立体化学原理

立体化学原理第1页/共77页概论有机化合物分子中，由于原子或原子团在空间位置排布不同而出现的顺反异构、旋光异构以及构象异构，统称为立体异构。异构构造异构立体异构顺反异构旋光异构构象异构第2页/共77页判断异构体的方法两种异构体A和BA和B分子中的原子具有相同的链接顺序吗？是否构造异构体立体异构体A和B具有相互不能重合的实物与镜像关系吗？否是非对映异构体对映异构体第3页/共77页2.1对称性与分子结构化合物的对称性可以用对称元素加以确定。对称元素可以分为：对称元素对称轴（用Cn表示）：绕该轴旋转360°/n，n=2、3、4……，重复出现化合物，则称为n重对称轴对称面（用α表示）：相对于某一平面左右对称。对称中心（用i表示）：围绕某一中心四面对称。更迭对称轴（用Sn表示）：围绕该轴旋转360°/n，n=2、3、4……，然后对垂直于该轴的平面反射，若与原化合物相同，则称为n重更迭对称轴。第4页/共77页☞对称因素

(1).对称面

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像，这个平面就是分子的对称面。第5页/共77页(2).对称中心

若分子中有一点，通过该点画任何直线，如果在离此点等距离的两端有相同的原子，则该点称为分子的对称中心。(3).对称轴

以设想直线为轴旋转360。/n，得到与原分子相同的分子，该直线称为n重对称轴(又称n阶对称轴)。第6页/共77页(4).四重交替对称轴(旋转反映轴)

如果一个分子沿轴旋转90，再用一面垂直于该轴的镜子将分子反射，所得的镜像如能与原物重合，此轴即为该分子的四重交替对称轴(用S4表示)。第7页/共77页结论：A.有对称面、对称中心、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。

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。

所以，既无对称面也没有对称中心的，一般可判定为是手性分子。第8页/共77页S1=S2=i判别手性分子的依据有更迭对称轴无手性旋转+反射更迭对称轴(Sn)（或旋转反射轴）有对称中心无手性倒反对称中心(i)（或反演中心）不能作为区别手性的依据旋转对称轴(Cn）有对称面无手性反映（射）对称面（）判别手性的依据对称操作对称元素第9页/共77页立体结构锲形式投影式Fischer投影式构型的表示法Fischer投影式知识回顾第10页/共77页使用Fischer投影式的注意事项：

(1)不能离开纸面翻转。可以沿纸面旋转180，但不能旋转90

或270。

(2)基团两两交换次数不能为奇数次，但可以是偶数次。

第11页/共77页第12页/共77页构型标记法：

1.D/L标记法D-(+)-甘油醛L-(-)-甘油醛以甘油醛为基础，通过化学方法合成其它化合物，如果与手性原子相连的键没有断裂，则仍保持甘油醛的原有构型。例D-(+)-甘油醛D-(-)-乳酸H

O第13页/共77页2.R/S标记法第14页/共77页D,L标记的是相对构型，R,S标记的是绝对构型绝对构型能真实代表某一光活性化合物的构型（R、S）与假定的D、L甘油醛相关联而确定的构型。相对构型注意：无论是D,L还是R,S标记方法，都不能通过其标记的构型来判断旋光方向。因为旋光方向使化合物的固有性质，而对化合物的构型标记只是人为的规定。目前从一个化合物的构型还无法准确地判断其旋光方向，还是依靠测定。第15页/共77页偏振光和比旋光度

光是一种电磁波，光波的振动方向与光的前进方向垂直。

如果让光通过一个象栅栏一样的Nicol棱镜(起偏镜)就不是所有方向的光都能通过，而只有与棱镜晶轴方向平行的光才能通过。这样，透过棱晶的光就只能在一个方向上振动，象这种只在一个平面上振动的光，称为平面偏振光，简称偏振光或偏光。

第16页/共77页

那么，偏振光能否透过第二个Nicol棱镜(检偏镜)取决于两个棱镜的晶轴是否平行，平行则可透过；否则不能通过。如果在两个棱镜之间放一个盛液管，里面装入两种不同的物质：第17页/共77页结论：

物质有两类：

（1）旋光性物质——能使偏振光振动面旋转的性质，叫做旋光性；具有旋光性的物质，叫做旋光性物质。

（2）非旋光性物质——不具有旋光性的物质，叫做非旋光性物质。

旋光性物质使偏振光旋转的角度，称为旋光度，以“”表示。第18页/共77页但旋光度“”受温度、光源、浓度、管长等许多因素的影响，为了便于比较，常用比旋光度[]来表示：[]lt×=caal式中：α

