高等有机化学立体化学

第九章立体化学构象异构：分子构型相同，由于单键的自由旋转，原子或原子团在空间的排列不同。重叠式交叉式

楔形式锯架式纽曼式§1顺反异构顺式异构体(cis-isomerism)：两个相同原子或基团在双键同一侧的为顺式异构体。

反式异构体(trans-isomerism：两个相同原子或基团分别在双键两侧的为反式异构体。顺反异构体产生的条件：⑴分子不能自由旋转（否则将变成另外一种分子）；⑵双键上同一碳上不能有相同的基团；根据在两个双键碳原子所连的四个原子或基团中两个相同者的位置来决定异构体的类型。马来酸（顺）富马酸（反）熔点/℃mp.1.30287溶解度/(g/100mlH2O,25℃)78.80.7密度/g.mol-11.591.635燃烧热/KJ.mol-1

13681339pKa11.93.0pKa26.54.5物理性质的差异化学性质的差异①脱水生成酸酐难易程度不同：巴豆酸用甲醇酯化时，反-巴豆酸的酯化速度较快位阻小②酯化反应的速度不同③顺、反异构体的互相转换在顺反异构体中，通常反式较稳定，顺式较不稳定。顺式异构体加热或受日光的作用，很容易转变成较稳定的反式异构体。反-丁烯二酸转变为顺式异构体较困难，比较好的方法--紫外光照射，产品中通常存在顺式和反式混合物。二、含有C=N双键的顺反异构例：苯甲醛肟有两种异构体E-苯甲醛肟熔点35℃Z-苯甲醛肟熔点130℃肟如果R1或R2之一是氢，则该肟被称为醛肟；否则称为酮肟。利用Beckmann重排确定酮肟结构重排中，-OH与处于反式的-R交换------反式交换

即：处于异侧的烃基重排后总是连在酰胺的氮上，

水解产物：异侧烃基的胺

同侧烃基的酸三、环状化合物的顺反异构体1、环丙烷-1，2-二羧酸酸性：较强较弱mp/℃：139175溶解度：较大较小易生成酸酐不能生成相应的酸酐比较活泼活泼性较小2、环丁烷二酸环丁烷-1，2-二羧酸与环丙烷二羧酸相同环丁烷-1，3-二酸稳定性比较稳定原因：两个取代基都处于必有一个取代基要较有利的假平键上处在不利的假竖键上3、环己烷二羧酸环己烷二羧酸的顺反异构现象同两个羧基在环上的相对位置有关，1，2或1，3-二羧酸环丙烷二羧酸情况相同环己烷-1，4-二羧酸不能生成相应的酸酐不能生成相应的酸酐§2对映异构为什么要研究对映异构呢？因：1．天然有机化合物大多有旋光现象。2．物质的旋光性与药物的疗效有关（如左旋维生素C可治抗坏血病，而右旋的不行）。3．用于研究有机反应机理。有对映异构体的分子称为手性分子，或称分子具有手性。乙醇没有对映体，因此是非手性分子。与4个不同基团相连的碳原子称为手性碳原子(常用*C表示)。*C是引起分子手性的一种常见因素。**手性分子CH3HHOHCCH3HHOCO2HCH3CHOHCO2HC非手性分子对称面（σ）、对称中心（i）、对称轴（Cn）、更替对称轴（Sn）。(1)对称面（σ）：假如有一个平面可以把分子分割成两部分，而一部分正好是另一部分的镜象，这个平面就是分子的对称面（σ）。丙酸分子的对称面

(2)对称中心（i）若分子中有一点P，通过P点画任何直线，两端有相同的原子，则点P称为分子的对称中心（用i表示）。具有对称中心的化合物和它的镜象能重合，因此它不具有手性。(3)对称轴（Cn）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，此直线即为对称轴（Cn表示）。有无对称轴不能作为判断分子有无手性的标准(4)更替对称轴（Sn）如果一个分子沿一根轴旋转了360°/n的角度以后，再用一面垂直于该轴的镜象将分子反射，所得的镜象如能与原物重合，此轴即为该分子的n重更替对称轴（用Sn表示）。Sn=Cn+σ（垂直于Cn）1956年首次合成了一个有四重更迭轴的分子重合S4垂直于对称轴的镜面具有四重更替对称轴的化合物和镜象能够重叠，因此不具旋光性。结论：

