立体化学原理1

1、立体化学原理有机分子的结构由存在于组成原子之间的空间关系即组成配置和几何配置来确定。分子构造由每个原子与其他原子的键合方式而定，原子的键合通过共享相互间形成共价键的电子而发生。现代化学理论以量子力学方式描述化学键，特别是在原子和分子轨道层面上。一个原子轨道（以符号1s、2s、2px、2py、2pz等表示）是一描述原子每个电子的空间坐标的数学函数，此函数（波函数）描述了电子绕核分布方式，与电子核系统的能量值相联系。把电子比作负电荷的扩散云，则波函数给出绕核空间中电子的密度。分子轨道源于两个或更多原子轨道的相互作用，这些轨道属不同核。分子轨道描述绕核运动的电子的行为（成键轨道，如或分子轨道），或使

2、核相互离开的电子的行为（反键轨道，如*或*分子轨道）。原子(或分子)轨道的能量就是原子系统当电子从与核为零相互作用的位置进入特定轨道失去或获得的能量(零相互作用发生在如当电子和核无穷远分离时)。当分子轨道由具有同样能量的两个原子轨道如两个2pz形成时，其能量可以小于、等于或大于原来的两个原子轨道；这几个状态分别相当于成键轨道、非成键轨道和反键轨道。以相互联结形成分子的原子而论分子的构成(constitution)指组成(composition)。一个分子的构造虽然描述其组成，但并不给出任何原子间结合的三维方式的信息。包含有同样原子的分子但具有不同构造如（3）和（4）称为同分异构体。有些分子有同

3、样的构造但原子有不同指向。因此它们的立体结构不同，称为立体异构体（如5和6，图A 2.1）。图A 2.1 构造式：1和2；同分异构体：3和4；立体异构体：5和6 同一分子中原子间的各种几何关系依赖于：（a）联结各原子共价键的性质；（b）不相互键合原子间分子内相互作用；（c）不同分子间的分子间相互作用的影响（溶剂化等）。两键合原子间的核间距取决于键合类型和键合原子的性质：此间距，即键长即使在不同分子中也是相似的，约为键合原子的共价半径之和（图A 2.1）。如两原子A和C与第三原子B共价结合，沿键AB和BC形成一键角，此角与所涉及的原子特性及存在的分子轨道类型有关（见图A 2.2）。具三配体的碳原

4、子（平面结构） 具四配体的碳原子（四面体结构） (a) 相等配体Ca,a,a (3 AO-) (a) 相等配体裁Ca,a,a (3 AO-) 键角a,a=120°, 如CH， 键角a,a=109.47°, 如CH4， (b) 不相等配体 (b) 不相等配体 Ca,a,b, 如 甲醛和乙烯 Ca,a,a,b, 如 H,H=118° C,C=110.5° C,O=121° C,H=108.5° H,H=110.7° H,H=111.1° C,H=121.5° C,H=107.9° Ca,b,c, 如

5、乙酰氯 Ca,a,b,b, 如 Cl,Me=110° H,H=106.7° Cl,O=123° C,H=109.4° O,Me=127° C,C=112.4°（c）碳负离子， C （键角与配体原子有关）图A 2.2 有机化合物中一些典型的键角表A 2.1 有机分子中主要原子的共价半径（Å）原 子单 键双 键三 键氢030碳0770665060氮070060055氧066055磷110100硫104094表A 2.2 原子间和原子团之间的非共价相互作用 相互作用类型 势 能a 相互作用的能量级 kJ mol-1 kcal mo

6、l-1（a）离子-离子 40-400 10-100（b）离子诱导的偶极 4-40 1-10（c）偶极-偶极 0-4 0-1（d）偶极-诱导的偶极 0-4 0-1（e）发散（伦敦力） 4-40 1-10（f）空间排斥 0-40 0-10a：Z=电荷；=偶极矩；=极化能力；=介电常数；T=绝对温度；k=波尔兹曼常数；R=相互作用体系中心间的距离。下标1和2表示不同基团；+代表排斥力；-代表吸引力。表A 2.2中相互作用c、d、e和f相加得到一函数： 这里A、B值与两相互作用原子的特性有关。E (R)为“范德华”力系统的势能。当吸引力和排斥力相等时R存在一最小值，用Re表示，这时距离相应于两原子范德

