高等有机第三章立体化学

高等有机第三章立体化学第一页，共三十七页，编辑于2023年，星期二分子结构构造异构分子式相同，原子的成键顺序不同。碳骨架异构互变异构官能团异构官能团位置异构碳干异构取代基位置异构分子构型对映异构分子构造相同，原子或原子团在空间的排列不同。顺反异构分子构象：由于单键的自由旋转，原子或原子团在空间的排列不同。立体异构不同化合物相同化合物第二页，共三十七页，编辑于2023年，星期二1分子的手性与对称性如果分子没有对称性，即缺少对称元素，那么该分子与其镜像就不能叠合，该分子就有手性。1.1对称元素：symmetryelements1、对称轴(Cn)：分子绕某轴旋转360°n时，同原来的分子重合，n重：当分子旋转360°时，已经重复了n次围绕对称轴的旋转操作。P511习题21.1此轴称

n重对称轴(Cn)。第三页，共三十七页，编辑于2023年，星期二2、对称面(σ):symmetryplane1).所有的原子共同处于的分子平面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具有对称面的分子是对称分子。非手性分子。P512习题21.2第四页，共三十七页，编辑于2023年，星期二第五页，共三十七页，编辑于2023年，星期二第六页，共三十七页，编辑于2023年，星期二3、对称中心(i)：centerofsymmetry

具有对称中心的分子是对称分子。非手性分子。P513习题21.3第七页，共三十七页，编辑于2023年，星期二4、交替对称轴(Sn):alternatingaxisofsymmetry垂直于对称轴的镜面反射重合

通过反射的操作，上、下方的基团交换位置，基团的构型改变。S4注：R＋与R－是互为镜像但不能重叠的关系第八页，共三十七页，编辑于2023年，星期二对称分子

(SymmetricMolecules)：具有σ、i、Sn分子。非对称分子

(DissymmetricMolecules)：仅具有Cn的分子。不对称分子(AsymmetricMolecules)：不含有任何对称要素的分子。[α]27D=+42.9°

[α]27D

=-42.9°

非对称分子不对称分子手性分子(Chiralmolecule)对映体旋光活性手性分子一定不含有σ,i,SnP516例1.2对称元素与手性第九页，共三十七页，编辑于2023年，星期二2手性化合物的各种类型2.1含有手性中心（chiralcenter）的分子

不对称碳原子手性中心C、N、或其它杂原子：手性中心P517习题21.5不同取代开链叔胺分子不具有旋光活性：

两种对映体因快速翻转，相互转化，导致消旋。第十页，共三十七页，编辑于2023年，星期二[α]27D=+92.4°[α]D=+16.8°氮原子被固定在刚性环中，构型不能翻转时，如果分子没有对称因素，则可能拆分成旋光的对映体。如Troger碱即已经成功拆分。Troger碱第十一页，共三十七页，编辑于2023年，星期二2.2有手性轴（chiralaxis）的化合物一、丙二烯衍生物端位上连接的基团处于垂直平面分子中没有手性中心P519问题21.6手性轴第十二页，共三十七页，编辑于2023年，星期二二、联苯衍生物H原子被体积较大的基团取代后，苯环间碳-碳键旋转受阻，产生位阻构象异构。手性轴第十三页，共三十七页，编辑于2023年，星期二（1）（4）（3）（2）只要基团a≠b,c≠d,化合物（1）就有手性，手性因素是通过C-Cσ键的手性轴σ键旋转会产生无数个构象形式。从（1）~（4）是4个极端构象。它们的能量不同。P520图21.10

