立體化學(xué)與構(gòu)象分析

1、北京理工大學(xué) 高等有機(jī)化學(xué)立體化學(xué)教學(xué)目的要求本章學(xué)習(xí)立體化學(xué)和構(gòu)象分析為完全認(rèn)識(shí)一個(gè)分子結(jié)構(gòu)，需要了解三個(gè)層次的內(nèi)容：構(gòu)造（constitution)構(gòu)型（configuration) 指分子內(nèi)原子或基團(tuán)在空間“固定”排列關(guān)系，分為：順?lè)串悩?gòu)，旋光異構(gòu)二種。構(gòu)象（conformation) 指圍繞單鍵旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的不同的分子形象。構(gòu)型和構(gòu)象在有機(jī)合成、天然產(chǎn)物、生物化學(xué)等研究領(lǐng)域非常重要。例如六六六有九種順?lè)串悩?gòu)體，其中只有-異構(gòu)體具有殺蟲(chóng)活性。人體需要多種氨基酸，其中只有L-型具有活性作用。手性（chiral）在醫(yī)藥、農(nóng)藥、食品添加劑、香料等領(lǐng)域需求越來(lái)越多。手性液晶材料、手性高分子材料具有獨(dú)

2、特的理化性能，成為特殊的器件材料。一個(gè)新興的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)-手性技術(shù)（chirotechnology）正在悄然興起。（一）順?lè)串悩?gòu)由于雙鍵或環(huán)的存在，使得旋轉(zhuǎn)發(fā)生困難，而引起的異構(gòu)現(xiàn)象。 能壘<10 kcalmol。 能壘50 kcalmol 雙鍵要破壞。命名：順、反 （Cis, Syn-; Trans, Anti)?，F(xiàn)在用 “Z”， “E”表示Z：Zusammen 二個(gè)大的基團(tuán)都在一側(cè)（相當(dāng)于順）E：Entgegen 二個(gè)大的基團(tuán)分在兩側(cè) （相當(dāng)于反）例：Z-3-甲基-4-異丙基-3-庚烯基團(tuán)的大小排列是按照原子序數(shù)排列的。分子內(nèi)含有二個(gè)以上的雙鍵時(shí)，每個(gè)雙鍵的構(gòu)型都要標(biāo)出來(lái)。(1E,5

3、Z)-環(huán)癸-1,5-二烯-1,6-二羧酸關(guān)于C=N和N=N雙鍵的命名含C=N雙鍵的化合物主要是指醛肟和酮肟（醛或酮與羥胺NH2OH反應(yīng)得到）Z-2-戊酮肟 Z-苯甲醛肟孤對(duì)電子的序數(shù)為“0”。文獻(xiàn)上，現(xiàn)在還沿用順、反命名。把-OH,-H在一側(cè)的叫順式，Cis-，Syn-；把-OH,-H在兩側(cè)的叫反式，Trans-，Anti-。N=N雙鍵也用順?lè)疵悍词?E)偶氮苯 順式(Z)偶氮苯一般反式穩(wěn)定,減少了基團(tuán)間的排斥作用。（反式對(duì)稱性好，分子排列更為緊密、有序，有較高的熔點(diǎn)，較低的溶解度（在水中，因極性?。?，燃燒熱、氫化熱比順式低。對(duì)于環(huán)狀化合物仍用順?lè)炊挥肊、Z，把環(huán)看成是一個(gè)平面的，取代基

