立体化学5构象分析

Enantiotopic

and

Diastereotopic

Atoms,Groups,andFaces（对映异位的和差向异位的原子、基团和面）测试原子或基团是否等同的方法：将需

判断是否等同的原子或基团依次以不同

的原子或基团取代，如果所产生的新分

子仍相同，则视该原子或基团为等同的，否则，为不等同的。1.

CH

2

Y

2

型分子，如CH

2

(COOH)2/MalonicAcid、CH2(CH3)2/propane分子中CH2上两个氢为等同的，如用Z取代氢，产生的新化合物是相同的。等同的原子或基团，不一定在同一个碳原子上，如:1,3-dibromopropane

上的溴Hexachlorobenzene

上的氯；ClClClClHClHCl

HHHHbenzene上的氢；H2BrH2C

C

CH2Br2.R-CH2-Y型分子，如CH3CH2OH，用Z取代不同的氢，则得到一对对映体，即

MeZCHOH有两个不同的产物。OMeMeHHOMeMeZOMeMeH

HZEnantiotopictwoatomsor

groups：即该两个原子或基团分别被第三个基团取代时，形成一对对映体。在对称环境中，两个氢表现等同。在不对称环境（dissymmetricalenvironment）中，两个氢表现不同，如在与手性试剂反应时的反应速率不同。Krebs

cycle:克雷伯氏循环(三羧酸循环）3

CH22

CH21

COOH4

COOH*COOHCH2C

COOHCH2COOH1*COOH2

C

OCH2CH2enzymesHOenzymes5COOHa-oxoylutaric

acidcitric

acidOxaloatic

acid等同,但酶能够区别3.

CX2WY型分子X原子或基团：

W≠Y，则两个X原子为对映异位的 3-F-3-Cl-环丙烯（3-fluoro-3-chlorocyclopropene）FClHH前手性的（

Prochiral

）分子或基团：可以用于描述分子或基团，指分子中有两个对映异位的原子或基团,如R-CH2-Y为前手性的，CH2为前手性基团。H2H1HOCHO差向异位原子或基团(diastereotopicatoms/groups

)：用基团Z轮流取代分子

CX2WY（W或Y必有一个为手性基团）中的两个X，产生差向异构化产物。2-chlorobutane

chlorocyclopropaneCH3CH3H

C

HCl

C

HOClHHHHCHFClHH差向异位原子或基团在任何环境下，即在对称和非对称环境下都是不相同的，它们与非手性试剂反应的速率不同。尤其值得注意的是，在NMR谱中，差向异位氢理论上有不同的峰，且互为裂分，而等同性和对映异位性的氢原则上不会

如此，除非采用手性溶剂。磁等同的(Isochronous)氢：指在NMR中不可区分的氢。但实际上，在NMR中，一些差向异位氢的信号常也是不可区分的（因非常接近而互为重叠）。使其分辨开的方法有：①改换测试溶剂。②加入镧位移试剂（lanthanic

shiftreagents）。③改变浓度对映异位性面和差向异位性面(Enantiotopic

and

diastereotopic

faces

)CRO对映异位性面：AAAR

C

RRR'COAO-AR

C

R'O-AR'

C

RorRTrigonal

moleculeAO-对映异构体CR差向异位性面AAOMePhHYCZXZCYX差向异构体立体不等位的（

Stereoheterotopic

）:i

n

c

l

u

d

e

b

o

t

h

e

n

a

n

t

o

t

o

p

i

c

a

n

ddiastereotopic等位的（Homotopic）:equivalent

atoms,groups

and

faces构象分析（conformational

analysis）构象(conformations)：若分子中的原子在空间上的两个三维排列方式能够仅绕键轴自由旋转而互相转化时，则其立体结构为构象。构型（configuration）:若通过键的自由旋转仍不互换，则为构型。构型异构体：为能分离的异构体。Conformer(构象异构体)：迅速地互为转换，常不可分离。Conformer：即conformational

isomer,rotamer确定构象的方法：①

X-ray

diffraction（X-射线衍射）②Electron

diffraction

电子衍射③

IR,

Raman,

UV,

NMR④Microwave

spectra

微波光谱⑤Photoelectron

spectroscopy

光电子能谱⑥

Supersonic

molecular

jet

spectroscopy超声分子喷雾光谱⑦Opticalrotatorydispersion(ORD)旋光色散光谱。⑧

CD切记：分子在固态中的构象与在溶液中的构象不一定相同。⑨构型还可用分子力学(molecularmechanics)方法进行计算，获得在开链体系中的构象。了解更深入的知识，请参阅相关文献。开链系统中的构象开键的单键，当连有两个sp3碳原子时，存在无限个构象异构体的可能，并具有不同能量。构象异构体数＝3n

