高等有機化學第二章立體化學

原子或原子團在空間排列的方式不同，互為構型異構體，構型異構已屬于立體異構的范疇。立體異構

構型異構構象異構

對映異構非對映異構（包括順反異構即幾何異構）本章將重點討論構型方面的立體化學關系和從能量角度出發對構象加以分析,并對反應過程中的立體化學做一簡單介紹。§2.1含有剛性結構化合物的構型異構

一、雙鍵化合物的構型異構——順反異構

碳氮雙鍵的化合物有亞胺（又稱西佛堿Schiffbase）、肟、腙、縮氨脲，含氮氮雙鍵的有偶氮化合物等。具有n個C==C雙鍵的化合物，總共最多應存在2

n個Z-E異構體。§2.1含有剛性結構化合物的構型異構

二、單環化合物的順反異構

可是視作平面處理。異構體數目。命名:（1）RS命名；（2）參考基命名。

§2.1含有剛性結構化合物的構型異構

三、稠環化合物的順反異構

稠環方式：小環只能順式橋環異構體數目可能低于2n個命名:（1）

系統命名（2）內式與外式§2.2構象分析

構象是立體異構中的一個重要結構層次，是在構造、構型確定的基礎上因為單鍵的旋轉而產生的分子中的原子或原子團在空間的排列。構象分析：對與構象相關的“能量－含量”關系的確定，以及與化學和物理性質的關系的研究等，被統稱為構象分析。

§2.2構象分析

一、構象異構§2.3旋光異構

一、旋光性與手性§2.3旋光異構

物體與其鏡像不能重疊的現象叫手性。兩個立體異構體若滿足互為鏡像且不能重疊的關系，則兩者都是手性分子且互為對映異構體。不是對映體的立體異構體是非對映異構體。手性分子具有旋轉偏振光平面的能力。互為對映異構體的兩種化合物在相同的測試條件、相同的濃度下，旋轉偏振光平面的角度相同，但方向相反。旋光性是手性分子的一種性質，手性分子的這種性質是非常有用的，在研究反應機理時可根據旋光的方向和大小的變化來判斷產物和反應物之間的立體化學關系，從而為推導反應機理提供證據。§2.3旋光異構

二、旋光譜和圓二色譜

許多有機化合物具有光學活性，能使偏振光的偏振平面發生旋轉，這種現象稱為旋光。化合物的旋光度和光的波長有關，亦即一個化合物的比旋度隨著波長而改變。測定在紫外及可見光（200-700nm）內的旋光，然后將比旋度對波長作圖，所得的譜線即旋光譜。§2.3旋光異構

三、對稱因素和手性因素

對稱因素§2.3旋光異構

三、對稱因素和手性因素

手性因素

（1）手性中心（2）手性軸（3）手性面

（1）以碳原子為手性中心的化合物代表著最大一類手性分子。如乳酸、2-辛醇、2-氨基丙酸等。這些化合物的一個共同特點是都含有一個連有四個不同基團的碳原子-不對稱碳原子。對手性碳原子的構型采用的R、S命名。（2）有些不含手性碳原子的化合物也滿足與其鏡像不能重疊的條件，如硫原子上連有三個不同取代基的亞砜18、亞磺酸酯、锍鎓離子、磷原子上連有不同取代基的膦19，這些分子都是非平面的，角錐體翻轉所需的活化能較大，對映異構體可以分離。一、含有1個手性中心的化合物（3）具有三個不同取代基的胺原則上應是旋光性的，但是角錐體翻轉所需的活化能太小，以致不能將對映異構體分離出來。但是，季銨鹽的四個基團不同時，存在著可以分離出來的對映異構體。例如，碘化甲基烯丙基苯基芐基銨。二.含有多個手性中心的化合物

含有兩個相同手性碳原子的化合物有三種構型異構體，含有兩個不同手性碳原子的化合物有22個構型異構體，含有n個手性碳原子的化合物至多有2ｎ個構型異構體，少于2ｎ個構型異構體是由于相同的手性中心產生的內消旋體所至。

§2.3旋光異構

三、對稱因素和手性因素

手性因素（2）手性軸§2.3旋光異構

若用兩個環來代替兩個雙鍵，則所得到的螺環化合物也應當有對映異構。

§2.3旋光異構

當(a+c)及(b+d)的半徑大于0.29nm時，苯環繞單鍵的旋轉受到阻礙，整個分子沒有對稱面和對稱中心，有對映異構。§2.3旋光異構

三、對稱因素和手性因素手性因素（3）手性面§2.3旋光異構

六個苯環不能容納在同一個平面內，而使分子發生扭曲，存在對映異構體。

§2.3旋光異構

四、相對構型與絕對構型

Rosanoff,FischerBijvoet，1951年，酒石酸鈉銣§2.3旋光異構

五、旋光性與分子構型

化學轉變法§2.3旋光異構

五、旋光性與分子構型

旋光比較法（1）Chugaev規律（2）Brewster規則（3）似外消旋體法

（4）ORD法和CD法（5）螺旋理論§2.3旋光異構

六、外消旋體的拆分

將外消旋體拆分成左旋體和右旋體，稱為外消旋體的拆分。在手性環境下如手性試劑、手性溶劑、手性催化劑存在下，兩個對映體的反應速度將會有不同程度的差異，有時差異還很大。生物體中的酶具有很高的手性，因此像藥物等許多可受酶影響的化合物，其對映體的生理作用會表現出很大差異。氯霉素是左旋的，有抗菌作用，其對映體則無療效。有些旋光性藥物的對映體不但無療效，甚至有毒。例如，沙立度胺在二十世紀五十年代在歐洲曾作為鎮靜劑廣為使用。后兩發現有上萬名新生兒的畸形與服用過此藥的婦女有關。沙立度胺含一個手性碳原子，當時作為藥物使用的是外消旋體。后來的研究表明，沙立度胺中的一種異構體有鎮靜作用，另一種異構體則有致畸作用。因此，在當今的藥物研究開發和生產中提出了開發生產手性藥物和旋光純度的要求。§2.3旋光異構

