第一章立体化学-3

1、1Welcome to Physical Organic Chemistry 物理有机化学是用物理和物理有机化学是用物理和物理化学的概念、理物理化学的概念、理论和方法论和方法来研究有机化合物的结构和反应机理来研究有机化合物的结构和反应机理等问题的基础学科。它帮助人们确认有机化合等问题的基础学科。它帮助人们确认有机化合物的结构、性质，了解反应机理，从而加深对物的结构、性质，了解反应机理，从而加深对有机化学化学反应的理解。有机化学化学反应的理解。 本课程介绍立体化学、结构和化学活性的关系、本课程介绍立体化学、结构和化学活性的关系、溶剂效应、酸碱理论等物理有机的基础内容，溶剂效应、酸碱理论等物理有机

2、的基础内容，并重点介绍亲核取代反应中的离子对理论，碳并重点介绍亲核取代反应中的离子对理论，碳正离子、碳负离子等问题。也将介绍周环反应正离子、碳负离子等问题。也将介绍周环反应等有机化学的内容。等有机化学的内容。2教 师：张万轩 E-mail: 实验室：化学楼C514教 材：课程内容选自多种教材。3教材和参考书教材和参考书1 1、物理有机化学物理有机化学，英柏宁，宋化灿著，化，英柏宁，宋化灿著，化学工业出版社，学工业出版社，20092009年。年。2 2、 物理有机化学物理有机化学，张永敏，张永敏 编著，上海科学编著，上海科学技术出版社，技术出版社，20012001年。年。 。3 3、高等有机化学

3、高等有机化学 汪秋安编著，化学工业出汪秋安编著，化学工业出版社，版社，20072007年年7 7月第二版。月第二版。 4 4、高等有机化学高等有机化学 反应、机理和结构反应、机理和结构上、下上、下册，册， ( (美美) )马马 奇奇(March,J.)(March,J.)著，著， 人民教育出版人民教育出版社，社， 19811981年。年。4第一章第一章 立体化学立体化学5CCCsp3 C-C单键（饱和碳）立体结构sp2碳碳双键立体结构sp碳碳三键立体结构C-CC=CC C共价键的方向性决定了有机分子立体结构的多共价键的方向性决定了有机分子立体结构的多样性，碳原子成键的方式如下：样性，碳原子成键

4、的方式如下：1.1 1.1 立体化学现象立体化学现象6 立体化学是研究分子的立体结构、反应立体效立体化学是研究分子的立体结构、反应立体效应的科学，在有机合成、生物化学等方面都有应的科学，在有机合成、生物化学等方面都有重要意义。重要意义。异构现象分类：异构现象分类：构造构造(Constitution)(Constitution)：分子中原子互相联结的方式和次序。：分子中原子互相联结的方式和次序。构型构型(Configuration)(Configuration)：分子中原子或原子团在空间的排列方：分子中原子或原子团在空间的排列方式。式。构象构象(Conformation)(Conformatio

5、n): : 由于单键的旋转而产生的分子中的原由于单键的旋转而产生的分子中的原子在空间不同排列方式。子在空间不同排列方式。7异构现象 产生原因 实例 顺反异构 由于双键或环的存在 CH3HHCH3CH3HCH3H 对映异构 分子具有手性 HOHHOHCH3COOHCOOHCH3 立体 异 构 构象异构 单键的旋转 ClClClCl 立体异构现象分类本章主要对映异构。本章主要对映异构。81.2 对称性与分子结构 研究化合物的对称性是研究其立体异构的方法研究化合物的对称性是研究其立体异构的方法之一。对称性可以用对称因素（元素）来确定。之一。对称性可以用对称因素（元素）来确定。而对称因素又可以用对称操

6、作加以描述。而对称因素又可以用对称操作加以描述。四种四种对称因素：对称因素：v对称轴对称轴( (旋转轴旋转轴C Cn n ) )v对称面对称面( (镜面镜面 ) )v对称中心对称中心 i iv交替对称轴交替对称轴( (旋转反映轴旋转反映轴S Sn n ）9对称对称轴轴绕对称轴旋绕对称轴旋转转180之之后后对称轴对称轴( (旋转轴旋转轴C Cn n ) )：设想分子中有一条直线，当分子以：设想分子中有一条直线，当分子以此直线为轴旋转此直线为轴旋转360360 /n/n（n n为正整数）后，得到的分子为正整数）后，得到的分子与原来的分子相同，这条直线就是与原来的分子相同，这条直线就是n n重对称轴

7、。重对称轴。对称对称轴轴10对称面对称面对称面( (镜面镜面 ) )：设想分子中有一平面，它可以把：设想分子中有一平面，它可以把分子分为互为镜象的两半，这个平面就是对称面。分子分为互为镜象的两半，这个平面就是对称面。对称面11对称中心对称中心 i i ：设想分子中有一个点，从分子任何一个原子出发，设想分子中有一个点，从分子任何一个原子出发，向这个点作一直线，再从这个点将直线延长出去，则在与该向这个点作一直线，再从这个点将直线延长出去，则在与该点前一线段等距离处，可以遇到一个同样的原子，这个点就点前一线段等距离处，可以遇到一个同样的原子，这个点就是对称中心。是对称中心。对称中心12交替对称轴交替

8、对称轴( (旋转反映轴旋转反映轴 S Sn n ) )：设想分子中有一条：设想分子中有一条直线，当分子以此直线为轴旋转直线，当分子以此直线为轴旋转360360 /n/n后，再用后，再用一个与此直线垂直的平面进行反映，如果得到的一个与此直线垂直的平面进行反映，如果得到的镜象与原来分子完全相同，这条直线就是交替对镜象与原来分子完全相同，这条直线就是交替对称轴。称轴。R+R-R+R-R+R-R+R-R+R-R+R-垂直于对称轴垂直于对称轴的镜面的镜面 通过反射的通过反射的操作，上、下操作，上、下方的基团交换方的基团交换位置，基团的位置，基团的构型改变。构型改变。重合重合S4旋旋转转9 90 013手