为旋光仪测得试样的旋光度；

c为试样的质量浓度，单位g.ml1;

l

为盛液管的长度，单位

dm

。

t测样时的温度。为旋光仪使用的光源的波长(通常用钠光，以D表示)。比旋光度表示：盛液管为1分米长，被测物浓度为1g/ml时的旋光度。

第19页/共77页2.2旋光类化合物的分类旋光化合物的分类1.含有手性碳原子的化合物2.含有其他手性原子的化合物3.含有三价的手性原子的化合物4.含有手性轴原子的化合物5.含有手性面的化合物第20页/共77页1.含有手性碳原子的化合物

还以乳酸为例，它含有一个手性碳原子，有手性，具有旋光性，有一对对映体。发酵得到的乳酸是左旋的，其比旋光度为，肌肉运动产生的乳酸是右旋的，其比旋光度为。从酸奶中得到的乳酸无旋光性，它是等量的左旋乳酸和右旋乳酸的混合物，叫外消旋体(常用±或dl表示)。外消旋体是混合物。第21页/共77页

(S)-(+)-乳酸(R)-()-乳酸()-乳酸

mp53oCmp53oCmp18oC[]D=+3.82[]D=-3.82[]D=0pKa=3.79(25oC)pKa=3.83(25oC)pKa=3.86(25oC)151515外消旋乳酸第22页/共77页2.含有其他手性原子的化合物。分子中含有四个键指向四面体的四个顶点的原子，若四个基团不同就有旋光性。3.含有三价的手性原子的化合物。棱锥结构的分子中，中心原子若与三个不同基团相连会产生旋光性。1618

砜类化合物例：铵类化合物第23页/共77页....

膦化合物亚砜化合物4.含有手性轴的化合物。含有手性轴的分子，虽然没有手性中心，但是分子整体具有手性，能以一对对映体存在。第24页/共77页例如：（1）丙二烯型的旋光异构体（A）两个双键相连第25页/共77页(B)一个双键与一个环相连（1909年拆分）(C)螺环形[]D=81.4o(乙醇)25第26页/共77页有少数分子既没有手性中心也没有手性轴，但分子整体具有手性，能以不能重合的物体与镜像结构存在，这类分子可看成是含手性面的分子。在这类分子中有以部分结构处于同一平面内，由于它的存在使分子产生手性，这个平面称为手性面。某些柄型化合物和螺烯类化合物分子中存在手性面。

例如：第27页/共77页蒄（无手性）六螺并苯（有手性）第28页/共77页2.3含有两个及多个手性碳原子化合物的旋光异构含有两个手性碳原子的化合物（1）含两个相同手性碳原子的化合物（AA型）AA型AB型

2，3–二羟基丁二酸（洒石酸），因第三碳原子和第二碳原子上连接的4个原子或基团，都是–OH、–COOH、–CH（OH）COOH、–H，，所以洒石酸是含两个相同手性碳原子的化合物。它和含两个不相同手性碳原子的四碳糖不同，只有三种构型。因其中赤型特征的分子，有对称面和对称中心，这两个手性碳原子所连接基团相同，但构型正好相反，因而它们引起的旋光度大小相等，方向相反，恰好在分子内部抵消，所以不显旋光性。

D–（－）–

酒石酸2S，3SL–（+）–

酒石酸2R，3Rmeso–

酒石酸2R，3S第29页/共77页

像这种分子中虽有手性碳原子，但因有对称因素而使旋光性在内部抵消，成为不旋光的物质，称为内消旋体。内消旋体和对映体的纯左旋体或右旋体互为非对映体，所以内消旋体和左旋体或右旋体，除旋光性不同外，其它物理性质和化学性质都不相同。例如：第30页/共77页（2）含两个不相同手性碳原子的化合物（AB型）2，3，4–

三羟基丁醛，分子中具有两个不相同的手性碳原子。2号位手性碳原子连接的4个原子或基团分别是–OH、–CHO、–CH（OH）CH2OH、–H，而3号位手性碳原子连接的4个原子或基团分别是–OH、–CH（OH）CHO、–CH2OH、–H。这是两个不同的手性碳原子。由于每一个手性碳原子有两种构型，因此该化合物应有4种构型。它们的4个光学异构体的费歇尔投影式表示如下：OHHCHOCH2OHHOHHOHCHOCH2OHHHOHOHCHOCH2OHOHHHOHCHOCH2OHHHO

