高等有机化学

高等有机化学第二章立体化学

原子或原子团在空间排列的方式不同，互为构型异构体，构型异构已属于立体异构的范畴。立体异构

构型异构构象异构

对映异构非对映异构（包括顺反异构即几何异构）本章将重点讨论构型方面的立体化学关系和从能量角度出发对构象加以分析,并对反应过程中的立体化学做一简单介绍。§2.1含有刚性结构化合物的构型异构

一、双键化合物的构型异构——顺反异构

碳氮双键的化合物有亚胺（又称西佛碱Schiffbase）、肟、腙、缩氨脲，含氮氮双键的有偶氮化合物等。具有n个C==C双键的化合物，总共最多应存在2

n个Z-E异构体。§2.1含有刚性结构化合物的构型异构

二、单环化合物的顺反异构

可是视作平面处理。异构体数目。命名:（1）RS命名；（2）参考基命名。

§2.1含有刚性结构化合物的构型异构

三、稠环化合物的顺反异构

稠环方式：小环只能顺式桥环异构体数目可能低于2n个命名:（1）

系统命名（2）内式与外式§2.2构象分析

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：对与构象相关的“能量－含量”关系的确定，以及与化学和物理性质的关系的研究等，被统称为构象分析。

§2.2构象分析

一、构象异构§2.3旋光异构

一、旋光性与手性§2.3旋光异构

物体与其镜像不能重叠的现象叫手性。两个立体异构体若满足互为镜像且不能重叠的关系，则两者都是手性分子且互为对映异构体。不是对映体的立体异构体是非对映异构体。手性分子具有旋转偏振光平面的能力。互为对映异构体的两种化合物在相同的测试条件、相同的浓度下，旋转偏振光平面的角度相同，但方向相反。旋光性是手性分子的一种性质，手性分子的这种性质是非常有用的，在研究反应机理时可根据旋光的方向和大小的变化来判断产物和反应物之间的立体化学关系，从而为推导反应机理提供证据。§2.3旋光异构

二、旋光谱和圆二色谱

许多有机化合物具有光学活性，能使偏振光的偏振平面发生旋转，这种现象称为旋光。化合物的旋光度和光的波长有关，亦即一个化合物的比旋度随着波长而改变。测定在紫外及可见光（200-700nm）内的旋光，然后将比旋度对波长作图，所得的谱线即旋光谱。§2.3旋光异构

三、对称因素和手性因素

对称因素§2.3旋光异构

三、对称因素和手性因素

手性因素

（1）手性中心（2）手性轴（3）手性面

（1）以碳原子为手性中心的化合物代表着最大一类手性分子。如乳酸、2-辛醇、2-氨基丙酸等。这些化合物的一个共同特点是都含有一个连有四个不同基团的碳原子-不对称碳原子。对手性碳原子的构型采用的R、S命名。（2）有些不含手性碳原子的化合物也满足与其镜像不能重叠的条件，如硫原子上连有三个不同取代基的亚砜18、亚磺酸酯、锍鎓离子、磷原子上连有不同取代基的膦19，这些分子都是非平面的，角锥体翻转所需的活化能较大，对映异构体可以分离。一、含有1个手性中心的化合物（3）具有三个不同取代基的胺原则上应是旋光性的，但是角锥体翻转所需的活化能太小，以致不能将对映异构体分离出来。但是，季銨盐的四个基团不同时，存在着可以分离出来的对映异构体。例如，碘化甲基烯丙基苯基苄基銨。二.含有多个手性中心的化合物

含有两个相同手性碳原子的化合物有三种构型异构体，含有两个不同手性碳原子的化合物有22个构型异构体，含有n个手性碳原子的化合物至多有2ｎ个构型异构体，少于2ｎ个构型异构体是由于相同的手性中心产生的内消旋体所至。

§2.3旋光异构

三、对称因素和手性因素

手性因素（2）手性轴§2.3旋光异构

若用两个环来代替两个双键，则所得到的螺环化合物也应当有对映异构。

§2.3旋光异构

当(a+c)及(b+d)的半径大于0.29nm时，苯环绕单键的旋转受到阻碍，整个分子没有对称面和对称中心，有对映异构。§2.3旋光异构

三、对称因素和手性因素手性因素（3）手性面§2.3旋光异构

六个苯环不能容纳在同一个平面内，而使分子发生扭曲，存在对映异构体。

§2.3旋光异构

四、相对构型与绝对构型

Rosanoff,FischerBijvoet，1951年，酒石酸钠铷§2.3旋光异构

五、旋光性与分子构型

化学转变法§2.3旋光异构

五、旋光性与分子构型

旋光比较法（1）Chugaev规律（2）Brewster规则（3）似外消旋体法

（4）ORD法和CD法（5）螺旋理论§2.3旋光异构

六、外消旋体的拆分

将外消旋体拆分成左旋体和右旋体，称为外消旋体的拆分。在手性环境下如手性试剂、手性溶剂、手性催化剂存在下，两个对映体的反应速度将会有不同程度的差异，有时差异还很大。生物体中的酶具有很高的手性，因此像药物等许多可受酶影响的化合物，其对映体的生理作用会表现出很大差异。氯霉素是左旋的，有抗菌作用，其对映体则无疗效。有些旋光性药物的对映体不但无疗效，甚至有毒。例如，沙立度胺在二十世纪五十年代在欧洲曾作为镇静剂广为使用。后两发现有上万名新生儿的畸形与服用过此药的妇女有关。沙立度胺含一个手性碳原子，当时作为药物使用的是外消旋体。后来的研究表明，沙立度胺中的一种异构体有镇静作用，另一种异构体则有致畸作用。因此，在当今的药物研究开发和生产中提出了开发生产手性药物和旋光纯度的要求。§2.3旋光异构