9、性手性( (对映异构对映异构) )与分子对称性与分子对称性 分子是否具有手性，与分子的对称性紧密分子是否具有手性，与分子的对称性紧密相关。相关。对称面对称面( ( ): ): 具有具有 就没有手性就没有手性. .对称中心对称中心( (i i ) : ) : 具有具有i i 就没有手性就没有手性. .对称轴对称轴( C( Cn n ): ): 不能作为衡量标准不能作为衡量标准. .更替对称轴更替对称轴( S( Sn n ): ): 具有四重更替对称轴的分具有四重更替对称轴的分子没有手性子没有手性. .141.3 旋光化合物的分类（1 1）只有一个手性碳原子的化合物具有旋光性）只有一个手性碳原子的

10、化合物具有旋光性（有多个则不一定）。（有多个则不一定）。H3CH2CCH*CH3OH( 2 ) ( 2 ) 含其他四取代基手性原子的化合物，含其他四取代基手性原子的化合物，如砜如砜和季铵盐。和季铵盐。C6H5H2CSC6H5OO1618C6H5H2CNC6H5ICH3CH2CH CH2砜铵15（3 3）含有三价手性原子的化合物，如）含有三价手性原子的化合物，如膦和亚砜。膦和亚砜。PH3CH2CH2CH3CC6H5SC6H5H2CH3CC6H5O膦亚砜（4 4）含有手性轴的化合物，如）含有手性轴的化合物，如联苯、丙二烯联苯、丙二烯和螺环化合物类。和螺环化合物类。O2NHO2CHO2CNO2CO2

11、HNO2O2NHO2C手性轴手性轴16ABABC CCCH3HCH3H分子中没有手性中心，分子中没有手性中心，端位上连接的基团分别在端位上连接的基团分别在两个相互垂直的平面内。两个相互垂直的平面内。NH2HNH2HCHCH3CH3HABBAABBAABBA手性轴手性轴17（5 5）其他手性分子）其他手性分子HCOOHOO(CH2)8OO(CH2)8HHOOC平面手性螺旋手性181 1、官能团大小及排序、官能团大小及排序( 1 )( 1 ) 单原子相互比较，原子序数大的排序较大单原子相互比较，原子序数大的排序较大; ;同同位素中质量高的在前。位素中质量高的在前。 I I Br Br Cl Cl

12、S P S P F F O O N N C C D D H H( 2 )( 2 ) 两个多原子基团相比较，如果第一个原子相两个多原子基团相比较，如果第一个原子相同，则比较与它相连的其他原子。同，则比较与它相连的其他原子。( 3 )( 3 ) 含双键或三键的基团，看着连有两个或三个含双键或三键的基团，看着连有两个或三个相同的原子。如相同的原子。如 -C-C CH CH -C(CH -C(CH3 3) )3 3 -CH=CH -CH=CH2 2 -CH(CH -CH(CH3 3) )2 2 - -CHCH2 2CHCH3 3 -CH -CH3 31.4 1.4 分子立体结构的确定分子立体结构的确定

13、19COOHCH3HHO2 2、手性中心、手性中心R R，S S的确定：的确定：将与手性中心相联的四个取代基按顺序规则排列将与手性中心相联的四个取代基按顺序规则排列大小，将最小的基团放在离眼睛最远的地方，其大小，将最小的基团放在离眼睛最远的地方，其他三个基团按由大到小的方向旋转，顺时针方向他三个基团按由大到小的方向旋转，顺时针方向的是的是R R，逆时针方向的是，逆时针方向的是S S。123R-(-)-R-(-)-乳酸乳酸CH2CH2CH3CH2CH2COOHH3CH2N123S S4 4甲基甲基4 4氨基庚酸氨基庚酸44203 3、丙二烯型及联苯型手性化合物、丙二烯型及联苯型手性化合物R R，

14、S S的确定的确定丙二烯型丙二烯型: : 将分子看成具有手性轴的一个拉长的四将分子看成具有手性轴的一个拉长的四面体，按接近观察者的基团优先的原则处理。接面体，按接近观察者的基团优先的原则处理。接近的两个基团排序为近的两个基团排序为1 1，2 2；二较远的基团排序为；二较远的基团排序为3 3，4 4。然后按中心手性的方法判断是。然后按中心手性的方法判断是R R或或S S。21434321CCCPhH2CPhPhH2CPhababababRR21CCHOOCHH3CHabcbabcb12343412RR22联苯型联苯型: : 取两对相距近而又不同的基团，取两对相距近而又不同的基团，然后按照然后按照

15、一个拉长的四面体，按接近观察者的基团优先的一个拉长的四面体，按接近观察者的基团优先的原则处理。接近的两个基团排序为原则处理。接近的两个基团排序为1 1，2 2；两个较；两个较远的基团排序为远的基团排序为3 3，4 4。然后按中心手性的方法判。然后按中心手性的方法判断是断是R R或或S S。abHOOCNO2HH3COO2NCOOHabbaab2134S23abHCOOHHH3COH3COOCH3caClCOOH2134Sbaca 因为下面苯基距上面苯基最近的是两个相同因为下面苯基距上面苯基最近的是两个相同的取代基（的取代基（OCHOCH3 3），故向远处延伸至），故向远处延伸至Cl/COOH.

