有机反应机理第6章

1、有机反应机理第第6章章 立体化学的研究立体化学的研究1 有机反应机理6.2 构象与活性6.3 手性、潜手性与不对称合成6.4 立体化学的实验方法(选讲）有机反应机理有机反应机理研究立体化学的意义化学反应过程中生成的活泼中间体和产物的立体化学是由反应机理决定的。因此，研究反应的立体化学结果，能够获得关于反应机理的重要信息特别是周环反应等过渡态无电荷分离的协同反应，反应的立体化学由分子轨道对称性决定，测定产物的立体化学，可以推测形成过渡态时轨道的作用方式，有助于最终确立反应机理有机反应机理6.1.1 动态立体化学及有关概念和术语动态立体化学(dynamic stereochemistry）静态立体

2、化学(static stereochemistry）动态立体化学是相对于静态立体化学而言的有机反应机理静态立体化学研究分子的立体化学性质，即分子中原子和基团在空间的排列方式动态立体化学研究化学反应过程中分子中各个原子和基团空间相对位置的变化，包括中间体和过渡态的空间结构有机反应机理常见立体异构现象(静态）构象异构例如乙烷的交叉式和重叠式构象有机反应机理构型异构3. R和S构型按序列规则从高到低排列；次序最低的远离观察者；从高到低顺时针为R型，否则为S型有机反应机理HHHZ（共轭受阻）HE(共轭）有机反应机理HaOAcHaHe35(Jaa = 11.4Hz) (Jae = 4.2Hz)HeHaO

3、AcHe35(Jea=Jee=2.7Hz) 有机反应机理判断下列化合物的构型C6H5HClCO2HHClCOC2H5CH34243有机反应机理立体选择反应和立体专属反应 化学反应的立体化学特征或立体选择性的高低常用立体选择反应(stereoselective reaction）和立体专属反应(stereospecific reaction)来定性地描述；有机反应机理立体选择反应是指：由同一反应物可以生成两种或两种以上的立体异构产物，但以其中一种立体异构体为主的反应例如，以下取代环己酮的还原就是立体选择反应有机反应机理OHOHOHH+LiAlH490%10%有机反应机理立体专属反应是指由同一反应

4、物的不同立体异构体在相同的反应条件下生成不同的立体异构产物的反应例如，以下卤代烷的消除反应在一定条件下可以是立体专属反应有机反应机理BrHHPhPhCH3KOCH2CH3PhHCH3PhBrHHPhPhCH3KOCH2CH3HPhCH3Ph有机反应机理立体选择反应是否同时是立体专属反应？立体选择反应不一定是立体专属反应，但立体专属反应同时也是立体选择反应有机反应机理过渡态理论对反应立体选择性的解释 TSRTSSPRPSR反应之所以有立体选择性，是因为生成不同立体异构体时过渡态的自由能不同例如，对以下平行反应有机反应机理 G q R PR+PS G TSR，TSS 若TSR和TSS是对映体，则其

5、自由能相同，由此生成的产物PR和PS量相等，反应没有选择性即经由对映异构过渡态的平行反应没有立体选择性有机反应机理RSGG G q PR GR G PS TSS TSR GS 若TSR和TSS是非对映体，则 ，设其自由能图如下图所示有机反应机理exp()bSRk TGkhRTexp()bRSk TGkhRTexpexpSSRSRRPkGGGPkRTRT 根据过渡态理论和平行反应的动力学规律有所以有机反应机理311.5 10exp1008.314300SRPP若假设T=300K， G =11.5kJmol1，则即反应的立体选择性可达99%以上有机反应机理一般化学反应的G在40kJmol180kJ

6、mol1之间由于某种因素的影响造成非对映过渡态的能量相差10kJmol1以上是完全有可能的由此可理解为什么许多化学反应有高的立体选择性有机反应机理有机化学中的加成反应、消除反应、取代反应、周环反应等在一定条件下都可以成为立体选择反应或立体专属反应过渡金属络合物的许多反应以及生物化学中的酶催化反应往往具有更高的立体专一性有机反应机理只有在反应受动力学控制的条件下，才能用过渡态的自由能差来分析反应的立体选择性如果反应受热力学控制，则反应的立体选择性将由产物的稳定性决定有机反应机理6.1.2 影响反应立化的因素 化学反应的立体化学进程是由过渡态的立体化学结构决定的。过渡态结构中原子或基团空间位置上的

