立體化學專題教育課件市公開課金獎市賽課一等獎?wù)n件

1、立體化學探討有機物分子結(jié)構(gòu)和反應(yīng)立體性 立體化學是探討有機化合物分子結(jié)構(gòu)和反應(yīng)立體性學科，是有機化學理論基礎(chǔ)之一。近年來，立體化學發(fā)展極為快速，主要表現(xiàn)在有機分子立體結(jié)構(gòu)測定，分子立體形象與反應(yīng)性關(guān)系說明，以及不對稱反應(yīng)在合成上應(yīng)用等方面。exit第1頁有機物分子化學結(jié)構(gòu)和反應(yīng)反應(yīng)物分子價電子在分子內(nèi)或分子間重新組合，并生成新價鍵和改變成產(chǎn)物分子過程反應(yīng)機理 價電子結(jié)合方式化學鍵分子內(nèi)原子相互之間所處空間位置靜態(tài)立體化學化學結(jié)構(gòu)反應(yīng)中分子內(nèi)或分子間原子重新組合，對空間要求條件和改變過程動態(tài)立體化學 化學反應(yīng)第2頁第一章 立體化學 (Steric Chemistry) 靜態(tài)立體化學 測定分子所含

2、有結(jié)構(gòu)立體形象方法和應(yīng)用；結(jié)構(gòu)立體形象和物理性質(zhì)關(guān)系立體化學動態(tài)立體化學 分子立體形象對反應(yīng)方向和難易程度等化學反應(yīng)性影響第3頁內(nèi)容提要1-1 靜態(tài)立體化學一、含有剛性結(jié)構(gòu)化合物構(gòu)型異構(gòu)二、光學異構(gòu)（一）分子對稱性（二）含一個手性中心分子（三）含兩個或多個手性中心分子（四）環(huán)狀化合物光學異構(gòu)（五）含手性軸分子第4頁內(nèi)容提要（六）含手性面分子（七）外消旋體及其拆分三、構(gòu)象及構(gòu)象分析1-2 動態(tài)立體化學一、立體專一反應(yīng)二、立體選擇反應(yīng)第5頁1-1 靜態(tài)立體化學 一、含有剛性結(jié)構(gòu)化合物構(gòu)型異構(gòu) （一）烯烴順反異構(gòu) （二）其它雙鍵化合物順反異構(gòu) （三）脂環(huán)化合物順反異構(gòu)第6頁 二、光學異構(gòu) （一）分子

3、對稱性 1.對稱要素(1)簡單對稱軸 符號：Cn第7頁 分子圍繞經(jīng)過分子中心、而且垂直于分子所在平面直線旋轉(zhuǎn)一定角度后，同原來分子重合，此直線為簡單對稱軸。分子旋轉(zhuǎn)角度為360n時，稱 n重對稱軸 (Cn)。C3C4C5C6第8頁 (2)對稱面 符號： 對稱面 經(jīng)過分子中心，且將分子平均分成互成實物與鏡象能夠重合兩半平面雙面鏡第9頁 (3)對稱中心 符號：i 分子中有一個點， 假如經(jīng)過此點直線一端觸及分子內(nèi)某一原子或基團，其另一端在相等距離處必觸及分子內(nèi)另一相同原子或基團，則該點稱為對稱中心。 PhHPhHCOOHCOOHHHi-土昔酸第10頁 (4)交替對稱軸 符號： Sn 反射繞軸旋轉(zhuǎn)18

4、0垂直于對稱軸鏡面S2第11頁 2.對稱分子(Symmetric Molecules) 含有 ， i ，Sn 分子對稱分子。手性分子一定不含有 ， i ，Sn 。 3.非對稱分子 (Dissymmetric Molecules) 僅含有Cn，不含其它對稱原因分子。 繞軸旋轉(zhuǎn)90C4=第12頁C4C2第13頁 4.不對稱分子(Asymmetric Molecules) 不含任何對稱要素分子。27D= +42.9 27D= -42.9 非對稱分子不對稱分子手性分子(Chiral molecule)對映體旋光活性第14頁 （二）含一個手性中心分子 假如分子手性是因為原子或原子團圍繞某一點非對稱排列而

