立体化学专题教育课件市公开课金奖市赛课一等奖课件

1、立体化学探讨有机物分子结构和反应立体性 立体化学是探讨有机化合物分子结构和反应立体性学科，是有机化学理论基础之一。近年来，立体化学发展极为快速，主要表现在有机分子立体结构测定，分子立体形象与反应性关系说明，以及不对称反应在合成上应用等方面。exit第1页有机物分子化学结构和反应反应物分子价电子在分子内或分子间重新组合，并生成新价键和改变成产物分子过程反应机理 价电子结合方式化学键分子内原子相互之间所处空间位置静态立体化学化学结构反应中分子内或分子间原子重新组合，对空间要求条件和改变过程动态立体化学 化学反应第2页第一章 立体化学 (Steric Chemistry) 静态立体化学 测定分子所含

2、有结构立体形象方法和应用；结构立体形象和物理性质关系立体化学动态立体化学 分子立体形象对反应方向和难易程度等化学反应性影响第3页内容提要1-1 静态立体化学一、含有刚性结构化合物构型异构二、光学异构（一）分子对称性（二）含一个手性中心分子（三）含两个或多个手性中心分子（四）环状化合物光学异构（五）含手性轴分子第4页内容提要（六）含手性面分子（七）外消旋体及其拆分三、构象及构象分析1-2 动态立体化学一、立体专一反应二、立体选择反应第5页1-1 静态立体化学 一、含有刚性结构化合物构型异构 （一）烯烃顺反异构 （二）其它双键化合物顺反异构 （三）脂环化合物顺反异构第6页 二、光学异构 （一）分子

3、对称性 1.对称要素(1)简单对称轴 符号：Cn第7页 分子围绕经过分子中心、而且垂直于分子所在平面直线旋转一定角度后，同原来分子重合，此直线为简单对称轴。分子旋转角度为360n时，称 n重对称轴 (Cn)。C3C4C5C6第8页 (2)对称面 符号： 对称面 经过分子中心，且将分子平均分成互成实物与镜象能够重合两半平面双面镜第9页 (3)对称中心 符号：i 分子中有一个点， 假如经过此点直线一端触及分子内某一原子或基团，其另一端在相等距离处必触及分子内另一相同原子或基团，则该点称为对称中心。 PhHPhHCOOHCOOHHHi-土昔酸第10页 (4)交替对称轴 符号： Sn 反射绕轴旋转18

4、0垂直于对称轴镜面S2第11页 2.对称分子(Symmetric Molecules) 含有 ， i ，Sn 分子对称分子。手性分子一定不含有 ， i ，Sn 。 3.非对称分子 (Dissymmetric Molecules) 仅含有Cn，不含其它对称原因分子。 绕轴旋转90C4=第12页C4C2第13页 4.不对称分子(Asymmetric Molecules) 不含任何对称要素分子。27D= +42.9 27D= -42.9 非对称分子不对称分子手性分子(Chiral molecule)对映体旋光活性第14页 （二）含一个手性中心分子 假如分子手性是因为原子或原子团围绕某一点非对称排列而

5、产生，该点就称为手性中心。 1.手性中心为碳原子 5D= +52 5D= -52 第15页25D= -0.56第16页手性中心 金刚烷桥头C原子1, 3, 5, 7位不一样基团，有旋光活性。第17页 2.手性中心为氮原子 不一样取代开链叔胺分子不含有旋光活性：第18页Trger碱三亚乙基二胺第19页27D= +92.4 D= +16.8 3.手性中心为其它杂原子 （三）含两个（或多个）手性中心分子 （四）环状化合物光学异构第20页(2R, 3S)(2S, 3R)(2R, 3R)(2S, 3S)赤(藓) 型 (ery-)：相同原子或基团在碳链同侧苏(阿) 型 (threo-)：相同原子或基团在碳

6、链异侧D-赤藓糖L-赤藓糖L-苏阿糖D-苏阿糖第21页 （五）含手性轴手性分子 假如分子手性是因为原子或原子团围绕某一直线非对称排列而产生，该点就称为手性轴。相当于把手性中心拉长成一条直线。第22页 （六）含手性面手性分子假如分子手性是因为原子或原子团围绕某一平面非对称排列而产生，该点就称为手性面。第23页手性面反环辛烯第24页螺烯（helicene）类化合物六螺烯4,5,8-三甲基-1-菲乙酸第25页柄型化合物（ansa compound）第26页 （七）外消旋体及其拆分 1.外消旋体取得 右旋体和左旋体等量混合； 非手性条件下一些合成反应； 旋光性化合物在一定条件下转化为一对对映体平衡混合

