藥學類有機化學立體化學

關于藥學類有機化學立體化學2

分子的立體結構：指分子內原子所處的空間位置及這種結構的立體形象。

研究分子的立體結構、反應的立體性及其相關規(guī)律和應用的科學。立體化學的定義靜態(tài)立體化學：研究分子的立體結構及這種結構和分子物理性質之間的關系動態(tài)立體化學：反應的立體性指分子的立體形象對化學反應的方向、難易程度和對產物立體結構的影響等。分類第2頁,共87頁，2024年2月25日，星期天3分子結構的三個層次

分子結構:分子中各原子間相互連接的順序和空間排列構造constitution構型

configuration構象

conformation第3頁,共87頁，2024年2月25日，星期天4構造異構constitutional立體異構Stereo-碳架異構官能團異構位置異構互變異構構型異構configurational構象異構conformational順反異構手性異構同分異構isomerism旋轉異構翻轉異構第4頁,共87頁，2024年2月25日，星期天5同分異構的多層次性構造異構、構型異構和構象異構是不同層次上的異構。其中構造異構屬較低層次的異構形式，其次為構型異構，而構象異構是較高層次的異構形式。其中低層次異構形式通常包含有較高層次的異構形式。

立體異構因原子或基團的空間排列或取向不同所產生的異構現(xiàn)象

構造異構：由于分子內原子相互連接的方式和次序不同而產生的異構現(xiàn)象。第5頁,共87頁，2024年2月25日，星期天6位置異構碳鏈異構官能團異構互變異構(可互相轉化)碳環(huán)(碳鏈)異構

構造異構第6頁,共87頁，2024年2月25日，星期天7構型異構體（順反異構）（不能相互轉化）

構型異構分子中原子或原子團在空間的固定排列形象。第7頁,共87頁，2024年2月25日，星期天8翻轉構象異構體（可互相轉化）

構象異構：由于σ單鍵的旋轉形成的原子在空間的不同排列形象。旋轉構象異構體（可互相轉化）第8頁,共87頁，2024年2月25日，星期天9構造構型構象例：第9頁,共87頁，2024年2月25日，星期天10本章內容3.1軌道雜化和碳原子價鍵的方向性構象、構象異構體3.2鏈烷烴的構象3.3環(huán)烷烴的構象旋光異構體3.4旋光性3.5手性和分子結構的對稱因素3.6含手性中心的手性分子3.7含手性軸的旋光異構體3.8含手性面的旋光異構體3.9消旋、拆分和不對稱合成第10頁,共87頁，2024年2月25日，星期天113.1軌道雜化和碳原子價鍵的方向性碳原子：第二周期第IVA主族電子層結構：1s22s22p2,兩個未成對電子共價鍵理論形成兩個共價單鍵但在有機化合物中C總是四價，有三種價鍵類型。第11頁,共87頁，2024年2月25日，星期天12甲烷碳原子的四面體概念及分子模型

為了解釋有機化合物的對映異構現(xiàn)象，1874年Van‘tHoffJH提出了碳原子四面體結構。認為碳原子相連的四個原子或原子團，不是在一個平面上，而是在空間分布成四面體。碳原子位于四面體的中心，四個原子或原子團位于四面體的頂點上。甲烷分子的構型是正四面體。甲烷的球棍模型甲烷的斯陶特模型3.1.1甲烷SP3雜化和σ鍵第12頁,共87頁，2024年2月25日，星期天13CH4四個C-H共價鍵C

達到8電子的穩(wěn)定結構，H達到2電子的穩(wěn)定結構二、碳原子的四價第13頁,共87頁，2024年2月25日，星期天141874年，范托霍夫提出了碳原子的四面體概念。甲烷分子是一個正四面體，碳原子位于正四面體的中心，它的4個共價鍵從中心指向正四面體的4個頂點，并和氫原子連接，鍵角為109.5°碳原子的四面體第14頁,共87頁，2024年2月25日，星期天15