4、團(tuán)在同一側(cè)的為順式。 如果有三個(gè)以上時(shí),選一個(gè)參考基,用小寫(xiě)r(reference group)表示,再和別的取代基比較與之關(guān)系。順-3-反-5-二甲基環(huán)己-r-1-醇關(guān)于構(gòu)型的確定的方法§ 環(huán)的生成或破裂 § 利用已知構(gòu)型推斷未知構(gòu)型 § 從反應(yīng)歷程來(lái)確定 § 用物理方法測(cè)，x-衍射，熔點(diǎn)，溶解度性質(zhì)等，這些都是很經(jīng)典的方法。最簡(jiǎn)單、最常用的就是NMR。自旋-自旋偶合會(huì)引起核磁共振信號(hào)裂分，如：CH2Br-CHBr2的1H NMR如圖：用單位Hz表示發(fā)生裂分的吸收峰之間的間隔，稱為自旋偶合常數(shù)（J）。此處彼此間相互作用的原子核的自旋偶合常值是相等的。

5、Jab=211Hz Jab=1021HzJ反>J順如：HBrC=CHCl，J反=11Hz，J順=4Hz。順、反混合物，各出各的H，互不干擾，還可以從積分大小定比例。（二）對(duì)映異構(gòu)手性分子（chiral molecule）、手性碳，從上世紀(jì)七十年代起廣泛使用，能夠使平面偏振光向左或向右旋的物質(zhì)稱為旋光性物質(zhì)（或光活性物質(zhì)）。手性分子是指一個(gè)分子與其鏡象不能重合。手性分子一定是光活性物質(zhì)。對(duì)映異構(gòu)體：二個(gè)互為鏡象，但不能重合，是二種不同化合物。旋光能力相同，但方向相反，如同左、右手?？疾煲粋€(gè)分子是否為手性分子，可以從有無(wú)手性碳出發(fā)，但是最根本是要看分子對(duì)稱性來(lái)考察。符合手性分子的充要條件：無(wú)

6、對(duì)稱面；無(wú)對(duì)稱中心；無(wú)交換對(duì)稱軸。三者不可缺一，但一般說(shuō)來(lái)，只要求分子是否有對(duì)稱面或?qū)ΨQ中心即可了。（注意：對(duì)稱軸不能作為判據(jù)。）（1） 對(duì)稱因素 對(duì)稱軸Cn：指圍繞穿過(guò)分子的一條軸，旋轉(zhuǎn)360°/n分子能夠復(fù)原，此軸叫分子對(duì)稱軸。 C2軸，轉(zhuǎn)180º可以還原 C3軸ii：對(duì)稱面如果組成分子的所有原子都在一個(gè)平面上或者有一個(gè)平面通過(guò)分子能把此分子分成互為鏡像的兩者，這兩種平面都是分子對(duì)稱面。三氯甲烷三個(gè)對(duì)稱面BF3有四個(gè)對(duì)稱面苯有七個(gè)對(duì)稱面iii：對(duì)稱中心 i 在分子中找一個(gè)中心,在離中心等距離處能找到完全相同的原子，此中心即為對(duì)稱中心。iv：交換對(duì)稱軸Sn（旋轉(zhuǎn)反映軸）

7、指把一個(gè)分子圍繞穿過(guò)此分子的軸旋轉(zhuǎn)一定角度（Cn）再把垂直于此軸的平面作為鏡子，所得鏡象與原分子一樣時(shí)，此軸即為交替對(duì)稱軸。（2） 無(wú)手性碳的手性分子有些化合物，沒(méi)有手性碳，但從對(duì)稱性上看屬于手性分子a、 丙二烯型化合物（含手性軸） 手性軸：繞此軸轉(zhuǎn)360º時(shí)可以還原，中間任何狀態(tài)都不能還原。b、 螺環(huán)化合物（spiro compounds），手性軸兩個(gè)四元環(huán)是剛性的，所在的平面是互相垂直的。有一手性軸。類似于丙二烯類化合物。c、 聯(lián)苯型化合物，手性軸二個(gè)苯環(huán)由于取代基空間效應(yīng),不能在一個(gè)平面上。如果是對(duì)稱取代，就有對(duì)稱面了。另外，如果四個(gè)取代基較小就不同了。d、 含有手性面的化合物