7、微小变化，可能引起过渡态能量的显著改变，从而影响反应的立化结果影响过渡态空间结构的主要因素有立体效应和立体电子效应有机反应机理立体效应 立体效应可分为立体障碍和立体促进两种情况来讨论有机反应机理立体障碍 如果达到过渡态时分子中的原子或基团相互靠得很近，就会产生立体障碍，过渡态的能量就会升高，反应速率就会下降。组成分子的原子或基团在空间都占有一定的体积有机反应机理立体促进如果从反应物到过渡态，分子的立体张力有所缓和，就会产生立体促进，使过渡态的能量降低，反应速率提高有机反应机理以下两个环己酮衍生物的加氢还原反应试剂都是从平伏键方向进攻，生成羟基处于直立键的产物这一立化结果可以用平伏键方向进攻位阻

8、较小解释 有机反应机理反应物3-位上有一处于直立键的甲基，如果还原剂从直立键方向进攻，与3-位上的甲基将会靠得很近，从而产生立体障碍。HOCH3H3CCH3HCH3H3CHOHCH3HCH3H3COHHCH320%80%LiAlH4+ 80%20%有机反应机理虽然反应物3，5位上直立键基团都是体积小的氢，但还原剂分子中引入了三个乙基，使其体积增加，从直立键方向进攻同样会与3，5位上的直立氢产生立体障碍。HOHHHOHH100%LiBEt3H100%有机反应机理但是，产生立体障碍有多方面的原因，例如：用LiAH4还原4-叔丁基环己酮时，试剂主要从直立键方向进攻，生成羟基处于平伏键的产物OHOHO

9、HH+LiAlH490%10%对这一结果如何解释有机反应机理有人提出用重叠效应(eclipsing effect）和扭曲效应(torsional effect）来解释无位阻酮还原的立体选择性有机反应机理重叠效应主要考虑试剂从平伏键方向进攻时，会与2，6位上直立键氢处于重叠式，使过渡态能量升高对于无位阻的酮的还原，这种影响有时会超过从直立键方向进攻时与3，5位上直立键氢的立体障碍，如图所示HHHAlH3OLi+重叠效应 1，3-直立键相互作用HHOLi+HAlH3有机反应机理HCH2CH2HHHO二面角扭曲效应是指当试剂从平伏键方向进攻羰基时，CO键在转变为直立键的过程中，与2，6位上处于平伏键

10、的CH键二面角会变小，直至为零，因而会产生扭曲张力若试剂从直立键方向进攻就不会产生这种张力有机反应机理由此可见，产生立体障碍有多方面的原因某些情况下可能以一种原因为主，在另一些场合，别的原因可能又起主要作用必须具体问题具体分析有机反应机理立体促进 ROPNB水解25 CROH立体促进对反应速率产生影响的例子也很多，例如以下水解反应反应速率随R体积增加而增加(见表)有机反应机理RkR/kHH1.0CH32.0CH3CH215.4(CH3)3CCH220(CH3)2CH67(CH3)3C4.5105为什么？有机反应机理这是因为反应物与R相连的碳为sp3杂化，当R的体积较大时，与OPNB(对硝基苯甲

11、酸基)存在立体障碍反应过程中随着OPNB的离去，生成正碳离子，与R相连的碳转变成sp2杂化，立体障碍得到显著缓解，因而反应速率随R的体积增加而增加有机反应机理立体电子效应 ：用于讨论基元反应的立体化学立体电子效应反映了反应过程中为达到分子轨道的最大重叠对作用物和试剂空间取向的要求特别是在协同反应中，立体电子效应是影响反应立化的决定性因素有机反应机理化学反应中涉及到的轨道除了s轨道外，p、sp、sp2sp3以及由其形成的各种分子轨道都有方向性为了在过渡态达到轨道之间最理想的重叠，反应必须按特定的立体化学方式进行有机反应机理按照前线轨道理论，化学反应中起重要作用的是最高占有轨道(HOMO）和最低空

