高等有机化学第二章立体化学

高等有机化学第二章立体化学第一页，共六十八页，编辑于2023年，星期二2.1对映异构关系

手性（chirality）是用来描述一种物体和它的镜象不能重叠时一个名称，历史上手征性和旋光性非常密切相关，化学家们能互换地使用旋光的和手征的这两种描述方法。旋光性是手征分子的一种性质，即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。一个旋光性的分子一定是手征的，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。第二页，共六十八页，编辑于2023年，星期二手征中心

碳手征中心：连在sp3碳上的配基按四面体方式取向，当具有四个不相同的配基时，分子是手征的，我们把这个碳原子称为手征中心。如2-丁醇是手征的，而乙醇却不是。不是手征的分子叫做非手征的。第三页，共六十八页，编辑于2023年，星期二手征中心除了碳手征中心外，还有硫、磷、氮手征中心，如具有三个不同取代基的胺原则上是能够有旋光性的因为它们是手征的，但是角锥体翻转所需要的活化能太小，以致不能将对映异构体分离。当它变为季胺盐时，就不能翻转而变成手性的。

第四页，共六十八页，编辑于2023年，星期二手性的描述

手性可以用菲舍尔（Fischer）惯用法（D，L）或凯恩-英格尔德-泼莱劳格（Cahn-Ingold-Prelog）惯用法（R，S）来描述。注意：分子的旋光度符号和构型（D，L）之间没有简单的关系。不是都象甘油醛那样D-是右旋，L-是左旋；例如，L-丙氨酸这个氨基酸是右旋的。第五页，共六十八页，编辑于2023年，星期二手性的描述因此，D，L与R，S以及旋光度的左旋，右旋它们彼此之间没有必然联系。

第六页，共六十八页，编辑于2023年，星期二不含手性中心的手性分子手性轴和手性面的化合物，如某些旋光性的丙二烯、联芳基、亚烷基环己烷就是轴型非对称分子的例子（手征轴）。反式环烯可作为分子中有非对称性面的例子。

第七页，共六十八页，编辑于2023年，星期二手性因素与手性化合物的关系含有手性中心等手性因素的化合物不一定是手性化合物：如果该化合物含有对称中心，对称面等对称因素则是非手性的。1,2-二甲基环丁烷的三个可能的立体异构体是：第八页，共六十八页，编辑于2023年，星期二立体异构体的数目手征中心的数目和立体异构体的数目之间不存在一个简单的一般关系，因为某些式子可以和它们的镜象重叠。当不存在这些情况时，具有n个不同的不对称中心的体系可能有的立体异构体的数目是2n个。第九页，共六十八页，编辑于2023年，星期二2.2非对映异构关系

2.2.1非对映异构体它们之间不是物体与其镜象的关系的立体异构体。第十页，共六十八页，编辑于2023年，星期二非对映异构体的性质非对映异构体在化学和物理性质上可以是不相同的。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。在非对映异构体中可以把每个手征中心按顺序规则规定为R或S。第十一页，共六十八页，编辑于2023年，星期二2.2.2拆分和动力学拆分

拆分是把一个含有等量对映体的混合物（称为消旋体或外消旋混合物）分离成其组分的过程。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，

第十二页，共六十八页，编辑于2023年，星期二2-苯基-3-甲基丁酸的拆分为例第十三页，共六十八页，编辑于2023年，星期二拆分的分类化学拆分：这种拆分试剂与消旋体发生反应而进行的拆分称为化学拆分。包结拆分：如果利用拆分试剂与消旋体之间的物理作用，比如生成氢键等而将其拆分开来，叫包结拆分。动力学拆分

第十四页，共六十八页，编辑于2023年，星期二动力学拆分

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征试剂反应时速度的差别。一种手征分子与另一种手征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。

第十五页，共六十八页，编辑于2023年，星期二动力学拆分第十六页，共六十八页，编辑于2023年，星期二酶拆分也是动力学拆分的一类

第十七页，共六十八页，编辑于2023年，星期二2.3动态立体化学

2.3.1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。第十八页，共六十八页，编辑于2023年，星期二某些立体专一反应