5、產(chǎn)生，該點就稱為手性中心。 1.手性中心為碳原子 5D= +52 5D= -52 第15頁25D= -0.56第16頁手性中心 金剛烷橋頭C原子1, 3, 5, 7位不一樣基團，有旋光活性。第17頁 2.手性中心為氮原子 不一樣取代開鏈叔胺分子不含有旋光活性：第18頁Trger堿三亞乙基二胺第19頁27D= +92.4 D= +16.8 3.手性中心為其它雜原子 （三）含兩個（或多個）手性中心分子 （四）環(huán)狀化合物光學異構(gòu)第20頁(2R, 3S)(2S, 3R)(2R, 3R)(2S, 3S)赤(蘚) 型 (ery-)：相同原子或基團在碳鏈同側(cè)蘇(阿) 型 (threo-)：相同原子或基團在碳

6、鏈異側(cè)D-赤蘚糖L-赤蘚糖L-蘇阿糖D-蘇阿糖第21頁 （五）含手性軸手性分子 假如分子手性是因為原子或原子團圍繞某一直線非對稱排列而產(chǎn)生，該點就稱為手性軸。相當于把手性中心拉長成一條直線。第22頁 （六）含手性面手性分子假如分子手性是因為原子或原子團圍繞某一平面非對稱排列而產(chǎn)生，該點就稱為手性面。第23頁手性面反環(huán)辛烯第24頁螺烯（helicene）類化合物六螺烯4,5,8-三甲基-1-菲乙酸第25頁柄型化合物（ansa compound）第26頁 （七）外消旋體及其拆分 1.外消旋體取得 右旋體和左旋體等量混合； 非手性條件下一些合成反應(yīng)； 旋光性化合物在一定條件下轉(zhuǎn)化為一對對映體平衡混合

7、物。 2.外消旋體性質(zhì) 在氣態(tài)和稀溶液中，外消旋體通常是理想或近似理想混合物。除去對偏振光所展現(xiàn)性質(zhì)不一樣之外，外消旋體和純對映體普通含有相同物理性質(zhì)。比如，b.p、n等。第27頁 但在濃溶液、熔融狀態(tài)和固態(tài)情況下，外消旋體熔點和溶解度與純兩個對映體之間有顯著差異。這主要取決于不一樣條件下右旋體和左旋體分子之間相互作用力。 (1)外消旋混合物 當各個對映體分子在晶體中對其同種分子有較大親和力時，只要有一個(+)-分子結(jié)晶， 就只有(+)-分子在其上增加。 ()-分子情況類似。從而分別結(jié)晶出右旋體和左旋體晶體外消旋混合物。第28頁外消旋混合物熔點示意圖第29頁外消旋混合物溶解度示意圖第30頁 (

8、2)外消旋化合物 當一個對映體分子對其相反對映體分子含有較大親和力時，相反對映體便在晶胞中配對，形成不一樣于左旋體和右旋體新化合物 外消旋體化合物。這種化合物只存在于晶體中，其大部分物理性質(zhì)都不一樣于純對映體。 比如，外消旋酒石酸銨鈉鹽在水溶液中結(jié)晶 27：外消旋化合物（含2分子結(jié)晶水） 結(jié)晶水分子數(shù)目標改變，影響了相同構(gòu)型分子之間、不相同構(gòu)型分子之間結(jié)合在一起相對難易程度。第31頁 (3)外消旋固體溶液 當外消旋體中相同構(gòu)型分子之間、不一樣構(gòu)型分子之間親和力相差甚小時，所形成固體中，分子排列雜亂無章外消旋固體溶液。其大部分物理性質(zhì)都與純對映體相同。比如()-樟腦肟:103結(jié)晶：外消旋固體溶液

