高等有机化学立体化学课件

高等有机化学立体化学课件第一页，共四十页，编辑于2023年，星期二第三章立体化学1874年Van‘tHoff建立了碳四面体结构学说，创立了立体化学的理论基础。1931年Pauling提出的杂化轨道理论，从理论上论述了甲烷的正四面体构型问题。化合物的结构特征基本上取决于分子中原子间相互连接的键的性质和它们在三维空间的排布，立体化学就是从静态与动态两方面论述分子三维结构及其在化学转化中的联系。本章重点在于介绍一些较新的立体化学术语和概念以及研究主题。立体化学的基本知识和概念的重要性是无论怎样强调都不会过分的。第二页，共四十页，编辑于2023年，星期二3.1同分异构体的分类同分异构可以分为构造异构和立体异构两大类。3.1.1构造异构分子的构造（constitution）取决于原子的种类、数量及它们之间的连接，即成键的形式。构造异构指分子中由于原子互相连接的方式和次序不同而产生的同分异构体。可以分为：

1）碳架异构如正丁烷和异丁烷；

2）位置异构如正丁醇和2一丁醇；

3）官能团异构如乙醇和二甲醚；官能团异构中的酮式／烯醇式能迅速互变，不易分离，故又特称为互变异构体。第三页，共四十页，编辑于2023年，星期二3.1.2立体异构----构象和构型1）构象异构仅仅通过单键的旋转或环翻转后分子中的原子在空间的不同排列方式就能相互转化的立体异构。

构象异构也可有对映和非对映两种光学异构

2）构型异构仅仅通过单键的旋转或环翻转不能使分子中某个原子在空间中的不同排列得以互相转化的立体异构。

构型异构又可分为顺反异构和光学异构两种立体异构是指分子的构造相同，但因分子中的原子在空间的位置或排列方式不同而引起的同分异构。可以分为构象（Comformation）和构型（configuration）两种。第四页，共四十页，编辑于2023年，星期二3.2对称元素、手性、前手性和立体源中心

分子中的对称元素

简单对称轴（Cn）当一条直线穿过一个分子并使这个分子以该条直线为轴旋转2／n角度后仍能与原来分子中的各原子（团）的空间排列相同，该直线为这个分子的简单对称轴。

对称面（）如果一个分子中的所有原子都处在一个平面上；或有一个穿过分子并能把它分成互为物体和镜像两部分的平面，这些平面称为这个分子的对称面。

对称中心（i）如果在所有穿过分子中心的直线上离中心成等距离处都有相同的原子（团），则此中心为对称中心。

交替对称轴(Sn）当一个分子围绕一个穿过此分子的轴旋转一定角度后（2／n），再把垂直于此轴的平面作为镜面而得到的镜像与原来的物体分子完全一样，该轴称为这个分子的交替对称轴。第五页，共四十页，编辑于2023年，星期二若分子中某一个原子（团）上的任意两个配体交换位置后即产生一个新的立体异构体时，这个原子（团）即被称为

立体源中心。第六页，共四十页，编辑于2023年，星期二3.3手性分子的种类2）三价手性原子的化合物如果氮原子上的孤对电子当作“虚”原子对待，则和三个不同基团结合的叔胺就成为一个手性分子，N是手性原子。

1）有一个手性碳原子的化合物

手性分子：中心手性、轴手性、螺旋手性和平面手性。中心手性分子有以下几种：第七页，共四十页，编辑于2023年，星期二4)金刚烷类带4个不同取代基的金刚烷类化合物12的结构实际上是一种扩展的正四面体，手性中心是高度对称的金刚烷中心，它也有光学活性。