12、轨道(LUMO）间的相互作用例如，对SN2反应(双分子亲核取代反应），亲核试剂带着一对电子进攻作用物，因此，反应中起重要作用的是亲核试剂的HOMO轨道和作用物的LUMO轨道HOMO LUMOLUMOHOMONu+c+xc+xNu+有机反应机理当亲核试剂从离去基团的背面进攻作用物时，有利于亲核试剂HOMO轨道与作用物LUMO轨道的有效重叠如果亲核试剂从离去基团的同一面进攻作用物，则对以上轨道重叠不利，如图所示有机反应机理HOMO LUMOLUMOHOMONu+c+xc+xNu+SN2反应的立体电子效应由此不难理解为什么SN2反应会发生构型转化 背面进攻有利重叠 正面进攻不利重叠 SN2反应中前线

13、轨道的相互作用有机反应机理为什么亲核试剂要用HOMO轨道？而离去基团要用LUMO轨道？有机反应机理SE2反应的立体电子效应 研究有机汞化合物与卤化汞的交换反应，确立了饱和碳原子上双分子亲电取代(SE2）反应的立体化学是构型保持的有机反应机理SE2反应的立体化学为构型保持与立体电子效应预测的结果一致按照前线轨道理论，SE2反应中起关键作用的应是作用物HOMO轨道和亲电试剂的LUMO轨道由图可以看出，亲电试剂从正面进攻有利于轨道重叠有机反应机理+CX+CXHOMOLUMOLUMOHOMO正面进攻有利轨道重叠 背面进攻不利轨道重叠E +E+有机反应机理与SN2反应不同的是，在SE2反应中，背面进攻虽

14、然不如正面进攻对轨道的重叠有利，但轨道之间仍能达到有效重叠因此，SE2反应也会出现构型转化的情况有机反应机理例如，由手性卤代烷制备的Grignard试剂，放置一段时间后会发生外消旋化，就是因为发生了构型转化的SE2反应+ +MgXCMgXCMgXXMg CXMg有机反应机理双分子消除(E2）反应的立体电子效应 经由E2机理的消除反应，过渡态或多或少地具有双键特征，要求被消除的H和离去基团X共平面共平面：顺式共平面或反式共平面有机反应机理xCCHCCHxHOMO LUMOHOMO LUMO有机反应机理大多数E2反应都是对向消除，其原因有两方面第一，当H与离去基团X处于反式时，分子处于交叉式构象，

15、有利于降低过渡态的能量第二，反式消除有利于轨道重叠。有机反应机理xCCHCCHxHOMO LUMOHOMO LUMO反式消除，大瓣与大瓣 重叠，有利顺式消除，大瓣与小瓣重叠，不利E2消除反应中前线轨道的相互作用有机反应机理反应过程中，H以质子形式离去，离去基团X则带着一对电子离去，反应中起重要作用的前线轨道应当是CH键的HOMO轨道和CX键的LUMO轨道, 反式消除对轨道的重叠更为有利有机反应机理由此可见，对于SN2，SE2和E2这类协同反应来说，立体电子效应对反应的立体化学起着决定性的作用立体电子效应决定反应立化的更典型例子是周环反应，将在第八章中讨论 有机反应机理6.2 构象与活性分子绕一

16、个或一个以上的单键旋转而引起的分子中原子或基团在空间的不同排列称为构象不同构象的稳定性是不同的，构象之间的转化需要克服一定的能垒研究分子所具有的优势构象及与优势构象有关的分子的理化性质称为构象分析有机反应机理例如乙烷的交叉式和重叠式构象有机反应机理6.2.1 构象转化的速率与平衡 ABk从动力学的角度考虑，构象转化是一级反应，根据一级反应的动力学规律和过渡态理论，对构象转化反应有机反应机理16321271.38 1030080 10exp7.35 108.3143006.62 10ks1/ 2ln29.4tsk16351271.38 10300100 10exp2.43 108.3143006

