物理有机化学 第2章 立体化学

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1、第第 2 2 章章 立体化学原理立体化学原理有机化合物的异构现象有机化合物的异构现象 异构体：具有相同的分子式的不同化合物异构体：具有相同的分子式的不同化合物异构现象：由化学键的刚性和方向性引起的异构现象：由化学键的刚性和方向性引起的同分异构构造异构碳链（碳架）异构官能团位置异构官能团异构立体异构构型异构构象异构顺反异构光学异构(非非物物象象关关系系)O OH HO OH HO OH HCH3CH2OHCH3CH3O对对映映异构非非对对映映异构HHHHHHHHconstitutionalisomersstereoisomersconfigurationalconformationalenant

2、iomersdiastereomers构造：构造：分子中各原子间相互结合的顺序（连分子中各原子间相互结合的顺序（连接顺序）接顺序）构型：构型：原子或基团在空间的排列方式原子或基团在空间的排列方式 对映异构体：对映异构体：互为镜象的两种构型异构体。互为镜象的两种构型异构体。分子的手性是存在对映异构体的必要和充分分子的手性是存在对映异构体的必要和充分条件。条件。手性：手性：一个物体若与自身镜象不能叠合，叫一个物体若与自身镜象不能叠合，叫具有手性。具有手性。不能与镜象叠合的分子叫手性分子；手性分不能与镜象叠合的分子叫手性分子；手性分子都具有旋光性。子都具有旋光性。旋光性物质（光活性物质）旋光性物质（

3、光活性物质）：能使偏振光旋：能使偏振光旋转的物质。转的物质。光学活性的物质总是成对出现，一个左旋，光学活性的物质总是成对出现，一个左旋，一个右旋，互为对映体；一个右旋，互为对映体；手性(Chirality)实物与其镜像不能完全重合的特性生活中的手性现象手性分子(S)-(+)-乳酸乳酸(R)-(-)-乳酸乳酸CCOOHHHOCH3CCOOHH3COHH具有手性特征的分子(一一).分子的对称性分子的对称性 对称要素对称要素：对称轴对称轴(Cn)：分子围绕通过分子中心、并且垂直于分子所在分子围绕通过分子中心、并且垂直于分子所在平面的直线旋转一定的角度后，同原来的分子重合，平面的直线旋转一定的角度后，

4、同原来的分子重合，此直线为一般对称轴。此直线为一般对称轴。C CClHHClC CClHHCl180分子旋转的角度为分子旋转的角度为360n时，称时，称 n重对称轴重对称轴(Cn)。一一.分子的对称因素和手性分子的对称因素和手性BFFFC3C4C5C6n重：当分子旋转重：当分子旋转360时，已经重复了时，已经重复了 n 次围绕次围绕 对称轴的旋转操作。对称轴的旋转操作。对称平面对称平面():1.所有的原子共同处于的所有的原子共同处于的平面平面2.通过分子中心，且将分子平均通过分子中心，且将分子平均 分成互成实物与镜象关系的分成互成实物与镜象关系的 两部分的两部分的平面平面请你各举一例。请你各举

5、一例。R+R-R+R-对称中心对称中心(i)：PhFHHCOOHHCOOHPh点点分子中心分子中心等距离等距离相同的原子相同的原子交替对称轴交替对称轴(Sn):R+R-R+R-旋旋转转9 90 0反射反射重合重合R+R-R+R-通过反射的通过反射的操作，上、下操作，上、下方的基团交换方的基团交换位置，基团的位置，基团的构型改变。构型改变。垂直于对称轴垂直于对称轴的镜面的镜面S4NMeHHMeMeMeHHOTs -古柯间二酸古柯间二酸对称分子对称分子(Symmetric Molecules)：具有具有、i、Sn 分子。分子。非对称分子非对称分子(Dissymmetric Molecules)：仅

6、具有仅具有Cn的分子。的分子。请各举一例请各举一例OCOC2OCO不对称分子不对称分子(AsymmetricMolecules)：不含有任何对称要素的分子。不含有任何对称要素的分子。CCH3HOHPhCHOCH3PhH27D=+42.9 27D=-42.9 非对称分子非对称分子不对称分子不对称分子手性分子手性分子(Chiral molecule)对映体对映体旋光活性旋光活性手性分子一定手性分子一定不含有不含有,i,Sn(二二)手性分子的几种类型手性分子的几种类型 判断分子具有手性的充分必要条件：判断分子具有手性的充分必要条件：分子既没有对称面，没有对称中心，也没有四重交替对分子既没有对称面，没

7、有对称中心，也没有四重交替对称轴。一般情况下，只要分子中既没有对称面也没有对称称轴。一般情况下，只要分子中既没有对称面也没有对称中心，即可判断它是手性分子。中心，即可判断它是手性分子。分子含有手性中心即分子含有手性中心即不对称碳原子不对称碳原子（连接四个不同取（连接四个不同取代基的碳原子）代基的碳原子）非碳手性中心非碳手性中心（Si,N,S,P As以及以及B等）；非碳原子等）；非碳原子所形成的不对称四面体（或三角锥体）化合物也有对映异所形成的不对称四面体（或三角锥体）化合物也有对映异构现象。如构现象。如手性膦、手性氮与手性砜类化合物：手性膦、手性氮与手性砜类化合物：N N:R R1 1R R

8、3 3R R2 2N N:R R1 1R R2 2R R3 3三三级级胺胺的的N N原原字字也也是是四四面面体体结结构构，应应该该有有对对映映体体因因快快速速翻翻转转（1 10 03 3-1 10 05 5/秒秒)实实际际无无法法拆拆分分四级铵盐不能翻四级铵盐不能翻转转,可分出对映体可分出对映体N NPhCH2PhCH2CH=CH2CH3N NPhPhH2CH2C=HCH2CCH3II3含手性轴的化合物：含手性轴的化合物：。a.丙二烯衍生物丙二烯衍生物（具手性轴）（具手性轴）b.联芳基型化合物（具手性轴）联芳基型化合物（具手性轴）(R)-(+)(S)-(-)-2,2-二二 氨基氨基-6,6-二