1.机械拆分法LouisPasteur（1822-1895）于1848年，借助放大镜，用镊子成功地将外消旋的酒石酸钠铵进行拆分，这一发现为其后的立体化学打下了基础。§2.3旋光异构

2.形成非对映异构体的拆分方法（化学方法）通过化学方法，把对映体变成非对映体，利用非对映体的熔点、沸点、溶解度等的不同进行分离。§2.3旋光异构

3.诱导结晶拆分法§2.3旋光异构

4.生物拆分法利用微生物或酶的选择性反应进行拆分。§2.3旋光异构

5.色谱拆分法在色谱柱中用手性物质作固定相，可以直接将对映体分开。如一种市售的手性填料是将纤维素醚负载在硅胶上。§2.3旋光异构

七、不对称合成

术语“不对称合成”在1894年首次由E．Fischer提出，其后被Marckwald定义为“从对称构造的化合物产生光学活性物质的反应，使用光学活性材料作为中间体，但不包括使用任何分析过程作为手段”。接着Morrison和Mosher提出了一个广义的定义，将不对称合成定义为“一种反应，其中底物分子整体中的非手性部分经过反应试剂作用，不等量地生成立体异构体产物的手性单元。也就是说，不对称合成是这样一个过程，它将潜手性单元转化为手性单元，使得产生不等量的立体异构产物。最早的不对称反应实例可以追溯到1890年。当时，E．Fischer将L—阿拉伯糖和HCN进行羟腈化反应，得到多一个碳的腈化合物，然后经腈水解，得到3：1量的L—甘露糖酸和L—葡萄糖酸。这证明了从不对称的化合物(手性源化合物)出发进行的反应，其反应可按不对称的方式发生。§2.3旋光异构

七、不对称合成

手性中心的产生：潜手性（前手性）。§2.3旋光异构

光学纯度百分率（%O.P）或对映体过量百分率(%ee)立体选向百分率（简称选向率）§2.3旋光异构

不对称合成常采用的方法手性底物手性试剂手性溶剂手性催化剂在反应物中引入手性条件（平面偏振光）§2.3构象与构象分析

一开链饱和体系的构象

在乙烷分子中，碳氢σ键的旋转不会引起分子几何形状的任何改变，因而与分子几何形状密切相关的能量也不会发生变化。但是，碳碳σ键的旋转将会引起分子几何形状的改变，这种几何形状的改变则将伴随着能量的变化。显然，在σ键旋转引起的分子几何形状的改变但不改变分子的构型的前提下，构象中的能量变化的本质必然是由非键相互作用而引起的。乙烷的构象

乙烷分子中碳碳σ键的旋转会产生许多种构象，这些构象的能量与扭转角成函数关系（请参见基础有机化学中的相关内容）。当一个碳原子上的氢原子与另一个碳原子上的氢原子的距离最近即三对氢原子相互重叠（两面角ψ为00,1200,2400,3600）时，最不稳定，能量最高的是重叠式构象。当氢原子间的距离最远（ψ为６００、１８００、３０００、）时，能量最低、最稳定，为交叉式构象。一般常认为重叠式构象的不稳定性是由于重叠的原子或基团的距离小于vanderWaals（范得华）半径所引起的空间张力造成的。重叠式构象的能量比交叉式的高11.7-12.1KJ/mol。2正丁烷的构象3其它开链体系的构象化合物旋转能障（KJ/mol）烷烃

CH3—CH312.1CH3—CH2CH314.2CH3—CH(CH3)216.3CH3—C(CH3)319.7卤乙烷

CH3—CH2F13.8CH3—CH2Cl15.4CH3—CH2Br15.4CH3—CH2I13.4化合物旋转能障（KJ/mol）杂原子取代物

CH3—SiH37.1CH3—NH28.3CH3—NHCH315.1CH3—OH4.5CH3—OCH311.3已经证实乙二醇的优势构象也为邻位交叉式，这显然是由分子内氢键引起的。若只从范德华排斥作用考虑，对位交叉式构象Ⅰ应占优势，但事实上却是邻位交叉式构象Ⅱ占优势。有人认为Ⅱ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。２-氟乙醇和1,2-二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优势构象为优势构象的效应称为邻位交叉效应。邻位交叉效应:二环己烷及其衍生物的构象

１．环己烷的构象在一个分子内，除了前面介绍过的扭转张力和非键相互作用外，还存在着偏离正常键角产生的角张力；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，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式构象。因此，椅式构象Ⅰ是环己烷的优势构象。船式构象Ⅱ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极端构象。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。2一取代环己烷衍生物的构象

