高等有機化學-立體化學-課件

高等有機化學

第三章立體化學樊志理學院第三章立體化學1874年Van‘tHoff建立了碳四面體結(jié)構(gòu)學說，創(chuàng)立了立體化學的理論基礎。1931年Pauling

提出的雜化軌道理論，從理論上論述了甲烷的正四面體構(gòu)型問題。化合物的結(jié)構(gòu)特征基本上取決于分子中原子間相互連接的鍵的性質(zhì)和它們在三維空間的排布，立體化學就是從靜態(tài)與動態(tài)兩方面論述分子三維結(jié)構(gòu)及其在化學轉(zhuǎn)化中的聯(lián)系。本章重點在于介紹一些較新的立體化學術語和概念以及研究主題。立體化學的基本知識和概念的重要性是無論怎樣強調(diào)都不會過分的。3.1同分異構(gòu)體的分類同分異構(gòu)可以分為構(gòu)造異構(gòu)和立體異構(gòu)兩大類。3.1.1構(gòu)造異構(gòu)分子的構(gòu)造（constitution）取決于原子的種類、數(shù)量及它們之間的連接，即成鍵的形式。構(gòu)造異構(gòu)指分子中由于原子互相連接的方式和次序不同而產(chǎn)生的同分異構(gòu)體。可以分為：

1）碳架異構(gòu)如正丁烷和異丁烷；

2）位置異構(gòu)如正丁醇和2一丁醇；

3）官能團異構(gòu)如乙醇和二甲醚；官能團異構(gòu)中的酮式／烯醇式能迅速互變，不易分離，故又特稱為互變異構(gòu)體。3.1.2立體異構(gòu)----構(gòu)象和構(gòu)型1）構(gòu)象異構(gòu)僅僅通過單鍵的旋轉(zhuǎn)或環(huán)翻轉(zhuǎn)后分子中的原子在空間的不同排列方式就能相互轉(zhuǎn)化的立體異構(gòu)。

構(gòu)象異構(gòu)也可有對映和非對映兩種光學異構(gòu)

2）構(gòu)型異構(gòu)僅僅通過單鍵的旋轉(zhuǎn)或環(huán)翻轉(zhuǎn)不能使分子中某個原子在空間中的不同排列得以互相轉(zhuǎn)化的立體異構(gòu)。

構(gòu)型異構(gòu)又可分為順反異構(gòu)和光學異構(gòu)兩種立體異構(gòu)是指分子的構(gòu)造相同，但因分子中的原子在空間的位置或排列方式不同而引起的同分異構(gòu)?？梢苑譃闃?gòu)象（Comformation

）和構(gòu)型（configuration）兩種。3.2對稱元素、手性、前手性和立體源中心

分子中的對稱元素

簡單對稱軸（Cn）當一條直線穿過一個分子并使這個分子以該條直線為軸旋轉(zhuǎn)2／n角度后仍能與原來分子中的各原子（團）的空間排列相同，該直線為這個分子的簡單對稱軸。

對稱面（）如果一個分子中的所有原子都處在一個平面上；或有一個穿過分子并能把它分成互為物體和鏡像兩部分的平面，這些平面稱為這個分子的對稱面。

對稱中心（i）如果在所有穿過分子中心的直線上離中心成等距離處都有相同的原子（團），則此中心為對稱中心。

交替對稱軸

(Sn）當一個分子圍繞一個穿過此分子的軸旋轉(zhuǎn)一定角度后（2／n），再把垂直于此軸的平面作為鏡面而得到的鏡像與原來的物體分子完全一樣，該軸稱為這個分子的交替對稱軸。若分子中某一個原子（團）上的任意兩個配體交換位置后即產(chǎn)生一個新的立體異構(gòu)體時，這個原子（團）即被稱為

立體源中心。3.3手性分子的種類2）三價手性原子的化合物如果氮原子上的孤對電子當作“虛”原子對待，則和三個不同基團結(jié)合的叔胺就成為一個手性分子，N是手性原子。

