第1章立体化学

1、高等有机化学高等有机化学Advanced Organic Chemistry刘彦钦刘彦钦 讲授讲授高等有机化学又名高等有机化学又名研究内容研究内容： 有机化合物的结构有机化合物的结构和性能的关系。即结构（构造、构型、构象）对和性能的关系。即结构（构造、构型、构象）对化合物物理、化学性质的影响。化合物物理、化学性质的影响。 有机化学反应历程有机化学反应历程。反应条件及化合物结构对反应历程的影响。反应条件及化合物结构对反应历程的影响。 通过对一般典型有机化合物结构和性质及典型反应历通过对一般典型有机化合物结构和性质及典型反应历程的研究，程的研究，使我们有可能运用这些理论知识来推测未知使我们有可能运

2、用这些理论知识来推测未知有机物结构与性能的关系，及反应中的内在联系，有机物结构与性能的关系，及反应中的内在联系，利用利用最合适的原料和最理想的合成路线，设计合成具有特殊最合适的原料和最理想的合成路线，设计合成具有特殊性能的新化合物。性能的新化合物。第一章第一章 立体化学立体化学Stereochemistry 研究内容主要包括两个方面：研究内容主要包括两个方面： 分子中原子或原子团在空间的排列。分子中原子或原子团在空间的排列。即原子或原子团所处空间位置即原子或原子团所处空间位置的情况，这就是分子的立体形象或者称为立体结构。的情况，这就是分子的立体形象或者称为立体结构。 分子的立体结构对化学反应的

3、方向、历程、产物及反应难易程度等分子的立体结构对化学反应的方向、历程、产物及反应难易程度等的影响。的影响。 前者属于静态立体化学的范畴，后者则属于动态立体化学研究的前者属于静态立体化学的范畴，后者则属于动态立体化学研究的内容内容分子分子结构结构(Structure)构造构造(Constitution)分子式相同，原子的成键顺分子式相同，原子的成键顺序不同。序不同。碳碳骨架骨架异构异构互变异构互变异构官能团异构官能团异构官能团位置异构官能团位置异构构型构型(Configuration)对映异构对映异构顺反异构顺反异构分子构造相同，原子或原子团在分子构造相同，原子或原子团在空间空间的排列不同。的排

4、列不同。构象构象(Conformation)分子构型相同，由于单键分子构型相同，由于单键的自由旋转，原子或原子的自由旋转，原子或原子团在空间的排列不同。团在空间的排列不同。构造异构体：构造异构体：CH3CH2OHCH3OCH3官能团异构：官能团异构：官能团位置异构官能团位置异构:CCCCCCCC互变异构：互变异构：CH3COCH2COC2H5OCH3COHCHCOC2H5O顺反异构：顺反异构：HHClCH3HHClCH3对映异构：对映异构：D-(-)-乳酸乳酸mp: 52.8 L-(+)-乳酸乳酸mp: 53 构象异构：构象异构：对位交叉对位交叉邻位交叉邻位交叉CH3CH3HHHHCH3CH3

5、HHHHCCOOHCH3HOHCCOOHCH3HOH1.1 对映异构关系对映异构关系 v手性手性（chirality）：）：把物体和它的镜象不能重把物体和它的镜象不能重叠的现象叫手性。具有手性的分子叫手性分子。叠的现象叫手性。具有手性的分子叫手性分子。 v旋光性旋光性是手性分子的一种性质，即旋转偏振光是手性分子的一种性质，即旋转偏振光平面的能力。平面的能力。v旋光性和手性的关系旋光性和手性的关系:一个旋光性的分子一定一个旋光性的分子一定是手性的是手性的，反之亦然。，反之亦然。1.1.1 1.1.1 手性、旋光性手性、旋光性 在一些测量条件下，有些手性分子的旋光性可能非常小，以至无法与零相区别。