对烯的立体专一加成反应：如环氧化反应

亲核取代反应

第十九页，共六十八页，编辑于2023年，星期二某些立体专一反应

消除反应：如脱卤化氢反应氧化胺的热解反应第二十页，共六十八页，编辑于2023年，星期二某些立体专一反应在这些立体专一过程中，起始物都是一对对立体异构体，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。第二十一页，共六十八页，编辑于2023年，星期二某些立体选择性反应

第二十二页，共六十八页，编辑于2023年，星期二构型保留：在反应中立体化学方面有意义的原子的空间排列在反应物和产物中是相同的。构型转变：在反应中立体化学方面有意义的原子的空间排列在反应物和产物中是对映异构的关系。如果在生成产物过程中反应物失去了立体化学的完整性，那么这个反应进行时发生外消旋化作用。如果仅仅丧失一部分立体化学完整性的许多反应实例，我们把它称为部分外消旋化作用。第二十三页，共六十八页，编辑于2023年，星期二有机分子发生外消旋化作用时最常见的机理过程是：从不对称碳原子处断裂掉一个配基而得出一个平面的三配位中间体。当不存在象非对称溶剂化作用这样特殊的效应时，这样一个中间体能以两边相等的几率被俘获，结果产生等量的对映异构体产物。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。第二十四页，共六十八页，编辑于2023年，星期二2.4潜手征关系2.4.1同位配基

如果在反应过程中C（2）上的一个质子被另一个配基（例如氘）所取代，则两种可能的取代方式产生同一种产物。所以C（2）上的两个质子在拓扑学上和在化学上都是相当的，它们被称为同位配基。第二十五页，共六十八页，编辑于2023年，星期二2.4.2异位配基

如果所发生的过程涉及到C（1）上的两个质子，则结果应得到立体化学上不同的状态。氘取代C（1）上的质子产生一个手征性产物1-氘-1，3-丙二醇：第二十六页，共六十八页，编辑于2023年，星期二C（1）上的两个质子在拓扑学上是不相当的，因为一个氢被取代产生的产物与另一个氢被取代而产生的产物是不同的，它们是立体异构体。这种类型的配基称为异位的，（heteortopic）,并且由于取代的产物是对映异构体的(enantiotopic).1，3-丙二醇的C（1）和C（3）都是潜手征中心（prochiralcenters）.如果一个点配基被一个新的点配基取代时产生一个手征组合体(chiralassembly),则原来的组合体就是潜手征的。第二十七页，共六十八页，编辑于2023年，星期二用字母pro-R和pro-S来规定手征分子中的异位配基选取潜手征中心上的一个异位配基，并且认为它比另一个异位配基有较高的序位，而不打乱其余配基的序位。如果应用顺序规则的结果是：潜手征中心的构型规定为R,则所选的配基是pro-R.如果这个潜手征中心是S，则所选配基是pro-S。对映异构位的原子或基因，除了对手征试剂的作用以外，在一切化学性质方面都是等当的。第二十八页，共六十八页，编辑于2023年，星期二2.4.3潜手征面

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，并且是对应异构位的。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。第二十九页，共六十八页，编辑于2023年，星期二一个非手征试剂与一个呈现对应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。用一个手征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。第三十页，共六十八页，编辑于2023年，星期二非对应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应异构位的。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应异构位面。第三十一页，共六十八页，编辑于2023年，星期二非对应异构位非对应异构位配基的一个重要性质是：它们对于非手征试剂和手征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波谱法用得最多。第三十二页，共六十八页，编辑于2023年，星期二2.5构象和构象分析引言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。许多分子之所以呈现张力，是由于非理想几何形状造成的。分子将尽可能地利用键角或键长的改变来使能量达到最低值。但是，这些结构的调整并不能完全补偿非理想成键排列所引起的不利后果，并且，与根据分子中全部键能简单加合计算出来的稳定性相比，这些分子的稳定性较低。这种降低的稳定性称为张力能

