用的方法手性底物手性試劑手性溶劑手性催化劑在反應物中引入手性條件（平面偏振光）§2.3構(gòu)象與構(gòu)象分析

一開鏈飽和體系的構(gòu)象

在乙烷分子中，碳氫σ鍵的旋轉(zhuǎn)不會引起分子幾何形狀的任何改變，因而與分子幾何形狀密切相關的能量也不會發(fā)生變化。但是，碳碳σ鍵的旋轉(zhuǎn)將會引起分子幾何形狀的改變，這種幾何形狀的改變則將伴隨著能量的變化。顯然，在σ鍵旋轉(zhuǎn)引起的分子幾何形狀的改變但不改變分子的構(gòu)型的前提下，構(gòu)象中的能量變化的本質(zhì)必然是由非鍵相互作用而引起的。乙烷的構(gòu)象

乙烷分子中碳碳σ鍵的旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生許多種構(gòu)象，這些構(gòu)象的能量與扭轉(zhuǎn)角成函數(shù)關系（請參見基礎有機化學中的相關內(nèi)容）。當一個碳原子上的氫原子與另一個碳原子上的氫原子的距離最近即三對氫原子相互重疊（兩面角ψ為00,1200,2400,3600）時，最不穩(wěn)定，能量最高的是重疊式構(gòu)象。當氫原子間的距離最遠（ψ為６００、１８００、３０００、）時，能量最低、最穩(wěn)定，為交叉式構(gòu)象。一般常認為重疊式構(gòu)象的不穩(wěn)定性是由于重疊的原子或基團的距離小于vanderWaals（范得華）半徑所引起的空間張力造成的。重疊式構(gòu)象的能量比交叉式的高11.7-12.1KJ/mol。2正丁烷的構(gòu)象3其它開鏈體系的構(gòu)象化合物旋轉(zhuǎn)能障（KJ/mol）烷烴

CH3—CH312.1CH3—CH2CH314.2CH3—CH(CH3)216.3CH3—C(CH3)319.7鹵乙烷

CH3—CH2F13.8CH3—CH2Cl15.4CH3—CH2Br15.4CH3—CH2I13.4化合物旋轉(zhuǎn)能障（KJ/mol）雜原子取代物

CH3—SiH37.1CH3—NH28.3CH3—NHCH315.1CH3—OH4.5CH3—OCH311.3已經(jīng)證實乙二醇的優(yōu)勢構(gòu)象也為鄰位交叉式，這顯然是由分子內(nèi)氫鍵引起的。若只從范德華排斥作用考慮，對位交叉式構(gòu)象Ⅰ應占優(yōu)勢，但事實上卻是鄰位交叉式構(gòu)象Ⅱ占優(yōu)勢。有人認為Ⅱ中有氫鍵生成產(chǎn)生的穩(wěn)定作用，但這種解釋尚難以被普遍接受。２-氟乙醇和1,2-二氟乙烷等幾乎全以鄰位交叉式構(gòu)象存在，后者并不能形成分子內(nèi)氫鍵。將這種有利于形成鄰位交叉式優(yōu)勢構(gòu)象為優(yōu)勢構(gòu)象的效應稱為鄰位交叉效應。鄰位交叉效應:二環(huán)己烷及其衍生物的構(gòu)象

１．環(huán)己烷的構(gòu)象在一個分子內(nèi)，除了前面介紹過的扭轉(zhuǎn)張力和非鍵相互作用外，還存在著偏離正常鍵角產(chǎn)生的角張力；偏離正常鍵長產(chǎn)生的鍵張力。在環(huán)己烷所有的可能的構(gòu)象中，能同時滿足正常的鍵長和鍵角，又能使非極性基團盡可能相互遠離的構(gòu)象只能是椅式構(gòu)象。因此，椅式構(gòu)象Ⅰ是環(huán)己烷的優(yōu)勢構(gòu)象。船式構(gòu)象Ⅱ雖能滿足正常的正四面體鍵角，但非極性基團間嚴重重疊，只能是一種不穩(wěn)定的極端構(gòu)象。椅式之間可以通過碳碳鍵的旋轉(zhuǎn)相互轉(zhuǎn)化，將這種轉(zhuǎn)化稱為構(gòu)象翻轉(zhuǎn)。2一取代環(huán)己烷衍生物的構(gòu)象