17、.62 10ks1/ 25ln28 hours2.43 10t当T=300K时，若G=80kJmol1，则若G=100kJmol1，则有机反应机理由此可见，要使两种构象之间的转换减慢到可以分离出某种稳定的构象，构象转化的活化自由能至少应在100kJmol1以上但实际上，构象转化的活化自由能通常要低得多。以正丁烷C2C3键旋转一周为例，其能量变化曲线如下图所示有机反应机理正丁烷C2C3单键旋转能量变化图 。 。18263.3601201802403003600旋转角/o能量/kJ.mol1有机反应机理lnGRTK 由图可见，正丁烷构象转化的活化自由能不大于26kJmol1，300K下半变期t1/

18、2小于3.72108s，说明构象转化是快速过程从热力学的角度考虑，构象转化(43)达成平衡时，A、B两种异构体所占的比例取决于其相对稳定性，即由其自由能差G决定。根据计算出不同G时的K和异构体比例如下表有机反应机理300K下不同G时的平衡常数K和异构体比例 G/kJmol1 K BA/nn 0 2 4 6 8 10 12 1 0.4485 0.2011 0.0902 0.0405 0.0182 0.0081 100/100 44.85/100 20.11/100 9.02/100 4.05/100 1.82/100 0.81/100 有机反应机理由表可见，若两种构象之间的自由能差10kJmol

19、1以上，平衡时，就几乎只存在一种构象但此时，构象之间的转化仍然是很快的，因为转化的速率取决于活化自由能G的大小，即使G高达80kJmol1，构象转化的半变期也只有9.4s有机反应机理6.2.2 影响构象稳定性的因素影响构象稳定性的因素包括扭张力非键相互作用偶极-偶极相互作用氢键共轭效应邻位交叉效应有机反应机理扭张力(torsional strain) 扭张力是指与分子二面角有关的一种影响构象稳定性的因素例如，对于乙烷分子，构象转化的自由能图如下有机反应机理乙烷CC单键旋转能量变化图 601201802403003600旋转角/o能量/kJ.mol111.7有机反应机理旋转中出现三个交叉构象和三

20、个重叠构象，能量相差11.7kJmol1，用空间位阻解释不能令人信服氢原子半径只有0.032nm；CC单键键长0.154nm，即使分子处于重叠式，氢原子之间的距离也大于0.215nm，约为氢原子半径的7倍，不可能产生如此大的空间位阻因而认为11.7kJmol1的能量差是由扭张力引起的有机反应机理扭张力产生的原因还有待更深入的探讨，可能是由立体电子效应引起的，即交叉式有利于轨道的重叠有机反应机理“邻位交叉式丁烷相互作用”(gauche butane interaction)。 。18263.3601201802403003600旋转角/o能量/kJ.mol1有机反应机理邻位交叉式丁烷相互作用是一

21、种非键相互作用(nonbonded interaction)指的是由于空间因素引起的原子或基团之间的排斥或吸引而造成的构象稳定性的差别有机反应机理例如正丁烷的邻位交叉式构象较对位交叉式构象能量高3.3kJmol1，说明正丁烷C2、C3上的两个甲基处于邻位交叉式时，存在一定的非键排斥这种作用称作“邻位交叉式丁烷相互作用”(gauche butane interaction)根据这种相互作用，可以分析其它烷烃的构象有机反应机理利用“邻位交叉式丁烷相互作用” 分析烷烃的构象例如，甲基环己烷的构象平衡CH2CH2CH3321456kCH2CH2CH3321456AB有机反应机理构象B分子中甲基处于平伏