3）有一个四配位非碳原子的化合物有一个正四面体构型的带4个不同原子（团）的非碳原子的分子。第八页，共四十页，编辑于2023年，星期二Caabb型分子中有一个C2和两个对称面，故一般无手性。但若将a和b都用桥（）连接起来，C2对称轴虽仍保留不变，但对称面已经不复存在，物像不叠合，中心碳原子不是不对称碳原子，但分子有轴手性，如13。同样，Caabb型分子有一个C3和3个对称面，但用桥连接起来后，整个分子就有手性，如14。轴手性（axialChirality）:当4个基团分两对围绕一个轴排列在平面之外，而各对基团上的基团都不同时产生的性。轴手性分子有以下几种:第九页，共四十页，编辑于2023年，星期二5）阻转异构体如果拥有邻位基团且足够大，以致两个苯基绕C一C单键的旋转受到阻碍而造成的光学异构体。拓展（科研）：苯在202nm处有一个较强的UV吸收，联苯UV的最大吸收入max在248nm处，这显示出由于联苯分子中两个苯环处在一个共轭体系中，使入max向长波方向移动。在联苯分子的邻位引入取代基则将影响到两个苯环的共平面性，UV上表现出入max向短波区移动。如2-甲基联苯入max为236nm,2,2-二甲基联苯的入max为224nm。第十页，共四十页，编辑于2023年，星期二3.4绝对构型、相对构型和旋光度3.4.1分子立体构型的表示方式在一个二维的纸平面上表示一个三维分子，可以采用下列几个方式：第十一页，共四十页，编辑于2023年，星期二规则定义：将手性碳原子上的四个原子按原子序数排列，将原子序数最小的原子放在后面，另外三个基团按原子序数由大到小的方向排列，若是顺时针的则构型为R，若是逆时针的则构型为S。3.4次序规则和构型的命名原子（团）的优先次序补充细则：1）如果和手性原子相连的两个基团的原子是相同的，则比较基团中的第二个原子。如C2H5要比CH3优先。2）重键可以看作多次和同一原子的结合，如CHO看作是碳和氧的两次相连，所以CHO要比CH2OH优先。3）同位素较重的原子和不饱和基团优先。如D比H优先，CH=CH2比CH(CH3)2优先。4）互为立体异构体时，顺式或R型比反式或S型优先。第十二页，共四十页，编辑于2023年，星期二轴手性化合物的命名：从手性轴的方向看去，先看到的基团为近端，后看到的基团为远端，近端上的基团次序优先于远端。然后按优先次序，从近端的大基团开始，沿近端的高低（a＞b）次序再到远端的大小基团（a’＞b’）若aba’是按顺时针方向排列，称为R型；若为逆时针方向排列，则称为s型。第十三页，共四十页，编辑于2023年，星期二3.4.2旋光度、旋光方向和构型旋光方向可用“+”或“一”表示。“+”为右旋“-”为左旋第十四页，共四十页，编辑于2023年，星期二3.5几组立体化学名词1)cis/trans

除双键有cis/trans异构外，在两个烯键之间的单键C(sp2）一C(sp2）也有s-cis和s-trans之分，在Die1S一Alder环加成反应中，只有s-cis构型的二烯47b才是可以发生反应的。第十五页，共四十页，编辑于2023年，星期二2)E/Z

双键顺反异构体之间的物理化学性质各不相等，但它不呈现光学活性。按照R/S优先规则可以将顺反异构体命名为E-（反式）和Z-（顺式）。虽然也有用词头顺或反的，当两个相同基团在同侧的为顺式，但顺／反和E/Z在许多情况下会不一致，所以应该用统一的E/Z来命名烯烃的顺反异构。第十六页，共四十页，编辑于2023年，星期二

3）苏式／赤式含有两个相邻手性碳原子的化合物常用苏式／赤式命名。赤式（erythro）、苏式（threo）的命名来源于赤鲜糖48和苏阿糖49。按照次序规则，人们把两个手性碳原子上较优原子（团）在同一侧的称为赤式（50)，在异侧的称为苏式（51）。二者是非对映异构体关系。第十七页，共四十页，编辑于2023年，星期二

4)out/in

某些三环二铵盐，氮原子位于桥头时，N一H键可在分子空腔的内部或外部而产生三种类型的立体异构。即out／out（外向／外向）、out／in（外向／内向）和in／in（内向／内向）。