109°28’CHHHH++++____109°28’4個sp3

+4H碳原子的四面體第15頁,共87頁，2024年2月25日，星期天16

它們的空間取向是分別指向四面體的頂點。sp3軌道的對稱軸之間互成109.5°。甲烷的四個C—H鍵完全相同，鍵角為109.5°,鍵長為0.110nm。甲烷中的碳為sp3雜化，四個雜化軌道完全一樣，分別與氫原子的1s軌道重疊，形成4個等同的C—Hσ鍵，因此甲烷分子具有正四面體的空間結構。這種σ鍵，電子云重疊是沿鍵軸方向，鍵的旋轉不影響電子云的重疊，故可以自由旋轉。2、碳原子的sp3雜化

C1S22S22P2按照未成鍵電子的數(shù)目，碳原子應當是二價。然而，實際上甲烷等烷烴分子中碳原子是四價，而不是二價。雜化軌道理論認為，在形成分子的過程中，一個電子從2s激發(fā)到2pz：第16頁,共87頁，2024年2月25日，星期天17第17頁,共87頁，2024年2月25日，星期天18σ鍵的定義*1電子云可以達到最大程度的重疊，所以比較牢固。

*2σ鍵旋轉時不會破壞電子云的重疊，所以σ鍵可以自由旋轉。在化學中，將兩個軌道沿著軌道對稱軸方向重疊形成的鍵叫σ鍵。σ鍵的特點第18頁,共87頁，2024年2月25日，星期天19

σ鍵：兩個軌道沿著對稱軸方向重疊形成的鍵。特點：1.比較牢固（電子云最大重疊）在其他烷烴中，C均以sp3雜化軌道成鍵，因此也都具有呈四面體結構。2.由于σ鍵可以自由旋轉，所以烷烴的結構不象我們所寫的那樣一層不變，而是運動的，一般以鋸齒形存在。并且在平衡位置不斷振動。例如丁烷的分子。第19頁,共87頁，2024年2月25日，星期天203.1.2烯烴sp2雜化和π鍵烯烴的結構實驗事實：儀器測得乙烯中六個原子共平面：第20頁,共87頁，2024年2月25日，星期天21雜化軌道理論的描述

C2H4中，C采取sp2雜化，形成三個等同的sp2雜化軌道：sp2雜化軌道的形狀與sp3雜化軌道大致相同，只是sp2雜化軌道的s成份更大些：第21頁,共87頁，2024年2月25日，星期天22

為了減少軌道間的相互斥力，使軌道在空間相距最遠，要求平面構型并取最大鍵角為120°：第22頁,共87頁，2024年2月25日，星期天23π鍵：軌道從側面重疊形成的鍵特點：1.容易斷裂（重疊程度小）2.不能繞軸自由旋轉第23頁,共87頁，2024年2月25日，星期天243.1.3炔烴sp雜化和正交的π鍵

以乙炔為例。儀器測得：C2H2中，四個原子共直線（180o)：

量子化學的計算結果表明，在乙炔分子中的碳原子是sp雜化：第24頁,共87頁，2024年2月25日，星期天25二個sp雜化軌道取最大鍵角為180°，直線構型：乙炔分子的σ骨架：每個碳上還有兩個剩余的p軌道，相互肩并肩形成2個π鍵（正交的π鍵）：第25頁,共87頁，2024年2月25日，星期天26其電子云的形狀為對稱于σC-C鍵的周圍：P80圖3-9

第26頁,共87頁，2024年2月25日，星期天27構象、構象異構體構象：由于單鍵可以自由旋轉，使分子中的原子或基團產生不同的排列，這種特定的排列形式成為構象。由于單鍵旋轉而產生的異構體稱為構象異構體或旋轉異構體。第27頁,共87頁，2024年2月25日，星期天28第28頁,共87頁，2024年2月25日，星期天29

烷烴分子中的碳都是sp3雜化。甲烷具有正四面體的結構特征。當烷烴中的碳原子數(shù)大于3的時候，碳鏈就形成鋸齒形狀。烷烴中的碳氫鍵和碳碳鍵都是σ鍵。3.2鏈烷烴的構象第29頁,共87頁，2024年2月25日，星期天30鏈烷烴的異構現(xiàn)象

構象一個已知構型的分子，僅由于單鍵的旋轉而引起分子中的原子或基團在空間的特定排列形式稱為構象。

構象異構體單鍵旋轉時會產生無數(shù)個構象，這些構象互為構象異構體（或稱旋轉異構體）。一碳架異構體

二構象異構體三旋光異構體第30頁,共87頁，2024年2月25日，星期天31(1)兩面角

單鍵旋轉時，相鄰碳上的其他鍵會交叉成一定的角度()，稱為兩面角。兩面角為0°時的構象為重疊式構象。兩面角為60°時的構象為交叉式構象。兩面角在0-60o之間的構象稱為扭曲式構象。