6、在一些测量条件下，有些手性分子的旋光性可能非常小，以至无法与零相区别。在这种情况下，可以用另一个波长的光测定，就可能得到较大的旋光度。在这种情况下，可以用另一个波长的光测定，就可能得到较大的旋光度。1.1.2 1.1.2 手性中心手性中心 v碳手性中心：碳手性中心： 连在连在sp3碳碳上的基团按四面体方式取向，当上的基团按四面体方式取向，当具有四个不相同的基团时具有四个不相同的基团时，分子是手，分子是手性的，性的，我们把这个碳原子称为手性中心。我们把这个碳原子称为手性中心。如如2-丁醇是手性的，而乙醇却不是。丁醇是手性的，而乙醇却不是。不是手性的分子叫做非手性的不是手性的分子叫做非手性的。 旋

7、光度的大小与测量条件有关，包含温度、溶剂和射旋光度的大小与测量条件有关，包含温度、溶剂和射入样品中的入射光的波长。入样品中的入射光的波长。H3COHHHHOCH3HHH3COHHCH2CH3HOCH3HCH2CH3v除了碳手性中心外，还有硫、磷、氮手性中除了碳手性中心外，还有硫、磷、氮手性中心，如心，如v 27D= +92.4 D= +16.8 PCHCH2CH3H2COSCH2PhNRRRNRRR 两种对映体因快速翻转两种对映体因快速翻转相互转化，导致相互转化，导致消旋。消旋。v具有三个不同取代基的胺，原则上是能够有旋光性的。但是角锥体翻转所需要的活具有三个不同取代基的胺，原则上是能够有旋光

8、性的。但是角锥体翻转所需要的活化能太小，以致不能将对映异构体分离。化能太小，以致不能将对映异构体分离。当它变为季铵盐时，就不能翻转而变成手性的。当它变为季铵盐时，就不能翻转而变成手性的。PhH2CNCH2CHPhCH3CH2+1.1.3 1.1.3 构型的描述构型的描述 v菲舍尔（菲舍尔（Fischer）惯用法（）惯用法（D，L）来描述）来描述 。D-(+)-甘油醛甘油醛D-(-)-乳酸乳酸HOHCHOCH2OHHOHCHOCH2OHHOHCOOHCH3HOHCOOHCH2OHH OL-(-)-甘油醛甘油醛与与假定的假定的D、L甘油醛相关联甘油醛相关联而确定的构型。而确定的构型。相对构型相对构

9、型注意：分子的注意：分子的旋光度符号旋光度符号和和构型构型（D D，L L）之间没有简单的关系。不是都象甘油醛那样）之间没有简单的关系。不是都象甘油醛那样D-D-是是右旋，右旋，L-L-是左旋；例如，是左旋；例如，L-L-丙氨酸这个氨基酸是右旋的。丙氨酸这个氨基酸是右旋的。v凯恩凯恩- -英格尔德英格尔德- -泼莱劳格（泼莱劳格（Cahn-Ingold-PrelogCahn-Ingold-Prelog）惯用法（）惯用法（R R，S S）来描述）来描述 。能能真实真实代表某一光活性化代表某一光活性化合物的构型（合物的构型（R、S）CCOOHCH3HOHCCOOHCH3HOH (S)-(+)-乳酸

10、乳酸 (R)-(-)-乳酸乳酸 mp 53oC mp 53oC D=+3.82 D=-3.82 pKa=3.79(25oC) pKa=3.83(25oC) 从从FisherFisher投影式直接判断投影式直接判断R/SR/S构型：构型：当最小基团处在当最小基团处在竖竖键上时，其余基团键上时，其余基团从大到小，从大到小，按顺时针方向排列，则该构型为按顺时针方向排列，则该构型为R R，反之则为，反之则为S S型。型。 逆时针为逆时针为S S型。型。 当最小基团在当最小基团在横横键上时，其余基团键上时，其余基团从小到大从小到大，按顺时针方向排列为，按顺时针方向排列为R R，逆时针排列为，逆时针排列为