16、Cl/COOH.241.5 含有两个及多个手性碳原子化合物的旋光异构体1. 1. 含两个手性碳原子的情形含两个手性碳原子的情形当分子中含有两个手性中心时，每个中心都有当分子中含有两个手性中心时，每个中心都有自己的构型，并可以用自己的构型，并可以用R R、S S进行分类：进行分类：AB型A(R)B(R)A(R)B(S)A(S)B(R)A(S)B(S)AA型A(R)A(R)A(R)A(S)A(S)A(S)25( i ) AB( i ) AB型举例：型举例：CHOCH2OHOHHOHHCHOCH2OHHHOHHOCHOCH2OHHHOOHHCHOCH2OHOHHHHOD-(-)赤藓糖L-(-)赤藓糖

17、(2R, 3R)(2S, 3S)12341234D-(-)苏阿糖L-(-)苏阿糖(2S, 3R)(2R, 3S)IIIIIIIV相互关系：相互关系：对映体：对映体：I I 与与 II II，III III 与与 IVIV。非对映体：非对映体： I I 与与 III, I III, I 与与 IV, II IV, II 与与 IIIIII， II II与与 IVIV。外消旋体：外消旋体： I I 与与 II II 或或 III III 与与 IVIV的等量化合物。的等量化合物。26COOHCOOHOHHOHHCOOHCOOHHHOHHOCOOHCOOHHHOOHHCOOHCOOHOHHHHO(2

18、R, 3S)-酒石酸12341234IIIIIIIV(2S, 3R)-酒石酸(2S, 3S)-酒石酸(2R, 3R)-酒石酸 或 (2S, 3R)-或 (2R, 3S)-1234相互关系：相互关系： I 与与 II 为同一分子。为同一分子。对映体：对映体：III III 与与 IVIV。内消旋体内消旋体： I I 有对称面，无旋光性，是内消旋体。有对称面，无旋光性，是内消旋体。非对映体：非对映体： I I 与与 III, I III, I 与与 IVIV。外消旋体：外消旋体： III III 与与 IVIV的等量化合物。的等量化合物。（ii ii）AAAA型举例：型举例：对称面对称面27( i

19、ii ) ( iii ) 赤式与苏式：赤式与苏式：来自于糖化学的习惯叫法来自于糖化学的习惯叫法, , 现在现在也用来描述含有两个手性碳原子的非糖类化合物也用来描述含有两个手性碳原子的非糖类化合物. . 在在FisherFisher式中式中赤式赤式: : 两个相同的基团在两个相同的基团在同侧同侧. .苏式苏式: : 两个相同的基团在两个相同的基团在异侧异侧. .例如例如: :CHOCH2OHOHHOHHCHOCH2OHHHOHHOD-(-)赤藓糖L-(-)赤藓糖(2R, 3R)(2S, 3S)1234CHOCH2OHHHOOHHCHOCH2OHOHHHHO1234D-(-)苏阿糖L-(-)苏阿糖

20、(2S, 3R)(2R, 3S)如何记忆？如何记忆？28 赤式还是苏式？赤式还是苏式？CH3CH3BrHPhHCH3CH3BrHHPhFischer 投影式透视式HCH3PhCH3BrHPhCH3HCH3BrHNemman 投影式BrHCH3HH3CPhBrHCH3CH3HPh赤式赤式苏式苏式29( iv )( iv ) 一般含有一般含有n n个手性碳原子的开链化合物有个手性碳原子的开链化合物有2 2n n个个旋光异构体（对映异构体），但有时因为存在内旋光异构体（对映异构体），但有时因为存在内消旋体，而使旋光异构体的数目消旋体，而使旋光异构体的数目小于小于2 2n n。如下化如下化合物有三个手

21、性碳，但只有合物有三个手性碳，但只有4 4个异构体，小于个异构体，小于8 8个。个。CH3OHHOHHIIIIIIIVCH3OHHCH3HOHHOHCH3HOHCH3HHOOHHCH3OHHCH3HOHHOHCH3HOHCH3HHOOHHCH3HHOCH3HOHHOHCH3HOHVVII = II, III = IV, V I = II, III = IV, V 和和 VIVI互为对映异构体。互为对映异构体。共共 4 4个异构体。个异构体。30( v ) 环状化合物手性的判断环状化合物手性的判断: 一般可以把环当平一般可以把环当平面看待，考察对称性。面看待，考察对称性。HCH3CH3HCH3H

22、CH3HHCH3HCH331练习：练习：1. 1. 下列化合物有对映异构体的是哪些？下列化合物有对映异构体的是哪些？EF答：答：A, B, D, E, GC6H5C6H5ClHClHSNH2OSODABCG321.6 构型保持与构型与反转1. 构型保持：构型保持：一个分子转化为另一个具有相同构一个分子转化为另一个具有相同构型的分子。如型的分子。如PhH2CHH3COH+ ClTs 吡啶室温PhH2CHH3COTs手性中心键未发生断裂PhHH3COHSOCl2室温PhH2CHH3CCl手性中心键发生断裂SOO OTs =33C(C2H5)2ClH3CHHOOHC(C2H5)2ClH3CHO(C2

23、H5)2COCH3H构型反转OH构型反转C(C2H5)2OHH3CHOH2OC(C2H5)2OHH3CHHO构型反转两次Cl342. 构型反转：构型反转：一个分子转化为另一个具有一个分子转化为另一个具有相反相反构型（指一些化学键的实际指向改变，并不构型（指一些化学键的实际指向改变，并不一定是一定是R,S 的互变）的分子。如的互变）的分子。如C2H5BrHH3COH+C2H5HOHCH3(S)-2-溴丁烷(R)-2-丁醇351.7 外消旋化 外消旋化：外消旋化：旋光性物质（左旋或右旋体）转变旋光性物质（左旋或右旋体）转变为无旋光的外消旋体的过程。为无旋光的外消旋体的过程。一般经历平面过一般经历平