8、 六螺并苯，由于1，6二環(huán)部分發(fā)生重疊，破壞了分子的對(duì)稱性，這種重疊相當(dāng)于一對(duì)相反轉(zhuǎn)向的螺絲，一個(gè)是左螺紋，另一個(gè)是右螺紋，構(gòu)成一對(duì)對(duì)映體，分子中有一個(gè)手性面。 e、柄型化合物（Ansa compounds），手性面 由對(duì)苯二酚與長(zhǎng)鏈，二醇成醚。由于Br和COOH比較大，苯環(huán)繞單鍵轉(zhuǎn)不過(guò)去，也存在有對(duì)映體。手性面就是與苯環(huán)相垂直的平面。如果(CH2)12時(shí)就可以轉(zhuǎn)過(guò)去了，就無(wú)旋光性了。f、分子扭曲而產(chǎn)生旋光性由于二個(gè)CH3離的近發(fā)生重疊，不能共平面了，發(fā)生了扭曲（一上一下），整個(gè)分子不能共平面了，可以拆分成對(duì)映體。根據(jù)分子的對(duì)稱性要素可以把分子分成三大類：對(duì)稱化合物：有、i或Sn軸的化合物 非

9、對(duì)稱化合物：沒(méi)有上述三種對(duì)稱要素，只有簡(jiǎn)單的對(duì)稱軸。不對(duì)稱化合物：沒(méi)有任何對(duì)稱要素的分子。而非對(duì)稱化合物和不對(duì)稱化合物都為手性分子。例如：此分子有一C2對(duì)稱軸，是個(gè)手性分子；此分子叫非對(duì)稱分子。這樣區(qū)分易于混淆，現(xiàn)在用手性分子和非（無(wú)）手性分子來(lái)區(qū)分。例： =有 = 手性分子 手性分子 （3）四面體N可以成為手性中心四面體N 即R4N+也可成為手性中心，銨鹽類叔胺分子無(wú)對(duì)稱性，似乎應(yīng)有旋光性，但由于傘效應(yīng)，易于翻轉(zhuǎn)，每秒翻轉(zhuǎn)2.3×1010次，翻轉(zhuǎn)能壘很低，外消旋化了。 但如果N在環(huán)上橋頭位置時(shí)，就不能翻轉(zhuǎn)了。此分子無(wú)對(duì)稱面和對(duì)稱中心。角錐形結(jié)構(gòu)S化物也可以成為手性中心：锍離子亞砜

10、亞磺酸酯其他元素P，As也可成為四面體構(gòu)型，成為手性中心。（4）含有一個(gè)手性中心的化合物四面體C上具有四個(gè)不同的取代基時(shí)，成為手性碳。（四個(gè)取代基稍有差別即可）。旋光度與四個(gè)取代基極性有關(guān)。極性差別愈大，旋光度愈大，烷基極化度相差不多，旋光度很小含有一個(gè)手性中心就只有二種異構(gòu)體。212，R和S構(gòu)型。手性碳原子的標(biāo)記方法：1966年，Cahn-Ingold-Prelog規(guī)則（簡(jiǎn)稱CIP規(guī)則）或者R/S規(guī)則。按原子序數(shù)遞減，共用電子對(duì)居末尾。C=A，看成和A連兩次。雙鍵順式和R-基團(tuán)優(yōu)先于雙鍵反式和S型。例：標(biāo)記下面分子中的手性碳。Fischer投影式為了充分理解立體化學(xué)，觀看分子模型很有幫助。但