11、S S。 顺时针为顺时针为R R型型CHOHOHCH2OHCH2OHCHOOHOHCHOH-OH-CHO-CH2OHHOCH2CHOCH2OHOHOHHHRRCHOCH2OHHHHOHOSSCHOCH2OHHHOOHHSRCHOCH2OHOHHHHOSR(i)(ii)(iii)(iv)(2R,3R)-(-)-赤藓糖赤藓糖(2S,3S)-(+)-赤藓糖赤藓糖(2S,3R)-(+)-苏阿糖苏阿糖(2R,3S)-(-)-苏阿糖苏阿糖含两个不对称碳的分子，若在含两个不对称碳的分子，若在Fischer投影式中，两个投影式中，两个H在在同一侧，称为同一侧，称为赤式赤式，在不同侧，称为，在不同侧，称为苏式苏

12、式。赤式和苏式赤式和苏式左右手判断左右手判断R R、S S构型法：构型法： 大拇指指向最小基团，基团顺序由大到小，右手握方向者为大拇指指向最小基团，基团顺序由大到小，右手握方向者为R R型；左手握方向者为型；左手握方向者为S S型。型。 CCOOHCH3HOHCCOOHCH3HOH (S)-(+)-乳酸乳酸 (R)-(-)-乳酸乳酸 mp 53oC mp 53oC D=+3.82 D=-3.82 pKa=3.79(25oC) pKa=3.83(25oC) 1.1.4 如何判断分子是否具有手性？如何判断分子是否具有手性？ 分子是否具有手性与分子的对称性紧密相关，当分子分子是否具有手性与分子的对称

13、性紧密相关，当分子缺乏一定必要的缺乏一定必要的对称因素对称因素时，就可能具有手性。时，就可能具有手性。对称因素包括：对称因素包括： 对称面（对称面（）：假如有一个平面可以把分子分割成两部分一部分正好是另一部分：假如有一个平面可以把分子分割成两部分一部分正好是另一部分 的的镜象，这个平面就是分子的对称面。镜象，这个平面就是分子的对称面。 对称中心对称中心( i )( i )： 若分子中有一点若分子中有一点P P，通过，通过P P点画任何直线，如果在离点画任何直线，如果在离P P等距离的直线等距离的直线两端有相同的原子，则点两端有相同的原子，则点P P称为分子的对称中心称为分子的对称中心 BFFF

14、分子旋转的角度为分子旋转的角度为360360n时，称时，称 n n重对称轴重对称轴 ( (CnCn) )。C3C4C5C6对称轴（对称轴（CnCn）：）：如果穿过分子画一直线，分子以它为轴旋转如果穿过分子画一直线，分子以它为轴旋转一定角度后，可以获得与原来分子相同的形象，此直线即为一定角度后，可以获得与原来分子相同的形象，此直线即为该分子的对称轴。该分子的对称轴。旋旋转转9 90 0反射反射重合重合 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。垂直于对称轴垂直于对称轴的镜面的镜面ClClClClS4ClClClClClClCl

15、Cl更替对称轴（更替对称轴（SnSn）：如果一个分子沿一根轴旋转了：如果一个分子沿一根轴旋转了360360/n/n的角度以后，再用一面垂直于该轴的镜面将分子反射，所得的角度以后，再用一面垂直于该轴的镜面将分子反射，所得的镜象如能与原物重合，此轴为该分子的的镜象如能与原物重合，此轴为该分子的n n重更替对称轴重更替对称轴 。 在一般情况下，对称面、对称中心和更替对称轴往往是同时存在的，判断一个分在一般情况下，对称面、对称中心和更替对称轴往往是同时存在的，判断一个分子是否具有手性，只要考查它是否具有对称面和对称中心就行了。子是否具有手性，只要考查它是否具有对称面和对称中心就行了。如果一个分子如果一