22、键，与3，5位上的亚甲基处于对位交叉式构象A分子中甲基处于直立键，与3，5位上的亚甲基处于邻位交叉式，即存在两个“邻位交叉式丁烷相互作用”有机反应机理实验测定的G为 7.1 kJmol1，称为甲基的构象自由能，表示甲基处于环己烷平伏键和处于直立键时的自由能差某些常见基团X的构象自由能列入下表中因此，构象A的能量较构象B的能量高，能量差G可按下式估算G = 3.32 = 6.6kJmol1有机反应机理基团X的构象自由能 X XG/kJmol1 X XG/kJmol1 CH3 Et i-Pr i-Bu t-Bu COOR COOH CN 6.77.5 6.79.2 7.510.5 8.4 23.4

23、 4.6 5.0 0.8 F, Cl, Br, I OMe SPh OTs SH OH NH2 0.82.1 2.93.8 2.93.8 2.93.8 2.93.8 2.93.8 5.07.5 XG有机反应机理k300k123.4kJ molt BuGG 23400expexp118708.314300GKRT根据表4的数据，可以估算环己烷衍生物构象的相对稳定性。例如，对于叔丁基环己烷的构象互变有机反应机理计算表明叔丁基几乎全部处于平伏位，处于直立位的比例不到万分之一因此，常常往环己烷衍生物分子中引入叔丁基，使其只以一种构象存在但构象转化的速率仍有可能是很快的有机反应机理CH3CH3CH3CH

24、3CH3CH3CH3CH3计算二甲基环己烷构象转变的自由能变化有机反应机理计算结果CH3CH3CH3CH34个邻位交叉相互作用 1个邻位交叉相互作用13.343.39.9kJ molG有机反应机理CH3CH3CH3CH34个邻位交叉相互作用 0个邻位交叉相互作用13.3413.2kJ molG有机反应机理偶极-偶极相互作用 偶极-偶极相互作用(dipole-dipole interaction)也是影响构象稳定性的重要因素。偶极-偶极相互作用分为排斥和吸引两种情况有机反应机理CYCXCYXCCXCYCXYC有机反应机理例如，-卤代羰基化合物以羰基氧与卤素处于反式的构象为稳定构象，就是偶极-偶极

25、相互排斥影响构象稳定性的例子OR2R3XROXR3R2R有机反应机理氢键邻二醇分子的稳定构象往往是羟基处于邻位交叉式，这是因为形成氢键的缘故HH3CCH3HOHOHHOOO稳定构象稳定构象有机反应机理共轭效应 HHCH2CH2trans-cis-skew最稳定构象 次稳定构象 不稳定构象丁二烯的稳定构象是四个P轨道共平面，有利于共轭效应，其中反式构象最稳定，顺式构象次之，邻位交叉式(skew)最不稳定有机反应机理6.2.3 构象与活性 反应物存在多种构象时，如果构象之间的转化速率远大于反应速率，实际参与反应的构象不一定是优势构象，而是决定于不同构象参与反应时的活化自由能(Curtin-Hamm

26、ett原理)由于活化自由能是过渡态与反应物的自由能之差，因此，考虑构象与活性的关系时，必须同时考虑不同构象的反应物及由其形成的过渡态的自由能有机反应机理构象影响活性的实例：环己烷环上的亲核取代在环己烷衍生物的亲核取代反应中，平伏键基团和直立键基团被取代的难易取决于反应机理根据亲核取代反应的离子对机理，SN1反应和SN2反应是两种极端的情况，在其之间存在着多种经由离子对的反应途径，如下图所示有机反应机理RXR+X-R+ X-R+ + X-RYRYRYRYY-Y-Y-Y-SN2SN1有机反应机理如果反应按SN1机理进行，离去基团处于平伏键的构象和离去基团处于直立键的构象反应的过渡态都具有正碳离子特征，因而能量相近但离去基团处于直立键的构象由于空间位阻较大，本身的能量较高，形成过渡态后，离去基团的离去使空间位阻减小，从而产生显著的立体促进作用，导致活化自由能降低，反应速率较离去基团处于平伏键的构象快有机反应机理/2.3 4.0cistranskkHOTsOTsH9(trans)10(cis)例如，4-叔丁基环己基对甲苯磺酸酯顺、反异构体溶剂解反应(乙酸解，甲酸解和乙醇解)相当于活