3.2.1.乙烷的構象第31頁,共87頁，2024年2月25日，星期天32傘式鋸架式紐曼式交叉式構象重疊式構象傘式，鋸架式與紐曼式的畫法也適合于其它有機化合物（2）乙烷交叉式構象與重疊式構象的表示方法第32頁,共87頁，2024年2月25日，星期天33（3）乙烷交叉式構象與重疊式構象的能量分析C-H鍵長C-C鍵長鍵角兩面角兩氫相距110.7pm154pm109.3o60o250pm110.7pm154pm109.3o0o229pm250pm>240pm>229pmE重疊

>E交叉

E=12.1KJmol-1每個C-H、C-H重疊的能量約為4KJmol-1當二個氫原子的間距少于240pm（即二個氫原子的半徑和）時，氫原子之間會產生排斥力，從而使分子內能增高，所以重疊式比交叉式內能高。第33頁,共87頁，2024年2月25日，星期天34（4）乙烷構象勢能關系圖

以單鍵的旋轉角度為橫坐標，以各種構象的勢能為縱坐標。如果將單鍵旋轉360度，就可以畫出一條構象的勢能曲線。由勢能曲線與坐標共同組成的圖為構象的勢能關系圖。穩(wěn)定構象位于勢能曲線谷底的構象非鍵連相互作用不直接相連的原子間的排斥力。轉動能壘分子由一個穩(wěn)定的交叉式構象轉為一個不穩(wěn)定的重疊式構象所必須的最低能量。（25°時轉速達1011次/秒）扭轉張力非穩(wěn)定構象具有恢復成穩(wěn)定構象的力量；第34頁,共87頁，2024年2月25日，星期天353.2.2.丙烷的構象ΔE=4+4+5.3=13.3KJ·mol-1交叉式重疊式

丙烷只有二種極限構象，一種是重疊式構象，另一種是交叉式構象。二種構象的能差13.3kJ·mol-1。第35頁,共87頁，2024年2月25日，星期天363.2.3.正丁烷的構象+（1）正丁烷的極限構象及符號說明SaPPCC+SC-SC-aC+aC+SP-SP-aP+aPAB+順時針轉動-逆時針轉動S順（旋轉角〈±90o）a反（旋轉角〉±90o

）P重疊

C錯

_±SP(順疊)±SC(順錯)±aC(反錯)±aP(反疊)第36頁,共87頁，2024年2月25日，星期天37能量旋轉角4全重疊2，6部分重疊3，5鄰位交叉1=7對位交叉2,4,6是不穩(wěn)定構象，1,3,5,7是穩(wěn)定構象。1=7是優(yōu)勢構象（能量最低的穩(wěn)定構象稱為優(yōu)勢構象）沿C2-C3鍵軸旋轉的轉動能壘22.6kJ·mol-1（2）正丁烷的構象勢能關系圖第37頁,共87頁，2024年2月25日，星期天38

構象分布在達到平衡狀態(tài)時，各種構象在整個構象中所占的比例稱為構象分布。15%15%70%

能量計算C-H，C-H重疊，4kJ/molC-CH3，C-CH3鄰交叉，3.8kJ/molC-CH3，C-CH3重疊，22.6-8=14.6kJ/molC-CH3，C-H

重疊，(14.6-4)/2=5.3kJ/mol（3）正丁烷的構象分布和能量計算分子總是傾向于以穩(wěn)定的構象形式存在第38頁,共87頁，2024年2月25日，星期天39高級烷烴的碳鏈呈鋸齒形，最穩(wěn)定的構象

由于分子主要以交叉式構象的形式存在，所以高級烷烴的碳鏈呈鋸齒形。3.2.4.其他鏈烷烴的構象第39頁,共87頁，2024年2月25日，星期天403.2.5.乙烷衍生物的構象分布1，2-二氯乙烷（對位交叉

