第1章 立體化學(xué)課件

高等有機(jī)化學(xué)AdvancedOrganicChemistry劉彥欽講授高等有機(jī)化學(xué)又名物理有機(jī)和理論有機(jī)化學(xué)研究?jī)?nèi)容：

有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系。即結(jié)構(gòu)（構(gòu)造、構(gòu)型、構(gòu)象）對(duì)化合物物理、化學(xué)性質(zhì)的影響。

有機(jī)化學(xué)反應(yīng)歷程。反應(yīng)條件及化合物結(jié)構(gòu)對(duì)反應(yīng)歷程的影響。

通過(guò)對(duì)一般典型有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)和性質(zhì)及典型反應(yīng)歷程的研究，使我們有可能運(yùn)用這些理論知識(shí)來(lái)推測(cè)未知有機(jī)物結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，及反應(yīng)中的內(nèi)在聯(lián)系，利用最合適的原料和最理想的合成路線，設(shè)計(jì)合成具有特殊性能的新化合物。第一章立體化學(xué)Stereochemistry

研究?jī)?nèi)容主要包括兩個(gè)方面：

①分子中原子或原子團(tuán)在空間的排列。即原子或原子團(tuán)所處空間位置的情況，這就是分子的立體形象或者稱為立體結(jié)構(gòu)。②分子的立體結(jié)構(gòu)對(duì)化學(xué)反應(yīng)的方向、歷程、產(chǎn)物及反應(yīng)難易程度等的影響。前者屬于靜態(tài)立體化學(xué)的范疇，后者則屬于動(dòng)態(tài)立體化學(xué)研究的內(nèi)容分子結(jié)構(gòu)(Structure)構(gòu)造(Constitution)分子式相同，原子的成鍵順序不同。碳骨架異構(gòu)互變異構(gòu)官能團(tuán)異構(gòu)官能團(tuán)位置異構(gòu)構(gòu)型(Configuration)對(duì)映異構(gòu)順?lè)串悩?gòu)分子構(gòu)造相同，原子或原子團(tuán)在空間的排列不同。構(gòu)象(Conformation)分子構(gòu)型相同，由于單鍵的自由旋轉(zhuǎn)，原子或原子團(tuán)在空間的排列不同。構(gòu)造異構(gòu)體：官能團(tuán)異構(gòu)：官能團(tuán)位置異構(gòu):互變異構(gòu)：順?lè)串悩?gòu)：對(duì)映異構(gòu)：D-(-)-乳酸mp:52.8°

L-(+)-乳酸mp:53°

構(gòu)象異構(gòu)：對(duì)位交叉鄰位交叉1.1對(duì)映異構(gòu)關(guān)系

手性（chirality）：把物體和它的鏡象不能重疊的現(xiàn)象叫手性。具有手性的分子叫手性分子。

旋光性是手性分子的一種性質(zhì)，即旋轉(zhuǎn)偏振光平面的能力。旋光性和手性的關(guān)系:一個(gè)旋光性的分子一定是手性的，反之亦然。1.1.1手性、旋光性

在一些測(cè)量條件下，有些手性分子的旋光性可能非常小，以至無(wú)法與零相區(qū)別。在這種情況下，可以用另一個(gè)波長(zhǎng)的光測(cè)定，就可能得到較大的旋光度。1.1.2手性中心

碳手性中心：連在sp3碳上的基團(tuán)按四面體方式取向，當(dāng)具有四個(gè)不相同的基團(tuán)時(shí)，分子是手性的，我們把這個(gè)碳原子稱為手性中心。如2-丁醇是手性的，而乙醇卻不是。不是手性的分子叫做非手性的。旋光度的大小與測(cè)量條件有關(guān)，包含溫度、溶劑和射入樣品中的入射光的波長(zhǎng)。除了碳手性中心外，還有硫、磷、氮手性中心，如