（n为分子内C-C键数）实际上，稳定构象异构体数要少很多!n-pentane

(5碳)

11n-hexane(6碳)35n-heptane(7碳)109n-octane(8碳)347n-nonane(9碳)1101n-decane(10碳)3263乙烷(ethane)：有两种极端构象异构体，其一为最高势能态，另一为最低势能态，即重叠式(eclipsed

form

)和交叉式（

staggered

form

）HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHeclipsed

formstaggered

form乙烷：△E＝2.9

Kcal

mol-1angleoftorsion(扭角)：dihedralangle(二面角)between

theXCC和CCY

planesenergybarrier（能障）:即两种极端构象式势能的差值conformational

energy

diagram

for

ethane能障的成因解释：有多种解释，如MO计算（分子轨道计算），认为已填充分子轨道间重叠而引起的排斥（repulsion）。如交叉式中的乙烷：CH与另一C原子上的CH轨道重叠最小。常温下，已有足够的旋转能供乙烷分子克服两种极端构象体间转化的能障。某些分子因能障很大，在室温时分子转动能量不足以克服此能障，从而导致旋转受阻，此时两种构象体已成为两种构型体（即不能互为转换）如：①适合取代的联苯②diadamantyl

compounds(二金刚烷基类化合物)Ad=NH2NO2

MeO甚至某些能障小的化合物，冷却到低温也可能使分子不具足够的旋转能量，从而不能克服旋转能障，此时构象异构体就成为构型异构体HMeHHHMeHHHMeMeHMeHHHHMeMeHHMeHH顺叠or

anti-periplanar（反迫）gaucheanti,

trans,Synclinal

Anticlinal（顺错）

（反错）,

syn-periplanar1,2-disubstituted

ethane(1,2-二取代乙烷),如

Y－CH2－CH2—Y，Y－CH2－CH2—XHMeHHHMeHHHMeMeHMeHHHHMeMeHHMeHH1,2-dichloroethane

in CCl4（1，2-二氯乙烷的CCl4溶液）在此类化合物中，重叠式构象是不存在的，仅作为从一种交叉式向另一种交叉式构象的过渡态存在。固体时通常由单构象体构成。MeHHHHMeGauche

conformation(邻位交叉式构象:旁式构象）：Chiral，但与其镜象（对映体）以等量存在，且可

迅速互换，无法分离对YCH2-CH2Y和YCH2-CH2X分子，通常

anticonformation(对位交叉式构象)最稳定。但也有一些例外。例外之一是：一些含电负性原子的小分子，尤其是含氟、氧的分子2-fluoroethanol：FCH2CH2OH、1,2-difluoroethane：FCH2CH2F2-fluoroethyl

trichloroacetate

：FCH2CH2OCOCl32-chloroethanol：ClCH2CH2OH,2-bromoethanol：BrCH2CH2OH主要以

gauche型存在切记F

H2C

CH2

OXR3Si

H2CGauche

effect(邻位效应)：指某些分子较趋向于以gauche构象式存在的情况。即：gauche

effect

是指分子有采用一种使两个毗邻电子对或极性键之间的gauche相互作用达到最大化的结构趋势。F

H2C

CH2

OH键缩短效应CH2

OX键伸长效应分子内氢键相互作用HOHHHFH1,1,2,2-tetrachloroethane

Cl2CH-CHCl21,1,2,2-tetrabromoethane

Br2CH-CHBr22,3-dimethylpentane2,3-dimethylhexane以上化合物以gauche构象占主而1,1,2,2-tetrafluoroethane

F2CH-CHF2以anti构象占主2,3-dimethylbutane:无偏好的构象类型。其它影响构象类型的因素：（1）溶剂例：2,3-dinitro-2,3-dimethylbutaneNO2O2N固态时，完全以gauche构象型存在在苯中，gauche/anti比率：79：21在CCl4中，ganche/anti比率：42：58（2）在气态与液态之间，也可能存在构象的差异，原因是与溶剂的极化作用（polar

interaction）3,4-di(1-adamantyl)-2,2,5,5-tetramethylhexane,一种aliphatichydrocarbon（脂肪族烃：非直链烷烃）Ad=两种构象体MM