70%）1，2-二溴乙烷（對位交叉

84%-91%）1，2-二苯乙烷（對位交叉>90%)乙二醇2-氯乙醇

大多數(shù)分子主要以交叉式構象的形式存在；在乙二醇和2-氯乙醇分子中，由于可以形成分子內氫鍵，主要是以鄰交叉構象形式存在。第40頁,共87頁，2024年2月25日，星期天413.3.1張力學說張力學說提出的基礎所有的碳都應有正四面體結構。碳原子成環(huán)后，所有成環(huán)的碳原子都處在同一平面上（當環(huán)碳原子大于4時，這一點是不正確的）。1880年以前，只知道有五元環(huán)，六元環(huán)。1883年，W.H.Perkin合成了三元環(huán)，四元環(huán)。1885年，A.Baeyer提出了張力學說。3.3環(huán)烷烴的構象第41頁,共87頁，2024年2月25日，星期天42張力學說的內容偏轉角度=

2

N=34567

偏轉角度24o44’9o44’44’-5o16’-9o33’

當碳原子的鍵角偏離109°28′時，便會產生一種恢復正常鍵角的力量。這種力就稱為張力。鍵角偏離正常鍵角越多，張力就越大。109°28′-內角

從偏轉角度來看，五員環(huán)應最穩(wěn)定，大于五員環(huán)或小于五員環(huán)都將越來越不穩(wěn)定。但實際上，五員，六員和更大的環(huán)型化合物都是穩(wěn)定的。這就說明張力學說存在缺陷。第42頁,共87頁，2024年2月25日，星期天431930年，用熱力學方法研究張力能。燃燒熱：1mol純烷烴完全燃燒生成CO2和水時放出的熱。每個–CH2-的燃燒熱應該是相同的，約為658.6KJ·mol-1。環(huán)烷烴的燃燒熱26.0027.0110.0115.5105.4與標準的差值662.4658.6664.0686.1697.1711.3每個CH2的燃燒熱4636.73951.83320.02744.32091.21422.6分子的燃燒熱n=7n=6n=5n=4n=3n=2(CH2)n燃燒熱的數(shù)據(jù)表明，五員和五員以上的環(huán)烷烴都是穩(wěn)定的環(huán)烷烴燃燒熱的實測數(shù)據(jù)第43頁,共87頁，2024年2月25日，星期天44張力能=Enb(非鍵連作用)+EI(鍵長)+E

(鍵角)+E

(扭轉角)Enb>EI>E

>E

張力能從現(xiàn)在的角度看，三員環(huán)的張力能是由以下幾種因素造成的：

1由于二個氫原子之間的距離小于范德華半徑之和，所以產生非鍵連作用，造成內能升高；

2軌道沒有按軸向重迭，導致鍵長縮短，電子云重疊減少，造成內能升高；

3E

是由于偏轉角引起的張力（即角張力）能。

4E

是由全重疊構象引起的。第44頁,共87頁，2024年2月25日，星期天453.3.2環(huán)丙烷的構象三個原子必須處于同一平面第45頁,共87頁，2024年2月25日，星期天46平面式折疊式3.3.4環(huán)丁烷的構象轉換能量

E=6.3KJmol-1四個碳原子不在同一平面內第46頁,共87頁，2024年2月25日，星期天47信封式半椅式3.3.5環(huán)戊烷的構象四個碳原子在同一平面內三個碳原子在同一平面內五個碳原子若在同一平面內，扭轉張力很大第47頁,共87頁，2024年2月25日，星期天481890年，H.Sachse

對拜爾張力學說提出異議。1918年，E.Mohr

提出非平面、無張力環(huán)學說。指 出用碳的四面體模型可以組成兩種環(huán)己 烷模型。3.3.4環(huán)己烷的構象椅式構象船式構象第48頁,共87頁，2024年2月25日，星期天49(1)環(huán)己烷椅式(ChairForm)構象的畫法鋸架式紐曼式1.環(huán)己烷的椅式構象第49頁,共87頁，2024年2月25日，星期天50*1.有6個a(axial)鍵，有6個e(equatorial)鍵。(已為1HNMR證明)*2.有C3對稱軸。（過中心，垂直于1,3,5平面和2,4,6平面，兩平面間距50pm）*3.有構象轉換異構體。（K=104-105/秒）*4.環(huán)中相鄰兩個碳原子均為鄰交叉。(2)環(huán)己烷椅式構象的特點第50頁,共87頁，2024年2月25日，星期天51張力能=

