高等有机化学第二章立体化学

第二章立体化学分子结构(Structure)分子构造(Constitution)分子式相同，原子的成键顺序不同。分子骨架异构互变异构官能团异构官能团位置异构分子构型(Configuration)对映异构非对映异构分子构造相同，原子或原子团在空间的排列不同。顺反异构非对映异构分子构象(Conformation)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。abcdefghijC6H10O一、物质的旋光性与手性

1、旋光性

旋光性是物质分子旋转偏振光平面的能力。旋光度的符号和大小都与测量条件有关，包含温度、溶剂和射入样品中的入射光的波长，文献中通常用比旋光度来表示。第一节光学活性与手性旋光仪示意图平面偏振光普通光能使偏振光向右旋转的，称为右旋体，用(+)表示；能使偏振光向左旋转的，称为左旋体，用(-)表示。这种使偏振光平面旋转的性质称为物质的旋光性。

旋光度α与盛液管的长度、溶液的浓度、光源的波长、测定时的温度、所用的溶剂的关系。偏振光旋转的角度α称为旋光度。:旋光仪的旋光度ρB:质量浓度(g/ml)

l:盛液管的长度t:测定时的温度λ:光源的波长规定1ml含1g旋光物质浓度的溶液放在1dm长的旋光管中测得的旋光度为该物质的比旋光度。公式如下：[]20D钠光，589nm一个旋光性的分子一定是手性的，反之亦然。但在一些测量条件下，有些手征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，可以在另一个波长上测定，得出较大的旋光度。2、手性（chirality）

手性是用来描述一种物体和它的镜象不能重叠的性质时运用的一个概念，又称手征性。具有手性的分子称手性分子。

二、对称性与分子结构1、对称要素对称轴(Cn)：

分子围绕通过分子中心、并且垂直于分子所在平面的直线旋转一定的角度后，同原来的分子重合，此直线为一般对称轴。C3C4C5C6分子旋转的角度为360°n时，称n重对称轴(Cn)。即当分子旋转360°时，已经重复了n次围绕对称轴的旋转操作。

。对称面对称面对称面(σ):1.所有的原子共同处于的平面2.通过分子中心，且将分子平均分成互成实物与镜象关系的两部分的平面对称中心(i)：若分子中有一点“i”，其中任何一个原子或基团向i连线在其延长线的相等距离处都能找到相同原子或基团，则i是该分子的对称中心。i交替对称轴(Sn):围绕某轴旋转360o/n，n=2,3,4…，然后对垂直于该轴的平面作反射，若得到与原化合物相同的分子，相应的轴成为n重交替对称轴。反射重合垂直于对称轴的镜面S4对称分子：具有σ、i分子。不对称分子：不含有任何对称要素的分子。手性分子一定不含有σ，i2、对称要素与分子的对称性非对称分子：仅具有Cn的分子。[α]27D=+42.9°[α]27D=-42.9°非对称分子不对称分子手性分子对映体旋光活性三、旋光化合物的分类

1、含碳原子手性中心的化合物：连在sp3碳上的取代基按四面体方式取向，当具有四个不相同的取代基时，分子是手性的，我们把这个碳原子称为手性中心。如2-丁醇。不是手性的分子叫做非手征的。2、含杂原子手性中心的化合物：如含硫、氮、磷手性中心，四价或三价角锥体翻转所需要的活化能较高，能将对映异构体分离。3、不含手性中心的手性分子分子中没有手性中心端位上连接的基团处于垂直平面旋转受阻4、取代的金刚烷螺旋产生的手性六螺烯四、立体构型表示方式及构型标记2、把排列次序最小的d放在距观察者最远的地方，其余三个基团放在离观察者较近的平面上。R－S构型标记法IUPAC