11、是，如果把分子模型畫(huà)在平面上時(shí)遇到了問(wèn)題。1891年，Emil Fischer創(chuàng)造的Fishcher投影法，即在平面上描述四面體碳的方法，對(duì)立體化學(xué)的研究非常適用。它是這樣規(guī)定的：按如下方式拿分子模型，紙前面的兩個(gè)鍵是水平的，紙后面的兩個(gè)鍵是垂直的，然后將其投影在紙上。把氧化態(tài)最高的基團(tuán)放在上面，COOH>CHO>CH2OH>CH3可以轉(zhuǎn)180°，不能轉(zhuǎn)90°，不能離開(kāi)紙面翻轉(zhuǎn)。固定一個(gè)基團(tuán)，其他可以按照順或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，但兩個(gè)基團(tuán)不可以交換。Fishcher投影式與鋸木架結(jié)構(gòu)式的互換：（5）關(guān)于糖類和氨基酸仍沿用D、L構(gòu)型標(biāo)記，不用R、S法選用甘油醛作為標(biāo)

12、準(zhǔn)，其他的化合物與它來(lái)對(duì)照。指定如下：糖類：編號(hào)最大的手性碳與其對(duì)比。以2號(hào)碳來(lái)對(duì)比，D型-丁醛糖。-氨基酸：以碳來(lái)與其對(duì)比。L-蘇氨酸。（注意：D,L在這里僅代表構(gòu)型，不表示旋光方向（±）。）含有兩個(gè)手性碳的分子，為了表示兩個(gè)手性碳的相互關(guān)系，把含有兩個(gè)取代基相同的在一側(cè)叫赤式，在兩側(cè)叫蘇式。dl對(duì)，d表示右旋，l表示左旋，dl對(duì)外消旋體。（同下面內(nèi)消旋體對(duì)比）D、L，蘇、赤式命名都不嚴(yán)密，但文獻(xiàn)上常用。R/S最嚴(yán)密科學(xué)。如果兩個(gè)手性碳連的基團(tuán)都相同：如酒石酸對(duì)第一個(gè)分子，其鏡像和本身是同一分子。它分子內(nèi)有一對(duì)稱面， 稱為內(nèi)消旋。則酒石酸有三種立體異構(gòu)體。如果有3個(gè)手性碳，就應(yīng)該有

13、23=8種立體異構(gòu)體了。 2，3，4，5-四羥基戊酸（學(xué)習(xí)畫(huà)法）（6）前手性中心（prochiral center,前，潛，準(zhǔn)）乙醇分子沒(méi)有手性（有對(duì)稱面），經(jīng)反應(yīng)后，產(chǎn)生手性中心。HS和HR稱為對(duì)映（異構(gòu)）位氫，這兩個(gè)氫原子性質(zhì)完全相同，從兩邊取代機(jī)會(huì)完全相等，得到外消旋混合物。如果前手性碳上連有一個(gè)手性碳，則兩個(gè)氫就是非對(duì)映位氫，從兩邊進(jìn)攻機(jī)會(huì)就不同了。（7）前手性面（prochiral face） 對(duì)于有對(duì)稱面的不飽和鍵加成后產(chǎn)生新的手性中心。試劑從兩面進(jìn)攻（Si面，Re面），得到不同構(gòu)型的產(chǎn)物。對(duì)于上面的乙醛來(lái)說(shuō)，得到對(duì)映異構(gòu)體。如果，分子中已經(jīng)有了一個(gè)手性中心，此時(shí)羰基的兩個(gè)面就不一

14、樣了，試劑從兩邊進(jìn)攻就得到不等量的非對(duì)映異構(gòu)體。（8）不對(duì)稱合成（Asymmetric synthesis）一般說(shuō)來(lái)，在一個(gè)非手性分子中引入一個(gè)手性中心時(shí)，產(chǎn)物總是等量的左旋和右旋的外消旋體，如果得到異構(gòu)體數(shù)量不相等，這種反應(yīng)就叫不對(duì)稱合成。%ee=百分主要對(duì)映體-百分次要對(duì)映體即對(duì)映體過(guò)量百分?jǐn)?shù)。要實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱合成，必須有一個(gè)化學(xué)的或物理的不對(duì)稱因素存在，不對(duì)稱底物、試劑、溶劑、催化劑或偏振光存在，才能產(chǎn)生不對(duì)稱產(chǎn)物。（a）活性底物Cram（1952年）規(guī)則：指出進(jìn)攻基團(tuán)將優(yōu)先作用雙鍵空間障礙最小的一面。 主要產(chǎn)物 次要產(chǎn)物R、L采取重疊構(gòu)象Cram認(rèn)為R、L重疊構(gòu)象有利。在與格氏試劑作用前，