9、 3.外消旋體拆分 手性藥品外消旋體單一對映體外消旋體拆分對映選擇性合成第32頁 (1)接種結(jié)晶法 在外消旋混合物飽和溶液中，加入一個純對映體作為晶種并適當冷卻，使兩個對映體之一優(yōu)先結(jié)晶出來。比如()-氯霉素母體氨基醇拆分。 鎮(zhèn)靜藥沙利度胺thalidomide抗高血壓藥(S)-普萘洛爾Propranolol第33頁D()- L()-()-蘇-1-對硝苯基-2-氨基-1,3-丙二醇第34頁10g ()-氨基醇+1gD-氨基醇溶解100mL 80H2O冷卻至20 母液1.9gD-氨基醇定容至100mL加熱至80 2g ()-氨基醇，溶解，冷卻至20 2.1gL-氨基醇母液第35頁 (2)生物化學

10、法 利用微生物或酶在外消旋體稀溶液中生長時破環(huán)其中一個對映體比另一個快方法，分離出其中一個對映體。例： 酯酶第36頁 (3)化學法 利用手性試劑（拆分劑）與外消旋體作用，生成兩個非對映異構(gòu)體，再依據(jù)兩個非對映異構(gòu)體物理性質(zhì)不一樣將拆分，分離后再將兩個對映體復(fù)原。 拆分劑必須具備條件與被拆分外消旋體之間輕易形成化合物，又輕易被分解成原來組分所形成兩個非對映異構(gòu)體在溶解度上應(yīng)有較大差異，其中最少有一個能形成好晶體第37頁應(yīng)盡可能到達旋光純必須是廉價或是輕易制備，完成拆分后能定量回收 慣用拆分劑堿拆分劑 用于酸類化合物拆分，比如：馬錢子堿等生物堿類化合物以及-苯乙胺等合成堿性化合物。酸拆分劑 用于堿

11、類化合物拆分。比如：酒石酸及其衍生物，樟腦酸、樟腦磺酸等有機酸類化合物第38頁其它類拆分劑 用于醇類化合物拆分有機酸和用于醛酮類化合物拆分羰基試劑。比如：酒石酰苯胺酸，異氰酸薄荷酯；薄荷肼，薄荷氨基脲。 拆分舉例 合成()-腎上腺素拆分。天然腎上腺素為左旋光性異構(gòu)體，含有一個不對稱碳原子，所以合成()-腎上腺素須經(jīng)拆分，才能取得和天然腎上腺素相同產(chǎn)物。第39頁()-腎上腺素(+)-酒石酸1 1溶解甲醇，50冷卻()腎上腺素- (+)-酒石酸氫鹽甲醇重結(jié)晶母液純品氨水調(diào)pH至9D-()腎上腺素氨水調(diào)pH至9(+)-腎上腺素粗品第40頁D-()腎上腺素D-()去甲腎上腺素多巴胺多巴胺-單氧化酶O2

12、100%第41頁 (4)手性色譜法 用非對稱吸附劑拆分 天然旋光性吸附劑 例1，()-丙氨酸拆分，固定相：淀粉，流動相：水。 合成旋光性吸附劑 例2， ()-扁桃酸拆分，固定相：用奎寧作旋光活性成份聚丙烯酸。 旋光性物質(zhì)處理普通吸附劑 例3， ()-氨基苯乙酸甲酯拆分，固定相：(+)-酒石酸-Al2O3，流動相：苯-石油醚 (5)機械法 少數(shù)外消旋體混合物拆分第42頁 三、構(gòu)象及構(gòu)象分析 普通來說，分子都含有某種幾何形狀，分子能量又與其幾何形狀相關(guān)，而分子總是趨向于采取能量最低幾何形狀。在構(gòu)象異構(gòu)中這種幾何形狀是經(jīng)過圍繞單鍵旋轉(zhuǎn)而到達。對與構(gòu)象相關(guān)“能量含量”關(guān)系確實定，以及與化學和物理性質(zhì)關(guān)