A.有对称面、对称中心、四重交替对称轴的分子均可与其镜象重叠，是非手性分子；反之，为手性分子。

至于对称轴并不能作为分子是否具有手性的判据。

B.大多数非手性分子都有对称轴或对称中心，只有交替对称轴而无对称面或对称中心的化合物是少数。

∴既无对称面也没有对称中心的，一般可判定为是手性分子。分子的手性是对映体存在的必要和充分条件。

如果分子中不存在对称面、对称中心和四重更迭对称轴，则这个分子具有手性对映体：分子的构造相同，但构型不同，形成实物与镜象的两种分子，称为对映异构体（简称：对映体）。

成对存在，旋光能力相同，但旋光方向相反。对映异构体之间的物理性质和化学性质基本相同，只是对平面偏振光的旋转方向（旋光性能）不同。在手性环境条件下，对映体会表现出某些不同的性质，如反应速度有差异，生理作用的不同等。3.右旋和左旋(dextrorotatoryandlevorotatory)

——使偏振光振动平面向右旋转称右旋，“+”或“d”——使偏振光振动平面向左旋转称左旋，“-”或“l”4.旋光度（observedrotation)——旋光活性物质使偏振光振动平面旋转的角度，用“a”表示。它不仅是由物质的旋光性（与物质的结构有关）决定的，也与测定的条件有关。旋光度大小的影响因素：1、温度2、波长3、溶剂的性质4、旋光管的长度5、旋光管中物质浓度二、含一个手性碳原子化合物的对映异构手性碳原子的概念：连有四个各不相同基团的碳原子称为手性碳原子（或手性中心）用C*表示。含有一个手性碳原子的化合物一定是手性分子。它有两种不同的构型，是互为实物与镜象关系的立体异构体，称为对映异构体（简称为对映体）。（一）对映体

（二）外消旋体等量的左旋体和右旋体的混合物称为外消旋体，一般用（±或dl）来表示。无旋光性。对映体——互为物体与镜象关系的立体异构体。

对映异构体都有旋光性，其中一个是左旋的，一个是右旋的。所以对映异构体又称为旋光异构体。外消旋体可分离成左旋体与右旋体。（a）将投影式在纸平面上旋转180°，仍为原构型。（3）判断不同投影式是否同一构型的方法：（b）任意固定一个基团不动，依次顺时针或反时针调换另三个基团的位置，不会改变原构型。（c）对调任意两个基团的位置，对调偶数次构型不变，对调奇数次则为原构型的对映体。例如：（四）对映异构体构型标记法 CHO CHOH OH HO H CH2OH CH2OH

D-(+)-甘油醛 L-(-)-甘油醛1、构型的D/L命名法：选择甘油醛作为标准，并人为地规定它的构型。（碳链竖直，醛基在上端）规则：在严格的Fischer投影式中，C*上取代基处于右侧为D-构型；处于左侧为L-构型。D/L标记法一般用于糖类和氨基酸的构型标记。**D、L与“+、-”没有必然的联系三、含两个手性碳原子化合物的对映异构

（一）含两个不同手性碳原子化合物的对映异构

结论：

异构体数目——2n=22=4（n：手性碳原子数目）氯代苹果酸

对映体数目——

2n–1=2（2–1）=2（对）

（2S,3S)（2R,3R)（2S,3R)（2R,3S)（二）含两个相同手性碳原子化合物的对映异构

(2R,3R)(2S,3S)(2R,3S)(2S,3R)内消旋体(meso)：分子内部形成对映两半的化合物。(有平面对称因素)。具有两个手性中心的内消旋结构一定是（RS）构型。（三）含三个不同手性碳原子化合物的对映异构

C-2差向异构体差向异构体：含多个手性碳的两个光活异构体，仅有一个手性碳原子的构型相反，其余的手性碳构型相同，这两个光活异构体称为差向异构体。C-2差向异构：由C-2引起的差向异构。（C-2构型相反）假手性碳原子—中心碳原子连有四个不同的基团，好象是手性碳，但它有两个构型相反的不对称碳原子，整个分子具有一个对称面而成为对称，这样的碳原子称假手性碳原子。3-C——非手性碳3-C——假手性碳假手性碳原子构型的表示方法rs(小写）在定序规则中，比较两个不同构型的基团大小时，