9、甲基联苯二甲基联苯 C6H5Ca-C10H7 C CC6H5C10H7-aCH3CHC CCH3HCh3H3CNH2H2NNO2COOHO2NHOOCO2NHOOCN2OCOOHC=C=CABBAC=C=CABBA联苯型联苯型丙二烯型丙二烯型下列哪些化合物为手性分子下列哪些化合物为手性分子 CHCOOHCH3HbdcNO2NO2HOOCHOOCCCCHCH3HCH3CCCHCH3HHa手性分子手性分子手性分子手性分子非手性分子非手性分子非手性分子非手性分子判断下列是否为手性分子判断下列是否为手性分子?44 手性面分子（分子中无手性中心，无手性手性面分子（分子中无手性中心，无手性 轴）轴）取代对

10、苯二酚双环醚衍生物。取代对苯二酚双环醚衍生物。OO(CH2)8HOOC二二.含两个（或多个）手性中心的分子含两个（或多个）手性中心的分子CHOCH2OHOHHHOHCHOCH2OHHHOHOHCHOCH2OHOHHHHOCHOCH2OHOHHHHO(I)(II)(III)(IV)(2R,3S)(2S,3R)(2R,3R)(2S,3S)赤（藓型赤（藓型(ery-)：相同相同原子或基团原子或基团碳链碳链同侧同侧 Fischer 投影式：投影式：氧化态高的基团在上端。氧化态高的基团在上端。苏（阿型苏（阿型(threo-):相同相同原子或基团原子或基团碳链碳链异侧异侧D-赤藓糖赤藓糖L-赤藓糖赤藓糖L

11、-苏阿糖苏阿糖D-苏阿糖苏阿糖非对映体非对映体(Diastereomers)和和内消旋体内消旋体(mesomer):不是对映体的立体异构体称不是对映体的立体异构体称非对映体非对映体。结构特征：结构特征：至少在一个不对称中心上具有相同的至少在一个不对称中心上具有相同的结构结构，至少在一个不对称中心上具有不同的至少在一个不对称中心上具有不同的结构结构。物理性质、化学性质不同物理性质、化学性质不同如：如：(I)与与(III)、(II)与与(IV)内消旋体内消旋体(meso)：同一分子两个相同的手性同一分子两个相同的手性中心，构型相反。中心，构型相反。COOHCOOHOHHHOHCOOHCOOHHOH

12、COOHCOOHOHHHCOOHCOOHHHOHHOHHOHO(V)(VI)(VII)(VIII)(V)、(VI)为内消旋体为内消旋体的两种表示的两种表示v非对映异构体非对映异构体之间之间不是物体与其镜象的不是物体与其镜象的关系的立体异构体。关系的立体异构体。HOOHHHHOH2CCHOHOHHOHHOH2CCHOHOHHHOHOH2CCHOHHHOHOHOH2CCHO2R,3R2S,3S2S,3R2R,3S非对映异构体非对映异构体非对映异构体对映异构体非对映异构体2,3,4-三羟基丁醛中的立体异构关系 当分子中有当分子中有n个手性碳原子时，则个手性碳原子时，则最多最多有有2n个立体异构个立体

13、异构体。体。酒石酸酒石酸分子中有两个相同的手性碳。如果按照分子中有两个相同的手性碳。如果按照2n规则，规则，最多可有四个立体异构体。但实际上酒石酸分子只有三个最多可有四个立体异构体。但实际上酒石酸分子只有三个立体异构体立体异构体.内消旋酒石酸的两个内消旋酒石酸的两个邻位交叉式构象，相互对映，不邻位交叉式构象，相互对映，不 能重合，有手性能重合，有手性。但由于它们的能量相同，存在的几率相同，。但由于它们的能量相同，存在的几率相同，室温下又不能分离，所以相互抵消了旋光性，整体表现不具室温下又不能分离，所以相互抵消了旋光性，整体表现不具旋光性。旋光性。COOHHOHHCOOHHOCOOHHHCOOH

14、OHOHHO内消旋酒石酸的一对构象对映体HOOCHHHOCOOH内消旋酒石酸的对位交叉式构象 （无手性）L.Pasteur(1848)对映异构体的物理性质旋光性对映异对映异构体构体熔点熔点(oC)D密度密度(g/cm3)溶解度溶解度20oC(g/100mLH2O)右旋(+)168-170+12o1.7598139.0左旋(-)168-170-12o1.7598139.0酒石酸盐酒石酸盐酒石酸立体异构体的物理性质酒石酸立体异构体的物理性质 熔点（熔点（）溶解度（溶解度（g）()酒石酸酒石酸()酒石酸酒石酸内消旋酒石内消旋酒石酸酸()酒石酸酒石酸170170140206139.0139.0125.

15、020.0-12 +12 0 0 20D含含n个手性碳原子化合物的对映异构个手性碳原子化合物的对映异构紫杉醇是一种全新的光紫杉醇是一种全新的光谱抗癌药，副作用小，谱抗癌药，副作用小，国际医疗界认为紫杉醇国际医疗界认为紫杉醇是近是近10年来发现的最有年来发现的最有希望的抗癌药物。希望的抗癌药物。C47H51NO14 Taxol一般说来，含有n个不同的手性碳原子，理论上有（2n）个异构体。11个手性碳个手性碳2112048个对映异构个对映异构环状化合物的对映异构环状化合物的对映异构:环中的环中的键不能自由旋转，产生顺反异键不能自由旋转，产生顺反异构；也可能出现对映异构体。构；也可能出现对映异构体。

