药学类有机化学立体化学

关于药学类有机化学立体化学2

分子的立体结构：指分子内原子所处的空间位置及这种结构的立体形象。

研究分子的立体结构、反应的立体性及其相关规律和应用的科学。立体化学的定义静态立体化学：研究分子的立体结构及这种结构和分子物理性质之间的关系动态立体化学：反应的立体性指分子的立体形象对化学反应的方向、难易程度和对产物立体结构的影响等。分类第2页,共87页，星期六，2024年，5月3分子结构的三个层次

分子结构:分子中各原子间相互连接的顺序和空间排列构造constitution构型

configuration构象

conformation第3页,共87页，星期六，2024年，5月4构造异构constitutional立体异构Stereo-碳架异构官能团异构位置异构互变异构构型异构configurational构象异构conformational顺反异构手性异构同分异构isomerism旋转异构翻转异构第4页,共87页，星期六，2024年，5月5同分异构的多层次性构造异构、构型异构和构象异构是不同层次上的异构。其中构造异构属较低层次的异构形式，其次为构型异构，而构象异构是较高层次的异构形式。其中低层次异构形式通常包含有较高层次的异构形式。

立体异构因原子或基团的空间排列或取向不同所产生的异构现象

构造异构：由于分子内原子相互连接的方式和次序不同而产生的异构现象。第5页,共87页，星期六，2024年，5月6位置异构碳链异构官能团异构互变异构(可互相转化)碳环(碳链)异构

构造异构第6页,共87页，星期六，2024年，5月7构型异构体（顺反异构）（不能相互转化）

构型异构分子中原子或原子团在空间的固定排列形象。第7页,共87页，星期六，2024年，5月8翻转构象异构体（可互相转化）

构象异构：由于σ单键的旋转形成的原子在空间的不同排列形象。旋转构象异构体（可互相转化）第8页,共87页，星期六，2024年，5月9构造构型构象例：第9页,共87页，星期六，2024年，5月10本章内容3.1轨道杂化和碳原子价键的方向性构象、构象异构体3.2链烷烃的构象3.3环烷烃的构象旋光异构体3.4旋光性3.5手性和分子结构的对称因素3.6含手性中心的手性分子3.7含手性轴的旋光异构体3.8含手性面的旋光异构体3.9消旋、拆分和不对称合成第10页,共87页，星期六，2024年，5月113.1轨道杂化和碳原子价键的方向性碳原子：第二周期第IVA主族电子层结构：1s22s22p2,两个未成对电子共价键理论形成两个共价单键但在有机化合物中C总是四价，有三种价键类型。第11页,共87页，星期六，2024年，5月12甲烷碳原子的四面体概念及分子模型

为了解释有机化合物的对映异构现象，1874年Van‘tHoffJH提出了碳原子四面体结构。认为碳原子相连的四个原子或原子团，不是在一个平面上，而是在空间分布成四面体。碳原子位于四面体的中心，四个原子或原子团位于四面体的顶点上。甲烷分子的构型是正四面体。甲烷的球棍模型甲烷的斯陶特模型3.1.1甲烷SP3杂化和σ键第12页,共87页，星期六，2024年，5月13CH4四个C-H共价键C

达到8电子的稳定结构，H达到2电子的稳定结构二、碳原子的四价第13页,共87页，星期六，2024年，5月141874年，范托霍夫提出了碳原子的四面体概念。甲烷分子是一个正四面体，碳原子位于正四面体的中心，它的4个共价键从中心指向正四面体的4个顶点，并和氢原子连接，键角为109.5°碳原子的四面体第14页,共87页，星期六，2024年，5月15

109°28’CHHHH++++____109°28’4个sp3

+4H碳原子的四面体第15页,共87页，星期六，2024年，5月16

它们的空间取向是分别指向四面体的顶点。sp3轨道的对称轴之间互成109.5°。甲烷的四个C—H键完全相同，键角为109.5°,键长为0.110nm。甲烷中的碳为sp3杂化，四个杂化轨道完全一样，分别与氢原子的1s轨道重叠，形成4个等同的C—Hσ键，因此甲烷分子具有正四面体的空间结构。这种σ键，电子云重叠是沿键轴方向，键的旋转不影响电子云的重叠，故可以自由旋转。2、碳原子的sp3杂化

C1S22S22P2按照未成键电子的数目，碳原子应当是二价。然而，实际上甲烷等烷烃分子中碳原子是四价，而不是二价。杂化轨道理论认为，在形成分子的过程中，一个电子从2s激发到2pz：第16页,共87页，星期六，2024年，5月17第17页,共87页，星期六，2024年，5月18σ键的定义*1电子云可以达到最大程度的重叠，所以比较牢固。