[α]27D=+92.4°[α]D=+16.8°

兩種對(duì)映體因快速翻轉(zhuǎn)相互轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致消旋。具有三個(gè)不同取代基的胺，原則上是能夠有旋光性的。但是角錐體翻轉(zhuǎn)所需要的活化能太小，以致不能將對(duì)映異構(gòu)體分離。當(dāng)它變?yōu)榧句@鹽時(shí)，就不能翻轉(zhuǎn)而變成手性的。1.1.3構(gòu)型的描述

菲舍爾（Fischer）慣用法（D，L）來(lái)描述。D-(+)-甘油醛D-(-)-乳酸HOL-(-)-甘油醛與假定的D、L甘油醛相關(guān)聯(lián)而確定的構(gòu)型。相對(duì)構(gòu)型注意：分子的旋光度符號(hào)和構(gòu)型（D，L）之間沒(méi)有簡(jiǎn)單的關(guān)系。不是都象甘油醛那樣D-是右旋，L-是左旋；例如，L-丙氨酸這個(gè)氨基酸是右旋的。凱恩-英格爾德-潑萊勞格（Cahn-Ingold-Prelog）慣用法（R，S）來(lái)描述。能真實(shí)代表某一光活性化合物的構(gòu)型（R、S）(S)-(+)-乳酸(R)-(-)-乳酸

mp53oCmp53oC[]D=+3.82[]D=-3.82pKa=3.79(25oC)pKa=3.83(25oC)從Fisher投影式直接判斷R/S構(gòu)型：當(dāng)最小基團(tuán)處在豎鍵上時(shí)，其余基團(tuán)從大到小，按順時(shí)針?lè)较蚺帕?，則該構(gòu)型為R，反之則為S型。

逆時(shí)針為S型。

當(dāng)最小基團(tuán)在橫鍵上時(shí)，其余基團(tuán)從小到大，按順時(shí)針?lè)较蚺帕袨镽，逆時(shí)針排列為S。

順時(shí)針為R型(i)(ii)(iii)(iv)(2R,3R)-(-)-赤蘚糖(2S,3S)-(+)-赤蘚糖(2S,3R)-(+)-蘇阿糖(2R,3S)-(-)-蘇阿糖含兩個(gè)不對(duì)稱碳的分子，若在Fischer投影式中，兩個(gè)H在同一側(cè)，稱為赤式，在不同側(cè)，稱為蘇式。赤式和蘇式左右手判斷R、S構(gòu)型法：大拇指指向最小基團(tuán)，基團(tuán)順序由大到小，右手握方向者為R型；左手握方向者為S型。(S)-(+)-乳酸(R)-(-)-乳酸

mp53oCmp53oC[]D=+3.82[]D=-3.82pKa=3.79(25oC)pKa=3.83(25oC)1.1.4如何判斷分子是否具有手性？

分子是否具有手性與分子的對(duì)稱性緊密相關(guān)，當(dāng)分子缺乏一定必要的對(duì)稱因素時(shí)，就可能具有手性。對(duì)稱因素包括：

對(duì)稱面（σ）：假如有一個(gè)平面可以把分子分割成兩部分一部分正好是另一部分的鏡象，這個(gè)平面就是分子的對(duì)稱面。

對(duì)稱中心(i)：若分子中有一點(diǎn)P，通過(guò)P點(diǎn)畫(huà)任何直線，如果在離P等距離的直線兩端有相同的原子，則點(diǎn)P稱為分子的對(duì)稱中心

分子旋轉(zhuǎn)的角度為360°n時(shí)，稱

n重對(duì)稱軸(Cn)。C3C4C5C6對(duì)稱軸（Cn）：如果穿過(guò)分子畫(huà)一直線，分子以它為軸旋轉(zhuǎn)一定角度后，可以獲得與原來(lái)分子相同的形象，此直線即為該分子的對(duì)稱軸。反射重合