16、CH2OHCOOHCH2OHCOOH*HHHH*反式异构体反式异构体对映体对对映体对CH2OHCOOHCH2OHHOOC*HHHH*顺式异构体顺式异构体对映体对对映体对非对映异构体非对映异构体非对映异构体非对映异构体COOHCOOHHH*COOHCOOHCOOHHOOC*HHHH*内消旋体内消旋体mp:130反式反式(+)异构体异构体mp:175反式反式(-)异构体异构体mp:175 对映体对对映体对HOOCCOOHHHCOOHHHHOOCCOOHHHHOOC内消旋体内消旋体反式异构体反式异构体对映体对对映体对楔形式透视式Fischer投影式Emil Fischer(18521919)德国德国

17、 1902年获奖年获奖“横前 竖后”横线横线纸面上纸面上竖线竖线纸面下纸面下【注意】碳链碳链写在竖线上，写在竖线上，而氧化态高的而氧化态高的基团写在上面基团写在上面代表手性碳原子Fischer投影式投影式Fischer投影式书写规则投影式书写规则 碳链竖写，氧化态较高的基团写在顶端；碳链竖写，氧化态较高的基团写在顶端；水平线与垂直线交叉点代表水平线与垂直线交叉点代表C*；水平线上基团伸向纸前面，垂直线上基团伸向纸后面；水平线上基团伸向纸前面，垂直线上基团伸向纸后面；4多个手性碳以重叠式进行投影。多个手性碳以重叠式进行投影。例如：例如：(+)-酒石酸酒石酸 HOHHOHCCCOOHCOOHCO

18、O HO HHCO O HHO H 透视式透视式 Fischer投影式投影式 其它表示立体异构的方法其它表示立体异构的方法COOHHHHOOHHOOCCOOHHOHCOOHHHO 透视式透视式 Newman投影式投影式 透视式透视式与费歇尔投影式之间的转换与费歇尔投影式之间的转换BrBrCH3CH3HHCH3CH3BrBrHH旋转投影CH3CH3BrHHBr费歇尔投影式与纽曼投影式之间的转换费歇尔投影式与纽曼投影式之间的转换三三.外消旋体外消旋体 1 外消旋化外消旋化 一个纯的光活性物质，如果体系一个纯的光活性物质，如果体系中的一半量发生构型转化，就得外消中的一半量发生构型转化，就得外消旋体，

19、这种由纯的光活性物质转变为旋体，这种由纯的光活性物质转变为外消旋体的过程称为外消旋体的过程称为外消旋化外消旋化。如果。如果构型转化未达到半量，构型转化未达到半量，就叫就叫部分外消部分外消旋化。旋化。含有手性碳原子的化合物，若手性含有手性碳原子的化合物，若手性碳很容易形成正碳离子、负碳离子、自碳很容易形成正碳离子、负碳离子、自由基等中间体时，常会发生外消旋化。由基等中间体时，常会发生外消旋化。经形成正碳离子、负经形成正碳离子、负碳离子、自由基等中碳离子、自由基等中间体发生外消旋化。间体发生外消旋化。OHOHCH2NHCH3HOHOHOHCH2NHCH3H2O+HOHOHCH2NHCH3H+OHO

20、HCH2NHCH3OH2+HOHOHOHCH2NHCH3HH+-H+-H+H+-H2O-H2OH2OH2O60-70oC4小时小时（+）-肾上线素肾上线素（无药效）（无药效）（-）-肾上线素肾上线素（有药效）（有药效）H+D-(-)-麻黄素麻黄素有生理活性，易结晶有生理活性，易结晶 L-(+)-假麻黄素假麻黄素生理活性只有麻黄素的生理活性只有麻黄素的1/5。碳正离子碳正离子OHC6H5HCH3NHCH3HH+H2OH2OH+HC6H5HOCH3NHCH3HHC6H5CH3NHCH3H 含手性碳的化合物，若手性碳上的氢含手性碳的化合物，若手性碳上的氢在酸或碱的催化作用下，易发生烯醇化，在酸或碱的

21、催化作用下，易发生烯醇化，在烯醇化的过程中常会发生外消旋化。在烯醇化的过程中常会发生外消旋化。经烯醇化发生经烯醇化发生外消旋化外消旋化。CCH3OHHOHOCCH3OHHOHHOCH3COHOHHOCCH3HOHOHOCCH3HHOOHHO-H+H+H+OH-H+H+-H+H+烯醇化+D-(-)-乳酸乳酸L-(+)-乳酸乳酸除了考虑基团的大小，还要考虑基团的形象除了考虑基团的大小，还要考虑基团的形象反应温度：反应温度：118。X=CH3 NO2 COOH OCH3消旋化消旋化 t1/21.50 1.92 1.56 1.45179分分 125分分 91分分 9.4分分半衰期越短，说明旋转的阻力越

22、小。半衰期越短，说明旋转的阻力越小。IBrCH3ClNO2COOHNH2OCH3OHFH阻转能力下降阻转能力下降旋光异构体在适当的条件下会发生消旋。旋光异构体在适当的条件下会发生消旋。含多个含多个C*的化合物，使其中一个的化合物，使其中一个C*发生构型转发生构型转化的过程称为差向异构化。如果是端基的化的过程称为差向异构化。如果是端基的C*发生构发生构型转化，则称为端基差向异构化。型转化，则称为端基差向异构化。2 差差 向向 异异 构构 化化-H+H+-H+H+H+*HCH3H3CH*HCH3H3CHOOHOHCH3HCH3OHCH3HCH3HHCH3HCH3OH+-H+-H+烯醇化 外消旋体（