科研拓展第十八页，共四十页，编辑于2023年，星期二5）endo/exo

多环桥化合物常用内型(endo-)/外型(exo-)表示取代基间的立体化学关系。首先选择好主桥，主桥按下列先后原则来选择：含杂原子；含较少的原子；饱和的桥；取代基较少或取代基按优先次序规则较小。a内型是表示取代基接近于两个未取代的桥中较长的桥，如内-降冰片54；外型则表示取代基接近于两个未取代的桥中较短的桥。

b如果两个桥中的一个桥含有官能团，则内型指该取代基接近于官能团，外型指二者距离相对远一点，如内-7-甲基-2-降樟脑55及其外型异构体56。第十九页，共四十页，编辑于2023年，星期二以下几个化合物中还有取代基之间的空间关系要给出。(暂时不用)第二十页，共四十页，编辑于2023年，星期二6）/

/被用来描述十氢化萘的相对构型，表示取代基与相近的环稠合处的氢位于异侧，表示取代基与之处于同侧。甾体环上的取代基的立体构型也常用/表示其向位，指位于面的上方，与角甲基同侧；-指位于平面的下方，与甾醇羟基异面，如甾醇57。第二十一页，共四十页，编辑于2023年，星期二3.6环烷烃的手性由于环的存在，限制了小环和普环、中环中C一C单键的自由转动。因此，当环上的氢原子被其他原子或基团取代时会出现立体异构现象。一元取代环丙烷是无旋光性的；在两个碳上有不同的取代基时，则会产生顺反异构和光学异构现象；两个取代基相同时，则只有顺反异构体，一对对映体和一个内消旋体。第二十二页，共四十页，编辑于2023年，星期二稠环体系:当两个环并联时会产生顺反异构体。十氢萘：反式异构体是通过两个e键、e键稠合成58不能发生环己烷中椅式构象的相互反转，分子是刚性的，环之间不能转变为a键、a键稠合。顺式异构体是通过两个e键、a键稠合成59

可以发生eaae的转换而成为不能相互重叠的对映体关系的两个构象。顺式异构体中两个并联碳上的氢相对较为靠近，有非键张力，因此不如反式稳定。当两个不同的环并联时，如二氢化茚的顺式异构体60是内消旋的，反式异构体61则有对映体存在，是外消旋的。第二十三页，共四十页，编辑于2023年，星期二三个环己烷并联后可以形成菲烷和蒽烷，由于环之间顺反立体关系的存在，能形成多种异构体。虽然各个环己烷部分仍以取椅式构象稳定，但某些异构体由于几何原因，其中的环己烷也可能取船式或其他构象式。在给出它们稳定的构象结构式时，可以先画出中间环的椅式构象，然后再根据环顺反并联的关系，给出越多的椅式构象越好。第二十四页，共四十页，编辑于2023年，星期二科研拓展对9,10一二氢蒽的构象分析表明，这并不是一个平面分子，9一取代基主要处于假直立位。第二十五页，共四十页，编辑于2023年，星期二3.7外消旋体、内消旋体和非对映异构体外消旋化：有旋光活性的化合物在物理或化学条件作用下失去旋光性成为两个对映的平衡混合物的过程。外消旋体:外消旋化过程中，手性碳原子上的两个基团互换位置，由R-变为S-，或由S-变为R-，光活性化合物中有一半在手性碳原子上发生两个基团互换就得到各一半的R-和S-构型的化合物混合物。因此，外消旋化必定伴随着键的断裂和再形成。第二十六页，共四十页，编辑于2023年，星期二内消旋体：有手性碳原子而又不是手性的分子。