通過(guò)反射的操作，上、下方的基團(tuán)交換位置，基團(tuán)的構(gòu)型改變。垂直于對(duì)稱軸的鏡面S4更替對(duì)稱軸（Sn）：如果一個(gè)分子沿一根軸旋轉(zhuǎn)了360°/n的角度以后，再用一面垂直于該軸的鏡面將分子反射，所得的鏡象如能與原物重合，此軸為該分子的n重更替對(duì)稱軸。在一般情況下，對(duì)稱面、對(duì)稱中心和更替對(duì)稱軸往往是同時(shí)存在的，判斷一個(gè)分子是否具有手性，只要考查它是否具有對(duì)稱面和對(duì)稱中心就行了。如果一個(gè)分子既不具有對(duì)稱面，又不具有對(duì)稱中心，則就是一個(gè)手性分子。我們可以把對(duì)稱性、手性、對(duì)映異構(gòu)、旋光性之間的聯(lián)系作一簡(jiǎn)單小結(jié)：一個(gè)化合物若不具有對(duì)稱面和對(duì)稱中心，該分子就具有手性，此手性分子必然具有對(duì)映異構(gòu)，因而具有旋光性，此化合物就是一種光學(xué)活性物質(zhì)。手性分子一定不含有σ,i,Sn內(nèi)消旋體mp:130°反式(+)異構(gòu)體mp:175°反式(-)異構(gòu)體mp:175°對(duì)映體有對(duì)稱面，不具有手性沒(méi)有對(duì)稱面、對(duì)稱中心。有手性RSSS結(jié)論：用平面式分析，(1R,2R)-1,2-二甲基環(huán)己烷或(1S,2S)-1,2-二甲基環(huán)己烷是一種有旋光的化合物。用構(gòu)象式分析，(1R,2R)-1,2-二甲基環(huán)己烷或(1S,2S)-1,2-二甲基環(huán)己烷是無(wú)數(shù)種有旋光的構(gòu)象式組合而成的混合物。例2:（1S，2S）-1,2-二甲基環(huán)己烷例1：（1R，2R）-1,2-二甲基環(huán)己烷RR丙二烯型的旋光異構(gòu)體（A）兩個(gè)雙鍵相連實(shí)例：a=苯基，b=萘基，1935年拆分。（B）一個(gè)雙鍵與一個(gè)環(huán)相連（1909年拆分）（C）螺環(huán)形C原子與X1（或X3）的中心距離和C原子與X2（或X4）的中心距離之和超過(guò)290pm，那么在室溫（25oC）以下，這個(gè)化合物就有可能拆分成旋光異構(gòu)體。聯(lián)苯型的旋光異構(gòu)體C-H（94~104）C-CH3（94~150）

C-COOH（94~156）C-NO2（94~192）

C-NH2（94~156）C-OH（94~145）C-F（94~139）C-Cl（94~163)C-Br（94~183）C-I（94~200）＊皮米（pm）1pm=1×10-12mC-NO2與C-CH3365pm由于位阻太大引起的旋光異構(gòu)體稱為位阻異構(gòu)體。n=8，可析解，光活體穩(wěn)定。n=9，可析解，95.5oC時(shí)，半衰期為444分。n=10，不可析解。把手化合物蒄（無(wú)手性）六螺并苯（有手性）有手性面的旋光異構(gòu)體手征中心的數(shù)目和立體異構(gòu)體的數(shù)目之間不存在一個(gè)簡(jiǎn)單的一般關(guān)系，因?yàn)槟承┦阶涌梢院退鼈兊溺R象重疊。當(dāng)不存在這些情況時(shí)，具有n個(gè)不同的不對(duì)稱中心的體系可能有的立體異構(gòu)體的數(shù)目是2n個(gè)。2nn個(gè)C*………………………………16D+D-D+D-D+D-D+D-D+D-D+D-D+D-D+D-四個(gè)C*8C+C-C+C-C+C-C+C-三個(gè)C*4B+B-B+B-兩個(gè)C*2A-A+一個(gè)C*1.1.5旋光異構(gòu)體的數(shù)目1.2非對(duì)映異構(gòu)關(guān)系