23、外消旋体（racemic mixture 或或racemate）：一对）：一对对映体的等量混合物，常用（对映体的等量混合物，常用（）或）或dl表示。表示。v外消旋体是否显旋光性？为什么？外消旋体是否显旋光性？为什么？不显旋光性。因为对映体间旋光角度相不显旋光性。因为对映体间旋光角度相 等，而其方向相反，正好相互抵消。等，而其方向相反，正好相互抵消。外消旋体的拆分外消旋体的拆分:v基于非对映体的物理性质的差别，设法制成非对映体。用基于非对映体的物理性质的差别，设法制成非对映体。用常规分离手段分开，再经一定方法处理使其转换回原来的常规分离手段分开，再经一定方法处理使其转换回原来的对映体。对映体。v

24、拆分试剂：人工合成的；天然产物。光学纯度拆分试剂：人工合成的；天然产物。光学纯度100%。3 外消旋体的拆分外消旋体的拆分例：外消旋酸拆分例：外消旋酸拆分dl-酸+2d-碱dd-盐+dl-盐重结晶dd-盐假设其溶解度小母液浓缩后再多次反复重结晶d-酸+d-碱.HCl盐dd-盐HCll-酸+d-碱.HCl盐dl-盐HCl外消旋体的化学拆分实例：外消旋体的化学拆分实例：酶法动力学拆分实例拆分实例生物化学法 利用微生物或酶在外消旋体的稀溶液中生长时破坏其中一种对映体比另一种快的方法，分离出其中一种对映体。例如，在LD-氨基酸中加入酵母，因酵母易与L-氨基酸作用而剩下D-氨基酸。又如：1-（-呋喃）乙

25、醇的外消旋体在脂酶催化下进行酰基化，其中（S）构型异构体未作用，这样所得2种产物极性不同，很容易通过柱层析分离纯化。四四.前手性关系前手性关系（一）前手性中心（一）前手性中心 非手性分子非手性分子CXCX2 2Y Y2 2 如如 CHCH3 3CHCH2 2CHCH3 3 C-2 C-2上的两上的两个个H H地位相等地位相等,（立体化学环境（立体化学环境相同）等位（相同）等位（homotopichomotopic）关系。）关系。CH3CH3XH2HH22CH3CH3XHCH3CH3另一非手性分子如丙酸：另一非手性分子如丙酸：(R)(S)C-2的两个的两个H地位并不相等。地位并不相等。象象CX2

26、YZ分子中的碳分子中的碳原子被称为原子被称为前手性中心前手性中心(prochiral center)；分子中的；分子中的X被不同被不同于于X,Y,Z的基团取代后形成的对映体时，两个基的基团取代后形成的对映体时，两个基团团(X)称为对映异位基团；两个基团的这一关系称为称为对映异位基团；两个基团的这一关系称为对对映异位关系。映异位关系。HHCH3COOH123Br2,PHBrCOOHCH3123+BrHCOOHCH3123对映异位基团的标记对映异位基团的标记：应用基团顺序规则：应用基团顺序规则：X伸向观察者方面相当于伸向观察者方面相当于R构型标记为构型标记为pro-R，反之则为反之则为pro-S。

27、习惯上是在相应原子的下角。习惯上是在相应原子的下角标记上标记上R或或S。对映异位基团和非手性试剂作用时，产生对映异位基团和非手性试剂作用时，产生等量对映异构体；但与手性试剂作用时却表现等量对映异构体；但与手性试剂作用时却表现出非等同行为，此为不对称合成的基础。出非等同行为，此为不对称合成的基础。前（潜）手性碳和前（潜）手性氢前（潜）手性碳和前（潜）手性氢v被取代后，成为手性碳被取代后，成为手性碳 pro-Cv被被D代后，得代后，得S-构型构型Hsv被被D代后，得代后，得R-构型构型HRHHCH3C2H5Pro-sPro-RHCH3C2H5HCH3C2H5DDRS（二）前手性面（二）前手性面(p

28、rochiral face)具有对称面的不饱和键经过加成得到一对对映具有对称面的不饱和键经过加成得到一对对映体，可说明另一种前手性关系，即体，可说明另一种前手性关系，即 Prochiral face.CH3CHOre 面si 面(顺时针方向，OCH)(逆时针方向,O C H)从左侧看，从左侧看，OCHOCH的顺序，其转向是顺时的顺序，其转向是顺时针的，称为针的，称为R R面；从右侧看，称为面；从右侧看，称为S S面。面。R R面与面与S S面，对映异构关系，称为对映异面，对映异构关系，称为对映异位面；特殊试剂可辨认。位面；特殊试剂可辨认。Eg.CH3C DONaBH4HH3COHD+OHDH3

29、CH(R)(S)R与S等量，外消旋CH3C DO酶还原H3CDOHH(S)aD=-0.280进攻Si面五五.手性分子的生物作用手性分子的生物作用 手性分子的立体结构与受体的立体结构手性分子的立体结构与受体的立体结构(受体靶位受体靶位)有互补关有互补关系时，其活性部位才能进入受体的靶位，产生应有的生理作用。系时，其活性部位才能进入受体的靶位，产生应有的生理作用。而 一 对 对 映 体 只 有 其 中 一 个 适 合 进 入而 一 对 对 映 体 只 有 其 中 一 个 适 合 进 入一个特定受体靶位，产生生理活性效应。一个特定受体靶位，产生生理活性效应。手性分子与手性生物受体之间的相互作用手性分

30、子与手性生物受体之间的相互作用 例如：例如：HOHONH2COOHHOHOHH2NHOOCH (+)-多多 巴巴 （无生理效应）（无生理效应）(-)-多多 巴巴 （抗帕金森病）（抗帕金森病）CHCH3CH3CH2Cl2CH3CH2abR-2-氯丁烷S-2-氯丁烷Cl+CClHCH3CH3CH2CHCH3六六.对映异构体的合成及化学对映异构体的合成及化学1.手性中心的产生手性中心的产生 非手性分子转化成手性分子非手性分子转化成手性分子 如：正丁烷的氯代，控制条件可得到主要产物如：正丁烷的氯代，控制条件可得到主要产物2-氯丁烷，该分子存在手性碳，但产物不旋光。为什么？氯丁烷，该分子存在手性碳，但产