15、格氏試劑的金屬部分先與羰基氧配位，這大大膨脹了羰基氧原子的一端，使得L與R重疊，成為最有利的優(yōu)勢(shì)構(gòu)象。（b）活性試劑（c）活性催化劑或活性溶劑催化劑是由旋光三級(jí)膦與Rh（銠）配位而得。 D20=(+)3.04°二十世紀(jì)六十年代發(fā)生在歐洲的反應(yīng)停（thalidomide）事件。R-反應(yīng)停，鎮(zhèn)靜、止吐 S-反應(yīng)停，致畸作用服用外消旋體的反應(yīng)停，造成強(qiáng)烈的嬰兒致畸。美國(guó)食品與藥品管理局（FDA）于1992年規(guī)定：在美國(guó)上市的消旋體類新藥必須提供藥品中所含各對(duì)映體各自的藥理作用、毒性和臨床效果。全世界到2000年手性藥物市場(chǎng)高達(dá)1200億美元。三分之二開(kāi)發(fā)中的藥物是手性的。手性技術(shù)，特別是不

16、對(duì)稱催化已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的新技術(shù)領(lǐng)域之一。例如1983-1996年已經(jīng)生產(chǎn)了近3萬(wàn)噸薄荷醇及其中間體，而消耗掉的手性配體僅250kg。手性催化劑要求：高效率（high efficiency）、高選擇性（high selectivity）、高產(chǎn)出率（high productivity）。目前，不對(duì)稱氫化合成（對(duì)雙鍵C=C、C=O、C=N）具有廣泛使用前景。催化劑用的是：（Ru（s）-BINAP）(OAc)2，手性聯(lián)二萘酸雙磷配體與釕的配合物。2001年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，日本的野依良至，美國(guó)的諾爾斯（Knowles）、夏普雷斯（Sharpless）。日本科學(xué)家研究不對(duì)稱氫化催化劑。1968年諾爾斯

17、發(fā)現(xiàn)用過(guò)渡金屬進(jìn)行不對(duì)稱氫化的方法，該方法很快用于治療帕金森癥藥物生產(chǎn)上。夏普雷斯發(fā)現(xiàn)了不對(duì)稱催化氧化，被應(yīng)用于心腦血管、抗生素、激素、抗癌藥及中樞神經(jīng)類藥物的研制上。不對(duì)稱氫化反應(yīng)是典型的原子經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)，使用清潔的氫氣，屬于綠色化學(xué)反應(yīng)。手性催化劑中影響對(duì)映選擇性的關(guān)鍵因素是手性配體。目前，開(kāi)發(fā)的手性配體很多，可是有效的手性配體不足二十分之一。因此，手性催化劑的設(shè)計(jì)與合成、回收及循環(huán)使用是不對(duì)稱氫化合成的研究方向。（d）僅使用物理方法無(wú)任何化學(xué)的不對(duì)稱因素參與下，形成一個(gè)光學(xué)活性的產(chǎn)物的反應(yīng)，也叫絕對(duì)不對(duì)稱合成。常用的物理因素為偏振光、電磁等。這種方法產(chǎn)率很低，但是在自然界中最早出現(xiàn)的光活性