一取代环己烷的取代基在ａ键和ｅ键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。两者的稳定性也不一样。对于甲基环己烷来说，ａ键甲基构象翻转为e键甲基构象的ΔG0约为7.5KJ/mol，在常温下达到平衡时，甲基在e键上的约占95%，在a键上的约占5%。这是因为甲基在ｅ键上的类似于正丁烷的构象中的对位交叉式、在ａ键上的类似于正丁烷的邻位交叉式结构片断。构象能

（取代基处于ａ键上和ｅ键上的能量差）

异丙基的构象能比乙基和甲基略大，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。但是，叔丁基将不能通过如上所述的键旋转来减小1,3-直立键间的相互排斥作用，因而叔丁基一般总是处在ｅ键上。表2-2是一些取代基的构象能ΔG0。

构象能构象能构象能CH37.1O-CO-CH32.5NHCOCH36.4CF38.8O-SO2C6H4CH3(p)2.1NH38.0C27.3OCH32.5N(CH3)28.8i-C3H79.0OC2H53.8

N(CH3)310.1t-C4H923.1CO2H5.7SH3.8C6H513.0CO2C2H55.3SCH32.9Cl,Br,I1.7NO24.6HgBr03二取代环己烷的构象

二取代环己烷的构象比一取代的要复杂的多。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，还涉及到构造和构型。也就是说，在构造确定的基础上才能谈论构型，在构型确定的基础上才能谈论构象问题。一般讨论较为复杂分子的立体化学或构象问题也是这样，先讨论和确定分子的构造——其次讨论和确定分子的构型——最后讨论和确定分子的构象。例如，1,2-二甲基环己烷和1,3-二甲基环己烷互为构造异构体（构造异构中的位置异构）；顺-1,2-二甲基环己烷和反-1,2-二甲基环己烷互为构型异构体（顺反异构或几何异构）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。但是还要强调，对其它非烷基取代基，具体情况要具体分析。

反-1,3-二叔丁基环己烷若采取椅式构象，势必有一个叔丁基要处在ａ键上，这样的构象存在着很强的1,3-直立键相互排斥作用，为了缓解这种排斥作用造成的能量升高，通过环上碳碳键间的旋转，环翻转为船式以使两个叔丁基基都处在有利的位置上。4其它碳环的构像

主要是环丙烷和环丁烷（小环）、环戊烷和环庚烷（普通环）的构象。小环的特点是角张力和扭转张力很大；普通环的张力较小（如环己烷），构象多受扭转因素的影响；在中环（环辛烷到环十一烷）中，取代基之间的跨环范德华相互作用对构象有重要影响。环丁烷类化合物可能有两种构象，平面型和折叠型。用Ｘ射线衍射法测得，反式-1,3-环丁烷二羧酸在结晶状态下为平面四元环。环戊烷的构象环戊烷的五个碳原子在同一平面上，则基本上没有角张力，但五个Ｃ－Ｃ键的重叠构象所引起的扭转张力将很高。因此，环戊烷是非平面的，其两种优势构象分别为信封式和半椅式。环庚烷的椅式和船式构象九个以上的碳环化合物，随着碳原子数目的增多，其构象问题愈来愈复杂，可以加以讨论和计算的构象数目也愈来愈多，但对于偶数碳环化合物来说，却出现了一个十分简单而有趣的事实，那就是最稳定的构象相当于能按金刚石晶格描绘出轮廓的那种构象。５稠合脂环化合物

仅以十氢化萘为例来看一看它们的立体化学问题。十氢化萘有顺式和反式之分，两者互为构型异构体。两者的优势构象均可看作由两个环己烷的椅式构象稠合而成，顺-十氢化萘是由一个环的ａ键和一个ｅ键分别与另一个环的一个ｅ键和一个ａ键稠合而成；其反式异构体则是两个环各用两个ｅ键稠合而成。6杂环化合物

仅对含O、N、S杂原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著变化是键长和键角的改变。C—O、C—N和C—S键长分别是0.143、0.147和0.182nm，前两个比C—C键长0.154nm短，后一个比键长C—C长。杂原子键角C—N—C约108O，比C—C—C键角109.5O略小，C—S—C键角最小，约为100o，而C—O—C键角约为111o，比C—C—C键角大。六员杂环化合物四氢吡喃、二氧六环、哌啶、哌嗪、吗啉和四氢噻喃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变，而且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。

六员杂环化合物的另一重要特点是vanderWaals力减小了。可能是O、N、S分别是二和三配位，减少了1，3-直立氢的排斥作用。如顺式-2-甲基-5-叔丁基-1，3-二氧六环的优势构象是叔丁基位于直立键，这显然可归因于叔丁基位于直立键时不存在1，3-直立氢的排斥作用。

在1，3-二氧六环中，2-烷基取代的构象能比环己烷中的大，平伏键取向的优势更明显，是由于4，6-直立氢的排斥作用因C—O键比C—C键短而加剧；而在1，3-二硫六环中，2-烷