*2σ键旋转时不会破坏电子云的重叠，所以σ键可以自由旋转。在化学中，将两个轨道沿着轨道对称轴方向重叠形成的键叫σ键。σ键的特点第18页,共87页，星期六，2024年，5月19

σ键：两个轨道沿着对称轴方向重叠形成的键。特点：1.比较牢固（电子云最大重叠）在其他烷烃中，C均以sp3杂化轨道成键，因此也都具有呈四面体结构。2.由于σ键可以自由旋转，所以烷烃的结构不象我们所写的那样一层不变，而是运动的，一般以锯齿形存在。并且在平衡位置不断振动。例如丁烷的分子。第19页,共87页，星期六，2024年，5月203.1.2烯烃sp2杂化和π键烯烃的结构实验事实：仪器测得乙烯中六个原子共平面：第20页,共87页，星期六，2024年，5月21杂化轨道理论的描述

C2H4中，C采取sp2杂化，形成三个等同的sp2杂化轨道：sp2杂化轨道的形状与sp3杂化轨道大致相同，只是sp2杂化轨道的s成份更大些：第21页,共87页，星期六，2024年，5月22

为了减少轨道间的相互斥力，使轨道在空间相距最远，要求平面构型并取最大键角为120°：第22页,共87页，星期六，2024年，5月23π键：轨道从侧面重叠形成的键特点：1.容易断裂（重叠程度小）2.不能绕轴自由旋转第23页,共87页，星期六，2024年，5月243.1.3炔烃sp杂化和正交的π键

以乙炔为例。仪器测得：C2H2中，四个原子共直线（180o)：

量子化学的计算结果表明，在乙炔分子中的碳原子是sp杂化：第24页,共87页，星期六，2024年，5月25二个sp杂化轨道取最大键角为180°，直线构型：乙炔分子的σ骨架：每个碳上还有两个剩余的p轨道，相互肩并肩形成2个π键（正交的π键）：第25页,共87页，星期六，2024年，5月26其电子云的形状为对称于σC-C键的周围：P80图3-9

第26页,共87页，星期六，2024年，5月27构象、构象异构体构象：由于单键可以自由旋转，使分子中的原子或基团产生不同的排列，这种特定的排列形式成为构象。由于单键旋转而产生的异构体称为构象异构体或旋转异构体。第27页,共87页，星期六，2024年，5月28第28页,共87页，星期六，2024年，5月29

烷烃分子中的碳都是sp3杂化。甲烷具有正四面体的结构特征。当烷烃中的碳原子数大于3的时候，碳链就形成锯齿形状。烷烃中的碳氢键和碳碳键都是σ键。3.2链烷烃的构象第29页,共87页，星期六，2024年，5月30链烷烃的异构现象

构象一个已知构型的分子，仅由于单键的旋转而引起分子中的原子或基团在空间的特定排列形式称为构象。

构象异构体单键旋转时会产生无数个构象，这些构象互为构象异构体（或称旋转异构体）。一碳架异构体

二构象异构体三旋光异构体第30页,共87页，星期六，2024年，5月31(1)两面角

单键旋转时，相邻碳上的其他键会交叉成一定的角度()，称为两面角。两面角为0°时的构象为重叠式构象。两面角为60°时的构象为交叉式构象。两面角在0-60o之间的构象称为扭曲式构象。

3.2.1.乙烷的构象第31页,共87页，星期六，2024年，5月32伞式锯架式纽曼式交叉式构象重叠式构象伞式，锯架式与纽曼式的画法也适合于其它有机化合物（2）乙烷交叉式构象与重叠式构象的表示方法第32页,共87页，星期六，2024年，5月33（3）乙烷交叉式构象与重叠式构象的能量分析C-H键长C-C键长键角两面角两氢相距110.7pm154pm109.3o60o250pm110.7pm154pm109.3o0o229pm250pm>240pm>229pmE重叠

>E交叉

E=12.1KJmol-1每个C-H、C-H重叠的能量约为4KJmol-1当二个氢原子的间距少于240pm（即二个氢原子的半径和）时，氢原子之间会产生排斥力，从而使分子内能增高，所以重叠式比交叉式内能高。第33页,共87页，星期六，2024年，5月34（4）乙烷构象势能关系图