1）有一個手性碳原子的化合物

手性分子：中心手性、軸手性、螺旋手性和平面手性。中心手性分子有以下幾種：4)金剛烷類帶4個不同取代基的金剛烷類化合物12的結(jié)構(gòu)實際上是一種擴展的正四面體，手性中心是高度對稱的金剛烷中心，它也有光學活性。

3）有一個四配位非碳原子的化合物有一個正四面體構(gòu)型的帶4個不同原子（團）的非碳原子的分子。Caabb

型分子中有一個C2和兩個對稱面，故一般無手性。但若將a和b都用橋（）連接起來，C2對稱軸雖仍保留不變，但對稱面已經(jīng)不復存在，物像不疊合，中心碳原子不是不對稱碳原子，但分子有軸手性，如13。同樣，Caabb

型分子有一個C3和3個對稱面，但用橋連接起來后，整個分子就有手性，如14。軸手性（axialChirality

）:當4個基團分兩對圍繞一個軸排列在平面之外，而各對基團上的基團都不同時產(chǎn)生的性。軸手性分子有以下幾種:5）阻轉(zhuǎn)異構(gòu)體如果擁有鄰位基團且足夠大，以致兩個苯基繞C一C單鍵的旋轉(zhuǎn)受到阻礙而造成的光學異構(gòu)體。拓展（科研）：苯在202nm處有一個較強的UV吸收，聯(lián)苯UV的最大吸收入max在248nm處，這顯示出由于聯(lián)苯分子中兩個苯環(huán)處在一個共軛體系中，使入max向長波方向移動。在聯(lián)苯分子的鄰位引入取代基則將影響到兩個苯環(huán)的共平面性，UV上表現(xiàn)出入max向短波區(qū)移動。如2-甲基聯(lián)苯入max為236nm,2,2-二甲基聯(lián)苯的入max為224nm。3.4絕對構(gòu)型、相對構(gòu)型和旋光度3.4.1分子立體構(gòu)型的表示方式在一個二維的紙平面上表示一個三維分子，可以采用下列幾個方式：規(guī)則定義：將手性碳原子上的四個原子按原子序數(shù)排列，將原子序數(shù)最小的原子放在后面，另外三個基團按原子序數(shù)由大到小的方向排列，若是順時針的則構(gòu)型為R，若是逆時針的則構(gòu)型為S。3.4次序規(guī)則和構(gòu)型的命名原子（團）的優(yōu)先次序補充細則：1）如果和手性原子相連的兩個基團的原子是相同的，則比較基團中的第二個原子。如C2H5要比CH3優(yōu)先。2）重鍵可以看作多次和同一原子的結(jié)合，如CHO看作是碳和氧的兩次相連，所以CHO要比CH2OH優(yōu)先。3）同位素較重的原子和不飽和基團優(yōu)先。如D比H優(yōu)先，CH=CH2比CH(CH3)2優(yōu)先。4）互為立體異構(gòu)體時，順式或R型比反式或S型優(yōu)先。軸手性化合物的命名：從手性軸的方向看去，先看到的基團為近端，后看到的基團為遠端，近端上的基團次序優(yōu)先于遠端。然后按優(yōu)先次序，從近端的大基團開始，沿近端的高低（a＞b）次序再到遠端的大小基團（a’＞b’）若ab

a’是按順時針方向排列，稱為R型；若為逆時針方向排列，則稱為s型。3.4.2旋光度、旋光方向和構(gòu)型旋光方向可用“+”或“一”表示?！?”為右旋“-”為左旋3.5幾組立體化學名詞1)cis/trans

除雙鍵有cis/trans異構(gòu)外，在兩個烯鍵之間的單鍵C(sp2）一C(sp2）也有s-cis和s-trans之分，在Die1S一Alder環(huán)加成反應中，只有s-cis構(gòu)型的二烯47b才是可以發(fā)生反應的。2)E/Z

雙鍵順反異構(gòu)體之間的物理化學性質(zhì)各不相等，但它不呈現(xiàn)光學活性。按照R/S優(yōu)先規(guī)則可以將順反異構(gòu)體命名為E-（反式）和Z-（順式）。雖然也有用詞頭順或反的，當兩個相同基團在同側(cè)的為順式，但順／反和E/Z在許多情況下會不一致，所以應該用統(tǒng)一的E/Z來命名烯烴的順反異構(gòu)。