24、面过渡态。渡态。常见发生外消旋途径有以下三种：常见发生外消旋途径有以下三种：（1）由于反应过程中发生）由于反应过程中发生烯醇化烯醇化而导致消旋化。而导致消旋化。CH3HPh(R)-3-苯基-2-丁酮CH3O(R)-3-苯基-2-丁酮PhH3COHCH3HPhH3CCH3OH +CH3O+PhCH3H(S)-3-苯基-2-丁酮36(2) 由于反应过程中生成由于反应过程中生成碳正离子碳正离子而消旋化。而消旋化。HH3CPh(S)- -氯代乙苯Cl- ClHPhH3COHHH3CPhOHCH3HPhOH+(R)- -苯乙醇(S)- -苯乙醇(3) 由于反应过程中生成由于反应过程中生成自由基自由基而消

25、旋化。而消旋化。37C2H5H3CPh(R)- -苯基-2-苯偶氮基丁烷NC2H5PhH3CNPhNNPh异辛烷加热C2H5H3CPhNNPh+C2H5CH3PhNPhN(R)- -苯基-2-苯偶氮基丁烷(S)- -苯基-2-苯偶氮基丁烷381.8 1.8 外消旋体的拆分外消旋体的拆分接种结晶法接种结晶法向过饱和溶液中加入向过饱和溶液中加入二种对映体之一二种对映体之一的晶体作为的晶体作为晶种，适当冷却，那么这些晶体便会增长，可将晶种，适当冷却，那么这些晶体便会增长，可将加入的这一种对映体优先结晶出来。这种方法可加入的这一种对映体优先结晶出来。这种方法可以适用于拆分氨基酸，如工业上已采用这样方法

26、以适用于拆分氨基酸，如工业上已采用这样方法来拆分谷氨酸。来拆分谷氨酸。化学法化学法 用用一个旋光性试剂一个旋光性试剂与与一对旋光对映体一对旋光对映体反应后，生反应后，生成两个非对映体，再根据非对映体不同的物理性成两个非对映体，再根据非对映体不同的物理性质如溶解度、蒸气压等质如溶解度、蒸气压等) )，用物理方法将它们分开。，用物理方法将它们分开。最后，再把分开的这两个非对映体分别复原为原最后，再把分开的这两个非对映体分别复原为原来组成这个外消旋体的两个对映体。来组成这个外消旋体的两个对映体。39分离非对映体最常用的方法是利用它们的分离非对映体最常用的方法是利用它们的溶解度溶解度不同不同来分离。一

27、般过程如下：来分离。一般过程如下：外消旋底物（外消旋底物（ ）旋光性旋光性试剂（试剂（- -），也可以是，也可以是 （+ +）非对映异构体混合物非对映异构体混合物（+ +）（- -）和（和（- -）（- -）。利用物理性质进行分离利用物理性质进行分离（+ +）（- -）（- -）（- -）再生再生再生再生(+)-(+)-底物底物 (-)-(-)-试剂试剂(-)-(-)-底物底物 (-)-(-)-试剂试剂40 为了拆分外消旋的为了拆分外消旋的酸酸，可以用一种旋光性的，可以用一种旋光性的碱碱与之生成非对映异构体的与之生成非对映异构体的盐盐。反之，要拆分外。反之，要拆分外消旋的消旋的碱碱，可以用一种

28、旋光性的，可以用一种旋光性的酸酸。实例如下：。实例如下：COOHC6H5CH(CH3)2H(R)-(-)-酸COOHC6H5H(H3C)2HC(S)-(-)-酸C6H5CH3NH2H(R)-(+)-胺COOC6H5CH(CH3)2HC6H5CH3NH3HC6H5CH3NH3HCOOC6H5H(H3C)2HC(R),(R)结晶析出(S),(R)留在溶液中酸化酸化(R)-(-)-酸(S)-(-)-酸413. 3. 生物化学法（动力学拆分）生物化学法（动力学拆分）某些微生物或酶在外某些微生物或酶在外消旋体的稀溶液中，破坏其中一种对映体的速度消旋体的稀溶液中，破坏其中一种对映体的速度度比另一种快。最后

29、可以得到另一种对映体。例度比另一种快。最后可以得到另一种对映体。例如酵母在如酵母在DL-DL-氨基酸中易与氨基酸中易与L-L-氨基酸反应，剩下氨基酸反应，剩下D-D-氨基酸。又如：氨基酸。又如：OOH酯酶月桂酸乙烯酯OOHOOC(CH2)10CH3+O酯化和未酯化的物质易于分离。酯化和未酯化的物质易于分离。424. 4. 色谱分离法：色谱分离法：利用光学活性吸附剂对光学活性利用光学活性吸附剂对光学活性物质选择吸附作用，可用来拆分外消旋体。因物质选择吸附作用，可用来拆分外消旋体。因为光学活性吸附剂，与外消旋体的为光学活性吸附剂，与外消旋体的D D型和型和LL型，分别形成的吸附物型，分别形成的吸附

30、物是非对映体是非对映体, ,，其稳定性，其稳定性有差别，有差别，其中一种吸附比另一种吸附牢固其中一种吸附比另一种吸附牢固，吸，吸附比较松驰的在洗脱过程中较容易通过吸附剂附比较松驰的在洗脱过程中较容易通过吸附剂柱并优先被洗脱。于是可以达到拆分外消旋体柱并优先被洗脱。于是可以达到拆分外消旋体的目的。如常用的方法的目的。如常用的方法HPLC. HPLC. 一般用于测试。一般用于测试。431.9 立体专一反应和立体选择反应HCH3HH3CH3CH3CHHBrBrCH3HHH3CH3CHCH3HBrBrCHBr3KOC(CH3)3CHBr3KOC(CH3)3加成反应加成反应1. 1. 立体专一反应立体专