一取代環(huán)己烷的取代基在ａ鍵和ｅ鍵上就是兩種不同的構(gòu)象。兩個構(gòu)象異構(gòu)體可通過構(gòu)象翻轉(zhuǎn)相互轉(zhuǎn)化。兩者的穩(wěn)定性也不一樣。對于甲基環(huán)己烷來說，ａ鍵甲基構(gòu)象翻轉(zhuǎn)為e鍵甲基構(gòu)象的ΔG0約為7.5KJ/mol，在常溫下達到平衡時，甲基在e鍵上的約占95%，在a鍵上的約占5%。這是因為甲基在ｅ鍵上的類似于正丁烷的構(gòu)象中的對位交叉式、在ａ鍵上的類似于正丁烷的鄰位交叉式結(jié)構(gòu)片斷。構(gòu)象能

（取代基處于ａ鍵上和ｅ鍵上的能量差）

異丙基的構(gòu)象能比乙基和甲基略大，這是因為取代基和環(huán)之間相連的鍵的旋轉(zhuǎn)能最大限度的減小乙基和異丙基中額外增加的甲基取代基所產(chǎn)生的效應。但是，叔丁基將不能通過如上所述的鍵旋轉(zhuǎn)來減小1,3-直立鍵間的相互排斥作用，因而叔丁基一般總是處在ｅ鍵上。表2-2是一些取代基的構(gòu)象能ΔG0。

構(gòu)象能構(gòu)象能構(gòu)象能CH37.1O-CO-CH32.5NHCOCH36.4CF38.8O-SO2C6H4CH3(p)2.1NH38.0C27.3OCH32.5N(CH3)28.8i-C3H79.0OC2H53.8

N(CH3)310.1t-C4H923.1CO2H5.7SH3.8C6H513.0CO2C2H55.3SCH32.9Cl,Br,I1.7NO24.6HgBr03二取代環(huán)己烷的構(gòu)象

二取代環(huán)己烷的構(gòu)象比一取代的要復雜的多。若兩個取代基不在同一個碳原子上，二取代環(huán)己烷的立體異構(gòu)體不僅涉及到構(gòu)象，還涉及到構(gòu)造和構(gòu)型。也就是說，在構(gòu)造確定的基礎上才能談論構(gòu)型，在構(gòu)型確定的基礎上才能談論構(gòu)象問題。一般討論較為復雜分子的立體化學或構(gòu)象問題也是這樣，先討論和確定分子的構(gòu)造——其次討論和確定分子的構(gòu)型——最后討論和確定分子的構(gòu)象。例如，1,2-二甲基環(huán)己烷和1,3-二甲基環(huán)己烷互為構(gòu)造異構(gòu)體（構(gòu)造異構(gòu)中的位置異構(gòu)）；順-1,2-二甲基環(huán)己烷和反-1,2-二甲基環(huán)己烷互為構(gòu)型異構(gòu)體（順反異構(gòu)或幾何異構(gòu)）一般，對二取代和多取代環(huán)己烷衍生物來說，若沒有其它因素的參與，取代基盡可能處在ｅ鍵上，尤其對烷基是這樣。但是還要強調(diào)，對其它非烷基取代基，具體情況要具體分析。

反-1,3-二叔丁基環(huán)己烷若采取椅式構(gòu)象，勢必有一個叔丁基要處在ａ鍵上，這樣的構(gòu)象存在著很強的1,3-直立鍵相互排斥作用，為了緩解這種排斥作用造成的能量升高，通過環(huán)上碳碳鍵間的旋轉(zhuǎn)，環(huán)翻轉(zhuǎn)為船式以使兩個叔丁基基都處在有利的位置上。4其它碳環(huán)的構(gòu)像