Enb(非鍵連作用)+EI(鍵長)+E

(鍵角)+E

(扭轉角)=63.8+0+0+0=22.8KJ/mol-1Enb：

H與H之間無，R與R之間有（鄰交叉）EI：C-C154pm，C-H112pmEI=0E

：CCC=111.4oHCH=107.5o(與109o28’接近)E

=0E

：都是交叉式。E

=0

椅式構象是環(huán)己烷的優(yōu)勢構象。(3)環(huán)己烷椅式構象的能量分析第51頁,共87頁，2024年2月25日，星期天52（1）環(huán)己烷船式(Boatform)構象的畫法2.環(huán)己烷的船式構象鋸架式紐曼式第52頁,共87頁，2024年2月25日，星期天53

1.1,2,4,5四個碳原子在同一平面內，3,6碳原子在這一平面的上方。

2.1,2和4,5之間有兩個正丁烷似的全重疊,1,6、5,6、

2,3、3, 4之間有四個正丁烷似的鄰位交叉。(2)環(huán)己烷船式構象的特點:第53頁,共87頁，2024年2月25日，星期天54(3)環(huán)己烷船式構象的能量分析:張力能=Enb(非鍵作用)+EI(鍵長)+E

(鍵角)+E

(扭轉角)=43.8+222.6=60.4KJmol-1(EI`E`E

忽略不計）船式與椅式的能量差：60.4–22.8=37.6KJmol-1

(28.9KJmol-1)構象分布：環(huán)己烷椅式構象:環(huán)己烷扭船式構象=10000:1第54頁,共87頁，2024年2月25日，星期天553.環(huán)己烷的扭船式構象在扭船式構象中，所有的扭轉角都是30o。第55頁,共87頁，2024年2月25日，星期天564.環(huán)己烷的半椅式構象三個全重疊三個鄰交叉四個全重疊兩個鄰交叉半椅式構象是用分子力學計算過渡態(tài)的幾何形象時提出的。第56頁,共87頁，2024年2月25日，星期天57只能取船型的環(huán)己烷衍生物第57頁,共87頁，2024年2月25日，星期天581.一取代環(huán)己烷的構象（95%)(5%)CH3與C2-C3鍵、C5-C6鍵為對交叉CH3與C2-C3鍵、C5-C6鍵為鄰交叉

E=3.8KJ/mol-12=7.6KJ/mol-1CH3與C3-H、C5-H有相互排斥力，這稱為1,3-二直立鍵作用。每個H與CH3的1,3-二直立鍵作用相當于1個鄰交叉。甲基環(huán)己烷椅式構象的能量分析3.3.6取代環(huán)己烷的構象第58頁,共87頁，2024年2月25日，星期天59

Go=Ee鍵構象-Ea鍵構象=-RTlnKK=e鍵構象濃度a鍵構象濃度

Go=-7.5KJ/mol=-RTlnK=-(8.3110-3KJ/molK)(298K)lnK

K=20.66[e][a]=20.66[e]=20.66[a]

e%=95.4%a%=4.6%

Go與構象分布其它化合物的構象分布也可以用同樣方法計算。第59頁,共87頁，2024年2月25日，星期天602.二取代環(huán)己烷的構象1,2-二取代環(huán)己烷的平面表示法1.1,2-二取代環(huán)己烷構象分析：用構象來分析一個化合物的理化性質。通過計算比較不同構象的穩(wěn)定性第60頁,共87頁，2024年2月25日，星期天611,2-二甲基環(huán)己烷構象的能差計算

順1，2-二甲基環(huán)己烷構象的能差計算對環(huán)一個直立鍵甲基（7.1

KJmol-1）一個直立鍵甲基（7.1

KJmol-1）兩個甲基鄰交叉（3.8KJmol-1）鄰交叉（3.8KJmol-1）

E=7.1+3.8=10.9KJmol-1

E=7.1+3.8=10.9KJmol-1

E=0第61頁,共87頁，2024年2月25日，星期天62對環(huán)兩個個直立鍵甲基（2X7.1）0兩個甲基對交叉(0)一個鄰交叉（3.8）

E=2X7.1=14.2KJmol-1

E=3.8KJmol-1

E=14.2-3.8=10.4KJmol-1反1,2-二甲基環(huán)己烷構象的能差計算既要考慮每個取代基對環(huán)的能量影響，也要考慮二個取代基之間有無能量關系。第62頁,共87頁，2024年2月25日，星期天63