①②③④

D-（－）-赤藓糖L-（+）-赤藓糖D-（－）-苏阿糖L-（+）-苏阿糖（2R，3R）-赤藓糖（2S，3S）-赤藓糖（2S，3R）-苏阿糖（2R，3S）-苏阿糖第31页/共77页知识补充赤式和苏式。

赤式苏式第32页/共77页OHHCHOCH2OHHOHHOHCHOCH2OHHHOHOHCHOCH2OHOHHHOHCHOCH2OHHHO

①②③④

D-（－）-赤藓糖L-（+）-赤藓糖D-（－）-苏阿糖L-（+）-苏阿糖（2R，3R）-赤藓糖（2S，3S）-赤藓糖（2S，3R）-苏阿糖（2R，3S）-苏阿糖对映体对映体①和②或③和④等量混合，构成外消旋体。

当一个手性碳上三个基团和另一个手性碳上的三个基团相同时，异构体中有一个对称面时，不具有旋光性，这个异构体成为内消旋体。

含有n个手性碳的化合物，可能有2个旋光异构，但是因为有内消旋体，而是旋光异构体数目小于2个。nn第33页/共77页2.4构型保持与构型反转⑴构型保持一个分子转变成另一个具有相同构型的分子，称为构型保持。例如：在吡啶中，（S）-1-苯基-2-丙醇与对甲基磺酰氯反应，生成（S）-对甲基磺酸-（1-甲基-2-苯基）乙酯，底物和产物构型相同。在此反应中，反应的位置未涉及反应中心碳原子（在此分子中是手性碳原子）键的断裂，即未发生C*-C、C*-H、C*-O键的断裂，因此构型保持。第34页/共77页有些反应，起始底物与最终产物的构型相同，但并非一步完成，而是通过几次构型翻转而得，这种情况也属于构型保持。例如：上述例子是最初底物经两次构型翻转后使最终产物的构型保持。第35页/共77页⑵构型反转一个分子的构型转变成另一个具有相反构型的分子，称为构型反转。例如，在丙酮溶液中（+）-2-碘辛烷与放射性128I-(用*I-表示)的反应，溶液的光学活性逐渐趋向于零，反应最终得到旋光方向相反的（－）-2-碘辛烷。这是由于*I-从背面进攻碘原子所连接的碳原子，使产物的构型与底物的构型相反，即由原来的R转变为S，发生构型反转。第36页/共77页醇的取代和构型转化常用Mitsunodu反应。第37页/共77页2.5外消旋化旋光物质（左旋体或右旋体）转变为不旋光的外消旋体的过程，称为外消旋化，简称消旋化。外消旋化通常在两种情况下发生：①长期放置发生外消旋化，例如，（+）-苯基溴乙酸放置三年后旋光性完全消失，这种过程称为自动外消旋化；②在物理或化学因素（光、热或化学试剂）作用下发生外消旋化。由于化合物的类型和反应条件不同，外消旋化途径不同。常见的外消旋化途径有以下三种。第38页/共77页⑴由于反应过程中发生烯醇化从而导致消旋化例如：（R）-3-苯基-2-丁酮在酸或碱的乙醇水溶液中发生的外消旋化就是由于该酮烯醇化而引起的。⑵由于反应过程中生成碳正离子而消旋化例如：（S）-α-氯代乙苯的碱性水解，生成不旋光的α-苯乙醇。第39页/共77页⑶由于反应过程中生成自由基而消旋化例如：2-苯基-2-苯偶氮基丁烷在异辛烷中加热，则有26%的消旋化。

在含有多个手性碳的化合物中，使其中一个C*发生构型转化的过程称为差向异构化。如果使端基的C*发生构型转化，则称为端基差向异构化。第40页/共77页1.化学法利用一个手性试剂与外消旋体作用，生成两个非对映异构体，再根据两个非对映异构体物理性质的不同将其分开，分离后再将两个对映体复原。具体图示如下：2.6外消旋体的拆分将外消旋体拆成左旋体和右旋体两个组分，成为外消旋体的拆分。第41页/共77页