R构型排在S构型之前。当A≠B，分子有手性。类似物：当A=B，分子无旋光性，如：2.单键旋转受阻碍的联苯型化合物苯环间碳碳键旋转受阻，产生位阻构象异构。要求若在一个或两个苯环上所连的两个取代基是相同的，这个分子就有对称面，没有旋光性。在胺分子中，键的排列接近四面体，但一般的叔胺都未能拆开为对映体。原因：该种类型分子，它的两种可能存在形式是很快地相互转变而改变其构型，导致消旋,

所以，叔胺没有旋光性不同取代开链叔胺分子不具有旋光活性（三）含其它原子的化合物手性中心－N原子：N原子与四个不同的烷基相连，即是活性中心，有一对对映体。六、亲电加成反应的立体化学一个正确的反应历程应能说明包括立体化学在内的所有实验事实。所以立体化学对反应历程的测定和研究具有重要的意义。若是顺式加成，得到的应为内消旋体，与实验事实不符。由于碳碳单键（C1-C2）可以自由旋转：中间体若是碳正离子：得到的加成产物就不可能完全是外消旋体，也可得到内消旋体，这与实验事实不符，说明中间体不是碳正离子。现在认为，顺-2-丁烯与溴加成中间体为环状溴正离子（溴鎓离子）形成环状结构中间体，既阻止了环绕碳碳单键自由旋转，同时也限制了Br-只能从三元环的反面进攻。因为Br-进攻两个碳原子的机会均等。因此得到的是外消旋体。反-2-丁烯与溴加成同上讨论，产物为内消旋体。§3构象与构象分析

构象：构象分析：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，统称为构象分析。

在化学反应中，反应物分子最稳定的构象决定着反应的立体化学过程，从而可以解释反应的结果。

三、环己烷的构象在环己烷分子中，六个碳原子不在同一平面内，碳碳键之间的夹角可以保持109.5°，因此六元环很稳定。1.两种极限构象——椅式和船式椅式构象稳定的原因：船式构象不稳定的原因：物理方法也测出船式环己烷比椅式能量高26.7KJ/mol，故在常温下环己烷几乎完全以较稳定的椅式构象存在。C-1，C-3和C-5在一个平面上，C-2，C-4和C-6在另一个平面上，图中A线垂直于两个平面，是对称轴。

C2、C3、C5、C6在一个平面上，C1和C4分别在平面的下面和平面的上面，很象椅脚和椅背，故称“椅式”。3.椅式构象：椅式之间可以通过碳碳键的旋转相互转化，将这种转化称为构象翻转。船式构象：4.环己烷的其它构象：①C－2，C－3，C－5和C－6处于同一平面内，C－1和C－4处于该平面上面，整个分子像“船”，故称船型构象。②船型构象是非平面形的，键角109.5°，故没有角张力。当分子内的键角由于某种原因偏离正常键角时会产生张力，这种张力称为角张力。③C－2，C－3，C－5和C－6上的C－H键处于重叠位置，有扭转张力。由于环中三个碳位于同一平面，相邻的C-H键互相处于重叠式构象，有旋转成交叉式的趋向，这样的张力称为扭转张力。④C－1和C－4的两个α键上的氢原子间的距离是0.183nm，比两个氢原子的vanderWaals半径之和（0.24nm）小，因此有非键张力。非键原子间，由于几何形状所限，被迫处于彼此靠近的距离，从而产生张力，这种张力称为非键张力。扭船型构象：C－2，C－3，C－5和C－6上的C－H键偏离了重叠式，同时C－1和C－4处于“α键”上的氢原子的非键张力亦减少到最小，其能量比船型约低6.7kJ/mol。半椅式构象：由C－2到C－6五个碳原子在同一平面内，具有角张力和扭转张力，是能量最高的一种构象。5.环己烷各构象之间的能量关系由椅式转换成另一种椅式，所经过的各种构象椅式能量最低，半椅式的能量最高。环己烷中各构象的势能关系四、取代环己烷的构象单取代环己烷的构象分析