18、化合物，可能是在自然界中偏振光作用下生成的。（e）微生物發(fā)酵和酶催化的不對(duì)稱反應(yīng)酶是生物化學(xué)反應(yīng)的高效、立體專一、條件溫和的催化劑。在生物體中有無(wú)數(shù)的有機(jī)反應(yīng)發(fā)生，酶屬于蛋白質(zhì)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。把酶吸附在一種纖維素離子交換樹(shù)脂上，相當(dāng)于柱層析的柱體。將純的苯甲醛和HCN（摩爾比2：3）的甲醇水溶液通過(guò)柱體，洗提液減壓下除去溶劑，得率為95%，ee：94%（R-(+)97%,S-(-)3%）。這個(gè)反應(yīng)可以連續(xù)操作，許多芳香族、雜環(huán)的、脂肪族的醛都可以。（W. Becker. JACS, 88,4299(1966)）。（三）構(gòu)象和構(gòu)象分析構(gòu)象：沿C-C單鍵旋轉(zhuǎn)，分子產(chǎn)生不同形象，稱為構(gòu)象。單鍵旋轉(zhuǎn)能壘一

19、般為310千卡/摩爾，在室溫下熱運(yùn)動(dòng)可以越過(guò)此能壘，各種構(gòu)象迅速互變，分子在某一構(gòu)象停留時(shí)間很短（10-6秒），因此不可能將某一個(gè)構(gòu)象分離出來(lái)。研究構(gòu)象對(duì)于了解化合物結(jié)構(gòu)、反應(yīng)歷程和反應(yīng)取向等方面非常重要。許多分子呈現(xiàn)有張力，就是由于非理想幾何形狀造成的。分子將盡可能利用鍵角或鍵長(zhǎng)的改變使能量達(dá)到最低值，就是說(shuō)一個(gè)分子總是要采取使其能量為最低的幾何形狀?？臻g張力=成鍵張力（單鍵伸長(zhǎng)或縮短）+鍵角張力+扭轉(zhuǎn)張力+非鍵張力分子內(nèi)張力是上述四種張力之和。1、 角張力（亦稱Baeger張力）：它是由于正常鍵角改變產(chǎn)生的。2、 鍵張力：是由鍵的伸縮使正常鍵長(zhǎng)改變而產(chǎn)生的張力。3、 扭轉(zhuǎn)張力（pitzer

20、張力）：它是由于優(yōu)勢(shì)構(gòu)象二面角改變而產(chǎn)生的張力。兩個(gè)連接四面體碳原子，他們都傾向于成為交叉式，與交叉式任何偏差都會(huì)引起一定張力，希望恢復(fù)到交叉式的最穩(wěn)狀態(tài)，這種張力就是扭轉(zhuǎn)張力。4、 非鍵張力(范德華張力)：非鍵合的原子或基團(tuán)相互作用。在小環(huán)化合物中（34元環(huán)）主要存在有角張力；普通環(huán)（57元環(huán)）各種張力都不顯著，6元環(huán)無(wú)角張力、無(wú)扭轉(zhuǎn)張力。在中環(huán)（811元環(huán)）主要存有跨環(huán)張力。在環(huán)內(nèi)有6個(gè)氫，由于對(duì)面基團(tuán)距離近，僅有1.84Å（范氏半徑之和為2.4Å）產(chǎn)生張力，成為跨環(huán)張力。在大部分環(huán)狀化合物中（除大環(huán)外）大部分存在扭轉(zhuǎn)張力。（1） 丁烷的構(gòu)象 對(duì)位交叉，部分重疊，鄰位交

21、叉，全重疊式，鄰位交叉，部分重疊為優(yōu)勢(shì)構(gòu)象從丁烷的勢(shì)能圖可見(jiàn)，有三個(gè)能量極大值，全重疊式為最大值；三個(gè)能量極小值，對(duì)位交叉為最小值。穩(wěn)定性次序：對(duì)位交叉鄰位交叉部分重疊全重疊兩個(gè)鄰位交叉、比對(duì)位交叉式略高0.8kcal/mol，是由于甲基之間的排斥作用，但由于能量相差不大，在室溫下，兩者都可存在。對(duì)位交叉占68%，鄰位交叉占32%。正丁烷體系不能分離出單一的構(gòu)象異構(gòu)體，他們這類化合物的性質(zhì)是各種構(gòu)象異構(gòu)體的平均值。（2） 乙烷及其衍生物的構(gòu)象CH2X-CH2Y兩個(gè)大的取代基處于對(duì)位交叉，為優(yōu)勢(shì)構(gòu)象。對(duì)位交叉：1，2-二氯乙烷70%，1，2-二溴乙烷84-91%，聯(lián)芐90%，其余為鄰位交叉。但是