例如：为了拆分外消旋体的酸，可用一种旋光性的胺使之生成非对映体的盐，反之要拆分外消旋体的胺，则可用一种旋光性的酸，下面是2-苯基-3-甲基丁酸的拆分过程。第42页/共77页（1）拆分剂与被拆分物之间易反应合成,

又易被分解。（2）两个非对映立体异构体在溶解度上有可观的差别。（3）拆分剂应当尽可能地达到旋光纯度。（4）拆分剂必须是廉价的，易制备的，或易定量回收的。拆分试剂的条件第43页/共77页1gR氨基醇5gS+5gR氨基醇饱和液（80℃，100ml）析出2gR

氨基醇（余下4gR,5gS）分去晶体，剩下母液过滤加水至100ml冷却至20℃80℃加2g消旋体冷却至20℃2gS氨基醇析出2.接种结晶析解法在外消旋混合物的饱和溶液中，加入一种纯的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。

一个例子：第44页/共77页3.生物化学法利用微生物或酶在外消旋体的稀溶液中生长时破坏其中一种对映体比另一种快的方法，分离出其中一种对映体。例如，在LD-氨基酸中加入酵母，因酵母易与L-氨基酸作用而剩下D-氨基酸。又如1-（α-呋喃）乙醇的外消旋体在脂酶催化下进行酰基化，其中S构型异构体未作用，这样所得2种产物极性不同，很容易通过柱层析分离纯化。另一个例子：第45页/共77页2.7立体专一反应和立体选择反应立体专一反应是指：在相同的反应条件下，由立体异构的起始物得出立体异构的不同产物。立体选择性反应是指：在特定反应中，单一一种反应物能够形成两种或更多种立体异构产物，但观察到的是其中一种异构体的形成占优势。第46页/共77页2.7.1立体专一反应

对烯的立体专一加成反应：在相同的反应条件下，由立体异构的起始物得出立体异构的不同产物，立体专一过程中，起始物都是立体异构体．如：二溴卡宾对双键的加成，产物也是立体异构体．如（1）环氧化反应：

第47页/共77页（2）SN2亲核取代反应（3）双键的双羟基化反应第48页/共77页2.7.2立体选择反应

反应中一种反应物能够形成两种以上的立体异构产物，但观察到的是其中某一异构体产物的比例占优势。例如：这种结果的形成过程如下：第49页/共77页２.８潜手性分子一个对称的非手性分子，经过一个基团被取代或发生其他反应的过程，失去其对称性而成为一个非对称的手性分子，这种对称的分子即称为“原手性分子”或“潜手性分子”．而发生反应的对称碳原子则是“原手性碳原子”或称“潜手性碳原子”．例如，丙酸是非手性分子，但若将其α碳上的一个氢用羟基取代，就会转变成有手性的乳酸分子．因此，称丙酸分子为潜手性分子，分子中的α碳为潜手性中心，称连接在此碳上的两个氢是异位的。第50页/共77页有些化合物分子的碳原子为ＳＰ２杂化，具有平面结构，当这类化合物发生加成等反应时，碳原子由ＳＰ２杂化转变成ＳＰ３杂化，试剂从分子的不同面进攻时，可能产生不同的手性异构体．例如，丙乙酮分子有一个对称面通过羰基，一侧叫做“Ｒ”面，另一侧叫做“Ｓ”面，所谓Ｒ面是指平面上所连的三个基团按它们的次序大小以顺时针方向排列的着这面，反之是Ｓ面．．第51页/共77页在苯乙酮中，羰基是不饱和的，若与氢加成可得到α-苯乙醇，它是一手征性化合物，还原反应产物是外消（＋）α-苯乙醇，因为氢从分子“Ｓ”面或“Ｒ”面进攻羰基的机会在一般还原条件下是一样的．但在特殊的还原条件下，例如酶催化下还原，α-苯乙酮可以选择性地得到（Ｒ）-α-苯乙醇．因为酶本身是手征性的，它与苯乙酮作用时选择适合的某一面，因而产物是以某一构型为主．第52页/共77页■又如，γ-氯代乙酰乙酸辛酯经面包酵母还原可得到（Ｒ）-γ-氯代-β-羟基丁酸辛酯，后者经取代和水解两步可得到Ｌ－肉碱．它是一种健康的食品添加剂：2.9不对称合成一个非手性试剂与一个呈现对映异构位面的分子反应时，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性面之间加以辨认是可能的，结果能产生旋光性的产物。第53页/共77页非对映异构位如果一个分子中名义上相当的两个配基被一个试探基团取代后产生的分子是非对映异构的，那么这些配基就是非对映异构位的。类似地，如果进攻三角式原子的一面产生的分子与进攻另一面所产生的分子是非对映异构体，那么这两个面就是非对映异构位面。非对映异构位配基的一个重要性质是：它们对于非手性试剂和手性试剂在化学上都是不等当的，并且它们能用物理测试法来加以区别，尤其是NMR波谱法用得多。