7、华半径之和。范德华半径确定原子空间障碍的限度及与其他不相键合原子接触距离的限度。表A 2.3给出了一些范德华半径的值。分子模型中原子的相对大小与这些值相关连。 表 2.3 有机化合物中主要原子的范德华半径（Å） H 1.2 S 1.85 N 1.5 C（甲基） 2.0 O 1.4 C（苯） 1.85 P 1.9非键作用力一般非常小，对键长和键角影响不大，但在多于两键分隔的原子间变得很重要。绕单键的旋转是可能的，非键相互作用限制分子内可能取向的数量。键转动和键转动的受限具有重要的空间结果，包括同一分子不同转动形式称为构象物（conformers）的存在。构象分析考虑两直接键合原子为复杂

8、分子的一部分。这些原子相互间将寻求保持一平衡距离，re 。平衡位置可由外力所干扰，但当它们更靠近时将对抗排斥力，如果它们被移开时将对抗键作用力。使系统保持不偏离平衡位置所需能量以势能（Er）方式储存。对很小位移此能量可近似为Er = 1/2 kr (r)2 ，此处r为键长变化（ < 0.1 Å时此表达式成立），kr 为特定键线性形变力常数。kr值对同类型键约为常数（见表A 2.4）。即使很小的形变，所涉及的能量都很大。对键角的形变存在相似的情况，这种情况下E=1/2 k()2，这里E为键的弯曲能量（角张力，或Baeyer张力），为平衡角的偏移，k为键弯曲力常数，此表达式对形变值

9、<20°适用。改变键角所需能量相对较小。 表 A 2.4 键形变力常数 键 kr kJ mol-1 Å-2 角 k103 (kJ mol-1 degree-2) CH 2895 （692）* HCH 29（7.0）* CC 2711 (648) CCC 73（17.5） C=O 7280 (1740) CCH 50（12.0） C=C 5774 (1380) C=CH 62（14.9）* 括号内的值为k / cal 绕AB键的旋转由潜在的扭应变（torsional strain）和旋转角所描述。为AX和BY键（X和Y为原子A和B上取代基中人为选择的）在与AB键相交的两

10、面上投影之二面角（图A 2.3）。此二面角表示AB键两端两基团的往复转动。对系统的最简单情况，在整个循环后重复n次起始态（n>1）： 此处V是系统特征常数（见表A2.5），n为周期性（频率），= 0360°。V代表分开两平衡的“构象物”的势（能）垒。分子的构象指某特定瞬间所采取的由分子经每个单键转动所得每个特定指向中的特定取向。由于转动能垒，分子倾向采取优势构象（conformation）。分子的构象与构型（configuration）是不同的。分子构型定义为原子或原子团的空间排列（不考虑绕单键的旋转）。旋转能垒有不同原因，就乙烷而言，势能最大值相应于重叠构象但不是立体效应：重

11、叠氢原子间距（2.3 Å）比它们的范德华力半径之和略短，估计三对氢原子间的排斥作用能小于1.5 kJ mol-1，比观察值小得多（表A2.5）。估计扭转能垒主要因为CH键间的电子排斥。图 A 2.3 乙烷和类似物不同构象表示的习惯方法图A2.4 乙烷 (a) 和丁烷 (b) 的扭曲能垒表 A 2.5 绕单键的旋转能垒 化合物V (kJ mol -1) CH3CH3 12.6CH3CH2CH3 13.8 CH3CH（CH3）2 16.2 CH3C（CH3）3 20.1 CH3CH2Cl 15.0 CH3OH 4.5 CH3OCH3 11.3 CH3NO2 0.025 C6H5CF3 0

12、 由图 A 2.4a可以推测乙烷分子室温下基本采取交叉构象（skew conformation）。微波谱表明它们绕CC键实际上以很高频率（1010 sec1）旋转±120°。乙烷中的取代基产生很大的差别，对正丁烷（两甲基取代基）能量图如图A2.4b所示。正丁烷有三个平衡构象（能量最低值），其中两个具有相同能量，它们并不相等（两邻位交叉对映体，synclinal enantiomer, 见下面的定义），一个更稳定一些（对位交叉构象或反迫构象物，antiperiplanar conformer）。也有三个能垒：两个有同样的能量，相应于邻位交叉(anti-clinal) 构型，另

13、一个能垒最高，相应于全重叠 (syn-periplanar) 构象。正丁烷室温下能垒不是高得完全不可愈越，每个分子能通过能垒而达到不同构象物的平衡分布。其他立体化学名词：相等物体（identical objects）：两物体经旋转操作和元素平移能相互重叠则是相等或相同的（相等关系的符号为）。等价（equivalence）：当在指定的观察条件下不能区分的两物体则是等价的。对映体（enantiomer，optical antipode）：这个概念表示两物体，特别是两立体异构分子结构的拓朴性质，这两个立体异构体分子相互为镜像不能重合（符号表示对映关系）。非对映体（diastereomer，diast