3）蘇式／赤式含有兩個相鄰手性碳原子的化合物常用蘇式／赤式命名。赤式（erythro

）、蘇式（threo

）的命名來源于赤鮮糖48和蘇阿糖49。按照次序規(guī)則，人們把兩個手性碳原子上較優(yōu)原子（團）在同一側(cè)的稱為赤式（50)，在異側(cè)的稱為蘇式（51）。二者是非對映異構(gòu)體關系。

4)out/in

某些三環(huán)二銨鹽，氮原子位于橋頭時，N一H鍵可在分子空腔的內(nèi)部或外部而產(chǎn)生三種類型的立體異構(gòu)。即out／out（外向／外向）、out／in（外向／內(nèi)向）和in／in（內(nèi)向／內(nèi)向）。

科研拓展5）endo/exo

多環(huán)橋化合物常用內(nèi)型(endo-)/外型(exo-)表示取代基間的立體化學關系。首先選擇好主橋，主橋按下列先后原則來選擇：含雜原子；含較少的原子；飽和的橋；取代基較少或取代基按優(yōu)先次序規(guī)則較小。

a內(nèi)型是表示取代基接近于兩個未取代的橋中較長的橋，如內(nèi)-降冰片54；外型則表示取代基接近于兩個未取代的橋中較短的橋。

b如果兩個橋中的一個橋含有官能團，則內(nèi)型指該取代基接近于官能團，外型指二者距離相對遠一點，如內(nèi)-7-甲基-2-降樟腦55及其外型異構(gòu)體56。以下幾個化合物中還有取代基之間的空間關系要給出。(暫時不用)6）/

/被用來描述十氫化萘的相對構(gòu)型，表示取代基與相近的環(huán)稠合處的氫位于異側(cè)，表示取代基與之處于同側(cè)。甾體環(huán)上的取代基的立體構(gòu)型也常用/表示其向位，指位于面的上方，與角甲基同側(cè)；-指位于平面的下方，與甾醇羥基異面，如甾醇57。3.6環(huán)烷烴的手性由于環(huán)的存在，限制了小環(huán)和普環(huán)、中環(huán)中C一C單鍵的自由轉(zhuǎn)動。因此，當環(huán)上的氫原子被其他原子或基團取代時會出現(xiàn)立體異構(gòu)現(xiàn)象。一元取代環(huán)丙烷是無旋光性的；在兩個碳上有不同的取代基時，則會產(chǎn)生順反異構(gòu)和光學異構(gòu)現(xiàn)象；兩個取代基相同時，則只有順反異構(gòu)體，一對對映體和一個內(nèi)消旋體。稠環(huán)體系:當兩個環(huán)并聯(lián)時會產(chǎn)生順反異構(gòu)體。十氫萘：反式異構(gòu)體是通過兩個e鍵、e鍵稠合成58不能發(fā)生環(huán)己烷中椅式構(gòu)象的相互反轉(zhuǎn)，分子是剛性的，環(huán)之間不能轉(zhuǎn)變?yōu)閍鍵、a鍵稠合。順式異構(gòu)體是通過兩個e鍵、a鍵稠合成59