第54页/共77页2.10构象分析分子将采取能量最低的几何形状，这种几何形状是通过围绕单键的旋转而达到的。某一分子依靠键旋转所能达到的各种几何形状称为构象。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，称为构象分析．第55页/共77页2.10.1开链体系的构象分子内氢键也使邻位交叉式构象比对位交叉式构象稳定，如邻二醇就有这种氢键，并经乙二醇、丁二醇、已二醇的IR证实。

第56页/共77页在某些卤代烃中范德华力显然属于吸引性的。氯代正丙烷达成平衡时，邻位交叉式构象略比对位交叉式构象占优势。在邻位交叉式构象中，甲基和氯之间的距离接近于它们的范德华半径之和，它们之间有着起稳定作用的伦敦力，邻位交叉式的能量之所以比较低，认为是这种力作用的结果。第57页/共77页围绕烯的sp2-sp3键的重叠式构象占优势是一个普遍现象，如1-丁烯：

构象A和B为重叠式，C和D为交叉式。稳定的旋转异构体是重叠式构象A和B。构象B（氢重叠式）比A（甲基重叠式）更稳定一些。焓差大约为0.15千卡/摩尔。第58页/共77页总结对简单烃类化合物来说，交叉式构象相当于势能极小值，重叠式构象相当于势能极大值。交叉式构象中的对位交叉式比邻位交叉式稳定。①含有相同取代基的多取代环己烷有较多取代基占据e键（平伏键）的构象是优势构象—Hassel规则。②含有不同取代基的多取代环己烷有较多大取代基（作用强的基团）占据e键（平伏键）的构象是优势构象—Barton规则。第59页/共77页在1，3-丁二烯的构象中，两个双键是共平面的，以便使电子离域时作有效的轨道重叠。

1，3-丁烯的两种共平面构象称为S-反式-S-顺式。S-反式构象是1，3-丁二烯的最稳定的构象。第60页/共77页羰基化合物的优势构象也是重叠式而不是交叉式，对醛、酮来说与羰基重叠的是烷基而不是氢，这种情况在酮中比在醛中更明显。当取代基具有异常的空间要求时：第61页/共77页α,β不饱和羰基化合物与1,3-二烯类似，要有利于体系C=C-C=O中各原子的共平面性的。重要的旋转异构体是s-反式和s-顺式构象。当存在不利的范德华相互作用时：第62页/共77页环己烷及衍生物的构象

环己烷最稳定的构象是椅式，这个椅式比起利用四面体分子模型所得到的椅式稍微平展一些。与“理想的”椅式构象60°的扭转角相比，它的扭转角为55.9°，并且直立式C-H键不是完全平行的，而是向外偏出7°左右。C-C键是1.528Å，C-H键是1.119Å

和C-C-C角是111.05°。第63页/共77页环己烷的另外两个具有正常键角和键长的构象是扭式和船式。扭式和船式构象都不如椅式构象稳定。由于重叠式相互作用使扭式和船式的扭转张力增加而变得不稳定，扭式构象的张力能为5千卡/摩尔左右，船式构象的张力能为6.4千卡/摩尔左右，都比椅式构象的能量大。此外，船式构象由于两个“船头桅杆”氢之间的范德华排斥作用而变得更加不稳定了。这两个氢彼此相距约1.83Å，这个距离比它们的范德华半径之和2.4Å小得多。第64页/共77页环己烷由于围绕碳-碳键的旋转而使椅式之间的互相转化称为构象翻转。如图所示：第65页/共77页取代基对环己烷环的构象翻转速度并不产生很大的影响，但却影响各椅式间的平衡分配比。在一种椅式构象中处于直立式的全部取代基，在环翻转中都变为平伏式，反之亦然。

第66页/共77页1,3-双直立式相互作用，在直立式甲基构象异构体中，范德华排斥作用主要发生在甲基和C(3)与C(5)上的直立式氢之间，这种相互作用叫做1,3-双直立式相互作用。彼此处于1,3-