以单键的旋转角度为横坐标，以各种构象的势能为纵坐标。如果将单键旋转360度，就可以画出一条构象的势能曲线。由势能曲线与坐标共同组成的图为构象的势能关系图。稳定构象位于势能曲线谷底的构象非键连相互作用不直接相连的原子间的排斥力。转动能垒分子由一个稳定的交叉式构象转为一个不稳定的重叠式构象所必须的最低能量。（25°时转速达1011次/秒）扭转张力非稳定构象具有恢复成稳定构象的力量；第34页,共87页，星期六，2024年，5月353.2.2.丙烷的构象ΔE=4+4+5.3=13.3KJ·mol-1交叉式重叠式

丙烷只有二种极限构象，一种是重叠式构象，另一种是交叉式构象。二种构象的能差13.3kJ·mol-1。第35页,共87页，星期六，2024年，5月363.2.3.正丁烷的构象+（1）正丁烷的极限构象及符号说明SaPPCC+SC-SC-aC+aC+SP-SP-aP+aPAB+顺时针转动-逆时针转动S顺（旋转角〈±90o）a反（旋转角〉±90o

）P重叠

C错

_±SP(顺叠)±SC(顺错)±aC(反错)±aP(反叠)第36页,共87页，星期六，2024年，5月37能量旋转角4全重叠2，6部分重叠3，5邻位交叉1=7对位交叉2,4,6是不稳定构象，1,3,5,7是稳定构象。1=7是优势构象（能量最低的稳定构象称为优势构象）沿C2-C3键轴旋转的转动能垒22.6kJ·mol-1（2）正丁烷的构象势能关系图第37页,共87页，星期六，2024年，5月38

构象分布在达到平衡状态时，各种构象在整个构象中所占的比例称为构象分布。15%15%70%

能量计算C-H，C-H重叠，4kJ/molC-CH3，C-CH3邻交叉，3.8kJ/molC-CH3，C-CH3重叠，22.6-8=14.6kJ/molC-CH3，C-H

重叠，(14.6-4)/2=5.3kJ/mol（3）正丁烷的构象分布和能量计算分子总是倾向于以稳定的构象形式存在第38页,共87页，星期六，2024年，5月39高级烷烃的碳链呈锯齿形，最稳定的构象

由于分子主要以交叉式构象的形式存在，所以高级烷烃的碳链呈锯齿形。3.2.4.其他链烷烃的构象第39页,共87页，星期六，2024年，5月403.2.5.乙烷衍生物的构象分布1，2-二氯乙烷（对位交叉

70%）1，2-二溴乙烷（对位交叉

84%-91%）1，2-二苯乙烷（对位交叉>90%)乙二醇2-氯乙醇

大多数分子主要以交叉式构象的形式存在；在乙二醇和2-氯乙醇分子中，由于可以形成分子内氢键，主要是以邻交叉构象形式存在。第40页,共87页，星期六，2024年，5月413.3.1张力学说张力学说提出的基础所有的碳都应有正四面体结构。碳原子成环后，所有成环的碳原子都处在同一平面上（当环碳原子大于4时，这一点是不正确的）。1880年以前，只知道有五元环，六元环。1883年，W.H.Perkin合成了三元环，四元环。1885年，A.Baeyer提出了张力学说。3.3环烷烃的构象第41页,共87页，星期六，2024年，5月42张力学说的内容偏转角度=

2

N=34567

偏转角度24o44’9o44’44’-5o16’-9o33’

当碳原子的键角偏离109°28′时，便会产生一种恢复正常键角的力量。这种力就称为张力。键角偏离正常键角越多，张力就越大。109°28′-内角

从偏转角度来看，五员环应最稳定，大于五员环或小于五员环都将越来越不稳定。但实际上，五员，六员和更大的环型化合物都是稳定的。这就说明张力学说存在缺陷。第42页,共87页，星期六，2024年，5月431930年，用热力学方法研究张力能。燃烧热：1mol纯烷烃完全燃烧生成CO2和水时放出的热。每个–CH2-的燃烧热应该是相同的，约为658.6KJ·mol-1。环烷烃的燃烧热26.0027.0110.0115.5105.4与标准的差值662.4658.6664.0686.1697.1711.3每个CH2的燃烧热4636.73951.83320.02744.32091.21422.6分子的燃烧热n=7n=6n=5n=4n=3n=2(CH2)n燃烧热的数据表明，五员和五员以上的环烷烃都是稳定的环烷烃燃烧热的实测数据第43页,共87页，星期六，2024年，5月44张力能=Enb(非键连作用)+EI(键长)+E