7、物。 2.外消旋体性质 在气态和稀溶液中，外消旋体通常是理想或近似理想混合物。除去对偏振光所展现性质不一样之外，外消旋体和纯对映体普通含有相同物理性质。比如，b.p、n等。第27页 但在浓溶液、熔融状态和固态情况下，外消旋体熔点和溶解度与纯两个对映体之间有显著差异。这主要取决于不一样条件下右旋体和左旋体分子之间相互作用力。 (1)外消旋混合物 当各个对映体分子在晶体中对其同种分子有较大亲和力时，只要有一个(+)-分子结晶， 就只有(+)-分子在其上增加。 ()-分子情况类似。从而分别结晶出右旋体和左旋体晶体外消旋混合物。第28页外消旋混合物熔点示意图第29页外消旋混合物溶解度示意图第30页 (

8、2)外消旋化合物 当一个对映体分子对其相反对映体分子含有较大亲和力时，相反对映体便在晶胞中配对，形成不一样于左旋体和右旋体新化合物 外消旋体化合物。这种化合物只存在于晶体中，其大部分物理性质都不一样于纯对映体。 比如，外消旋酒石酸铵钠盐在水溶液中结晶 27：外消旋化合物（含2分子结晶水） 结晶水分子数目标改变，影响了相同构型分子之间、不相同构型分子之间结合在一起相对难易程度。第31页 (3)外消旋固体溶液 当外消旋体中相同构型分子之间、不一样构型分子之间亲和力相差甚小时，所形成固体中，分子排列杂乱无章外消旋固体溶液。其大部分物理性质都与纯对映体相同。比如()-樟脑肟:103结晶：外消旋固体溶液

9、 3.外消旋体拆分 手性药品外消旋体单一对映体外消旋体拆分对映选择性合成第32页 (1)接种结晶法 在外消旋混合物饱和溶液中，加入一个纯对映体作为晶种并适当冷却，使两个对映体之一优先结晶出来。比如()-氯霉素母体氨基醇拆分。 镇静药沙利度胺thalidomide抗高血压药(S)-普萘洛尔Propranolol第33页D()- L()-()-苏-1-对硝苯基-2-氨基-1,3-丙二醇第34页10g ()-氨基醇+1gD-氨基醇溶解100mL 80H2O冷却至20 母液1.9gD-氨基醇定容至100mL加热至80 2g ()-氨基醇，溶解，冷却至20 2.1gL-氨基醇母液第35页 (2)生物化学

10、法 利用微生物或酶在外消旋体稀溶液中生长时破环其中一个对映体比另一个快方法，分离出其中一个对映体。例： 酯酶第36页 (3)化学法 利用手性试剂（拆分剂）与外消旋体作用，生成两个非对映异构体，再依据两个非对映异构体物理性质不一样将拆分，分离后再将两个对映体复原。 拆分剂必须具备条件与被拆分外消旋体之间轻易形成化合物，又轻易被分解成原来组分所形成两个非对映异构体在溶解度上应有较大差异，其中最少有一个能形成好晶体第37页应尽可能到达旋光纯必须是廉价或是轻易制备，完成拆分后能定量回收 惯用拆分剂碱拆分剂 用于酸类化合物拆分，比如：马钱子碱等生物碱类化合物以及-苯乙胺等合成碱性化合物。酸拆分剂 用于碱

11、类化合物拆分。比如：酒石酸及其衍生物，樟脑酸、樟脑磺酸等有机酸类化合物第38页其它类拆分剂 用于醇类化合物拆分有机酸和用于醛酮类化合物拆分羰基试剂。比如：酒石酰苯胺酸，异氰酸薄荷酯；薄荷肼，薄荷氨基脲。 拆分举例 合成()-肾上腺素拆分。天然肾上腺素为左旋光性异构体，含有一个不对称碳原子，所以合成()-肾上腺素须经拆分，才能取得和天然肾上腺素相同产物。第39页()-肾上腺素(+)-酒石酸1 1溶解甲醇，50冷却()肾上腺素- (+)-酒石酸氢盐甲醇重结晶母液纯品氨水调pH至9D-()肾上腺素氨水调pH至9(+)-肾上腺素粗品第40页D-()肾上腺素D-()去甲肾上腺素多巴胺多巴胺-单氧化酶O2