31、物不旋光。为什么？因为得到的是等量的左旋体和右旋体的混合物因为得到的是等量的左旋体和右旋体的混合物外消旋外消旋体。体。2.对映异构体与手性试剂及非手性试剂的反应对映异构体与手性试剂及非手性试剂的反应v一对对映体与非手性试剂反应时，反应速度完全一对对映体与非手性试剂反应时，反应速度完全相等。因过渡态也呈对映关系。相等。因过渡态也呈对映关系。v如：如：CH3CHCOOHCldl+CH3OHHHCH3ClCOOCH3+HCH3ClCOOCH3RS当与手性试剂反应时，反应速度不相等。当与手性试剂反应时，反应速度不相等。CH3CHCOOHCldl+S-2-丁醇HHCH3C2H5Cl+HCH3ClS C=

32、OOHCH3C2H5 C=OOHCH3SSR当反应得到不等量的对映体或非对映体时，可用当反应得到不等量的对映体或非对映体时，可用对映体过量百分率或立体选向百分率来表示对映体过量百分率或立体选向百分率来表示对映体过量百分率=R S S+R=100%R-%S立体选向百分率=A B B+A=100%A-%BCMeHOCMe3H(R)-MTPACCOOH+PhCH3OF3CF3CCCOCPhCH3OOCMe3MeHCCOOHCH3OPhF3C(R)CCMe3HOMeH(S)(R)(R,R)F3CCCOCPhCH3OOMeCMe3H(R,S)3、断裂与手性碳所连的键，随反应机理的不同而不、断裂与手性碳所

33、连的键，随反应机理的不同而不同。可有三种情况：同。可有三种情况：v构型保持；构型翻转；外消旋化。如构型保持；构型翻转；外消旋化。如:HOHCOOHHHCOOHClHCOOHHHCOOHHOHCOOHHHCOOHAgOHKOH233322(-)-苹 果 酸(-)-氯 丁 二 酸(+)-苹 果 酸C-2空间构型保持不变空间构型保持不变 C-2空间构型反转空间构型反转另：另：SN2反应中的瓦尔登翻转（构型翻转）。反应中的瓦尔登翻转（构型翻转）。例如例如：（：（+）-2-碘辛烷与放射性碘辛烷与放射性128I-的反应的反应又如；又如；2-溴丁烷的碱性水解溴丁烷的碱性水解七七.动态立体化学动态立体化学(一

34、一)立体选择反应（立体选择反应（stereoselective reaction）定义：同一反应物能够生成两种以上的立体异定义：同一反应物能够生成两种以上的立体异构物时，其一异构体生成较多的反应。构物时，其一异构体生成较多的反应。一般为反式消除一般为反式消除60%20%20%CH3CH2CHCH3IKOC(CH3)3DMSOCCHCH3H3CHCCCH3HH3CH+CH3CH2CH=CH2IDCHABABCD2-碘丁烷的消除反应：碘丁烷的消除反应：较稳定的构象得到较多的较稳定的构象得到较多的消除产物。消除产物。某些立体选择性反应某些立体选择性反应PhOCH2ClHHHOPhHHOPhHn-Bu

35、Li/乙醚+(26%)(14%)PhCH3CHOHCH3MgIPhCH3HOHCH3HPhCH3HOHHCH3+赤型（67%）苏型（33%）O(H3C)3CLiAlH4(H3C)3CHOH(H3C)3COHH+(90%)(10%)(二二)立体专一反应立体专一反应(stereospecific reaction)定义：一定立体异构的原料在某种条件下只取得定义：一定立体异构的原料在某种条件下只取得一定构型产物的反应。一定构型产物的反应。eg.C CMeHMeH+CBrBrMeHMeHBrBr(单线态二溴卡宾)C CMeHHMe+CBrBrMeHHMeBrBr某些立体专一反应某些立体专一反应对烯的立

36、体专一加成反应：如环氧化反应对烯的立体专一加成反应：如环氧化反应 亲核取代反应亲核取代反应(CH2)8OHHH3C(H2C)7H(CH2)8OHHHH3C(H2C)7CH3CO3HCH3CO3HOHHH3C(H2C)7HO(H2C)8OHH3C(H2C)7HHO(H2C)8OSO2C6H4pCH3H3CH3C(H2C)5HOSO2C6H4pCH3H3CH3C(H2C)5HCH3CO2-CH3CO2-H3CO2CCH3H(CH2)5CH3H3CO2CHH3C(CH2)5CH3HBrPhPhHBrmeso(2S,3R)CCPhBrPhHOH-顺-1-溴-1,2-二苯乙烯(E)-1-溴-1,2-二苯

37、乙烯HBrBrHPhPh (2S,3S)外消旋体之一OH-CCPhHBrPh反-1-溴-1,2-二苯乙烯(Z)-1-溴-1,2-二苯乙烯v消除反应：如脱卤化氢反应消除反应：如脱卤化氢反应v氧化胺的热解反应氧化胺的热解反应 BrHPhH3CPhHKOCH2CH3PhHH3CPhBrHPhH3CHPhKOCH2CH3HPhH3CPh苏型赤型；HN(CH3)2PhHH3CCH3-OCH3H3CPhHHN(CH3)2PhCH3H3CH-OHH3CPhCH3+115+苏型赤型125;CCCH3HCH3H+Br2HBrBrHCH3CH3+BrHHBrCH3CH3(2S,3S)(2R,3R)50%50%外消

38、旋体(dl)(2S,3R)100%内消旋体(meso)CCCH3HCH3H+Br2HBrHBrCH3CH3顺、反-2-丁烯与溴的加成符合事实的机理符合事实的机理溴f离子，较稳定BrBrH2C CH2+H2C CH2（环状溴正离子）+Br-+H2CH2CBrH2CCH2BrBr 反式加成（反式加成（antiaddition）亲电加成反应亲电加成反应(electrophilic addition reaction)+BrHCH3CH3HBrababBrBrCH3CH3HHBrBrCH3CH3HHCH3CH3BrHHBrCH3CH3BrHHBr外消旋体+BrHCH3CH3HBrBrBrCH3CH3H