順1,3-二甲基環(huán)己烷構象的能差計算對環(huán)兩個直立鍵甲基（2X7.1）平伏鍵甲基

兩個甲基有范德華斥力7.6KJmol-10E=2X7.1+7.6=21.8KJmol-10

E=43.8+7.6=21.8KJmol-1

2.1,3-二甲基環(huán)己烷構象的能差計算第63頁,共87頁，2024年2月25日，星期天64

E=0反1,3-二甲基環(huán)己烷構象的能差計算對環(huán)一個直立鍵甲基一個直立鍵甲基

兩個甲基00順-1,4-二甲基環(huán)己烷的能差為0；反-1,4-二甲基環(huán)己烷的能差為14.2KJmol-1；請同學自己計算第64頁,共87頁，2024年2月25日，星期天65(1).反-1-甲基-4-異丁基環(huán)己烷

E=8.8+7.1=15.9KJ/mol3.有二個不同取代基的環(huán)己烷衍生物直立鍵異丙基的能差直立鍵甲基的能差第65頁,共87頁，2024年2月25日，星期天66(2).順-1-甲基-4-氯環(huán)己烷

E=7.1-1.7=5.4KJ/mol直立鍵甲基的能差直立鍵氯的能差第66頁,共87頁，2024年2月25日，星期天67(3).順-1,4-二（三級丁基）環(huán)己烷扭船式太大的取代基要盡量避免取a鍵。第67頁,共87頁，2024年2月25日，星期天68Hassel規(guī)則

帶有相同基團的多取代環(huán)己烷，如果沒有其它因素的參與，那末在兩個構象異構體之間，總是有較多取代基取e鍵向位的構象為優(yōu)勢構象。Barton規(guī)則帶有不同基團的多取代環(huán)己烷，如果沒有其它因素的參與，那末其優(yōu)勢構象總是趨向于使作用最強的和較強的基團盡可能多地取e鍵的向位。兩個規(guī)則第68頁,共87頁，2024年2月25日，星期天691.名稱

萘十氫化萘（暜通名）二環(huán)[4.4.0]癸烷（學名）

naphthaleneDecahydronaphthalene3.3.7十氫化萘的構象第69頁,共87頁，2024年2月25日，星期天702.順十氫合萘平面表示法3.反十氫合萘平面表示法第70頁,共87頁，2024年2月25日，星期天71（1）順十氫合萘環(huán)：有兩個取代基（一個直立鍵），產生兩個鄰交叉。(B)環(huán)：有兩個取代基（一個直立鍵），產生兩個鄰交叉。

歸納：其中C1-C9-C10-C5有重復，故有三個鄰位交叉作用4.十氫合萘的構象表示和能量計算ABBABA一對構象轉換體均為椅式構象第71頁,共87頁，2024年2月25日，星期天72（2）反十氫合萘(A)環(huán)：有兩個取代基（均為平伏鍵）。(B)環(huán)：有兩個取代基（均為平伏鍵）。順式比反式能量高33.8=11.4KJ/mol

AB51234678910均為椅式構象第72頁,共87頁，2024年2月25日，星期天73(一)費歇爾投影式

立體異構體難以用平面構造式確切表示，為表示其不同的立體構型，一般可用三種表示式：球棒式、立體透視式和費歇爾投影式

立體透視式費歇爾投影式球棒式立體異構體的表示式第73頁,共87頁，2024年2月25日，星期天74他發(fā)現(xiàn)了苯肼，對糖類、嘌呤類有機化合物的研究取得了突出的成就1902年獲諾貝爾化學獎

Inrecognitionoftheextraordinaryserviceshehasrenderedbyhisworkonsugarandpurinesyntheses史上第2位諾貝爾化學獎獲得者埃米爾·費雪HermannEmilFisher

1852～1919

Germany著作：《SynthesesinthePurineandSugarGroup》《有機試劑制備指南》《氨基酸、多肽、蛋白質的研究》《尿環(huán)醛的研究》《關于三苯甲烷染料、肼和吲哚的