甲基环己烷的构象1，3-竖键作用（95%)(5%)CH3与C2-C3键、C5-C6键为对交叉CH3与C2-C3键、C5-C6键为邻交叉CH3与C3-H、C5-H有相互排斥力，这称为1,3-二直立键作用。取代基－Go()/kJ·mol-1取代基－Go()/kJ·mol-1－CH37.1－I1.7－CH2CH37.5－OH-～3.3－CH(CH3)28.8－OCH32.9－C(CH3)3>18.4－C6H513.0－F0.8－CN0.8－Cl1.7－COOH5.0－Br1.7－NH2*～6.3常见基团的一取代己烷直键取代与平键取代构象的势能差(25℃)这是因为取代基和环之间相连的键的旋转，能最大限度的减小乙基和异丙基中额外增加的甲基取代基所产生的效应。异丙基的构象能比乙基和甲基略大（－Go=8.8kJ·mol-1）

trans-1,2-二甲基环己烷1,2-cis能量相等1,2-trans优势构象e,a-a,e-a,a-e,e-有1.3-竖键作用两种椅式(ⅱ)与(ⅰ)完全一样，(ⅱ)与(ⅰ)是对映体，因此稳定性相同。(ⅱ)(ⅰ)(ⅲ)有两个直键取代甲基；(ⅳ)有CH3C(1)C(2)CH3邻交叉型的相互作用。(ⅳ)比(ⅲ)稳定，平衡有利于(ⅳ)，(ⅳ)为优势构象。(ⅲ)(ⅳ)顺1，2-二甲基环己烷构象的能差计算一个直立取代甲基（7.1KJmol-1）一个邻交叉作用3.8KJmol-1）

所以：E1=E2=7.1+3.8=10.9KJmol-1

E=0两个直立键0对交叉(0)一个邻交叉

E=27.1=14.2KJmol-1

E=3.8KJmol-1

E=（14.2+0)-(0+3.8)=10.4KJmol-1反1,2-二甲基环己烷构象的能差计算既要考虑每个取代基对环的能量影响，也要考虑二个取代基之间有无能量关系。

cis-1,3-二甲基环己烷

trans-1,3-二甲基环己烷1,3-cis1,3-transe,a-a,e-a,a-e,e-能量相等优势构象有较大的1.3-竖键作用(ⅴ)(ⅵ)

E=27.1=14.2KJmol-1

E=0KJmol-1

cis-1,4-二甲基环己烷

trans-1,4-二甲基环己烷能量相等优势构象e,a-a,e-a,a-e,e-1,4-cis1,4-trans有1.3-竖键作用

E=0KJmol-1

E=27.1=14.2KJmol-1(1)反-1-甲基-4-异丁基环己烷

E=8.8+7.1=15.9KJ/mol有二个不同取代基的环己烷衍生物异丙基的能差甲基的能差(2)顺-1-甲基-4-氯环己烷

E=7.1-1.7=5.4KJ/mol甲基的能差氯的能差

一般，对二取代和多取代环己烷衍生物来说，若没有其它因素的参与，取代基尽可能处在ｅ键上，尤其对烷基是这样。1，2位取代顺式：ａｅ或ｅａ反式：ｅｅ1，3位取代顺式：ｅｅ反式：ａｅ或ｅａ但对其它非烷基取代基，具体情况要具体分析。顺-1，3-环己二醇由于有氢键存在，使羟基在ａ键的构象稳定。大的基团如－C(CH3)3要尽量避免占直键，在顺－1,4二(三级丁基)环己烷中，两个都是大的基团，只能一个占平键，另一个占直键，但是这样造成的张力太大，故不得不迫使环本身发生扭转，变成扭船型构象，这样两个大的基团都可占据近似的平键，如下式所示：同单环化合物不一样，二环化合物构象的活动性是受限制的，常常只存在一种固定的构象。例：十氢化萘在十氢化萘分子中，一个环可看做是另一个环的两个取代基顺十氢化萘（可变的，有构象异构体）反十氢化萘（固定的）ａｅ键ｅｅ键四、构象对物理、