39、HBrBrCH3CH3HHcdcdCH3CH3BrHHBrCH3CH3BrHHBr内消旋体练习练习v 反反-2-丁烯与溴加成如经碳正离子中间体丁烯与溴加成如经碳正离子中间体的历程，将会产生怎样的立体化学结果？的历程，将会产生怎样的立体化学结果？BrBrCCH3HHCH3BrBrCCH3HHCH3OTsHPhH-TsOHHOTsPhH-TsOHHPh顺-1-苯基环己烯(三)手性合成技术(即不对称合成技术)。v不对称合成即分子整体中的一个对称的结构单位被一个试剂转化成一个不对称的单位，从而产生不等量的旋光异构体产物。它属于立体选择反应。v自19世纪Fischer进行了氢氰酸和糖的反应，得到了不同比

40、例的氰羟化物异构体，开创了不对称合成研究领域的100年来，不对称合成反应的发展历程经历了四个阶段：v手性源的不对称反应vS*T*v手性源S*（如天然的D-葡萄糖、L-氨基酸等手性碳原子）经不对称反应进入了新的手性化合物T*中.v手性辅助剂的不对称反应v借助于手性辅助剂S*与反应底物A作用而成为手性中间体AS*，经不对称反应得到新的反应中间体S*T*，回收S*后，得到新的手性产物T*。如乳酸的制备：如乳酸的制备：CH3COCOOHCH3OHCH3COCOOCH3AI(Hg)CH3CH(OH)COOCH3H2OCH3CH(OH)COOH*外消旋体外消旋体CH3COCOOHCH3COCOOC10H1

41、9AI(Hg)H2OCH3CH(OH)COOH*+HHCH(CH3)2H3COHHCH3CH(OH)COOC10H19*(-)-薄荷醇丙酮酸(-)-薄荷醇酯（-）乳酸(-)-薄荷醇酯（过量）（-）乳酸（过量）为什么（为什么（-）的乳酸过量？）的乳酸过量？Prelog从分子构象从分子构象分析进行解释：分析进行解释：假定能谷的构象体中两个羰基假定能谷的构象体中两个羰基共平面且处于反位。首先将（共平面且处于反位。首先将（-）薄荷醇的结）薄荷醇的结构用简式代表：构用简式代表：SMLC*OH，即：，即：丙酮酸（丙酮酸（-）薄荷酯相对稳定的构象体可用透）薄荷酯相对稳定的构象体可用透视式表示：视式表示：因最

42、大基团处于纸平面的前方，还原剂从后方因最大基团处于纸平面的前方，还原剂从后方进攻有利。进攻有利。Prelog规律：规律：应用类似（应用类似（-）薄荷醇空间构型的）薄荷醇空间构型的 试剂为光活性辅助试剂时，其试剂为光活性辅助试剂时，其-酮酸酯的主要酮酸酯的主要 还原产物为还原产物为R构型。构型。v应用手性辅助剂是合成光纯化合物的一个有效方法，它是在分子内引入一个手性辅助部分，用这个部分来控制反应中心的立体化学，生成的产物是非对映体异构体，通常可用柱色谱分离，最后去掉这个手性的辅助部分。现在最常用的辅助剂是美国哈佛大学Evans开发的噁唑啉酮（Oxazolidinone）和瑞士日内瓦大学Oppol

43、zer开发的樟脑磺内酰胺（Camphorsultam）。噁唑啉酰酮作为重要的手性辅助试剂。在酰胺的-位可以借助碱进行不对称烃基化反应。Evanshasmadefundamentaladvancesinthedesignofstereoselectivereactionsandtheapplicationsofthesereactionstonaturalproductssynthesis.Evanschiralauxiliariesandchiralcatalystsforenantioselectivebondconstructionsarewidelyusedinbothindustria

44、landacademiclaboratoriesthroughouttheworld.手性诱导不对称合成实例v手性试剂的不对称反应v底物A在进行不对称反应中加入手性试剂S*，得到反应产物为新的手性化合物T*，而手性试剂能部分回收。v不对称催化反应v在底物A进行不对称反应时加入少量的手性催化剂Cat*，使它与反应底物或试剂形成高反应活性的中间体催化剂作为手性模板控制反应物的对映面，经不对称反应得到新的手性产物T*，而Cat*在反应中循环使用，达到手性增殖或手性放大效应。是产生大量手性化合物最经济和实用的技术。例如，美国孟山都公司在20世纪70年代中期就成功地用不对称催化氢化合成了治疗帕金森病的药

45、物L-多巴。98%ee手性试剂或手性催化剂直接合成出具有旋光性的物质的方法，叫做手性合成或不对称合成(asymmetry synthesis)(S)-萘普生萘普生BINAPv1980年Sharpless报道用手性钛酸酯及过氧叔丁醇对烯丙基醇进行氧化，成功地实现了不对称环氧化的过程。后在分子筛的存在下，四异丙基钛酸酯Ti（OPri）4和酒石酸二乙酯（DET）的用量为5-10mol%，实现了催化的不对称环氧化反应。这一反应很快便用于药物心得安（S-propanol）的合成。不对称合成的程度可用不对称合成的程度可用对映体过量百分数对映体过量百分数（%e.e.）和和光学纯度百分率光学纯度百分率（%O.