(键角)+E

(扭转角)Enb>EI>E

>E

张力能从现在的角度看，三员环的张力能是由以下几种因素造成的：

1由于二个氢原子之间的距离小于范德华半径之和，所以产生非键连作用，造成内能升高；

2轨道没有按轴向重迭，导致键长缩短，电子云重叠减少，造成内能升高；

3E

是由于偏转角引起的张力（即角张力）能。

4E

是由全重叠构象引起的。第44页,共87页，星期六，2024年，5月453.3.2环丙烷的构象三个原子必须处于同一平面第45页,共87页，星期六，2024年，5月46平面式折叠式3.3.4环丁烷的构象转换能量

E=6.3KJmol-1四个碳原子不在同一平面内第46页,共87页，星期六，2024年，5月47信封式半椅式3.3.5环戊烷的构象四个碳原子在同一平面内三个碳原子在同一平面内五个碳原子若在同一平面内，扭转张力很大第47页,共87页，星期六，2024年，5月481890年，H.Sachse

对拜尔张力学说提出异议。1918年，E.Mohr

提出非平面、无张力环学说。指 出用碳的四面体模型可以组成两种环己 烷模型。3.3.4环己烷的构象椅式构象船式构象第48页,共87页，星期六，2024年，5月49(1)环己烷椅式(ChairForm)构象的画法锯架式纽曼式1.环己烷的椅式构象第49页,共87页，星期六，2024年，5月50*1.有6个a(axial)键，有6个e(equatorial)键。(已为1HNMR证明)*2.有C3对称轴。（过中心，垂直于1,3,5平面和2,4,6平面，两平面间距50pm）*3.有构象转换异构体。（K=104-105/秒）*4.环中相邻两个碳原子均为邻交叉。(2)环己烷椅式构象的特点第50页,共87页，星期六，2024年，5月51张力能=

Enb(非键连作用)+EI(键长)+E

(键角)+E

(扭转角)=63.8+0+0+0=22.8KJ/mol-1Enb：

H与H之间无，R与R之间有（邻交叉）EI：C-C154pm，C-H112pmEI=0E

：CCC=111.4oHCH=107.5o(与109o28’接近)E

=0E

：都是交叉式。E

=0

椅式构象是环己烷的优势构象。(3)环己烷椅式构象的能量分析第51页,共87页，星期六，2024年，5月52（1）环己烷船式(Boatform)构象的画法2.环己烷的船式构象锯架式纽曼式第52页,共87页，星期六，2024年，5月53

1.1,2,4,5四个碳原子在同一平面内，3,6碳原子在这一平面的上方。

2.1,2和4,5之间有两个正丁烷似的全重叠,1,6、5,6、

2,3、3, 4之间有四个正丁烷似的邻位交叉。(2)环己烷船式构象的特点:第53页,共87页，星期六，2024年，5月54(3)环己烷船式构象的能量分析:张力能=Enb(非键作用)+EI(键长)+E

(键角)+E

(扭转角)=43.8+222.6=60.4KJmol-1(EI`E`E

忽略不计）船式与椅式的能量差：60.4–22.8=37.6KJmol-1

(28.9KJmol-1)构象分布：环己烷椅式构象:环己烷扭船式构象=10000:1第54页,共87页，星期六，2024年，5月553.环己烷的扭船式构象在扭船式构象中，所有的扭转角都是30o。第55页,共87页，星期六，2024年，5月564.环己烷的半椅式构象三个全重叠三个邻交叉四个全重叠两个邻交叉半椅式构象是用分子力学计算过渡态的几何形象时提出的。第56页,共87页，星期六，2024年，5月57只能取船型的环己烷衍生物第57页,共87页，星期六，2024年，5月581.一取代环己烷的构象（95%)(5%)CH3与C2-C3键、C5-C6键为对交叉CH3与C2-C3键、C5-C6键为邻交叉

E=3.8KJ/mol-12=7.6KJ/mol-1CH3与C3-H、C5-H有相互排斥力，这称为1,3-二直立键作用。每个H与CH3的1,3-二直立键作用相当于1个邻交叉。甲基环己烷椅式构象的能量分析3.3.6取代环己烷的构象第58页,共87页，星期六，2024年，5月59

Go=Ee键构象-Ea键构象=-RTlnKK=e键构象浓度a键构象浓度

Go=-7.5KJ/mol=-RTlnK=-(8.3110-3KJ/molK)(298K)lnK

K=20.66[e][a]=20.66[e]=20.66[a]

e%=95.4%a%=4.6%

Go与构象分布其它化合物的构象分布也可以用同样方法计算。第59页,共87页，星期六，2024年，5月602.二取代环己烷的构象1,2-二取代环己烷的平面表示法1.1,2-二取代环己烷构象分析：用构象来分析一个化合物的理化性质。通过计算比较不同构象的稳定性第60页,共87页，星期六，2024年，5月611,2-二甲基环己烷构象的能差计算