、N

在N室温下相当稳定，可进行分离。M、N已进行结晶分离，并已通过X-射线衍射证明。因大基团间的立体位阻，实际的二面角不为60°。具有sp3

-sp2

键的分子：如propanal（丙醛）CH3CH2-CHO，有四种极端构象lower

energy

forms

higher

energy

formsP优于Q，势能低约1

Kcal

mol-1

acetaldehyde(乙醛)比乙烷低1

Kcal

mol-1的旋转能障。MeHHOHHMeHOHeclipsingbisectingPQMeHH

OHHHMeOH,角平分线二等分一些化合物旋转相当慢，存在cis-trans异构体，如：N-acetyl-N-methylanilineMeNPhMeNO

Ph

OMe

Me(R)

(S)R比S构象体稳定，势能低3.5

Kcal

mol-1原因：①两个甲基间的立体障碍，使S异构体去稳定化。②羰基孤对电子与苯环p电子间的电子排斥，使苯环取向扭转Thioformamide(硫代甲酰胺)与formamide(甲酰胺)相比，具有较大的旋转障碍，因其为共振较稳定的。Carbamates(R2N-CO2R:氨基甲酸酯):不会遇到

“solvent

friction”（??）,即溶剂的长链与

carbamate的长链R或/和R’相互作用。轴转异构体是因Csp3-Csp3或Csp3-Csp2间键的旋转受阻而引起。SR

C

NHR'邻位取代基也能影响某些基因的构象。例当X=CF3时，cis和trans构象都为共平面的，但trans占有优势当R=烷基时，有一个正交（orthogonal）构象体，当R=o-alkyl时，有两个互为转化的非平面型构象体ROXR为烷基(alkyl),当X=F时，羰基与F共平面；且形成C=O···F作用而具较稳定构象(型)。1,2-双乙酰化苯：羰基采用扭转的构象，以最小化立体作用。OCCOCH3CH3六元环的构象环己烷：两个极端构象：船式和椅式，其特点是所有的角都为四面体的，都为折叠的。椅式：钢性结构（rigid

structure）船式：可变性结构（flexiblestructure）,易于转为稍较稳定的扭转（twist）型>>分子势能差：1.5

Kcal

mol-15

Kcal

mol-1大多数含环己烷环的化合物中，分子几乎完全以椅式存在，船式和扭转式常以过渡态存在。椅式中有6个为e键，6个为a键aeeeeeeaaaaaMeMe常温下不可能分离，此两异构体转化所需能另10

Kcal

mol-1cooling

downchlorocyclohexaneClClD3CCD3-160℃下，在溶液中，半转化寿命22年;已在低温下分离成功。有些分子，扭曲式是更适合存在的构象某些双环化合物，六元环被迫以船式或扭曲式构象存在t-BuOHt-BuOHOHOHt-BuCO2MeC6H13t-BuMeMe单取代的环己烷，取代基通常以e取向，因a取向时与H-3、H-5存在空间障碍。取代基的类型也影响取代基的取向，烷基更可能以e取向存在，且随基因增大，

e取向性更强。对于极性基团，基团的大小对取向性影响不明显。大基团HgBr与HgCl和小基团F对a、e键取向性极小。HgCl基团a键取向略具优势。表示一些化合物a、e键取向化合物自由能的差别，见表4.3。a、e键取向自由能的差别也与物态温度和溶剂相关。双取代化合物烷基为取代基时，以尽可能多的烷基以e取向存在。其1为a取向，另cis-1,2-双取代环己烷

1为e取向。trans-1,2-双取代环己烷：两取代基都为

e取向或a取向。问题：???顺-1，3-双取代 反-1，3-双取代顺-1，4-双取代 反-1，4-双取代取代基取向如何？顺：ee或aa（烷基时，以ee为主）1，3-双取代反：ae顺：ae1，4-双取代反：aa或ee（烷基时，以ee为主）BrBrClCl以aa或ee取向构象存在，

aa型与ee型数量相当。1,4-dibromocyclohexane

•1,4-dichlorocyclo