46、P.）表示）表示所有的立体专一性反应和立体选择性反应均为不对称所有的立体专一性反应和立体选择性反应均为不对称合成反应。合成反应。%e.e.=R-SR+S100%=R%-S%.e.e是指一种对映体超过另一种对映体的百分数是指一种对映体超过另一种对映体的百分数 100%O.P.=测 纯%O.P.为实测产物比旋光度与光学纯对映体的比旋光为实测产物比旋光度与光学纯对映体的比旋光度之比度之比 CCH3(CH2)6CH3HOCCPhOO+PhOHCOOHCH3HOPhCOOHCH3(1)CH3MgBr(2)H3+O59%41%(S)-2-辛醇苯甲酰甲酸酯(R)-苯基乳酸(S)-苯基乳酸光学纯光学纯(R)-

47、苯基乳酸苯基乳酸D20=-36.6，实测合成产物实测合成产物 D20=-6.6%S%R.e.e%18%.P.O%1810036.66.6100 纯纯实实 八八.构象和构象分析构象和构象分析 构象：由单键旋转所形成的分子中基团在空间不同排列的立体构象：由单键旋转所形成的分子中基团在空间不同排列的立体形象。形象。(一一)饱和烃及有关衍生物饱和烃及有关衍生物（sp3-sp3键的旋转）键的旋转）1、乙烷的构象、乙烷的构象锯架式(sawhorseformula)：重叠式重叠式 交叉式交叉式 纽曼纽曼(Newman)投影式：投影式：重叠式重叠式 交叉式交叉式 HH HHHH HHHHHH 在交叉式中，两个

48、碳原子上的氢原子间的距离最远，在交叉式中，两个碳原子上的氢原子间的距离最远，相互之间的作用力最小，内能最低，这种构象叫优势构象。相互之间的作用力最小，内能最低，这种构象叫优势构象。在重叠式中，两个碳上的氢两两相对，距离最近，相互作用力最大，因而内能最高，是不稳定的构象。交叉式和重叠式是乙烷的两种极端构象，其它构交叉式和重叠式是乙烷的两种极端构象，其它构象介于这两种构象之间。象介于这两种构象之间。2、丁烷的构、丁烷的构象象对位交叉式对位交叉式 部分重叠式部分重叠式 邻位交叉式邻位交叉式 全重叠式全重叠式 CH3CH3HHHHCH3CH3HHHHCH3HHHHH3CHHHHH3CCH3四种极限构象

49、的稳定性次序：四种极限构象的稳定性次序：对位交叉式对位交叉式邻位交叉式邻位交叉式部分重叠式部分重叠式全重叠式全重叠式构象异构体：在各种构象中，那些能量处构象异构体：在各种构象中，那些能量处于极小值的构象。于极小值的构象。注意：并不是任何化合物都是对位交叉构注意：并不是任何化合物都是对位交叉构象所占比例大于邻位交叉构象。象所占比例大于邻位交叉构象。下图各构象的稳定性顺序为：下图各构象的稳定性顺序为：abc。因因a、b中存在氢键，且中存在氢键，且a中甲基中甲基与乙基相距较远。但如果把乙基与乙基相距较远。但如果把乙基换成体积很大的苯基或叔丁基，换成体积很大的苯基或叔丁基，其稳定的构象则为对位交叉式。

50、其稳定的构象则为对位交叉式。(三三)环状分子的构象（角张力）环状分子的构象（角张力）环烷烃及其衍生物的燃烧热环烷烃及其衍生物的燃烧热 小环（环丙烷和环丁烷）的内能，比其小环（环丙烷和环丁烷）的内能，比其它环烷烃高得多，说明存在很大张力；环己它环烷烃高得多，说明存在很大张力；环己烷张力最小。烷张力最小。（1）小环小环 环丙烷：最大角张力，其次扭转张力较高。环丙烷：最大角张力，其次扭转张力较高。（2）普通环和环己烷衍生物普通环和环己烷衍生物 环戊烷：平面构象几乎没有角张力；但环戊烷：平面构象几乎没有角张力；但扭转张力较高。扭转张力较高。环己烷：最稳定构象环己烷：最稳定构象椅型；船型构象椅型；船型构

51、象不稳定。不稳定。(1)环己烷椅式环己烷椅式(Chair Form)构象的画法构象的画法123456HHHHHHHHHHH123456HHHHHHHHHHHH锯架式锯架式纽曼式纽曼式环己烷的椅式构象环己烷的椅式构象1234562.51A2.49AHHHHHHHHHHHH2.50A123456HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH123456*1.有有6个个a(axial)键，有键，有6个个e(equatorial)键。键。(已为已为1H NMR 证明证明)*2.有有C3对称轴。（过中心，垂直于对称轴。（过中心，垂直于1,3,5平平 面和面和2,4,6平面，两平面间距平面，两平面间距5

52、0pm）*3.有构象转换异构体有构象转换异构体。（。（K=104-105/秒）秒）*4.环中相邻两个碳原子均为邻交叉。环中相邻两个碳原子均为邻交叉。(2)环己烷环己烷椅式构象椅式构象的的特点特点CH3CH3eaaeeaa:直立键e:平伏键椅型椅型反转：a e,e a取代基在平伏键上的构象比在直立键上的稳定。HCH3OHCH3O(较不稳定)(较稳定)甲基与 重叠；甲基在e 键可降低非键张力；COOOHHHOOH较稳定较不稳定桥环化合物的构象桥环化合物的构象HHHH顺顺十十氢氢化化萘萘反反十十氢氢化化萘萘反反十十氢氢化化萘萘HHHH顺顺十十氢氢化化萘萘 稳定性：反式十氢化萘稳定性：反式十氢化萘顺式