1.2.1非對(duì)映異構(gòu)體分子中含有兩個(gè)或兩個(gè)以上手性中心，它們之間不是物體與其鏡像的關(guān)系的立體異構(gòu)體。反式異構(gòu)體對(duì)映體順式異構(gòu)體對(duì)映體非對(duì)映異構(gòu)體非對(duì)映異構(gòu)體1.2.2非對(duì)映異構(gòu)體的性質(zhì)非對(duì)映異構(gòu)體在物理性質(zhì)上是不相同的。它們具有不同的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、折射率、溶解特性、偶極矩、比旋光度等等。在非對(duì)映異構(gòu)體中可以把每個(gè)手性中心按順序規(guī)則規(guī)定為R或S。1.2.3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?！罨瘜W(xué)析解法—形成和分離非對(duì)映體異構(gòu)體的析解法(+)—RCOOH+(-)-RNH2成鹽分級(jí)結(jié)晶HClHCl(+)-RCOO-(-)-RNH2(-)-RCOO-(-)-RNH2(+)-RCOOH+(-)-RNH3Cl-(-)-RCOOH+(-)-RNH3Cl-++_用一個(gè)旋光性試劑（拆分劑）來(lái)處理對(duì)映異構(gòu)體混合物，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榉菍?duì)映異構(gòu)體混合物，然后利用非對(duì)映異構(gòu)體的沸點(diǎn)、溶解度等性質(zhì)的差異，通過(guò)蒸餾或重結(jié)晶而使其分離，1.3動(dòng)態(tài)立體化學(xué)

某些立體專一性反應(yīng)烯烴的環(huán)氧化反應(yīng)（順式加成）:

鹵代烴的SN2親核取代反應(yīng)（構(gòu)型完全反轉(zhuǎn)）:烯烴與OSO4的反應(yīng)（順式加成）：

鹵代烴的E2消除反應(yīng)（反式消除）氧化胺的熱解反應(yīng)（順式消除）某些立體選擇性反應(yīng)

1.4構(gòu)象與構(gòu)象分析

構(gòu)象：是立體異構(gòu)中的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)層次，是在構(gòu)造、構(gòu)型確定的基礎(chǔ)上因?yàn)閱捂I的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的分子中的原子或原子團(tuán)在空間的排列。構(gòu)象分析：對(duì)與構(gòu)象相關(guān)的“能量－含量”關(guān)系的確定，稱為構(gòu)象分析。

1.4.1開(kāi)鏈飽和體系的構(gòu)象

1234穩(wěn)定性：1>4>2>3鄰位交叉效應(yīng):

若只從范德華排斥作用考慮，對(duì)位交叉式構(gòu)象Ⅰ應(yīng)占優(yōu)勢(shì)，但事實(shí)上卻是鄰位交叉式構(gòu)象Ⅱ占優(yōu)勢(shì)。有人認(rèn)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。

已經(jīng)證實(shí)乙二醇的優(yōu)勢(shì)構(gòu)象為鄰位交叉式，這顯然是由分子內(nèi)氫鍵引起的。ⅠⅡ２-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(shì)構(gòu)象的效應(yīng)稱為鄰位交叉效應(yīng)。1.4.2環(huán)己烷及其衍生物的構(gòu)象

環(huán)己烷的構(gòu)象在環(huán)己烷所有的可能的構(gòu)象中，能同時(shí)滿足正常的鍵長(zhǎng)和鍵角，又能使非極性基團(tuán)盡可能相互遠(yuǎn)離的構(gòu)象只能是椅式構(gòu)象。因此，椅式構(gòu)象是環(huán)己烷的優(yōu)勢(shì)構(gòu)象。船式構(gòu)象雖能滿足正常的正四面體鍵角，但非極性基團(tuán)間嚴(yán)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(guò)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)。在構(gòu)象翻轉(zhuǎn)中，構(gòu)型不變。

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(gè)構(gòu)象異構(gòu)體可通過(guò)構(gòu)象翻轉(zhuǎn)相互轉(zhuǎn)化。兩者的穩(wěn)定性也不一樣。對(duì)于甲基環(huán)己烷來(lái)說(shuō)，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(dá)到平衡時(shí)，甲基在e鍵上的約占95%，在a鍵上的約占5%。這是因?yàn)榧谆冢彐I上的類似于正丁烷的構(gòu)象中的對(duì)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。二取代環(huán)己烷的構(gòu)象

二取代環(huán)己烷的構(gòu)