13、系研究等，被統(tǒng)稱為構(gòu)象分析。 顯然，在碳碳鍵旋轉(zhuǎn)引發(fā)分子幾何形狀改變但不改變分子構(gòu)型前提下，構(gòu)象中能量改變本質(zhì)必定是由非鍵相互作用而引發(fā)。 第43頁 1.開鏈飽和體系構(gòu)象 (1)CH3Y型化合物化合物 旋轉(zhuǎn)能壘（kJ/mol）烷烴 CH3CH3 12.1 CH3CH2CH3 14.2 CH3CH(CH3)2 16.3 CH3C(CH3)3 19.7鹵乙烷 CH3CH2F 13.8 CH3CH2Cl 15.4 CH3CH2Br 15.4 CH3CH2I 13.4 第44頁化合物 旋轉(zhuǎn)能壘（kJ/mol）雜原子取代物 CH3SiH3 7.1 CH3NH2 8.3 CH3NHCH3 15.1 CH3

14、OH 4.5 CH3OCH3 11.3 (2)YCH2CH2X型化合物 對于這類結(jié)構(gòu)大多數(shù)分子來說，對位交叉式構(gòu)象最穩(wěn)定。假如含有極性鍵或基團體積大小相差不大時，情況就比較復(fù)雜。第45頁meso- ()-meso- ()-分子內(nèi)氫鍵引發(fā)鄰位交叉效應(yīng)鄰位交叉效應(yīng)之一第46頁鄰位交叉效應(yīng)之二 含有孤電子對或極性鍵化合物，核電子吸引（偶極相互作用）引發(fā)鄰位交叉效應(yīng)第47頁 (3)較復(fù)雜開鏈化合物第48頁 2.不飽和化合物構(gòu)象 (1)單烯烴 圍繞烯sp2-sp3鍵重合式構(gòu)象占優(yōu)勢是一個普遍現(xiàn)象，如1-丁烯： A和B為重合式，C和D為交叉式。穩(wěn)定構(gòu)象是重合式A和B，其中構(gòu)象B（氫重合式）比A（甲基重合式

15、）更穩(wěn)定。第49頁 (2)共軛二烯烴 兩種穩(wěn)定構(gòu)象， 其中s -反式為優(yōu)勢構(gòu)象s -順式s -反式重合式軌道相互作用第50頁 (3)醛酮 羰基化合物優(yōu)勢構(gòu)象也是重合式而不是交叉式，對醛、酮來說與羰基重合是烷基而不是氫，這種情況在酮中比在醛中更顯著。除非取代基含有異?？臻g要求。第51頁A穩(wěn)定性和含量：YMeEtMeOPhO Me2CH Ph Cl Br Me3C 或Y能與羰基氧形成氫鍵A B第52頁(4),不飽和羰基化合物 與1,3-二烯類似當存在不利范德華相互作用時：第53頁 3.環(huán)己烷及衍生物構(gòu)象 (1)環(huán)己烷構(gòu)象 環(huán)己烷極端構(gòu)象及穩(wěn)定性：椅式 扭船式 船式 半椅式船式椅式第54頁扭船式 在

16、扭船式構(gòu)象中，全部扭轉(zhuǎn)角都是30；碳原子之間全處于鄰位交叉和全重合構(gòu)象之間第55頁半椅式構(gòu)象三個全重合三個鄰交叉四個全重合兩個鄰交叉 半椅式構(gòu)象是用分子力學計算過渡態(tài)幾何形象時提出。第56頁椅式半椅式扭船式船式扭船式半椅式椅式第57頁 (2)環(huán)己烷衍生物構(gòu)象 1,3-二直立鍵作用95%5%16543212345621362631E = 3.8kJ /mol-127.6 kJ /mol-1第58頁CH3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CH31,3-二直立鍵作用相當于1個鄰位交叉。 構(gòu)象能 構(gòu)象能 構(gòu)象能CH3 7.1 O-CO-CH3 2.5 NHCOCH3