根据手性碳原子上四个不同原子或基团在次序规则中排列的次序来表示手性碳原子的构型。1、Cabcd：将手性碳原子相连的四个原子或基团按优先次序排列：a>b>c>d3、观察其它三个基的排列顺序：abc如果由大到小是顺时针排列的，是R型；反时针排列的，是S型。练习：判断下列物质的关系（对映体或同一物）？RSSa和b：对映体a和c：b和c：对映体相同物质SRC(O,O,H)C(O,H,H)transcis轴手性化合物的构型标记abbaaba顺时针,R型；逆时针,S型。RS[α]5D=+52°[α]5D=-52°1、含有一个手性中心的对映异构五、光学异构手性中心－C原子：同位素[α]25=-0.56手性中心－N原子：两种对映体因快速翻转相互转化，导致消旋。手性中心－其它杂原子：[α]27D=+92.4°[α]D=+16.8°2、含两个（或多个）手性中心的立体异构(2R,3R)(2S,3S)(2R,3S)(2S,3R)Fischer投影式：氧化态高的基团在上端。D-赤藓糖L-赤藓糖L-苏阿糖D-苏阿糖赤型(ery-)相同基团在同侧苏型(threo-)相同基团在反侧2-苯基-3-溴丁烷赤型苏型3、非对映异构不是物体与其镜象的关系的立体异构现象。非对映异构体的性质非对映异构体在化学和物理性质上是有差异性的。它们具有不同的熔点、沸点、折射率、溶解特性、偶极矩、比旋光度等等。内消旋体(meso)立体异构体的数目含1个*C2个对映体含2个*C2对对映体，4个光学异构体含3个*C4对对映体，8个光学异构体含n个*C2n个光学异构体（n为不同手性碳原子的数目）4、环状化合物的光学异构反式异构体对映体对顺式异构体对映体对非对映异构体非对映异构体内消旋体mp:130°反式(+)异构体mp:175°反式(-)异构体mp:175°对映体内消旋体反式异构体对映体第二节外消旋体的拆分拆分是把一个外消旋混合物分离成其具光学活性的组分的过程。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，一、常用的拆分方法：晶体机械分离法形成和分离非对映立体异构体微生物或酶作用拆分法色谱分离法等等1、晶体机械分离法原理:某些外消旋混合物中的（＋）－和（－）－对映体自发地形成可分辨的宏观晶体，那么在放大镜的帮助下借助镊子之类的工具来分离。适用范围：外消旋混合物，且两对映体晶体的区别可被看出来。优缺点：直接；过于繁琐，不能应用于外消旋化合物为无定形固体的情况。2、接种结晶拆分法：原理：在外消旋混合物饱和溶液中，用两对映体之一的晶体或其他旋光性化合物晶体小心接种并适当冷却，则其中一种对映体的晶体便会结晶析出适用范围：外消旋混合物优点：将该法与重结晶等其他方法合用可获得较好的分离效果例：DL－氯霉素的母体氨基醇的拆分10gDL－氨基醇和1gD－氨基醇溶解于100ml80oC水中，冷却至20oC后析出D－氨基醇1.9g，然后，将母液再加热至80oC，并加少量水让体积保持100ml，再溶解2gDL－氨基醇于其中，冷却至20oC，析出L-氨基醇2.1g，分批连续地溶解DL－氨基醇，可交替地分离出D－氨基醇和L－氨基醇。3、形成和分离非对映立体异构体的拆分原理：当对映体的酸或碱（＋）－A和（－）－A分别和旋光性的碱或酸（－）－B作用后，形成非对映体的两种盐：（＋）－A（－）－B（－）－A（－）－B由于两种非对映体的盐的溶解呈现出颇为明显的差别，于是可以重结晶的方法来分离，然后将得到的晶体分解从而得到所需的物质适用范围：含有可利用官能团的消旋体**拆分剂所必须具备的几个条件a.拆分剂和被拆分的物质必须容易发生反应，产物又容易被分解成原来的组分b.所形成的非对映立体异构体，至少二者之一必须能形成好的晶体，并且两个非对映异构体在溶解度上有可观的差别。c.拆分剂应尽量达到旋光纯态d.拆分剂必须是廉价的或容易制备的，或在拆分完成之后，能够容易地和接近于定量地回收*实例分析：2-苯基-3-甲基丁酸的拆分R-酸S-酸R-胺4、动力学拆分用来描述利用与旋光性试剂的选择性反应进行对映异构体分离的一个术语。它依靠对映异构体与手性试剂反应时速度的差别。一种手性分子与另一种手性分子反应的过渡态能量，对于每一种对映异构体来说都可以是不同的。如果一个外消旋混合物(R-分子+S-分子)与一个旋光性试剂（R-试剂）反应，那么两个过渡态（R-分子…R试剂和S-分子…R试剂）彼此具有非对映异构的关系。