16、个分子既不具有对称面，又不具有对称中心，则就是一个手性分子既不具有对称面，又不具有对称中心，则就是一个手性分子 。我们可以我们可以 把对称性、手性、对映异构、旋光性之间的联系作一简单小结：把对称性、手性、对映异构、旋光性之间的联系作一简单小结：一个化合物若不具有一个化合物若不具有 对称面和对称中心，该分子就具有手性，此手性分子必然对称面和对称中心，该分子就具有手性，此手性分子必然具有对映异构，因而具有旋光性，此化合物就是一种光学活性物质。具有对映异构，因而具有旋光性，此化合物就是一种光学活性物质。 手性分子一定不含有手性分子一定不含有,i, Sn,i, SnCOOHCOOHHH*COOHCOO

17、HCOOHHOOC*HHHH*内消旋体内消旋体mp: 130反式反式 (+) 异构体异构体mp:175反式反式 (-) 异构体异构体mp: 175 对映体对映体有对称面，不具有手性没有对称面、对称中心。有手性RSSS结论：用平面式分析，结论：用平面式分析，(1R,2R)-1,2-二甲基环己烷或二甲基环己烷或(1S,2S)-1,2-二甲基二甲基 环己烷是一种有旋光的化合物。环己烷是一种有旋光的化合物。 用构象式分析，用构象式分析， (1R,2R)-1,2-二甲基环己烷或二甲基环己烷或(1S,2S)-1,2-二甲基二甲基 环己烷是无数种有旋光的构象式环己烷是无数种有旋光的构象式 组合而成的混组合而

18、成的混 合物。合物。例例2: （1S，2S）-1,2-二甲基环己烷二甲基环己烷例例1：（：（1R，2R）-1,2-二甲基环己烷二甲基环己烷RR丙二烯型的旋光异构体丙二烯型的旋光异构体（A）两个双键相连）两个双键相连实例：实例：a=苯基，苯基，b=萘基，萘基，1935年拆分。年拆分。CCCababspsp2sp2ababC CCCH3HCH3H（B）一个双键与一个环相连（）一个双键与一个环相连（1909年拆分）年拆分）HH3CHCOOHCHCH3CH3H（C）螺环形）螺环形HH3CHCOOHNH2HNH2HX1X2X3X4C原子与原子与X1（或（或X3）的中心距离和）的中心距离和C原子原子与与X

19、2 （或（或X4）的中心距离之和超过的中心距离之和超过290pm，那么在室温（，那么在室温（25oC）以下，这个）以下，这个化合物就有可能拆分成旋光异构体。化合物就有可能拆分成旋光异构体。联苯型的旋光异构体联苯型的旋光异构体C-H （94104） C-CH3（94150） C-COOH（94156） C-NO2（94192） C-NH2（94156） C-OH （94145） C-F （94139） C-Cl （94163) C-Br （94183） C-I （94200）皮米（皮米（pm） 1pm = 110-12m C-NO2 与与 C-CH3 365pm由于位阻太大引起的旋光异构体称为由

20、于位阻太大引起的旋光异构体称为位阻异构体。位阻异构体。NO2CH3NO2CH3(CH2)nHOOCn=8，可析解，光活体稳定。，可析解，光活体稳定。n=9，可析解，可析解， 95.5oC时，半衰期为时，半衰期为444分。分。n=10，不可析解。，不可析解。把手化合物把手化合物CH3CH3H3CCH2COOH蒄（无手性）蒄（无手性）六螺并苯（有手性）六螺并苯（有手性）有手性面的旋光异构体有手性面的旋光异构体v手征中心的数目和手征中心的数目和立体异构体的数目立体异构体的数目之间不存在一个简单的一般关系，之间不存在一个简单的一般关系，因为某些式子可以和它们的镜象重叠。当不存在这些情况时，具有因为某些