可以發(fā)生eaae

的轉(zhuǎn)換而成為不能相互重疊的對映體關系的兩個構(gòu)象。順式異構(gòu)體中兩個并聯(lián)碳上的氫相對較為靠近，有非鍵張力，因此不如反式穩(wěn)定。當兩個不同的環(huán)并聯(lián)時，如二氫化茚的順式異構(gòu)體60是內(nèi)消旋的，反式異構(gòu)體61則有對映體存在，是外消旋的。三個環(huán)己烷并聯(lián)后可以形成菲烷和蒽烷，由于環(huán)之間順反立體關系的存在，能形成多種異構(gòu)體。雖然各個環(huán)己烷部分仍以取椅式構(gòu)象穩(wěn)定，但某些異構(gòu)體由于幾何原因，其中的環(huán)己烷也可能取船式或其他構(gòu)象式。在給出它們穩(wěn)定的構(gòu)象結(jié)構(gòu)式時，可以先畫出中間環(huán)的椅式構(gòu)象，然后再根據(jù)環(huán)順反并聯(lián)的關系，給出越多的椅式構(gòu)象越好?？蒲型卣箤?,10一二氫蒽的構(gòu)象分析表明，這并不是一個平面分子，9一取代基主要處于假直立位。3.7外消旋體、內(nèi)消旋體和非對映異構(gòu)體外消旋化：有旋光活性的化合物在物理或化學條件作用下失去旋光性成為兩個對映的平衡混合物的過程。外消旋體:外消旋化過程中，手性碳原子上的兩個基團互換位置，由R-變?yōu)镾-，或由S-變?yōu)镽-，光活性化合物中有一半在手性碳原子上發(fā)生兩個基團互換就得到各一半的R-和S-構(gòu)型的化合物混合物。因此，外消旋化必定伴隨著鍵的斷裂和再形成。內(nèi)消旋體：有手性碳原子而又不是手性的分子。

71和72是一對對映異構(gòu)體。69(70）與71或72互為非對映異構(gòu)體關系，它們的分子中有部分重疊而部分是對映關系，65或66與67或68的關系也是這樣。非對映異構(gòu)體之間的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)各不相同。差向異構(gòu)體：在有多個立體中心的非對映異構(gòu)體中只有一個立體中心不同的化合物。3.8構(gòu)象分析1936年，Pitzer

指出乙烷分子的C一C轉(zhuǎn)動也需要克服一定的能障而并非完全自由進行，這就產(chǎn)生了構(gòu)象這一概念。構(gòu)象分析是討論分子中因單鍵旋轉(zhuǎn)或環(huán)翻轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的分子中原子（團）在空間的不同分布，涉及分子在不同環(huán)境下的完整的立體形象。在考慮圍繞單鍵的旋轉(zhuǎn)時要注意“單鍵”的含義。如，酰胺基中的C一N鍵就帶有部分雙鍵的特點；阻轉(zhuǎn)異構(gòu)體中的單鍵旋轉(zhuǎn)的能壘就很高，圍繞這根單鍵旋轉(zhuǎn)實際上在室溫時是不能實現(xiàn)的；但某些雙鍵也可能帶有很低的旋轉(zhuǎn)能壘，等等。注意：有些分子中，分子內(nèi)氫鍵經(jīng)常會導致優(yōu)先選擇鄰位交叉式，如乙二醇。在相鄰的原子上有極性基團或未共享電子對時，也有利于它們排列在鄰位交叉位置上，該現(xiàn)象稱為鄰位交叉效應。正丁烷分子：對位交叉式

（最穩(wěn)定）鄰位交叉式（最不穩(wěn)定）重疊反錯式全重疊式碳環(huán)化合物環(huán)丙烷：環(huán)是平面的，但環(huán)碳之間是一個彎曲的香蕉狀的鍵以減小鍵角的張力；環(huán)丁烷：主要以“蝴蝶式”構(gòu)象（80）存在，其中兩翼之間的夾角為20°；環(huán)戊烷：兩種皺褶式構(gòu)象，一種是扭曲式81a，其中三個碳原子在一個平面里，另外兩個碳原子分別處于該平面的上下；另一種是信封式81b，其中相鄰四個碳原子在一個平面內(nèi)。信封式構(gòu)象能量較低，穩(wěn)定性也較好。注意：環(huán)丁烷和環(huán)戊烷是快速振動互變的非平面構(gòu)象極限式的混合物。因為在它們的平面構(gòu)象里，所有的CH2都為重疊式構(gòu)象，因此鍵張力使它們成為皺摺構(gòu)象，盡管這會增加鍵角張力但總的張力減小。六元環(huán)結(jié)構(gòu)：最穩(wěn)定的構(gòu)象是椅式82a，這樣的構(gòu)象中所有的鍵都是交叉式，角張力和扭轉(zhuǎn)張力都極小，是能量最低、最穩(wěn)定的構(gòu)象結(jié)構(gòu)。環(huán)己烷的另一種沒有角張力的構(gòu)象是船式82b。但船式構(gòu)象中1,4一碳上兩個氫之間的距離較短，相距僅0.183nm，比兩個氫原子的范氏半徑之和0.24nm小，因此存在較大的非鍵張力，遠不如椅式穩(wěn)定。