31、一反应 在某一反应中，特定的立体异构体发生反在某一反应中，特定的立体异构体发生反应应只得到一种只得到一种立体结构的产物。如立体结构的产物。如44HHOSO2C6H5CH3-pC(CH3)3NaSPhPhSHHC(CH3)3p-H3CC6H5O2SHHC(CH3)3NaSPhHHSPhC(CH3)3亲核取代反应亲核取代反应SN245+ H2OKMnO4-OHHHOHOH+ H2ORCO2OHHOHOHH氧化反应氧化反应46KOC(CH3)3(CH3)2SOCH3CH2CHCH3IHCH3HH3CCH3HHH3C+H3CH2CHCCH260%20%20%IHCH3CH3HHIHCH3HH3CHIH

32、3CHCH3HHIH3CHHH3CHIHC2H5HHH- HI- HI- HI- HI- HIHCH3HH3CHCH3HH3CCH3HHH3CCH3HHH3CH3CH2CHCCH22. 2. 立体选择反应立体选择反应 在某一反应中，一种反应物发生反应能在某一反应中，一种反应物发生反应能得到两得到两种以上立体异构的产物种以上立体异构的产物，但其中一种为主。如，但其中一种为主。如47又如羰基的亲核加成反应：又如羰基的亲核加成反应：Me3CHHOLiAlH4Me3CHHHOH+Me3CHHOHHMe3CHHOMe3CHHHOH+Me3CHHOHHLiAlH(OCH3)3主要产物主要产物LiAlH(O

33、CH3)3AlHOOOHHHHHHHHHLi结构为：48当羰基邻近有手性中心时，当羰基邻近有手性中心时，由于试剂从不同方向进攻羰由于试剂从不同方向进攻羰基时受到的阻碍不一样，也会发生立体选择性反应。如基时受到的阻碍不一样，也会发生立体选择性反应。如以下反应产物以赤式为主，以下反应产物以赤式为主，I与与 II， III 与与IV为非对映体，为非对映体，而而I与与 III ， II与与IV为对映体。为对映体。OHH3CPh(S)-2-苯基丙醛+ CH3MgICH3CH3OHHC6H5H+(I) 赤式 67%（II）苏式 33%HCH3CH3HHOC6H5HCH3CH3OHHHC6H5HPhH3C(

34、R)-2-苯基丙醛+ CH3MgICH3CH3HHOHC6H5+(III) 赤式 67%（IV）苏式 33%OH491.10 潜手性分子一个对称的非手性分子的一个基团被取代或发一个对称的非手性分子的一个基团被取代或发生其他反应，失去其对称性而成为一个非对称生其他反应，失去其对称性而成为一个非对称的手性分子，这种对称的分子称为的手性分子，这种对称的分子称为潜手性分子。潜手性分子。如如COOHCH3HbHaHaHbOHOHCOOHCH3OHHaCOOHCH3HbHO(S)-(+)-乳酸(R)-(+)-乳酸丙酸为潜丙酸为潜手性分子手性分子潜潜手手性性中中心心50有些潜手性分子有些潜手性分子具有具有s

35、p2sp2杂化的碳原子，同时具杂化的碳原子，同时具有双键，试剂从有双键，试剂从双键不同的面进攻，可能产生双键不同的面进攻，可能产生不同的手性异构体不同的手性异构体。如醛、酮等。如醛、酮等。ClOC8H17OOBakers yeastClOC8H17OHOH潜手性分子潜手性分子潜手性面潜手性面ReRe 面面Si Si 面面511.11 不对称合成1. 1. 有关概念有关概念 不对称合成：不对称合成：利用已经存在的不对称因素的诱利用已经存在的不对称因素的诱导作用，通过某种特定反应合成出手性化合物导作用，通过某种特定反应合成出手性化合物的过程。的过程。 对映体过量百分数：对映体过量百分数： enan

36、tiomeric excessenantiomeric excess即即ee ee 值。值。用来表示对映体纯度。计算式：用来表示对映体纯度。计算式：ee =R-SR+S100%ee =S-RR+S100%或52 手性产物的光学纯度：手性产物的光学纯度：P= 测 纯100%若对映体之间没有明显的相互作用，则若对映体之间没有明显的相互作用，则 P = ee 非对映异构体过量非对映异构体过量( ( de, diastereoisomeric excess )：de =S S - S RS R + S S100% 非对映异构体比例非对映异构体比例( ( dr, diastereoisomeric ra

37、tio )：dr =S SS R53【例例2 2】某化合物经立体选择性合成后得到一对某化合物经立体选择性合成后得到一对新的对映体，经测定混合物的比旋光度为新的对映体，经测定混合物的比旋光度为 测测=+21=+21，R R型占型占85%85%，S S型占型占15%15%，求对映体过，求对映体过量百分率量百分率(ee)(ee)及及R R型对映体的型对映体的 纯。纯。= 测 纯ee 测 纯= ee=210.7= 30解：解：ee =R-SR+S100% = R% - S% = 85%-15% = 70%542. 2. 不对称合成的途径不对称合成的途径（1 1）手性中心由原料带入。反应中不产生新的手性

38、手性中心由原料带入。反应中不产生新的手性中心。中心。（2 2）底物诱导（手性辅基诱导）。如手性醛的加成。底物诱导（手性辅基诱导）。如手性醛的加成。OHH3CPh(S)-2-苯基丙醛+ CH3MgICH3CH3OHHC6H5H+(I) 赤式 67%（II）苏式 33%HCH3CH3HHOC6H5HSSSRCH3CH3OHHHC6H5OHPhH3C(R)-2-苯基丙醛+ CH3MgICH3CH3HHOHC6H5+(III) 赤式 67%（IV）苏式 33%HRRRS55（3 3）手性试剂的不对称反应。手性试剂的不对称反应。RROLiAlH4RROHOOAlOEtH(S)R*ROH56（4 4）不对