17、 6.4CF3 8.8 O-SO2C6H4CH3(p) 2.1 NH3 8.0C2H5 7.3 OCH3 2.5 N(CH3)2 8.8 i-C3H7 9.0 OC2H5 3.8 N(CH3)3 10.1 t-C4H9 23.1 CO2H 5.7 SH 3.8 C6H5 13.0 CO2C2H5 5.3 SCH3 2.9Cl,Br,I 1.7 NO2 4.6 HgBr 0第59頁大取代基環(huán)己烷衍生物例：順-1,4-二叔丁基環(huán)己烷扭船式太大取代基要盡可能防止取a鍵甲基環(huán)己烷：RRH乙基環(huán)己烷： RH，RCH3異丙基環(huán)己烷： RRCH3第60頁 其它原因參加環(huán)己烷衍生物分子內(nèi)氫鍵順-1,3-環(huán)己二

18、醇例2例11,2,2,6,6-五甲基-4-苯基-4-羥基哌啶第61頁橋環(huán) 2.2.1二環(huán)庚烷2.2.2二環(huán)辛烷(+)-樟腦第62頁取代環(huán)己酮例1R：Me， 占 90 Et， 85% CH(Me)2，65%例2非極性溶劑（含量97）極性溶劑第63頁 (3)六元雜環(huán)化合物構(gòu)象 六元雜環(huán)化合物特點鍵長和鍵角改變 鍵長nm 鍵角CO 0.143COC 111CN 0.147CNC 108CS 0.182CSC 100張力減小 氧，硫和氮分別是二和三配位，降低了1,3-直立鍵排斥作用。例1：順-2-甲基-5-叔丁基-1,3-二氧六環(huán) 第64頁例2 Y=O 2-烷基e-鍵取向優(yōu)勢更顯著；Y=S 2-烷基e

19、-鍵取向優(yōu)勢略微降低例3 5-羥基-1,3-二氧六環(huán)優(yōu)勢構(gòu)象第65頁 異頭效應(yīng) 在糖衍生物立體化學研究中發(fā)覺，強吸電基如鹵原子、烷氧基和酰氧基等取代在C-1位時，取代基為a-鍵構(gòu)象較穩(wěn)定，占優(yōu)勢；這些強吸電基2-取代四氫吡喃衍生物也有類似現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為異頭效應(yīng)（anomeric effect）。異頭效應(yīng)實際上是前面提到鄰位交叉效應(yīng)在雜環(huán)化合物中特例。 異頭效應(yīng)大小取決于取代基性質(zhì)，并隨介質(zhì)極性增加而降低。第66頁K32（純液體，40）K3.4（CCl4），K1.8（CH3CN）例 差向異構(gòu)化反應(yīng) 第67頁 4.構(gòu)象效應(yīng) 因為構(gòu)象不一樣而對分子化學反應(yīng)性質(zhì)所產(chǎn)生不一樣影響稱為構(gòu)象效應(yīng)。 (1

20、)環(huán)己烷衍生物反應(yīng)性 環(huán)外反應(yīng) 羧酸型環(huán)己烷羧基酯化、羧酯基水解反應(yīng)以及環(huán)己醇型羥基酰化、酰氧基水解反應(yīng)等都屬于環(huán)外反應(yīng)。在這一類反應(yīng)中，對反應(yīng)速率起決定作用是空間效應(yīng)，所以a-鍵取向官能團反應(yīng)速率顯著低于e-鍵取向官能團。第68頁例1 例2 水解反應(yīng)相對速率120乙酰化反應(yīng)相對速率 0.11 1.9第69頁例3 2-膽甾醇乙酸酯2-膽甾醇乙酸酯水解反應(yīng)第70頁例4 水解反應(yīng)第71頁 環(huán)內(nèi)反應(yīng) 環(huán)己烷環(huán)系上羥基氧化反應(yīng)，環(huán)上親核取代、消除反應(yīng)，環(huán)酮羰基親核加成、還原反應(yīng)以及環(huán)烯雙鍵親電加成反應(yīng)等都屬于環(huán)內(nèi)反應(yīng)。在這一類反應(yīng)中，a-鍵取向官能團比e-鍵取向官能團輕易發(fā)生反應(yīng)。原因之一是a-鍵取向