第三十三页，共六十八页，编辑于2023年，星期二2.5.1空间张力和分子力学一个分子总是要采取能使其总能量为最低的几何形状。最低能量几何形状有一定程度的张力，其大小决定于它的结构参数偏离它们的理想值的程度。变形的大小乘上作用于它的恢复力就得到特定类型变形的能量第三十四页，共六十八页，编辑于2023年，星期二总的空间能E空间=E(r)+E(θ)+E(ø)+E(d)E(r)是与单键伸长或压缩有关的能量增值，E（θ）是键角变形的张力能，E（ø）是扭转张力和E（d）是由于原子或基团之间非键相互作用结果产生的能量增殖。键的伸长：E(r)=0.5kr(r-r0)2式中kr是伸长力常数，r是键长，ro是正常键长。键角弯曲：E(θ)=0.5kθ（∆θ）2式中kθ是弯曲力常数，∆θ是键角与其正常键角的偏离值。扭转张力是扭转角的正弦函数。第三十五页，共六十八页，编辑于2023年，星期二扭转张力是扭转角的正弦函数。扭转能障：E(ø)=0.5V0(1+cos3

ø)式中Vo是旋转能障，ф是扭转角。非键相互作用能的贡献是最难估算的，它可以是吸引作用，也可以是排斥作用。第三十六页，共六十八页，编辑于2023年，星期二伦敦力或色散力：每个原子在另一原子作用下电子的相互极化作用结果，产生了吸引作用。这种吸引力称为伦敦力或色散力，伦敦力的变化与核间距的六次方成反比。图2.3中画出了正丁烷围绕C（2）--C（3）键旋转时势能与扭转角的关系图。第三十七页，共六十八页，编辑于2023年，星期二各种不同构象异构体的比例与它们之间的能量差有下列关系式：ΔG。=-RTlnK式中的符号具有它们习惯上所代表的意义。第三十八页，共六十八页，编辑于2023年，星期二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。第三十九页，共六十八页，编辑于2023年，星期二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。第四十页，共六十八页，编辑于2023年，星期二2.5.2非环分子的构象

2.5.2.1饱和烃类化合物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。一个碳原子上的氢原子被甲基取代后，使旋转能障的高度有规则地增加大约0.6千卡/摩尔。乙烷中的能障是2.88千卡/摩尔。在丙烷中这个能障是3.4千卡/摩尔，相当于一个甲基-氢重叠式增加0.5千卡/摩尔。当发生两个甲基-氢重叠式相互作用时，如在2-甲基丙烷中，能障升高到3.9千卡/摩尔。到了2，2-二甲基丙烷时，能障为4.7千卡/摩尔，其增值为1.8千卡/摩尔，是三个甲基-氢重叠式相互作用的总和。第四十一页，共六十八页，编辑于2023年，星期二表2.3CH3-X型化合物的旋转能障

化合物能障高度（千卡/摩尔）化合物能障高度（千卡/摩尔）烷

7.CH3-CH2Cl3.71.CH3-CH32.888.CH3-CH2Br3.72.CH3-CH2CH33.49.CH3-CH2I3.23.CH3-CH(CH3)23.9

杂原子取代物4.CH3-C(CH3)34.710.CH3-NH21.985.CH3-SiH31.711.CH3-NHCH33.62卤乙烷

12.CH3-OH1.076.CH3-CH2F3.313.CH3-OCH32.7第四十二页，共六十八页，编辑于2023年，星期二甲基硅烷中的能障（表2.3，第5项）比乙烷中的小得多（1.7对2.88千卡/摩尔），可能是由于硅-碳键的键长（1.87A）比乙烷的1.54A长，使核间排斥作用减小的缘故。全部卤乙烷都具有相似的旋转能障3.2-3.7千卡/摩尔。比起乙烷来能障高度有所增加，这被认为是范德华排斥效应的结果。较重的卤素具有较大的范德华半径，但又有较长的键长，所以全部卤素的净效应相对来说是不变的。从乙烷变到甲胺再变到甲醇时，与甲基相连的原子的性质就从碳变到氮再变到氧，结果使旋转能障有规律地从2.88变到1.98再变到1.07千卡/摩尔。对乙烷、甲胺和甲醇观测到的能障比3:2:1自然是来自重叠式构象中H-H反键相互作用的数目。第四十三页，共六十八页，编辑于2023年，星期二2.5.2.2不饱和化合物围绕烯的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。第四十四页，共六十八页，编辑于2023年，星期二在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。

第四十五页，共六十八页，编辑于2023年，星期二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：第四十六页，共六十八页，编辑于2023年，星期二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：第四十七页，共六十八页，编辑于2023年，星期二2.5.3环己烷衍生物的构象