14、ereoisomer）：表示每个与对映体不同的立体异构体（非对映异构关系的符号为）。两立体异构体不可能同时为对映体和非对映体。手性（chirality）：如果一物体能以两种对映形式存在，则为手性的。为使这种情况发生，则应该没有反映对称。具有这种拓朴性质的物体更适宜于称为非对称的（dissymmetric），其他所有具反映对称，与其镜像能叠合者称为 non-dissymmetric。对称元素（镜面，；n >1阶的旋转轴，Cn；n阶反映旋转轴，Sn；对称中心 i）的分析可以使人确信一个物体是否是非对称的（手性）。如果不存在上述对称元素则为非对称的，在这种情况下也可能变为asymmetric,

15、 或者它仅存Cn轴（也就是，绕其轴旋转一周它与其镜像2，3，4 n 次重合）见（7），它有 Cn轴垂直于两中心碳原子键的中点。Dissymmetric和non-dissymmetric用来指两分开的物体；相等、等价、对映和非对映关系用在两个或多个物体之间的比较。对化学家而言，物体就是分子或原子团。就如所提及的，分子随时间可以改变其形状。所以有机化合物的任何立体化学分析在针对下述情况时必须是专一性的：（a）同一分子或不同分子的瞬息形式（构象物）；（b）化合物由一系列可相互自由转变的构象物组成，在这种情况下可考虑它们的平均构象。生物有机化学家常遇到第二种情况，因而对具自由内旋转的化合物对不同概念（

16、相等，对映异构等）进行延伸是适宜的。（1）两非刚性体系的重迭性（相等）应该通过适当的空间转换和旋转包括绕具旋转自由度的键的内旋转来检验；（2）对映关系表示化合物自由采取的每个构象均有相应的对映构象；（3）非对映关系表示两立体异构体的任何构象之间不存在重迭性或对映性；（4）一个化合物是不对称的仅当其所有构象在观察的条件下均为不对称才成立。到正丁烷的情形，可以通过热动力学来处理构象物的相互转化，在绝对温度T平衡时（见图A2.4）： （邻位交叉构象物，i） （对位交叉构象物，j） 这里R=气体常数=1.98 cal mol -1 K-1，T = 绝对温度，以开（K）表示，从而： 为两构象物之间的势能

17、差，即Ej-Ei=0.8 kcal mol-1。就熵而言，两构象物i和j之间由于振动或溶剂化变化等因素应该没有明显差别。各自能态差别仅是其简并能级数目：i具有两同样可能性的几何形式（对映物），而j仅有一种形式，所以： 从而我们得到： 25（298 K）时, 由此Keq = 1.93。25时就意味着66% 的正丁烷以对位交叉形式而两种邻位交叉形式分别以17% 存在（见表A 2.6）。构象物i向构象物j或反过来j向i的转化速率可以通过Eyring方程估算： kr为速率，k为Boltzmann常数 (1.38×10 -33 J·K -1)，h为普朗克常数 (6.624×

18、10 34 J·s)，G为活化自由能。因为G = H - TS， 活化焓H等于势能垒，S可以同基于计算平衡常数的条件来计算（也就是比较起始状态和过渡态的能量简并性）。所以25时，ki,j = 7.69×1010 s-1H =3400 cal mol-1，S = R ln2 表A 2.6 25标准条件下（对i和j =1 M浓度）自由能差（G）、 平衡常数和平衡ij中较稳定物异构体所占百分率之间的关系 G cal mol-1 keq 稳定异构体百分数 0 10050 11912255 24015060 36718665 50223370 65130075 82140080 10

19、2856785 130290090 1744 190095 2722 990099 4092 99900 999 5456 9999 9999 正丁烷和乙烷中旋转势能的主要区别可能在于范德华排斥力贡献的不同。丁烷的全重叠构象中两甲基靠近的距离(2.6 Å) 比平衡距离（为范德华半径之和，4 Å）更短。在重叠或邻位交叉构象物中虽然没有那么强烈，也存在类似情况。对于比正丁烷更复杂的分子也有可能计算其构象能。明显地，构象能为一给定构象相对于分子更稳定构象的势能过量。能计算出所有可能构象相对于一理想构象的势能 (E)，此理想构象以“常规”键长和键角（和）(见表A2.1和图A2.2)

20、、扭转角=0和不存在非键力为特征。总能量E由下式导出： E 为所有键的线性畸变能之总和；同样表示“Baeyer应变”能（见上面）的总和；为“Pitzer应变”能之总和（见图A2.4）；为“空间应变”能的总和，即所有非共价键连结的原子之间的相互作用（见表A2.3)，除那些已经包括的如Pitzer应变能外（对烃分子而言，“空间应变”能主要涉及范德华力）。W则包括每个其他能量类型，如氢键，发色团之间的电子相互作用等。一旦确定各种E值，就可以决定其最小值：对应于此最小值的相对构象能就可以求出。上述手段仅在特殊的有利情况下才有现实意义，如对于饱和烷烃。当涉及更为复杂的分子时，如果准确知道两结构之间的几何