微生物或酶作用下的拆分例：猪肾酰化酶I，它可催化所有普通氨基酸的N-乙酰化衍生物的不对称水解;猪肾酰化酶II，催化天门冬氨酸的N-乙酰化衍生物的不对称水解。动力学拆分的一类这些酶的缺点之一是很不稳定，在使用时要制备新鲜的制剂才能起作用。原理:利用酶是专一性的手性催化剂来使其中一个对映体分解从而只剩消另一个异构体达到分离的目的。例：（N－乙酰－DL－丙氨酸）

猪肾酰化酶I

（在母液中，用离子交换法分离提纯）1.乙酸乙酯提取2.酸水解5、色谱分离法的拆分高压液相拆分法：吸附剂：用手性的化合物，如淀粉、纤维素、环糊精等。手性吸附剂与一个被拆分的外消旋体中的（＋）－分子和（－）－分子分别形成两种吸附物：a）存在稳定性差别；b）具有非对映立体异构关系；c）满足其中之一被吸附得比较牢固，而另一个比较松弛。因此，在洗脱过程中，后者比较容易通过吸附柱先被洗脱，于是可以达到拆分外消旋体的目的。纸色谱拆分法：纤维素具有手性的结构，因此纸色谱分离法也可以被用于外消旋体的拆分。气相色谱拆分法：基本原理与液相色谱拆分法基本相同，不同之处：气相色谱法：流动相为气体（氢气、氦气等）作为携带体，进行气化的被拆分物的扩散和洗脱；液相色谱法：流动相为液体（各种溶剂）。第三节动态立体化学一、立体专一反应和立体选择反应1、立体专一性反应凡互为立体异构体的反应物在相同的条件下生成不同的立体异构产物的反应叫立体专一性反应。在这些立体专一过程中，起始物是一对立体异构体，产物彼此也是立体异构体。每个反应进行时，只得到单一一种立体异构体，而不混杂有另一种立体异构体。立体专一的反式消除反应（2S，3R）内消旋体立体专一的环氧化反应立体专一的SN2亲核取代反应2、立体选择性反应如果某一立体异构体作用物能同时生成几种立体异构体产物，其中一种的量超过其它立体异构体，这种反应称为立体选择性反应。消除反应的选择性服从扎依采夫规则，立体选择性归因于在形成过渡态时，位阻应尽量较小。氢化反应的立体选择性归因于产物的稳定性。亲核加成反应的立体选择性归因于-位的不对称诱导。构型保留：手性原子的空间排列在反应物和产物中是相同的。包括通过几次构型翻转而得构型保留产物的情况。构型翻转：手性原子的空间排列在反应物和产物中是对映异构的关系。亲核取代反应外消旋化作用经由平面的中间体中间体能以两边相等的几率被俘获外消旋化反应也可以通过角锥体的翻转作用和围绕碳-碳单键旋转的过程而发生。二、潜手性关系1、潜手性分子所发生的过程涉及到C（1）上的两个质子，则结果得到立体化学上不同的状态。1，3-丙二醇的C（1）是潜手性中心。2、潜手性面