21、式子可以和它们的镜象重叠。当不存在这些情况时，具有n n个个不同不同的不对称中心的体系可能有的立体异构体的数目是的不对称中心的体系可能有的立体异构体的数目是2 2n n个。个。2nn个个C*16D+D- D+D-D+D-D+D-D+D- D+D-D+D-D+D-四个四个C*8C+ C- C+ C-C+ C- C+ C-三个三个C*4B+ B-B+ B-两个两个C*2A-A+一个一个C*1.1.51.1.5旋光异构体的数目旋光异构体的数目1.2 非对映异构关系非对映异构关系 v1.2.1 非对映异构体非对映异构体 分子中含有两个或两个以上手性中心，它们之间分子中含有两个或两个以上手性中心，它们之

22、间不是物体与其镜像的关系的立体异构体。不是物体与其镜像的关系的立体异构体。CH2OHCOOHCH2OHCOOH*HHHH*反式异构体反式异构体对映体对映体CH2OHCOOHCH2OHHOOC*HHHH*顺式异构体顺式异构体对映体对映体非对映异构体非对映异构体非对映异构体非对映异构体1.2.2 非对映异构体的性质非对映异构体的性质v非对映异构体在非对映异构体在物理性质上是不相同的物理性质上是不相同的。它。它们具有不同的熔点、沸点、折射率、溶解特们具有不同的熔点、沸点、折射率、溶解特性、偶极矩、比旋光度等等。性、偶极矩、比旋光度等等。v在非对映异构体中可以把每个手性中心按顺在非对映异构体中可以把每

23、个手性中心按顺序规则规定为序规则规定为R R或或S S。1.2.3 1.2.3 外消旋体的拆分外消旋体的拆分将外消旋体拆分成左旋体和右旋体，将外消旋体拆分成左旋体和右旋体，称为外消旋体的拆分。称为外消旋体的拆分。化学析解法化学析解法形成和分离非对映体异构体的析解法形成和分离非对映体异构体的析解法( + )RCOOH + (-)-RNH2成盐成盐分级结晶分级结晶HClHCl(+)-RCOO- (-)-RNH2(-)-RCOO- (-)-RNH2(+)-RCOOH + (-)-RNH3 Cl -(-)-RCOOH + (-)-RNH3 Cl -+_v用一个旋光性试剂（拆分剂）来处理对映异构体混合物

24、，使其转变为非对映异构体混合物，然后利用一个旋光性试剂（拆分剂）来处理对映异构体混合物，使其转变为非对映异构体混合物，然后利用非对映异构体的沸点、溶解度等性质的差异，通过蒸馏或重结晶而使其分离，用非对映异构体的沸点、溶解度等性质的差异，通过蒸馏或重结晶而使其分离， 1.3 动态立体化学动态立体化学 v某些立体专一性反应某些立体专一性反应烯烃的环氧化反应（烯烃的环氧化反应（顺式加成顺式加成）: (CH2)8OHHH3C(H2C)7H(CH2)8OHHHH3C(H2C)7CH3CO3HCH3CO3HOHHH3C(H2C)7HO(H2C)8OHH3C(H2C)7HHO(H2C)8卤代烃的卤代烃的SN

25、2亲核取代反应（亲核取代反应（构型完全反转构型完全反转）: RHCCHROsO4OORHRHOsORHOHHOHRRHCCRHOsO4RROHOHHHO烯烃与烯烃与 OSO4OSO4的反应（的反应（顺式加成顺式加成）：）：v 卤代烃的卤代烃的E2E2消除反应（消除反应（反式消除反式消除）v氧化胺的热解反应（氧化胺的热解反应（顺式消除顺式消除） BrHPhH3CPhHKOCH2CH3PhHH3CPhBrHPhH3CHPhKOCH2CH3HPhH3CPh苏型赤型；HN(CH3)2PhHH3CCH3-OCH3H3CPhHHN(CH3)2PhCH3H3CH-OHH3CPhCH3+115+苏型赤型125