39、称催化反应。如：不对称催化反应。如：H3COCO2HH2(R)-BINAP-RuH3COCO2HH3CH(R)-BINAP =PPh2PPh296% ee著名抗炎镇痛著名抗炎镇痛药药(S)-萘普生萘普生(S)-Naproxen日本野依良治日本野依良治（ Noyori Noyori ）合成）合成的催化剂，的催化剂，20012001年获得诺贝尔奖年获得诺贝尔奖57 配位催化反应中手性通过络合物中间体传配位催化反应中手性通过络合物中间体传递。如递。如PPRuOCH3OHHPPRuOCH3OHOHHHO 不同的过渡态得到不同构型的产物，选不同的过渡态得到不同构型的产物，选择性的大小取决于哪个过渡态容易

40、形成。择性的大小取决于哪个过渡态容易形成。58(5)(5) 手性溶剂诱导不对称合成手性溶剂诱导不对称合成593. 3. 产物光学纯度的测定产物光学纯度的测定（1 1）测旋光度（粗测）测旋光度（粗测）ee = 测 纯100%（3 3）色谱法：）色谱法：利用手性物质作为固定相，使对映利用手性物质作为固定相，使对映异构体通过气相（异构体通过气相（GCGC）或高效液相色谱法）或高效液相色谱法（HPLCHPLC）分离开，并比较两种异构体量的多少。）分离开，并比较两种异构体量的多少。 （2 2）利用核磁共振谱和位移试剂）利用核磁共振谱和位移试剂: : 向含有两种对向含有两种对映异构体的样品中加入手性位移试

41、剂，使对映异映异构体的样品中加入手性位移试剂，使对映异构体的峰分开，然后通过比较特征峰的面积来确构体的峰分开，然后通过比较特征峰的面积来确定两者量的比例。定两者量的比例。60方法：利用化学位移试剂，然后测定其方法：利用化学位移试剂，然后测定其NMRNMR谱。谱。注意应用范围和利弊。注意应用范围和利弊。原理：手性金属络合物再与外消旋的待测物生成原理：手性金属络合物再与外消旋的待测物生成两种非对映体，然后通过非对映体的两种非对映体，然后通过非对映体的NMRNMR谱来谱来定量。如：定量。如：待测物特征：具待测物特征：具有易络合的原子。有易络合的原子。61例图：例图：624. 4. 产物绝对构型的测定

42、：产物绝对构型的测定：对于未知化合物，不对于未知化合物，不能通过旋光方向来判定是能通过旋光方向来判定是R R或或S S型。型。（1 1）化学联系法：）化学联系法：通过已知构型的原料经过构通过已知构型的原料经过构型保持的反应制得构型确定的目标物，比较型保持的反应制得构型确定的目标物，比较该目标物的旋光度等性质与待定物是否相同。该目标物的旋光度等性质与待定物是否相同。也可以反过来，用待定物为原料制得结构已也可以反过来，用待定物为原料制得结构已知的化合物，再推知其构型。知的化合物，再推知其构型。（2 2）X-X-射线衍射：射线衍射：用单晶用单晶X-X-射线衍射仪测定单射线衍射仪测定单晶样品中各个原子

43、在三维空间中的确切位置晶样品中各个原子在三维空间中的确切位置（3 3）利用旋光谱和园二色谱：）利用旋光谱和园二色谱：比较未知物和已比较未知物和已知物的旋光谱和园二色谱特征是否相同，若知物的旋光谱和园二色谱特征是否相同，若图谱特征相同，则构型相同。图谱特征相同，则构型相同。635. 5. 旋光谱和圆二色谱旋光谱和圆二色谱 (1) (1) 旋光谱旋光谱 比旋光度比旋光度 或或摩尔旋光度摩尔旋光度MM随不同随不同波长波长而而变化的曲线，即变化的曲线，即旋光谱曲线旋光谱曲线，简称，简称ORDORD曲线。测曲线。测定旋光谱曲线的仪器叫定旋光谱曲线的仪器叫分光旋光仪分光旋光仪。64 手性有机化合物的结构不

44、同，旋光谱曲线形状也不手性有机化合物的结构不同，旋光谱曲线形状也不相同，一般有两种形式：相同，一般有两种形式：一种曲线是平滑的曲线一种曲线是平滑的曲线，没有峰和谷，同时规定从，没有峰和谷，同时规定从长波到短波长波到短波MM逐渐上升的曲线定为逐渐上升的曲线定为( () () (正性曲线正性曲线) ) ，而从长波到短波而从长波到短波MM逐渐下降的曲线定为逐渐下降的曲线定为( ()( )(负性曲负性曲线线) ) 。另一种曲线有峰和谷另一种曲线有峰和谷，这种曲线称为，这种曲线称为CottonCotton效应曲效应曲线线。CottonCotton效应曲线也分为效应曲线也分为(+)(+)和和( () )，

45、CottonCotton效应曲效应曲线峰在长波区，谷在短波区称为线峰在长波区，谷在短波区称为(+)(+)，反之，峰在短，反之，峰在短波区，谷在长波区称为波区，谷在长波区称为( () )。下面是各类曲线的例子：。下面是各类曲线的例子：6566(2) (2) 圆二色谱（圆二色谱（CDCD） 平面偏振光通过手性有机化合物时由于组成平面平面偏振光通过手性有机化合物时由于组成平面偏振光的左旋和右旋圆偏振光的吸收系数不相等偏振光的左旋和右旋圆偏振光的吸收系数不相等( ( A A B B) )，这种性质称为圆二色性，以这两种吸收，这种性质称为圆二色性，以这两种吸收系数之差系数之差( ( = = A A- -