乙醛羰基有两个面呈现在进攻试剂面前，这两个面彼此具有镜象关系。如果从某一个面方向看过去，取代基按递降序位的排列顺序是顺时针的，那么这个面就是re，如果是反时针的，那就是si。一个非手性试剂与一个具有潜手性面的分子反应时，将产生等量的对映异构体，得到无旋光性的产物。用一个手性试剂在潜手征面之间加以辨认是可能的，结果能产生旋光性的产物。由于作用物、试剂、催化剂、偏振光等因素产生不对称反应环境，使反应生成不等量的对映异构体产物的反应叫不对称合成反应。第四节不对称合成（手性合成）不对称合成的程度可用对映体过量百分数（%e.e.）和光学纯度百分率（%O.P.）表示所有的立体专一性反应和立体选择性反应均为不对称合成反应。%.e.e．是指一种对映体超过另一种对映体的百分数%O.P.为实测产物比旋光度与光学纯对映体的比旋光度之比光学纯(R)-苯基乳酸[α]D20=-36.6º，实测合成产物[α]D20=-6.6º%e.e.=（59-41）/（59+41）100%=18%光学纯的左或右旋体：

%e.e.=100%%O.P.=100%外消旋体:

%e.e.=0%%O.P.=0%若旋光度与对映体的组成成正比时，对映体过量百分数（%e.e.）和光学纯度百分率（%O.P.）相等。非对映体过量百分数（%d.e.）：%d.e.=([SS]-[SR])/[SS]+[SR]100%手性技术的发展阶段：（1）手性源的不对称反应；（2）手性助剂的不对称反应；（3）手性试剂的不对称反应；（4）不对称催化反应。不对称接力催化

AsymmetricRelayCatalysis（ARC）

Yu,J.;Shi,F.;Gong,L.-Z.Acc.Chem.Res.

2011,44,1156-1171.Chen,X.-H.;Yu,J.;Gong,L.-Z.Chem.Commun.

2010,6437-6448Han,Z.-Y.;Wang,C.;Gong,L.-Z.InScienceofSynthesis,AsymmetricOrganocatalysis;List,B.,Maruoka,K.,Eds.;GeorgThieme

Verlag:Stuttgart,2011,section2.3.6.概况不对称有机催化的烷基化反应

AlkylationofEnamide

ReactionMechanismGuo,Q.-X.;Gong,L.-Z.etalOrg.Lett.2009,11,4620-4623有机小分子与金属联合催化MetalcatalysisC-CactivationC-XbondactivationInactivatedC-CC=CactivationC-HbondactivationetcOrganocatalysisEnamine(enolizable

aldehydesorKetones)Iminium(unsaturatedaldehydesandketoneswithactivenucleophiles)Bronstedacids(Iminesorcarbonylswithactivenucleophiles)Nucleophiliccatalysts(Carbenes,phosphinesetc,aldehydesandactivatedC-Cdoublebonds)Phasetransfercatalysts(acidicnucleophileswithactiveC-XorC=XandactivatedC-CunsaturatedbondsThecombinationwillprovidemoreopportunitiestocreatenewchemistry!金属/有机双催化体系MetalandOrganocatalystsOperatesSequentially(RelayCatalysis)Relaycatalysisenablesnewenantioselectivetransformationsthateithermetalororganocatalystisunabletoaffordalone.Han,Z.-Y.;Wang,C.;Gong,L.-Z.InScienceofSynthesis,AsymmetricOrganocatalysis;List,B.,Maruoka,K.,Eds.;GeorgThiemeVerlag:Stuttgart,2011,section2.3.6.AsymmetricRelayCatalysis(ARC)withGold/B*-H分子内氢氨化/不对称氢化反应Han,Z.-Y.;Xiao,H.;Chen,X.-H.;Gong,L.-Z.J.Am.Chem.Soc.2009,131,9182-9183Forintermolecularreaction:Liu,X.-Y.;Che,C.-M.Org.Lett.2009,11,4204-4207汉斯酯季碳的构建氮杂内酯加成反应诱导的炔醇的环合金催化剂的筛选、氮杂内酯的扩展EntryAr(2)Au(I)Yield(%)dree(%)12a(Ph3P)AuMe9567/3363(36)22b(Ph3P)AuMe9368/3269(30)32c(Ph3P)AuMe6067/3350(35)42d(Ph3P)AuMe9172/2868(26)52e(Ph3P)AuMe8880/2091(37)62eL1AuMe9181/1990(34)72eL2AuMe9480/2091(30)82eL3AuMe9180/2092(35)92e(Ph3P)AuNTf29563/3716(45)102e(Ph3P)AuOBz9378/2289(34)112eL3AuMe9684/1695(33)a122eL3AuMe9985/1595(31)a,b烯炔：潜在的1,3-二烯体用于Diels-Alder反应