26、;某些立体选择性反应某些立体选择性反应 O(H3C)3CLiAlH4(H3C)3CHOH(H3C)3COHH+(90%)(10%)1.4 构象与构象分析构象与构象分析 构象：构象： 是立体异构中的一个重要结构层次，是在构造、构型确定的基础上是立体异构中的一个重要结构层次，是在构造、构型确定的基础上因为单键的旋转而产生的分子中的原子或原子团在空间的排列。因为单键的旋转而产生的分子中的原子或原子团在空间的排列。构象分析：构象分析： 对与构象相关的对与构象相关的“能量含量能量含量”关系的确定，称为构象分析。关系的确定，称为构象分析。 1.4.1 开链饱和体系的构象开链饱和体系的构象 CH3HHHHC

27、H3CH3HHHHCH3HCH3HHHH3CCH3HHHH3CH1234稳定性：稳定性：1 4 2 31 4 2 3v邻位交叉效应邻位交叉效应:v 若只从范德华排斥作用考虑，对位交叉式构若只从范德华排斥作用考虑，对位交叉式构象象应占优势，但事实上却是邻位交叉式构象应占优势，但事实上却是邻位交叉式构象占优势。有人认为占优势。有人认为中有氢键生成产生的稳中有氢键生成产生的稳定作用，但这种解释尚难以被普遍接受。定作用，但这种解释尚难以被普遍接受。 已经证实已经证实乙二醇乙二醇的的优势构象优势构象为为邻位交叉式邻位交叉式，这显然是由分子内氢键引起的。，这显然是由分子内氢键引起的。 OHHHHHOHOH

28、HHHHOHOHHHHHOHHHHHFFFFHHHHFHHHHF- -氟乙醇和氟乙醇和1,2-1,2-二氟乙烷等几乎全以邻位交叉式构象存在，二氟乙烷等几乎全以邻位交叉式构象存在，后者并不能形成分子内氢键。将这种有利于形成邻位交叉式后者并不能形成分子内氢键。将这种有利于形成邻位交叉式优势构象的效应称为邻位交叉效应。优势构象的效应称为邻位交叉效应。 1.4.2 环己烷及其衍生物的构象环己烷及其衍生物的构象 v环己烷的构象环己烷的构象v 在环己烷所有的可能的构象中，能同时满足正在环己烷所有的可能的构象中，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常的键长和键角，又能使非极性基团尽可能相互

29、远离的构象只能是椅式构象。因此，椅式构象是远离的构象只能是椅式构象。因此，椅式构象是环己烷的优势构象。船式构象虽能满足正常的正环己烷的优势构象。船式构象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极端构象。一种不稳定的极端构象。v 椅式之间可以通过碳碳键的旋转相互转化，将椅式之间可以通过碳碳键的旋转相互转化，将这种转化称为这种转化称为构象翻转。在构象翻转中，构型不构象翻转。在构象翻转中，构型不变。变。 一取代环己烷衍生物的构象一取代环己烷衍生物的构象v 一取代环己烷的取代基在键和键上就是两种不一取代环己烷的取代基在键和键上就是

30、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。同的构象。两个构象异构体可通过构象翻转相互转化。两者的稳定性也不一样。对于甲基环己烷来说，键甲两者的稳定性也不一样。对于甲基环己烷来说，键甲基构象翻转为基构象翻转为e e键甲基构象的键甲基构象的GG0 0约为约为7.5 7.5 kJ/mol，在在常温下达到平衡时，甲基在常温下达到平衡时，甲基在e e键上的约占键上的约占95%95%，在，在a a键上键上的约占的约占5%5%。这是因为甲基在键上的类似于正丁烷的构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、在键上的类似于正丁烷的邻位交象中的对位交叉式、在键上的类似于正丁烷的邻位交叉式结构片断。叉式结构片断。HHHHHeaHHHHH二取代环己烷的构象二取代环己烷的构象 二取代环己烷的构象比一取代的要复杂的多。二取代环己烷的构象比一取代的要复杂的多。若两个取代基不在同一个碳原子上，二取代环己烷若两个取代基不在同一个碳原子上，二取代环己烷的立体异构体不仅涉及到构象，还涉及到构造和构的立体异构体不仅涉及到构象，还涉及到构