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°。第四十八页，共六十八页，编辑于2023年，星期二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。第四十九页，共六十八页，编辑于2023年，星期二环己烷由于围绕碳-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：第五十页，共六十八页，编辑于2023年，星期二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。

第五十一页，共六十八页，编辑于2023年，星期二1,3-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-双直立式定向位置上的取代基叫做同向直立式的。直立式甲基和同向直立式氢之间的排斥作用将使环变得稍许平展一些。构象异构体之间自由能之差称为构象自由能或有时称为A值。利用NMR波谱法测定构象异构体之间的平衡常数或非对映异构体之间的平衡常数，就可计算异构体之间自由能之差值。第五十二页，共六十八页，编辑于2023年，星期二甲基、乙基和异丙基这些烷基具有相似的构象能，异丙基的构象能比甲基和乙基的稍大一些。叔丁基取代基在直立式定向时与同位直立式氢有很强的范德华排斥相互作用，并且围绕与环相连的键旋转时不能减轻其张力。叔丁基占有平伏式定向的强大优势使它在研究构象倾向体系时成为非常有用的基团。第五十三页，共六十八页，编辑于2023年，星期二二甲基环己烷

1,2-,1,3-和1,4-二甲基环己烷，顺式——反式的平衡自由能两个甲基全是平伏式的那一个比较稳定第五十四页，共六十八页，编辑于2023年，星期二非对映异构体之间能量的差别，也可以用非对映异构体中邻位交叉丁烷式相互作用的数目而作近似的估计：

第五十五页，共六十八页，编辑于2023年，星期二顺式和反式十氢化萘可以类似的方法来分析

第五十六页，共六十八页，编辑于2023年，星期二环己酮衍生物的构象

环己酮C(2)上的烷基平伏式定向比直立式定向要稳定，平伏式定向是与羰基重叠故相当于开链醛酮的较稳定的构象。因为相对于直立式定向来说，1,3-双直立式相互作用是降低了。2,6-二烷基环己酮平衡的研究指出，情况确实是如此。环己酮C(3)上烷基取代基的构象也是平伏式较稳定第五十七页，共六十八页，编辑于2023年，星期二α-氯代酮效应：

由于羰基和碳-卤键偶极相互作用的结果。偶极矩较小的构象是卤素为直立式的构象，所以在低介电常数溶剂中有利于这种构象。2-溴-和2-氯-环己酮在低介电常数溶剂（四氯化碳）中，直立式构象与平伏式构象之比为3：1。第五十八页，共六十八页，编辑于2023年，星期二C(2)上具有中等大小烷基的亚烷基环己烷倾向于采取烷基为直立式的构象，以便解除不利的与亚烷基的范德华相互作用。环己烯为半椅式构象，在C(3)和C(6)上的取代基偏离一般的直立式方向和平伏式方向，通常称之为假直立式的和假平伏式的。第五十九页，共六十八页，编辑于2023年，星期二2.5.4除六员环以外的碳环

由于几何上的原因，环丙烷必须是平面的，不必讨论构象问题。环丁烷可能有两种构象：平展的平面结构或折叠式结构。环戊烷是非平面的，两种几何形状是信封式和半椅式。五个信封式构象相互转化的这种低能量运动称为假旋转。第六十页，共六十八页，编辑于2023年，星期二对于环庚烷来说，曾计算出四种构象是特别稳定的，这四种构象中扭-椅式最稳定，稳定性最小的是船式。在不同的扭-椅式构象之间迅速地发生着假旋转作用

第六十一页，共六十八页，编辑于2023年，星期二2.5.5杂环构象分析

杂原子引入环所造成的明显变化是键长和键角，碳-氧键和碳-氮键的键长（分别为1.43Å和1.47Å）都比碳-碳键的键长1.54Å短，而碳-硫键的键长（1.82Å）却比较长。氧和氮正常的价角比四面体的价角稍小一点，硫却小得多，其正常的C-S-C角大约为100°。氧、氮和硫的六员杂环化合物（分别为四氢吡喃、六氢吡啶和四氢噻喃）都非常象环己烷的椅式构象，需改变之处仅在于要适应杂原子特有的键长和键角。杂环化合物的环都比环己烷本身折叠程度更大一些。第六十二页，共六十八页，编辑于2023年，星期二范德华力减小是