Strategyforcatalyticgenerationof1,3-silyloxydienes不对称接力催化氢化硅氧化/Diels-Alder反应Relaycatalyticcascadeintramolecular

hydrosiloxylation/asymmetricDiels-AlderReaction分子内氢化硅氧化反应：金催化剂的筛选entryAu(I)time(h)solventconv.(%)b2a/3a1Ph3PAuOTf5CH2Cl2>99<1:992Ph3PAuNTf25CH2Cl2>99<1:993Ph3PAuMe/4a5CH2Cl23350:50c455CH2Cl2>9985:15558PhCH3>99>95:5658PhF>99>95:5aUnlessindicatedotherwise,thereactionof1a(0.05mmol)wascarriedoutinpresenceofagoldcatalyst(6mol%)atroomtemperature.

bTheconversionofthereactionandtheratioof2a/3aweredeterminedby1H-NMR.c6mol%of4awasused.不对称接力催化氢化硅氧化/Diels-Alder反应:

手性布朗斯特酸的筛选ImprovetheEnantioselectivity底物拓展Han,Z.-Y.;Chen,D.-F.;Wang,Y.-Y.;Guo,R.;Wang,P.-S.;Wang,C.;Gong,

L.-Z.J.Am.Chem.Soc.2012,134,6532-6535不对称接力催化Friedländer

缩合/氢化反应FriedländerCondensationP.Friedländer,Berichte,1882,15,2572ReactionDesignoftheCascadeFriedländerCondensation/

TransferHydrogenation

FirstcombinationofPA*andLewisAcid:

J.Lv,X.Li,L.Zhong,S.Luo,J.P.Cheng,

Org.Lett.

2010,12,1096;J.Lv,L.Zhang,Y.Zhou,Z.Nie,S.Luo,J.P.Cheng,Angew.Chem.Int.Ed.2011,50,6610.Directconversion、StepEconomicalSynthesis汉斯酯OptimizationofReaction

Conditions

5ArLA3Yield

(%)dree

(%)5a9-Anthracenylnone3a3510/1905a9-AnthracenylMg(OTf)23a8312/190noneMg(OTf)23a----------a5bPhMg(OTf)23a993.5/17(6)5cSiPh3Mg(OTf)23a7016/1885d2-NaphthylMg(OTf)23a973.2/122(5)5e1-NaphthylMg(OTf)23a686.5/151(18)5f2,4,6-(i-Pr)3C6H2Mg(OTf)23a527/186(45)5a9-AnthracenylMg(OTf)23b76>20/1945a9-AnthracenylMg(OTf)23c517/1805a9-AnthracenylZn(OTf)23b49>20/1895a9-AnthracenylYb(OTf)33b64>20/1905a9-AnthracenylMg(ClO4)23b61>20/1945a9-AnthracenylFeCl33b3718/1925a9-AnthracenylNaAuClO43b1713/1935a9-AnthracenylSc(OTf)33b3017/190aOnlyquinoline(41%yield)wasisolated

Forreductionofmulti-substitutedquinoline:a)Rueping,Metal,Adv.Synth.Catal.