12、100%第41页 (4)手性色谱法 用非对称吸附剂拆分 天然旋光性吸附剂 例1，()-丙氨酸拆分，固定相：淀粉，流动相：水。 合成旋光性吸附剂 例2， ()-扁桃酸拆分，固定相：用奎宁作旋光活性成份聚丙烯酸。 旋光性物质处理普通吸附剂 例3， ()-氨基苯乙酸甲酯拆分，固定相：(+)-酒石酸-Al2O3，流动相：苯-石油醚 (5)机械法 少数外消旋体混合物拆分第42页 三、构象及构象分析 普通来说，分子都含有某种几何形状，分子能量又与其几何形状相关，而分子总是趋向于采取能量最低几何形状。在构象异构中这种几何形状是经过围绕单键旋转而到达。对与构象相关“能量含量”关系确实定，以及与化学和物理性质关

13、系研究等，被统称为构象分析。 显然，在碳碳键旋转引发分子几何形状改变但不改变分子构型前提下，构象中能量改变本质必定是由非键相互作用而引发。 第43页 1.开链饱和体系构象 (1)CH3Y型化合物化合物 旋转能垒（kJ/mol）烷烃 CH3CH3 12.1 CH3CH2CH3 14.2 CH3CH(CH3)2 16.3 CH3C(CH3)3 19.7卤乙烷 CH3CH2F 13.8 CH3CH2Cl 15.4 CH3CH2Br 15.4 CH3CH2I 13.4 第44页化合物 旋转能垒（kJ/mol）杂原子取代物 CH3SiH3 7.1 CH3NH2 8.3 CH3NHCH3 15.1 CH3

14、OH 4.5 CH3OCH3 11.3 (2)YCH2CH2X型化合物 对于这类结构大多数分子来说，对位交叉式构象最稳定。假如含有极性键或基团体积大小相差不大时，情况就比较复杂。第45页meso- ()-meso- ()-分子内氢键引发邻位交叉效应邻位交叉效应之一第46页邻位交叉效应之二 含有孤电子对或极性键化合物，核电子吸引（偶极相互作用）引发邻位交叉效应第47页 (3)较复杂开链化合物第48页 2.不饱和化合物构象 (1)单烯烃 围绕烯sp2-sp3键重合式构象占优势是一个普遍现象，如1-丁烯： A和B为重合式，C和D为交叉式。稳定构象是重合式A和B，其中构象B（氢重合式）比A（甲基重合式

15、）更稳定。第49页 (2)共轭二烯烃 两种稳定构象， 其中s -反式为优势构象s -顺式s -反式重合式轨道相互作用第50页 (3)醛酮 羰基化合物优势构象也是重合式而不是交叉式，对醛、酮来说与羰基重合是烷基而不是氢，这种情况在酮中比在醛中更显著。除非取代基含有异常空间要求。第51页A稳定性和含量：YMeEtMeOPhO Me2CH Ph Cl Br Me3C 或Y能与羰基氧形成氢键A B第52页(4),不饱和羰基化合物 与1,3-二烯类似当存在不利范德华相互作用时：第53页 3.环己烷及衍生物构象 (1)环己烷构象 环己烷极端构象及稳定性：椅式 扭船式 船式 半椅式船式椅式第54页扭船式 在

16、扭船式构象中，全部扭转角都是30；碳原子之间全处于邻位交叉和全重合构象之间第55页半椅式构象三个全重合三个邻交叉四个全重合两个邻交叉 半椅式构象是用分子力学计算过渡态几何形象时提出。第56页椅式半椅式扭船式船式扭船式半椅式椅式第57页 (2)环己烷衍生物构象 1,3-二直立键作用95%5%16543212345621362631E = 3.8kJ /mol-127.6 kJ /mol-1第58页CH3与C3-H、C5-H有相互排斥力，这称为1,3-二直立键作用。每个H与CH31,3-二直立键作用相当于1个邻位交叉。 构象能 构象能 构象能CH3 7.1 O-CO-CH3 2.5 NHCOCH3

17、 6.4CF3 8.8 O-SO2C6H4CH3(p) 2.1 NH3 8.0C2H5 7.3 OCH3 2.5 N(CH3)2 8.8 i-C3H7 9.0 OC2H5 3.8 N(CH3)3 10.1 t-C4H9 23.1 CO2H 5.7 SH 3.8 C6H5 13.0 CO2C2H5 5.3 SCH3 2.9Cl,Br,I 1.7 NO2 4.6 HgBr 0第59页大取代基环己烷衍生物例：顺-1,4-二叔丁基环己烷扭船式太大取代基要尽可能防止取a键甲基环己烷：RRH乙基环己烷： RH，RCH3异丙基环己烷： RRCH3第60页 其它原因参加环己烷衍生物分子内氢键顺-1,3-环己二