当a=c=H,b=d=X时，（1）和（3）之间的能量差如下：XOCH3CH3OCOCH3CH(CH3)2ΔE/kJ·mol57.472.977.97109.0当ΔE>85kJ/mol时，室温下构象（1）和（3）不易互变，可以拆分，互为对映异构体。第十四页，共三十七页，编辑于2023年，星期二三、乙烷衍生物下面三个二叔丁基（Bu-t）和二金刚烷基（Ad）取代的乙烷构象都能分离出来。也是含手性轴的化合物。手性轴是乙烷的C-C键所在的直线。第十五页，共三十七页，编辑于2023年，星期二2.3有手性面（chiralplane）的化合物一、（E）-环烯烃(提篮型）E-环辛烯双键所在的平面是手性面二、cyclophanes（提篮型）第十六页，共三十七页，编辑于2023年，星期二2.4螺烯（helicene）空间位阻使分子扭曲失去对称性，产生手性。P522第十七页，共三十七页，编辑于2023年，星期二3外消旋体的拆分（resolution）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，沙力多迈(thalidomide)在二十世纪六十年代在欧洲曾作为妊娠初期的镇静剂和抗恶心药物广为使用。结果发现有上万名新生儿的畸形与服用过此药的妇女有关。沙力多迈含一个手性碳原子，当时作为药物使用的是外消旋体。后来的研究表明，沙力多迈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。要得到纯粹的对映体，必须对外消旋体进行拆分（resolution)第十八页，共三十七页，编辑于2023年，星期二3.1用结晶的方法拆分：法国化学家Pasteur最先用结晶的方法拆分了外消旋酒石酸钠铵，第一个发现了对映异构现象。但是这种方法只能用于外消旋混合物（racemicmixture)，而外消旋体中绝大多数以不能用结晶的方法分开的外消旋化合物（racemiccompound)形式存在。在外消旋体溶液中引入其中一种纯对映体晶种，可以使这种对映体优先结晶出来，这种方法称为优先结晶（preferentialcrystallization)例如：第十九页，共三十七页，编辑于2023年，星期二3.2用化学方法拆分例如拆分（±）-酸：（±）-酸＋（－）-醇酯化（＋）-酸-（－）-醇酯和（－）-酸-（－）-醇酯的混合物（非对映体）分离（＋）-酸-（－）-醇酯（－）-酸-（－）-醇酯水解（＋）-酸水解（－）-酸基本原则：提供手性环境和条件，使对映异构体转化成具有不同性质的非对映体从而得以拆分(Resolve，Resolution)第二十页，共三十七页，编辑于2023年，星期二P524诸多方法再如，拆分外消旋的胺第二十一页，共三十七页，编辑于2023年，星期二3.3色谱法（Chromatograph,chiralcolumn)在色谱柱中用手性物质作固定相，可以直接将两个对映体拆开。2.3.4动力学拆分外消旋体与一个手性化合物等量反应时，两个对映异构体起反应的速率不同，如反应在完成之前停止，反应速率快的一个对映体则富集在产物中，反应速率慢的对映体富集在为作用的原料中：例如，外消旋2-苯氧基丙酸的拆分第二十二页，共三十七页，编辑于2023年，星期二酶作催化剂进行动力学拆分P525酶的手性使它优先与对映体中的一个发生反应。所以可以用酶作催化剂对对映体进行拆分。例如：R-型的醇进行了酯交换，而S-型的没反应S-型的醇被氧化了，而R-型的没反应第二十三页，共三十七页，编辑于2023年，星期二第二十四页，共三十七页，编辑于2023年，星期二第二十五页，共三十七页，编辑于2023年，星期二第二十六页，共三十七页，编辑于2023年，星期二4顺反异构4.1烯烃的顺反异构一般地，π键不能绕键轴自由旋转ΔE≈260kJ/mol所以一般的烯烃具有顺反异构。在特殊结构中，烯烃顺反异构体之间的能垒比较小，例如双键一端连有强吸电子基，而另一端连有强给电子基时，双键性质降低，接近单键。P526不同取代的烯烃，双键旋转能垒不同第二十七页，共三十七页，编辑于2023年，星期二原因:共轭效应导致双键的性质降低，接近单键。上面化合物中，两个六元环间的双键不如单键形式稳定。由于位阻，右面的化合物的两个芴环之间夹角41~43°第二十八页，共三十七页，编辑于2023年，星期二4.2顺反异构体的性质一般地，双键上连有相同基团的烯烃顺反异构体的性质关系如下性质：稳定性顺式<反式原因：顺式中基团空间排斥作用大，内能高沸点顺式>反式反式空间体积大；顺式偶极矩大，分子间引力密度顺式>反式同上折射率顺式>反式反式对称性好，排列更紧密有序熔点顺式<反式溶解度顺式>反式同上同上偶极矩顺式>反式P527J

H-C=C-H

顺式<反式J顺≈4~12Hz,J反≈12~19Hz,第二十九页，共三十七页，编辑于2023年，星期二4.3顺反异构体的互变一般地，稳定性反式>顺式转动能垒小的顺式烯烃受热可以变为反式烯烃，例如：马来酸富马酸催化剂或光都有可能引发顺反异构体的转变第三十页，共三十七页，编辑于2023年，星期二4.4C=N和N=N双键的顺反异构N原子上的孤电子对相当于一个最小的基团。肟的E-Z转变能垒在163kJ/mol之上，可以得到顺反异构体。偶氮化合物和腙的E-Z转变能垒较低，P527第三十一页，共三十七页，编辑于2023年，星期二5前手性5.1同位配体和异位配体1,3-丙二醇（HOCH2CH2CH2OH）的C2上的两个H（标为Ha和Hb），分别用其他原子如D取代后，得到能相互重叠的相同分子，这两个H原子同位的（homotopic).将1,3-丙二醇绕C2轴旋转，可以使同位配体Ha和Hb互换。第三十二页，共三十七页，编辑于2023年，星期二将1,3-丙二醇（HOCH2CH2CH2OH）的C1上的两个H（标为Ha和Hb），分别用其他原子如D取代后，得到不能相互重叠的对映体，则Ha和Hb是异位的（heterotopic)，他们不能通过C2

轴互换，但是可以由对称面反映，互换位置。因此称为对映异位配体（enantiotopic).将两个对映异位配体，如Ha和Hb，其中任一个用其它基团取代，产生新的手性中心，得到一对对映体。则对映异位配体所连碳原子称为前手性中心。前手性中心pro-Spro-R第三十三页，共三十七页，编辑于2023年，星期二配体也可以是一个原子团。例如：pro-Spro-R两个异位配体如不能由对称面的反映互换则称为非对映异位（diastereotopic),他们用另一个配体取代后得到两个非对映异构体。例如：第三十四页，共三十七页，编辑于2023年，星期二5.2异位配体的性质1、分子中非对映异位配体的化学位移不同，对映异位配体的化学位移相同例如：CH3CH（OH）CH2OH中C2是前手性中心，其上的两个H（标为Ha和Hb）是非对映异位配体，他们的化学位移不同。（S）-1，2-丙二醇再如：3-甲基-4-氨基丁酸C3上的两个CH3基团是非对映异位配体，其H和C的化学位移都不相同。（R）-3-甲基-2-氨基丁酸第三十五页，共三十七页，编辑于2023年，星期二2、非对映异位配体与非手性试剂起反应的速率不同对映异位配体与非手性试剂起反应的速率相同，产物是外消旋体；非对映异位配体与非手性试剂起反应的速度不同，产物中某一对映体的量较多，即为对映富集（enantiomericallyenriched)产物。如产物中较多的一种对映体的物质的量为X，另一种为Y