21、变化的话，估计值E可用于评价两差别不是很大的构象物（我们称之为和）之间的构象能差。在这些情况下，表达式E-E由几个参数所组成，这些参数的数值也许可以以相当程度的精确度计算出，实际上相应于两构象中相等距离或相互作用的很多项相互抵消，从而不必计算它们。如果涉及上述所讨论的原子间的几何能量关系，则有机化合物可以根据分子内旋转的“自由度”来划分成四类，每类代表特定的扭曲立体异构。（1）室温下绕所有键能以高频完全转动的分子（自由旋转）：不同构象物的分离依赖于绕键转动能垒的高度。“冻结”不同构象，也就是给不同构象室温下一定生存时间就需要约20 kcal mol -1的能垒。随温度的降低，冻结构象的能垒急剧

22、下降，如-70大约在13 kcal mol -1左右。正丁烷就是这类化合物的代表。（2）绕CC单键转动有两个能垒（室温下>20 kcal mol-1）的分子得到所谓扭转异构物（atropoisomers）：某些邻位有大取代基团的联苯属此类，邻位取代基引入较大的范德华排斥力（构象中能量最大发生在苯环倾向于同一平面时）。由于旋转受阻所以两扭转异构物可以是不对称的（图A2.5），因而相互为对映异构体。手性的条件就是两环都无垂直于本身的对称面 8中ab, cd 。图A2.5 Atropoisomerism：联苯衍生物（3）具双键的分子：较高的扭曲能垒阻止了旋转。对 >C=C< 可达6

23、0 kcal mol-1。这些最大值相应于两个碳原子和它们的取代基位于垂直平面的构象，相应于最低能量的构象应该为碳原子和取代基位于同一平面（这构成了几何异构或顺反异构，见下面讨论）。（4）环状分子：绕其中属于环骨架的单键旋转受与环形变相关的角、扭曲和立体应变所限，熟悉的例子就是天然产物（如萜和甾体等）中很常出现的环己烷环。图A2.6为环己烷不同构象（稳定或过渡构象）及在势能图中的位置。饱和环己烷最稳定的构象为椅式很具刚性，为对称（non-dissymmetric）的分子。对环己烷而言，计算表明25时在有约10，000个分子以椅式构象物存在时，仅有一个扭曲构象物。椅式构象的环己烷分子经各种扭曲构

24、象回到初始构象相等的情况（简并转化，degenerate interconversion），室温下速度为每秒钟105。环己烷构象物的不同稳定性源于各类型的不同能量贡献，比如说在椅式构象与9 a比较中所有CC体系是交错的 具有最小扭曲能，而在扭曲构象中CC体系是扭曲的；在船式结构中两相邻碳原子上的氢原子是重叠的（图A2.3和A2.4a）。船式构象两端的两氢原子之间存在强的空间应变，两者相互靠近（原子间距为1.83 Å，其总的范德华直径为2.4 Å）。环己烷椅式构象的实际形状可能要比计算的稍平，因为计算是以C原子完美四面体，sp3杂化模型进行的。稍微的偏平把CCC角度由109.

25、5°增加到111.5°（图 A2.2），使两直立1,3-氢原子向中心轴（C3）偏离：由此不利的立体相互作用被去掉了。如果环己烷带取代基，它们的相互作用以及它们与直立氢原子的相互作用（主要为范德华相互作用）可以极大地改变图 A2.6的能量轮廓。环己烷有两种对映的椅式9和10（当H = CH3），具有不同的势能：10比9要稳定，低约1.7 kcal mol-1 ，因此，比9多得多，见表A2.6 ，通常取代基倾向于取平伏键，相对于具有直立取代基的稳定性主要取决于取代基的大小及其与环碳原子的键长（见表A2.7）。表 A2.7 单取代环己烷（C6H11X）之间的自由能差G°= G°（X直立）- G°（X平伏） G°(kcal mol-1) 取代基（X） 1.7 CH3 1.8 C2H9 2.1 CH（CH3）2 5 C（CH3）3 3.1 C6H5 0.7 OH 0.4 Cl图A2.7为两环己烷稠合系统（十氢萘）的稳定构象。反式稠合的异构体相应于唯一刚性构象，而顺式异构体可采取两种可相互转化的对映形式。其他多环饱和体系（全氢蒽和甾体等）的情况相似。图 A2.6 环己烷