2008,350,1001;b)Du,D.M.etal

,Angew.Chem.Int.Ed.

2008,47,759

适用范围的拓展：

2-Aminobenzaldehydesandβ-KetoEsters

适用范围的拓展：

拓展到2-AminoPhenylKetones

•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。第五节构象与构象分析例：1,2-二溴-1,2-二苯乙烷PhCHBrCHBrPh内消旋体一对外消旋体实验事实：在碘化钾-丙酮溶液中脱溴反应时（E2），内消旋体比外消旋体快100倍。试用构象分析进行解释。一、开链饱和体系的构象•1、乙烷的构象

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。重叠式构象（顺叠式）交叉式构象（反叠式）乙烷的两种极限构象1212重叠式构象交叉式构象纽曼（Newman）投影式：乙烷不同构象的能量曲线图交叉式构象最稳定，重叠式构象最不稳定。2、正丁烷的构象对位交叉式（反叠式）部分重叠式（反错式）邻位交叉式（顺错式）全重叠式（顺叠式）将C1和C4看成甲基取代基，考察正丁烷沿C2和C3之间的σ键键轴旋转所形成的构象。正丁烷不同构象的能量曲线图室温时反叠式占70%，顺错式占30%反叠式顺叠式顺错式反错式

烷烃分子在晶态时呈锯齿形。这是由于在这种形态中，分子中每一个原子的构象都是呈反叠式的。此时的分子能量最低。3、其它开链体系的构象化合物旋转能障（kJ/mol）烷烃CH3—CH312.6CH3—CH2CH314.2CH3—CH(CH3)216.3CH3—C(CH3)319.7邻位交叉效应：

若只从范德华排斥作用考虑，对位交叉式构象应占优势，但某些分子却是邻位交叉式构象占优势。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。已经证实乙二醇的优势构象为邻位交叉式，这显然是由分子内氢键引起的。二、环己烷及其衍生物的构象１、环己烷的构象环状分子的张力包括扭转张力、偏离正常键角产生的角张力、和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，

椅式构象：是环己烷的优势构象，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；

船式构象：是一种不稳定的极端构象。虽能满足正常的正四面体键角，但非极性基团间严重重叠。

环己烷的六个成环碳原子不共平面，环内各个键角均为109.5°，是无张力环。椅型船型环己烷的椅型和船型构象：

环己烷中的碳氢键可分为两种类型，每个碳原子上有一个a键和一个e键，在环中上下交替排列。a键：直立键(竖键)e键：平伏键(横键)平伏键和直立键

椅型构象和船型构象可以互相转变。船型环己烷比椅型能量高30kJ·mol-1，常温下平衡体系主要以稳定的椅型构象存在。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。112233445566构象翻转一取代环己烷的取代基在e键上的构象稳定，占优势。取代基越大，这种优势越明显。R=CH3时，95%处于e键；R=(CH3)3C时，99.9%处于e键2、一取代环己烷的构象构象能：取代基处于ａ键上和ｅ键上的能量差。一些取代基的构象能ΔGo/kJmol-1。构象能构象能构象能CH37.1OCOCH32.5NHCOCH36.4CF38.8NH38.0OCH32.5N(CH3)28.8i-C3H79.0OC2H53.8N(CH3)310.1t-C4H923.1CO2H5.73、二取代环己烷的构象情况复杂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。讨论较为复杂分子的立体化学或构象问题的步骤：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，二甲基环己烷：1,2-二甲基环己烷、1,3-二甲基环己烷，还有1,4-二甲基环己烷互为构造异构体；顺-1,4-二甲基环己烷和反-1,4-二甲基环己烷互为构型异构体。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-1,4-二甲基环己烷但是，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