主要是環(huán)丙烷和環(huán)丁烷（小環(huán)）、環(huán)戊烷和環(huán)庚烷（普通環(huán)）的構(gòu)象。小環(huán)的特點是角張力和扭轉(zhuǎn)張力很大；普通環(huán)的張力較小（如環(huán)己烷），構(gòu)象多受扭轉(zhuǎn)因素的影響；在中環(huán)（環(huán)辛烷到環(huán)十一烷）中，取代基之間的跨環(huán)范德華相互作用對構(gòu)象有重要影響。環(huán)丁烷類化合物可能有兩種構(gòu)象，平面型和折疊型。用Ｘ射線衍射法測得，反式-1,3-環(huán)丁烷二羧酸在結(jié)晶狀態(tài)下為平面四元環(huán)。環(huán)戊烷的構(gòu)象環(huán)戊烷的五個碳原子在同一平面上，則基本上沒有角張力，但五個Ｃ－Ｃ鍵的重疊構(gòu)象所引起的扭轉(zhuǎn)張力將很高。因此，環(huán)戊烷是非平面的，其兩種優(yōu)勢構(gòu)象分別為信封式和半椅式。環(huán)庚烷的椅式和船式構(gòu)象九個以上的碳環(huán)化合物，隨著碳原子數(shù)目的增多，其構(gòu)象問題愈來愈復雜，可以加以討論和計算的構(gòu)象數(shù)目也愈來愈多，但對于偶數(shù)碳環(huán)化合物來說，卻出現(xiàn)了一個十分簡單而有趣的事實，那就是最穩(wěn)定的構(gòu)象相當于能按金剛石晶格描繪出輪廓的那種構(gòu)象。５稠合脂環(huán)化合物

僅以十氫化萘為例來看一看它們的立體化學問題。十氫化萘有順式和反式之分，兩者互為構(gòu)型異構(gòu)體。兩者的優(yōu)勢構(gòu)象均可看作由兩個環(huán)己烷的椅式構(gòu)象稠合而成，順-十氫化萘是由一個環(huán)的ａ鍵和一個ｅ鍵分別與另一個環(huán)的一個ｅ鍵和一個ａ鍵稠合而成；其反式異構(gòu)體則是兩個環(huán)各用兩個ｅ鍵稠合而成。6雜環(huán)化合物

僅對含O、N、S雜原子的六員雜環(huán)化合物作一簡要介紹。雜原子引入六員環(huán)引起的最顯著變化是鍵長和鍵角的改變。C—O、C—N和C—S鍵長分別是0.143、0.147和0.182nm，前兩個比C—C鍵長0.154nm短，后一個比鍵長C—C長。雜原子鍵角C—N—C約108O，比C—C—C鍵角109.5O略小，C—S—C鍵角最小，約為100o，而C—O—C鍵角約為111o，比C—C—C鍵角大。六員雜環(huán)化合物四氫吡喃、二氧六環(huán)、哌啶、哌嗪、嗎啉和四氫噻喃等的最穩(wěn)定的構(gòu)象都很像環(huán)己烷的椅式構(gòu)象，只是鍵長和鍵角要適應相應的雜原子略作改變，而且這些六員雜環(huán)椅式構(gòu)象都比環(huán)己烷的椅式構(gòu)象折疊程度大一些。

六員雜環(huán)化合物的另一重要特點是vanderWaals力減小了。可能是O、N、S分別是二和三配位，減少了1，3-直立氫的排斥作用。如順式-2-甲基-5-叔丁基-1，3-二氧六環(huán)的優(yōu)勢構(gòu)象是叔丁基位于直立鍵，這顯然可歸因于叔丁基位于直立鍵時不存在1，3-直立氫的排斥作用。

在1，3-二氧六環(huán)中，2-烷基取代的構(gòu)象能比環(huán)己烷中的大，平伏鍵取向的優(yōu)勢更明顯，是由于4，6-直立氫的排斥作用因C—O鍵比C—C鍵短而加??；而在1，3-二硫六環(huán)中，2-烷