22、，當(dāng)取代基之間能形成氫鍵時(shí)，鄰位交叉占優(yōu)勢(shì)。（能夠形成氫鍵：N，O，F(xiàn)與活潑氫-OH，-NH2）（3） 不飽和體系由于電子離域要求，雙鍵都在一個(gè)平面上（以單鍵來(lái)看順?lè)矗?S-trans S-單反式非鍵排斥力 S-cis S-單順式（4） 醛酮的構(gòu)象甲基和羰基重疊式比氫重疊式穩(wěn)定0.9kcal/mol當(dāng)碳上取代基特別大時(shí)，H重疊占優(yōu)勢(shì)，如為叔丁基時(shí)。（5） 環(huán)己烷及其衍生物的構(gòu)象環(huán)己烷在天然產(chǎn)物中大量存在，由于其旋轉(zhuǎn)能壘比較高，可以把最穩(wěn)定的構(gòu)象分離出來(lái)，研究得最充分。最穩(wěn)定椅式構(gòu)象常溫下，12H在NMR譜圖上表現(xiàn)為一條譜線，是等價(jià)的；在低溫下，則是兩類質(zhì)子在300K轉(zhuǎn)換速度104105次/秒

23、每個(gè)碳上都有一個(gè)a鍵（垂直鍵），一個(gè)e鍵（平伏鍵），其中一個(gè)向上，一個(gè)向下。轉(zhuǎn)環(huán)時(shí)，ae，ea，但鍵的朝向不變。在室溫下，甲基處于a鍵的占5%，處于e鍵的占95%。環(huán)己烷另外一種不穩(wěn)定構(gòu)象是船式：兩個(gè)旗桿氫之間為1.83Å，比范德華半徑總和2.5 Å小得多，因此相互作用較大。船式構(gòu)象中有兩對(duì)氫處于重疊構(gòu)象，又有旗桿氫之間的相互作用，船式構(gòu)象比椅式構(gòu)象能量高29.7kcal/mol。環(huán)己烷從一種椅式構(gòu)象變成另一種椅式構(gòu)象可以經(jīng)過(guò)船式構(gòu)象或者扭船式構(gòu)象：取代環(huán)己烷的構(gòu)象在常溫下，直立式平伏式取代基的近似自由能G0：CN，鹵素，-OTs 0.82.2kJ/molCO2R，OR，O

24、H 34CH3，C2H5，（CH3）2CH 7.18.8-C(CH3)3 17（取代基體積是個(gè)重要因素。）由于平伏式構(gòu)象比直立式穩(wěn)定，因此k1，G0應(yīng)為負(fù)值舉例：-CH3由直立鍵變?yōu)槠椒I，G0 -7.1 kJ/mol-Cl由直立鍵變?yōu)槠椒I，G0 -2.2 kJ/mol-OH由平伏鍵變?yōu)橹绷㈡I，G0 +3.8 kJ/mol總能量差=-7.1+（-2.2）+3.8=-5.5 kJ/mol因此右邊的構(gòu)象是優(yōu)勢(shì)構(gòu)象。環(huán)外雙鍵和1位上有CH3時(shí)為了解除基團(tuán)之間的排斥作用，烷基取a鍵。后者穩(wěn)定10.9kJ/mol。練習(xí)：畫(huà)出異構(gòu)體（優(yōu)勢(shì)構(gòu)象） 23=8個(gè)方法：鍵的排列順序，再畫(huà)出它的異構(gòu)體。但安排好鍵