53、十氢化萘顺式十氢化萘异头效应异头效应v当吸电子取代基（如卤素、烷氧基）在吡喃糖当吸电子取代基（如卤素、烷氧基）在吡喃糖的的C(1)位时，这个糖的稳定性在取代基为直立位时，这个糖的稳定性在取代基为直立式定向时比平伏式定向时要高。式定向时比平伏式定向时要高。这种倾向在这种倾向在2-取代四氢吡喃这样简单的环体系中也存在。取代四氢吡喃这样简单的环体系中也存在。OH3CClOH3CClK=32(纯液体于40）OH3COCH3OH3COCH3K=3.4(在四氯化碳中）K=1.8(在乙氰中）OXOX比较不利比较有利v当取代基为平伏式时，各当取代基为平伏式时，各C-O键和取代基之间键和取代基之间不利的偶极不利

54、的偶极-偶极相互作用比取代基为直立式偶极相互作用比取代基为直立式时的要大。时的要大。平衡位置与介质介电常数的依耐关平衡位置与介质介电常数的依耐关系是符合这种解释的。由于平伏式异构体的偶系是符合这种解释的。由于平伏式异构体的偶极矩较大，它在高介电常数的溶剂中的浓度应极矩较大，它在高介电常数的溶剂中的浓度应当比直立式异构体为高。当比直立式异构体为高。OXX-.+v另一种说法认为，直立式取向比平伏式取向之另一种说法认为，直立式取向比平伏式取向之所以稳定，是所以稳定，是因为氧的孤电子对给予了因为氧的孤电子对给予了C-X键键的反键轨道的反键轨道。这种给予作用可以用价键术语表。这种给予作用可以用价键术语表

55、示为示为双键双键-无键式对共振杂化的贡献：无键式对共振杂化的贡献：v这种这种电子离域作用在取代基为直立式时由于有电子离域作用在取代基为直立式时由于有关的轨道重叠较好而应当比平伏式时更为有效关的轨道重叠较好而应当比平伏式时更为有效。这种这种稳定的程度随溶剂极性的增加而降低，因稳定的程度随溶剂极性的增加而降低，因为溶剂极性增加时孤电子对的溶剂化作用增加为溶剂极性增加时孤电子对的溶剂化作用增加 (四四)构象分析构象分析 通过研究分子的构象来分析分子的物理和通过研究分子的构象来分析分子的物理和化学性质。化学性质。在环己烷体系中，取代基在环己烷体系中，取代基在在a键与在键与在e键的键的能量差，称为该取代

56、基在环己烷中的构象能，能量差，称为该取代基在环己烷中的构象能，构象能越大，表示构象能越大，表示a-取代基的构象越不稳定，取代基的构象越不稳定，而易于通过环的翻转变成而易于通过环的翻转变成e-取代基的构象。取代基的构象。二溴芪二溴芪PhCHBr-CHBrPh在碘化钾在碘化钾-丙酮溶丙酮溶液中脱溴时，内消旋体比旋光体约快液中脱溴时，内消旋体比旋光体约快100倍倍内消旋体的优势构象有利于反式消除内消旋体的优势构象有利于反式消除铬酸酐氧化铬酸酐氧化4-叔丁基环己醇，顺式反应速度为叔丁基环己醇，顺式反应速度为反式的反式的3.23倍倍4-叔丁基环己醇，反式乙酰化速率为顺式的叔丁基环己醇，反式乙酰化速率为顺

57、式的3.7倍。倍。(五五)空间效应空间效应定义：分子内各基团之间，或两分子相互接定义：分子内各基团之间，或两分子相互接近时不同分子的基团之间，通过空间直接相近时不同分子的基团之间，通过空间直接相互作用所引起的取代基效应。互作用所引起的取代基效应。空间效应的大小与相互作用基团的大小空间效应的大小与相互作用基团的大小和形状密切相关。和形状密切相关。一般总是将空间张力分解为角张力，扭一般总是将空间张力分解为角张力，扭转张力和非键张力，用以定性地解释空间效转张力和非键张力，用以定性地解释空间效应对分子性能的影响。应对分子性能的影响。空间效应一般具体化为位阻效应。空间效应一般具体化为位阻效应。关于位阻：

58、关于位阻：1位阻可使分子产生手性轴或手性面，从而拆分为位阻可使分子产生手性轴或手性面，从而拆分为对映体。对映体。2位阻可表现在化合物分子间的相互作用方面。这位阻可表现在化合物分子间的相互作用方面。这是由原子或是由原子或 基团相处在他们的范德华力半径所不允许的基团相处在他们的范德华力半径所不允许的范围之内时所发生的一种相互作用。范围之内时所发生的一种相互作用。3某些情况下，位阻还会改变电子效应的大小。某些情况下，位阻还会改变电子效应的大小。eg.ON2CH3OHCH3OHH3CON2H3C(A)(B)位阻影响硝基的位阻影响硝基的-C效应效应PKa 5.80 6.834空间效应对反应性能的影响，常

59、有以下规空间效应对反应性能的影响，常有以下规律：在没有相反因素（如电子效应）的情况下，律：在没有相反因素（如电子效应）的情况下，一个试剂倾向于沿着位阻最小的途径接近反应中一个试剂倾向于沿着位阻最小的途径接近反应中心。心。eg.赤型（较多）赤型（较多）苏型（较少）苏型（较少）HCH3HhpOHHRCH3HhpRHOHCH3HhpORRRMgXHphHCH3OHRHOphHCH3HR+3、下列反应中，、下列反应中，-NHCOCH3显示为间位定位基，为什么（显示为间位定位基，为什么（3分）分）高等有机化学高等有机化学1-21-2章章 课堂测试（课堂测试（1515分钟）分钟）NHCOCH3CH3CH3Br2FeNHCOCH3CH3CH3Br2将下列式子改写为标准的将下列式子改写为标准的Fischer投影式，并指出它们的投影式，并指出它们的相互关系（同一物、对映体、非对映体）（相互关系（同一物、对映体、非对映体）（3分）分）COOHOHCOOHHHCOOHOHOHHHHOCOOH1 指出以下化合物中指出以下化合物中3个氮原子个氮原子 的碱性大小，并说明理由。的碱性大小，并说明理由。(4分分)HNNHCON(CH3)2