Barton規(guī)則：多取代的環(huán)己烷中總是以占有較多e鍵向位的為優(yōu)勢構(gòu)象，其中又以作用較大的基團優(yōu)先占有e鍵為一般規(guī)律。常見基團的這種位于e鍵向位的優(yōu)勢順序一般有下列規(guī)律：But>＞苯基＞環(huán)己基＞異丙基＞正烷基；NH2,HO2C>NO2>OH>X;AcO,MeO>HO>I>Br、C1>F、CN>H。一般說來，烷基基團總是傾向于排列在平伏鍵上，而極性取代基的體積大小對鍵的取向不是那么敏感。

取代六元環(huán)的補充要點1當考慮取代環(huán)己烷的構(gòu)象穩(wěn)定式時還需注意其他影響因素，如1,4一二取代基可以形成分子內(nèi)氫鍵時，船式構(gòu)象會更穩(wěn)定84；反式一1,3一二叔丁基若取椅式構(gòu)象則必會有一個取代基處在a鍵；而取船式構(gòu)象則都能處于e鍵向位85，順式一1,3一環(huán)己二醇由于分子內(nèi)氫鍵則取a鍵向位更有利86.異頭效應：雜原子（O、N、S）取代的環(huán)己烷中，-電負性取代基將主要占有a鍵構(gòu)象。同樣現(xiàn)象在亞甲基取代環(huán)己烷和環(huán)己酮體系中也能觀察到。如5-取代1,3-二氧六環(huán)中，5-取代基以a鍵存在的構(gòu)象87為主要成分。雜原子-位極性取代基也以a鍵為主，如-吡喃葡萄糖苷88a的成分在平衡態(tài)中比-吡喃葡萄糖苷88b多。這可能是因為極性原子上的孤對電子能與-碳和另一個相鄰雜原子之間的反鍵軌道有作用。取代六元環(huán)的補充要點21R一甲基-4S一異丙基一3S一氯代環(huán)己烷（91）1R一甲基-4S-異丙基－3R一氯代環(huán)己烷（92）發(fā)生消除反應后得到不同的產(chǎn)物組成，且91的反應快。仔細分析一下它們各自的構(gòu)象可以發(fā)現(xiàn)，91分子中的氯原子處于a鍵時，C（2）和C（4）上有反向a鍵鍵聯(lián)的氫原子，此時較大的異丙基位于e鍵，有兩個方向消除HCI得到兩個產(chǎn)物。92中，當氯原子處于a鍵時，只有C（2）位上有反向a鍵的氫原子，C（4）上的氫原子位于e鍵。C（4）-H和Cl

不呈反式共平面關系，不能發(fā)生消除反應，故只生成脫去C（2）上的氫形成的一個產(chǎn)物。同時可以看出，92分子中發(fā)生消除HCI的構(gòu)象分子中大基團異丙基位于a鍵，由于環(huán)己烷1,3一張力的存在，這個構(gòu)象并不穩(wěn)定，不易形成，因此92的反應還比91的反應慢得多。問題：化合物91和92在消除反應中哪個更快？為什么？3.9手性中心的產(chǎn)生如果反應過程中沒有一個手性環(huán)境（試劑、催化劑、溶劑等等）的話，底物和試劑作用時生成兩個對映體的過渡狀態(tài)和能量一樣，它們的反應速度相同，反應產(chǎn)物中對映異構(gòu)體的量也完全相等，生成的產(chǎn)物總是以外消旋體形式出現(xiàn)。換句話說，任何一個非手性的反應底物和非手性的試劑反應得到的產(chǎn)物都是非手性的外消旋體。如乙酸和一對手性胺的外消旋體反應得到的是一對外消旋體的酰胺化合物；丙烯的環(huán)氧化和2一溴丁烷的水解等反應也都是如此。丁烷在光照下氯化，產(chǎn)物中有等量的R一和S一2一氯丁烷生成。原本丁烷中的C（2）是非手性碳原子，C（2）上的兩個氫原子也是等同的，反應