46、 B B) )对波长作图，可得一曲线，对波长作图，可得一曲线，即为圆二色谱曲线，它的形状呈钟形，有极大值即为圆二色谱曲线，它的形状呈钟形，有极大值和极小值。如和极小值。如 =(+)=(+)，则，则CDCD为为(+)(+)，此种正性圆，此种正性圆二色光谱的谱线出现峰。二色光谱的谱线出现峰。 = =(-)(-)，则，则CDCD为为(-)(-)，这，这种负性圆二色光谱的谱线出现谷，如图种负性圆二色光谱的谱线出现谷，如图2-42-4所示。所示。 进一步考察，可以发现旋光谱和圆二色光谱的正进一步考察，可以发现旋光谱和圆二色光谱的正性和负性是一致的。即给出正性旋光谱的化合物，性和负性是一致的。即给出正性旋

47、光谱的化合物，也给出正性圆二色谱，给出负性旋光谱的化合物也给出正性圆二色谱，给出负性旋光谱的化合物则给出负性圆二色谱。则给出负性圆二色谱。676869（3 3） 旋光谱和圆二色谱在测定结构上的应用旋光谱和圆二色谱在测定结构上的应用 用来确定具有旋光性化合物的用来确定具有旋光性化合物的绝对构型或稳定的构象。绝对构型或稳定的构象。 通过找出谱线的谱形、通过找出谱线的谱形、CottonCotton效应与构型或构象之间的相效应与构型或构象之间的相互关系来进行推断互关系来进行推断 。分两种情况：。分两种情况：A A 没有找到化合物结构和谱线间普遍规律的，则采用对比没有找到化合物结构和谱线间普遍规律的，则

48、采用对比法来进行推断法来进行推断。就是用结构尽可能相似或相反的已知化。就是用结构尽可能相似或相反的已知化合物与未知化合物进行谱线的比较，以确定未知化合物合物与未知化合物进行谱线的比较，以确定未知化合物的结构。的结构。B B、一种是已经找到了某类化合物的谱线与结构之间关系、一种是已经找到了某类化合物的谱线与结构之间关系的的经验规律经验规律，就可以运用此规律进行推导而确定结构。，就可以运用此规律进行推导而确定结构。如饱和环酮的如饱和环酮的“八区律八区律”即属这种情况即属这种情况70如：确定相似的化合物的构型是否相同如：确定相似的化合物的构型是否相同 这三条曲线是相似的，这三条曲线是相似的，所以这三

49、种异构体手所以这三种异构体手性碳原子上的构型都性碳原子上的构型都是同一种构型。是同一种构型。 71CH3CH3HBrHBrPhHClPhClHPhHHPhHH*SR*a、b、c、d、L-奎宁D酒石酸盐 和 L-奎宁 L酒石酸盐等量混合物练习练习2. 下列化合物中旋光度不等于零的是：下列化合物中旋光度不等于零的是： 721.12 1.12 构象与构象分析构象与构象分析构象分析：构象分析：研究分子中优势构象的存在以及构研究分子中优势构象的存在以及构象对分子的物理性质和化学性质的影响。象对分子的物理性质和化学性质的影响。1. 1. 开链化合物的构象开链化合物的构象（1）链状化合物的构象链状化合物的构

50、象: : 最简单的例子是乙烷与最简单的例子是乙烷与丁烷。代表性的四个构象：丁烷。代表性的四个构象：对位交叉，部分重对位交叉，部分重叠，邻位交叉，完全重叠。叠，邻位交叉，完全重叠。73（2 2）非烷烃开链化合物构象的情况：）非烷烃开链化合物构象的情况： 对对1 1，2 2二取代乙烷（二取代乙烷（XCHXCH2 2-CH-CH2 2Y)Y)，一般当，一般当X X、Y Y为为非极性基团时，与烷烃一样，其对位非极性基团时，与烷烃一样，其对位交叉式比完全重叠式稳定。如：交叉式比完全重叠式稳定。如：CH3BrHBrHH3C稳定构象稳定构象74 X X、Y Y为极性基团情况则较复杂。象为极性基团情况则较复杂

51、。象FCHFCH2 2CHCH2 2F F，FCHFCH2 2CHCH2 2OHOH等化合物几乎完全以等化合物几乎完全以邻位交叉式邻位交叉式存在。存在。ClCHClCH2 2CHCH2 2OHOH，BrCHBrCH2 2CHCH2 2OHOH等化合物，等化合物，邻位交邻位交叉式构象比对位交叉式构象占优势。可能是由于叉式构象比对位交叉式构象占优势。可能是由于极性基团的相互作用或生成氢键的缘故。极性基团的相互作用或生成氢键的缘故。如：如：HHOHOHHHOHHOHHHH较稳定较不稳定HHOHClHHOHHClHHH较稳定较不稳定75较复杂的开链化合物中，较复杂的开链化合物中，氢键也会影响构象的稳定

52、性氢键也会影响构象的稳定性。如。如下列化合物三个构象的稳定性为下列化合物三个构象的稳定性为a a b b c. c.NH2HC2H5OH3CC2H5NH2HC2H5C2H5OH3CC2H5C2H5OHH3CNH2HHHNH2HC2H5CH3C2H5HOabc如果把如果把C C2 2H H5 5换成更大的基团换成更大的基团C C6 6H H5 5，则对位交叉式稳定（相当于，则对位交叉式稳定（相当于上面的上面的c c），），可见氢键的影响也只是在一定程度上起作用。可见氢键的影响也只是在一定程度上起作用。C6H5C6H5OHH3CNH2HNH2HC6H5CH3C6H5HO76 羰基化合物的优势构象是

53、重叠式而不是交叉式，羰基化合物的优势构象是重叠式而不是交叉式，对醛、酮来说与羰基重叠的是烷基而不是氢，对醛、酮来说与羰基重叠的是烷基而不是氢，这种情况在酮中比在醛中更明显。这种情况在酮中比在醛中更明显。H3COHHHHOHHCH3EFE比F稳定0.9千卡/摩尔 当取代基具有异常的空间要求时：当取代基具有异常的空间要求时：(H3C)3COHHHHHOHHC(CH3)3G氢重叠构象H比较稳定772. 2. 环己烷及其衍生物的构象环己烷及其衍生物的构象( () )环己烷的构象环己烷的构象 在一个分子内，除扭转张力和非键相互作用外，还存在着在一个分子内，除扭转张力和非键相互作用外，还存在着偏离正常键角