21、官能團輕易滿足許多反應(yīng)在機理上立體化學要求；原因之二是a-鍵取向官能團發(fā)生反應(yīng)，有利于解除該基團與3a-和5a-基團或原子之間相互作用，從而造成所謂“空間加速”現(xiàn)象產(chǎn)生。第72頁例1 優(yōu)勢構(gòu)象優(yōu)勢構(gòu)象反應(yīng)構(gòu)象消除反應(yīng)第73頁例2 CrO3氧化環(huán)己醇衍生物反應(yīng)相對速率 62.7 1.87 第74頁1-2 動態(tài)立體化學 一定結(jié)構(gòu)反應(yīng)物區(qū)域選擇反應(yīng)區(qū)域?qū)Ｒ环磻?yīng)在一定條件下按照一定路徑立體選擇反應(yīng)立體專一反應(yīng)一定結(jié)構(gòu)產(chǎn)物第75頁例1 區(qū)域選擇反應(yīng)例2 區(qū)域?qū)Ｒ环磻?yīng) 71 29100011第76頁順-：14%，反-：41%25% 20%例3 區(qū)域選擇反應(yīng)和立體選擇反應(yīng)第77頁外消旋體內(nèi)消旋體例4 立體專

22、一反應(yīng) 第78頁+(2R,3R)(2S,3S)順式外消旋體第79頁+(2R,3S)反式meso-3-3第80頁 一、立體專一反應(yīng)(stereospecific reaction) 立體專一反應(yīng)是指在相同反應(yīng)條件下，由立體異構(gòu)起始物得出立體異構(gòu)不一樣產(chǎn)物。 1.烯烴加成反應(yīng) 例1 硼氫化反應(yīng)外消旋體（蘇式）(2R,3R)(2S,3S)6第81頁 配合物 - +四中心過渡態(tài)第82頁例2 二鹵碳烯與烯烴加成外消旋體80,第83頁例3 Simmons-Smith反應(yīng)：CH2I2/Zn(Cu)FR-900848：含有高殺菌作用，1990年從Streptoverticillium ferverns發(fā)酵液中

23、得到，1996年首次合成。分子中5個環(huán)丙烷結(jié)構(gòu)都是利用Simmons-Smith反應(yīng)制備。第84頁例4 D-A反應(yīng)37150(3S,6R)-3,6-二甲基環(huán)己烯-4,5-二甲酐meso-(3R,6R)-(3S,6S)-11第85頁 2.取代反應(yīng) 第86頁 3.烯烴氧化反應(yīng) (1)環(huán)氧化反應(yīng) 第87頁 (2)鄰位雙羥化反應(yīng) 第88頁 二、立體選擇反應(yīng)(stereoselective reaction) 立體選擇反應(yīng)是指由一個反應(yīng)物生成兩種或兩種以上立體異構(gòu)產(chǎn)物中，只有一個占優(yōu)勢反應(yīng)。 1.烯烴加成反應(yīng)第89頁 2.消除反應(yīng) 60% 20% 20第90頁優(yōu)勢構(gòu)象主要產(chǎn)物第91頁 3.Sharpless烯烴不對稱雙羥基化反應(yīng)催化量OsO4, 基于金雞納配體, K3FeCN6, (CH3)3COH, H2O, 0產(chǎn)率93，99光學純第92頁Sharpless雙羥基化反應(yīng)應(yīng)用舉例逆合