顺1，2-二甲基环己烷构象的能差计算对环一个直立键甲基（7.1

KJmol-1）一个直立键甲基（7.1

KJmol-1）两个甲基邻交叉（3.8KJmol-1）邻交叉（3.8KJmol-1）

E=7.1+3.8=10.9KJmol-1

E=7.1+3.8=10.9KJmol-1

E=0第61页,共87页，星期六，2024年，5月62对环两个个直立键甲基（2X7.1）0两个甲基对交叉(0)一个邻交叉（3.8）

E=2X7.1=14.2KJmol-1

E=3.8KJmol-1

E=14.2-3.8=10.4KJmol-1反1,2-二甲基环己烷构象的能差计算既要考虑每个取代基对环的能量影响，也要考虑二个取代基之间有无能量关系。第62页,共87页，星期六，2024年，5月63

顺1,3-二甲基环己烷构象的能差计算对环两个直立键甲基（2X7.1）平伏键甲基

两个甲基有范德华斥力7.6KJmol-10E=2X7.1+7.6=21.8KJmol-10

E=43.8+7.6=21.8KJmol-1

2.1,3-二甲基环己烷构象的能差计算第63页,共87页，星期六，2024年，5月64

E=0反1,3-二甲基环己烷构象的能差计算对环一个直立键甲基一个直立键甲基

两个甲基00顺-1,4-二甲基环己烷的能差为0；反-1,4-二甲基环己烷的能差为14.2KJmol-1；请同学自己计算第64页,共87页，星期六，2024年，5月65(1).反-1-甲基-4-异丁基环己烷

E=8.8+7.1=15.9KJ/mol3.有二个不同取代基的环己烷衍生物直立键异丙基的能差直立键甲基的能差第65页,共87页，星期六，2024年，5月66(2).顺-1-甲基-4-氯环己烷

E=7.1-1.7=5.4KJ/mol直立键甲基的能差直立键氯的能差第66页,共87页，星期六，2024年，5月67(3).顺-1,4-二（三级丁基）环己烷扭船式太大的取代基要尽量避免取a键。第67页,共87页，星期六，2024年，5月68Hassel规则

带有相同基团的多取代环己烷，如果没有其它因素的参与，那末在两个构象异构体之间，总是有较多取代基取e键向位的构象为优势构象。Barton规则带有不同基团的多取代环己烷，如果没有其它因素的参与，那末其优势构象总是趋向于使作用最强的和较强的基团尽可能多地取e键的向位。两个规则第68页,共87页，星期六，2024年，5月691.名称

萘十氢化萘（暜通名）二环[4.4.0]癸烷（学名）

naphthaleneDecahydronaphthalene3.3.7十氢化萘的构象第69页,共87页，星期六，2024年，5月702.顺十氢合萘平面表示法3.反十氢合萘平面表示法第70页,共87页，星期六，2024年，5月71（1）顺十氢合萘环：有两个取代基（一个直立键），产生两个邻交叉。(B)环：有两个取代基（一个直立键），产生两个邻交叉。

归纳：其中C1-C9-C10-C5有重复，故有三个邻位交叉作用4.十氢合萘的构象表示和能量计算ABBABA一对构象转换体均为椅式构象第71页,共87页，星期六，2024年，5月72（2）反十氢合萘(A)环：有两个取代基（均为平伏键）。(B)环：有两个取代基（均为平伏键）。顺式比反式能量高33.8=11.4KJ/mol

AB51234678910均为椅式构象第72页,共87页，星期六，2024年，5月73(一)费歇尔投影式

立体异构体难以用平面构造式确切表示，为表示其不同的立体构型，一般可用三种表示式：球棒式、立体透视式和费歇尔投影式

立体透视式费歇尔投影式球棒式立体异构体的表示式第73页,共87页，星期六，2024年，5月74他发现了苯肼，对糖类、嘌呤类有机化合物的研究取得了突出的成就1902年获诺贝尔化学奖

Inrecognitionoftheextraordinaryserviceshehasrenderedbyhisworkonsugarandpurinesyntheses史上第2位诺贝尔化学奖获得者埃米尔·费雪HermannEmilFisher

1852～1919

Germany著作：《SynthesesinthePurineandSugarGroup》《有机试剂制备指南》《氨基酸、多肽、蛋白质的研究》《尿环醛的研究》