54、产生的角张力及偏离正常键长产生的键张力。偏离正常键角产生的角张力及偏离正常键长产生的键张力。在环己烷所有的可能的构象中，在环己烷所有的可能的构象中，能同时满足正常的键长和能同时满足正常的键长和键角，又能使非极性基团尽可能相互远离的构象只能是椅键角，又能使非极性基团尽可能相互远离的构象只能是椅式构象。式构象。因此，椅式构象因此，椅式构象是环己烷的优势构象。船式构是环己烷的优势构象。船式构象象虽能满足正常的正四面体键角，但非极性基团间严重虽能满足正常的正四面体键角，但非极性基团间严重重叠，只能是一种不稳定的构象。重叠，只能是一种不稳定的构象。椅式之间可以通过碳碳键的旋转相互转化，将这种转化称椅式之

55、间可以通过碳碳键的旋转相互转化，将这种转化称为构象翻转。为构象翻转。III78(2). (2). 取代环己烷衍生物的构象取代环己烷衍生物的构象 一取代环己烷的取代基在一取代环己烷的取代基在键键和和键键上就是两种不同的构上就是两种不同的构象。两个构象异构体可通过构象翻转相互转化。两者的稳象。两个构象异构体可通过构象翻转相互转化。两者的稳定性也不一样。对于甲基环己烷来说，定性也不一样。对于甲基环己烷来说，键甲基构象翻转键甲基构象翻转为为e e键甲基构象的键甲基构象的GG0 0约为约为7.5 KJ/mol7.5 KJ/mol，在常温下达到平衡在常温下达到平衡时，甲基在时，甲基在e e键上的约占键上的

56、约占95%95%，在，在a a键上的约占键上的约占5%5%。这是因。这是因为甲基在键上的类似于正丁烷的构象中的对位交叉式为甲基在键上的类似于正丁烷的构象中的对位交叉式（反叠式）、在键上的类似于正丁烷的邻位交叉式结构（反叠式）、在键上的类似于正丁烷的邻位交叉式结构片断。片断。CH3HHH3C5%95%79 构象能：构象能：取代基处于键上和键上的能量差。取代基处于键上和键上的能量差。叔丁基将不能通过键旋转来减小叔丁基将不能通过键旋转来减小1, 3 1, 3 和和1 1，5- 5-直直立键间的相互排斥作用，立键间的相互排斥作用，因而叔丁基一般总是因而叔丁基一般总是处在键上。处在键上。下表是一些取代基

57、的构象能下表是一些取代基的构象能GG0 0。 R1R2R3HH1234580取代基取代基构象能构象能取代基取代基构象能构象能取代基取代基构象能构象能CH37.1O-CO-CH32.5NHCOCH36.4CF38.8OSO2C6H4CH3-p2.1NH38.0C2H57.3OCH32.5N(CH3)28.8i-C3H79.0OC2H53.8N(CH3)310.1t-C4H923.1CO2H5.7SH3.8C6H513.0CO2C2H55.3SCH32.9Cl, Br, I1.7NO24.6HgBr0813. 3. 杂环化合物杂环化合物 仅对含仅对含O O、N N、S S杂原子的六员杂环化合物杂原

58、子的六员杂环化合物作一简要介绍。杂原子引入六员环引起的最显作一简要介绍。杂原子引入六员环引起的最显著变化是键长和键角的改变。著变化是键长和键角的改变。碳杂原碳杂原子键长子键长长度长度比较比较碳杂原碳杂原子键角子键角大小大小比较比较COCO0.143 nm0.143 nm较短较短COCCOC111111较大较大CNCN0.147 nm0.147 nm较短较短CNCCNC108 108 较小较小CSCS0.182 nm0.182 nm较长较长CSCCSC100 100 较小较小CCCC0.154 nm0.154 nm标准标准CCCCCC109.5 109.5 标准标准82 六员杂环化合物六员杂环化

59、合物四氢吡喃、二氧六环、哌啶、哌嗪、四氢吡喃、二氧六环、哌啶、哌嗪、吗啉和四氢噻喃吗啉和四氢噻喃等的最稳定的构象都很像环己烷的椅等的最稳定的构象都很像环己烷的椅式构象，只是键长和键角要适应相应的杂原子略作改式构象，只是键长和键角要适应相应的杂原子略作改变，而且变，而且这些六员杂环椅式构象都比环己烷的椅式构这些六员杂环椅式构象都比环己烷的椅式构象折叠程度大一些。象折叠程度大一些。 OOOOOONHHNHNNHHNNH吗啉四氢吡喃二氧六环ONS哌啶哌嗪四氢噻喃ONHS83 在在1 1，3- 3-二氧六环中二氧六环中，2- 2-烷基取代的构象能比烷基取代的构象能比环己烷中的大，环己烷中的大，平伏键取

60、向的优势更明显平伏键取向的优势更明显，是，是由于由于4 4，6- 6-直立氢的排斥作用因直立氢的排斥作用因COCO键比键比CCCC键短而加剧。键短而加剧。 环中杂原子的影响OOOORRHHBA84 在在1 1，3- 3-二硫六环中二硫六环中，2- 2-烷基取代的构象能却比烷基取代的构象能却比环己烷的构象能略低，原因也是由于环己烷的构象能略低，原因也是由于4 4，6- 6-直立氢直立氢的排斥作用因的排斥作用因CSCS键比键比CCCC键长而略微缓和。键长而略微缓和。SSSSRRHHBA问题：在相同条件下，具有不同构象的分子数问题：在相同条件下，具有不同构象的分子数之间的比例之间的比例B/A, BB