71和72是一对对映异构体。69(70）与71或72互为非对映异构体关系，它们的分子中有部分重叠而部分是对映关系，65或66与67或68的关系也是这样。非对映异构体之间的物理性质和化学性质各不相同。差向异构体：在有多个立体中心的非对映异构体中只有一个立体中心不同的化合物。第二十七页，共四十页，编辑于2023年，星期二3.8构象分析1936年，Pitzer指出乙烷分子的C一C转动也需要克服一定的能障而并非完全自由进行，这就产生了构象这一概念。构象分析是讨论分子中因单键旋转或环翻转而产生的分子中原子（团）在空间的不同分布，涉及分子在不同环境下的完整的立体形象。在考虑围绕单键的旋转时要注意“单键”的含义。如，酰胺基中的C一N键就带有部分双键的特点；阻转异构体中的单键旋转的能垒就很高，围绕这根单键旋转实际上在室温时是不能实现的；但某些双键也可能带有很低的旋转能垒，等等。第二十八页，共四十页，编辑于2023年，星期二注意：有些分子中，分子内氢键经常会导致优先选择邻位交叉式，如乙二醇。在相邻的原子上有极性基团或未共享电子对时，也有利于它们排列在邻位交叉位置上，该现象称为邻位交叉效应。正丁烷分子：对位交叉式（最稳定）邻位交叉式（最不稳定）重叠反错式全重叠式第二十九页，共四十页，编辑于2023年，星期二碳环化合物环丙烷：环是平面的，但环碳之间是一个弯曲的香蕉状的键以减小键角的张力；环丁烷：主要以“蝴蝶式”构象（80）存在，其中两翼之间的夹角为20°；环戊烷：两种皱褶式构象，一种是扭曲式81a，其中三个碳原子在一个平面里，另外两个碳原子分别处于该平面的上下；另一种是信封式81b，其中相邻四个碳原子在一个平面内。信封式构象能量较低，稳定性也较好。注意：环丁烷和环戊烷是快速振动互变的非平面构象极限式的混合物。因为在它们的平面构象里，所有的CH2都为重叠式构象，因此键张力使它们成为皱摺构象，尽管这会增加键角张力但总的张力减小。第三十页，共四十页，编辑于2023年，星期二六元环结构：最稳定的构象是椅式82a，这样的构象中所有的键都是交叉式，角张力和扭转张力都极小，是能量最低、最稳定的构象结构。环己烷的另一种没有角张力的构象是船式82b。但船式构象中1,4一碳上两个氢之间的距离较短，相距仅0.183nm，比两个氢原子的范氏半径之和0.24nm小，因此存在较大的非键张力，远不如椅式稳定。

第三十一页，共四十页，编辑于2023年，星期二Barton规则：多取代的环己烷中总是以占有较多e键向位的为优势构象，其中又以作用较大的基团优先占有e键为一般规律。常见基团的这种位于e键向位的优势顺序一般有下列规律：But>＞苯基＞环己基＞异丙基＞正烷基；NH2,HO2C>NO2>OH>X;AcO,MeO>HO>I>Br、C1>F、CN>H。一般说来，烷基基团总是倾向于排列在平伏键上，而极性取代基的体积大小对键的取向不是那么敏感。

第三十二页，共四十页，编辑于2023年，星期二取代六元环的补充要点1当考虑取代环己烷的构象稳定式时还需注意其他影响因素，如1,4一二取代基可以形成分子内氢键时，船式构象会更稳定84；反式一1,3一二叔丁基若取椅式构象则必会有一个取代基处在a键；而取船式构象则都能处于e键向位85，顺式一1,3一环己二醇由于分子内氢键则取a键向位更有利86.第三十三页，共四十页，编辑于2023年，星期二异头效应：杂原子（O、N、S）取代的环己烷中，-电负性取代基将主要占有a键构象。同样现象在亚甲基取代环己烷和环己酮体系中也能观察到。如5-取代1,3-二氧六环中，5-取代基以a键存在的构象87为主要成分。杂原子-位极性取代基也以a键为主，如-吡喃葡萄糖苷88a的成分在平衡态中比-吡喃葡萄糖苷88b多。这可能是因为极性原子上的孤对电子能与-碳和另一个相邻杂原子之间的反键轨道有作用。取代六元环的补充要点2第三十四页，共四十页，编辑于2023年，星期二1R一甲基-4S一异丙基一3S一氯代环己烷（91）1R一甲基-4S-异丙基－3R一氯代环己烷（92）发生消除反应后得到不同的产物组成，且91的反应快。仔细分析一下它们各自的构象可以发现，91分子中的氯原子处于a键时，C（2）和C（4）上有反向a键键联的氢原子，此时较大的异丙基位于e键，有两个方向消除HCI得到两个产物。92中，当氯原子处于a键时，只有C（2）位上有反向a键的氢原子，C（4）上的氢原子位于e键。C（4）-H和Cl不呈反式共平面关系，不能发生消除反应，故只生成脱去C（2）上的氢形成的一个产物。同时可以看出，92分子中发生消除HCI的构象分子中大基团异丙基位于a键，由于环己烷1,3一张力的