25、的方向后，首先確定哪個(gè)是優(yōu)勢(shì)構(gòu)象。它的優(yōu)勢(shì)構(gòu)象應(yīng)該是（轉(zhuǎn)環(huán)），然后畫(huà)出他的鏡像，這就是兩個(gè)異構(gòu)體，其它六個(gè)以此類推。（6） 不飽和六元環(huán)環(huán)己烯的構(gòu)象C6，C1，C2，C3處于同一平面上轉(zhuǎn)環(huán)活化能5.3kcal/mol（7） 雜環(huán)構(gòu)象分析分子內(nèi)有雜原子結(jié)構(gòu)參數(shù)要發(fā)生變化，影響分子的構(gòu)象特征。主要有O、N、S雜原子的六元環(huán)。C-O鍵長(zhǎng)1.43Å，C-N鍵長(zhǎng)1.47 Å，C-S鍵長(zhǎng)1.82 Å鍵角都比四面體稍小C-S-C鍵角最小為100°-OH處于a鍵能夠形成氫鍵，分子穩(wěn)定，為優(yōu)勢(shì)構(gòu)象此稱為異頭效應(yīng)也可以用MO理論來(lái)解釋（離域作用）當(dāng)C-Cl處于a鍵時(shí)，O原子

26、有 一對(duì)孤對(duì)電子，占據(jù)p軌道，與C-Cl的反鍵軌道（空軌道）相互作用，使得O上的電子云有離域作用，從而使分子更穩(wěn)定。這時(shí)C-O鍵應(yīng)縮短，C-Cl鍵應(yīng)伸長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)事實(shí)也證明了這點(diǎn)（單位Å）：1，3相互作用：取代基都朝上（或下）甲基和氫之間的1，3相互作用強(qiáng)，轉(zhuǎn)環(huán)后，1，3作用解除。（此處，叔丁基作用減弱。）（8） 環(huán)己酮取代環(huán)己酮從空間因素上看，Br處于平伏位置似乎有利，但溴和氧都是電負(fù)性很強(qiáng)的基團(tuán)，相互排斥，不如Br處于a鍵穩(wěn)定。（9） 環(huán)丁烷和環(huán)戊烷的構(gòu)象環(huán)丁烷主要是“蝴蝶”型占優(yōu)勢(shì)，能量相差不大，迅速翻轉(zhuǎn)。環(huán)戊烷如果是平面型，正五邊形夾角為108度，角張力不大，但是CH2之間都是重

27、疊式排列，張力大。因此，采取信封式和扭曲式：信封型，四個(gè)碳共面，扭曲式，三個(gè)碳共面，這兩者能量相差不大。（10） 環(huán)庚烷和環(huán)辛烷隨著環(huán)增加，需要考慮的構(gòu)象也多了，七元環(huán)有四種構(gòu)象特別穩(wěn)定（它們之間的能量差不大）：環(huán)辛烷曾考慮了11種構(gòu)象，三種是最穩(wěn)定的（了解即可）船-椅式，船-船式，皇冠式。大家有人會(huì)做推進(jìn)劑方面的課題，下面就介紹兩種含能化合物的構(gòu)象。構(gòu)象不同表現(xiàn)為晶形不同，在應(yīng)用上有重大影響：密度、感度、穩(wěn)定性HMX有四種構(gòu)象，表現(xiàn)為、不同的晶型 CL-20（六硝基六氮雜異伍茲烷），常溫下有四種較穩(wěn)定的構(gòu)象，四種晶型-，-，-，-其中晶型密度最大為2.04g/cm3，感度最低，熱穩(wěn)定性最好密度：- 1.97，- 1.99，- 1.92，- 2.04八硝基立方烷芝加哥大學(xué)的Zhang M X合成出了，