18、醇例2例11,2,2,6,6-五甲基-4-苯基-4-羟基哌啶第61页桥环 2.2.1二环庚烷2.2.2二环辛烷(+)-樟脑第62页取代环己酮例1R：Me， 占 90 Et， 85% CH(Me)2，65%例2非极性溶剂（含量97）极性溶剂第63页 (3)六元杂环化合物构象 六元杂环化合物特点键长和键角改变 键长nm 键角CO 0.143COC 111CN 0.147CNC 108CS 0.182CSC 100张力减小 氧，硫和氮分别是二和三配位，降低了1,3-直立键排斥作用。例1：顺-2-甲基-5-叔丁基-1,3-二氧六环 第64页例2 Y=O 2-烷基e-键取向优势更显著；Y=S 2-烷基e

19、-键取向优势略微降低例3 5-羟基-1,3-二氧六环优势构象第65页 异头效应 在糖衍生物立体化学研究中发觉，强吸电基如卤原子、烷氧基和酰氧基等取代在C-1位时，取代基为a-键构象较稳定，占优势；这些强吸电基2-取代四氢吡喃衍生物也有类似现象，这种现象称为异头效应（anomeric effect）。异头效应实际上是前面提到邻位交叉效应在杂环化合物中特例。 异头效应大小取决于取代基性质，并随介质极性增加而降低。第66页K32（纯液体，40）K3.4（CCl4），K1.8（CH3CN）例 差向异构化反应 第67页 4.构象效应 因为构象不一样而对分子化学反应性质所产生不一样影响称为构象效应。 (1

20、)环己烷衍生物反应性 环外反应 羧酸型环己烷羧基酯化、羧酯基水解反应以及环己醇型羟基酰化、酰氧基水解反应等都属于环外反应。在这一类反应中，对反应速率起决定作用是空间效应，所以a-键取向官能团反应速率显著低于e-键取向官能团。第68页例1 例2 水解反应相对速率120乙酰化反应相对速率 0.11 1.9第69页例3 2-胆甾醇乙酸酯2-胆甾醇乙酸酯水解反应第70页例4 水解反应第71页 环内反应 环己烷环系上羟基氧化反应，环上亲核取代、消除反应，环酮羰基亲核加成、还原反应以及环烯双键亲电加成反应等都属于环内反应。在这一类反应中，a-键取向官能团比e-键取向官能团轻易发生反应。原因之一是a-键取向

21、官能团轻易满足许多反应在机理上立体化学要求；原因之二是a-键取向官能团发生反应，有利于解除该基团与3a-和5a-基团或原子之间相互作用，从而造成所谓“空间加速”现象产生。第72页例1 优势构象优势构象反应构象消除反应第73页例2 CrO3氧化环己醇衍生物反应相对速率 62.7 1.87 第74页1-2 动态立体化学 一定结构反应物区域选择反应区域专一反应在一定条件下按照一定路径立体选择反应立体专一反应一定结构产物第75页例1 区域选择反应例2 区域专一反应 71 29100011第76页顺-：14%，反-：41%25% 20%例3 区域选择反应和立体选择反应第77页外消旋体内消旋体例4 立体专

22、一反应 第78页+(2R,3R)(2S,3S)顺式外消旋体第79页+(2R,3S)反式meso-3-3第80页 一、立体专一反应(stereospecific reaction) 立体专一反应是指在相同反应条件下，由立体异构起始物得出立体异构不一样产物。 1.烯烃加成反应 例1 硼氢化反应外消旋体（苏式）(2R,3R)(2S,3S)6第81页 配合物 - +四中心过渡态第82页例2 二卤碳烯与烯烃加成外消旋体80,第83页例3 Simmons-Smith反应：CH2I2/Zn(Cu)FR-900848：含有高杀菌作用，1990年从Streptoverticillium ferverns发酵液中

23、得到，1996年首次合成。分子中5个环丙烷结构都是利用Simmons-Smith反应制备。第84页例4 D-A反应37150(3S,6R)-3,6-二甲基环己烯-4,5-二甲酐meso-(3R,6R)-(3S,6S)-11第85页 2.取代反应 第86页 3.烯烃氧化反应 (1)环氧化反应 第87页 (2)邻位双羟化反应 第88页 二、立体选择反应(stereoselective reaction) 立体选择反应是指由一个反应物生成两种或两种以上立体异构产物中，只有一个占优势反应。 1.烯烃加成反应第89页 2.消除反应 60% 20% 20第90页优势构象主要产物第91页 3.Sharpless烯烃不对称双羟基化反应催化量OsO4, 基于金鸡纳配体, K3FeCN6, (CH3)3COH, H2O, 0产率93，99光学纯第92页Sharpless双羟基化反应应用举例逆合