1.機械拆分法LouisPasteur（1822-1895）于1848年，借助放大鏡，用鑷子成功地將外消旋的酒石酸鈉銨進行拆分，這一發現為其后的立體化學打下了基礎。§2.3旋光異構

2.形成非對映異構體的拆分方法（化學方法）通過化學方法，把對映體變成非對映體，利用非對映體的熔點、沸點、溶解度等的不同進行分離。§2.3旋光異構

3.誘導結晶拆分法§2.3旋光異構

4.生物拆分法利用微生物或酶的選擇性反應進行拆分。§2.3旋光異構

5.色譜拆分法在色譜柱中用手性物質作固定相，可以直接將對映體分開。如一種市售的手性填料是將纖維素醚負載在硅膠上。§2.3旋光異構

七、不對稱合成

術語“不對稱合成”在1894年首次由E．Fischer提出，其后被Marckwald定義為“從對稱構造的化合物產生光學活性物質的反應，使用光學活性材料作為中間體，但不包括使用任何分析過程作為手段”。接著Morrison和Mosher提出了一個廣義的定義，將不對稱合成定義為“一種反應，其中底物分子整體中的非手性部分經過反應試劑作用，不等量地生成立體異構體產物的手性單元。也就是說，不對稱合成是這樣一個過程，它將潛手性單元轉化為手性單元，使得產生不等量的立體異構產物。最早的不對稱反應實例可以追溯到1890年。當時，E．Fischer將L—阿拉伯糖和HCN進行羥腈化反應，得到多一個碳的腈化合物，然后經腈水解，得到3：1量的L—甘露糖酸和L—葡萄糖酸。這證明了從不對稱的化合物(手性源化合物)出發進行的反應，其反應可按不對稱的方式發生。§2.3旋光異構

七、不對稱合成

手性中心的產生：潛手性（前手性）。§2.3旋光異構

光學純度百分率（%O.P）或對映體過量百分率(%ee)立體選向百分率（簡稱選向率）§2.3旋光異構

不對稱合成常采用的方法手性底物手性試劑手性溶劑手性催化劑在反應物中引入手性條件（平面偏振光）§2.3構象與構象分析

一開鏈飽和體系的構象

在乙烷分子中，碳氫σ鍵的旋轉不會引起分子幾何形狀的任何改變，因而與分子幾何形狀密切相關的能量也不會發生變化。但是，碳碳σ鍵的旋轉將會引起分子幾何形狀的改變，這種幾何形狀的改變則將伴隨著能量的變化。顯然，在σ鍵旋轉引起的分子幾何形狀的改變但不改變分子的構型的前提下，構象中的能量變化的本質必然是由非鍵相互作用而引起的。乙烷的構象

乙烷分子中碳碳σ鍵的旋轉會產生許多種構象，這些構象的能量與扭轉角成函數關系（請參見基礎有機化學中的相關內容）。當一個碳原子上的氫原子與另一個碳原子上的氫原子的距離最近即三對氫原子相互重疊（兩面角ψ為00,1200,2400,3600）時，最不穩定，能量最高的是重疊式構象。當氫原子間的距離最遠（ψ為６００、１８００、３０００、）時，能量最低、最穩定，為交叉式構象。一般常認為重疊式構象的不穩定性是由于重疊的原子或基團的距離小于vanderWaals（范得華）半徑所引起的空間張力造成的。重疊式構象的能量比交叉式的高11.7-12.1KJ/mol。2正丁烷的構象3其它開鏈體系的構象化合物旋轉能障（KJ/mol）烷烴

CH3—CH312.1CH3—CH2CH314.2CH3—CH(CH3)216.3CH3—C(CH3)319.7鹵乙烷

CH3—CH2F13.8CH3—CH2Cl15.4CH3—CH2Br15.4CH3—CH2I13.4化合物旋轉能障（KJ/mol）雜原子取代物

CH3—SiH37.1CH3—NH28.3CH3—NHCH315.1CH3—OH4.5CH3—OCH311.3已經證實乙二醇的優勢構象也為鄰位交叉式，這顯然是由分子內氫鍵引起的。若只從范德華排斥作用考慮，對位交叉式構象Ⅰ應占優勢，但事實上卻是鄰位交叉式構象Ⅱ占優勢。有人認為Ⅱ中有氫鍵生成產生的穩定作用，但這種解釋尚難以被普遍接受。２-氟乙醇和1,2-二氟乙烷等幾乎全以鄰位交叉式構象存在，后者并不能形成分子內氫鍵。將這種有利于形成鄰位交叉式優勢構象為優勢構象的效應稱為鄰位交叉效應。鄰位交叉效應:二環己烷及其衍生物的構象

１．環己烷的構象在一個分子內，除了前面介紹過的扭轉張力和非鍵相互作用外，還存在著偏離正常鍵角產生的角張力；偏離正常鍵長產生的鍵張力。在環己烷所有的可能的構象中，能同時滿足正常的鍵長和鍵角，又能使非極性基團盡可能相互遠離的構象只能是椅式構象。因此，椅式構象Ⅰ是環己烷的優勢構象。船式構象Ⅱ雖能滿足正常的正四面體鍵角，但非極性基團間嚴重重疊，只能是一種不穩定的極端構象。椅式之間可以通過碳碳鍵的旋轉相互轉化，將這種轉化稱為構象翻轉。2一取代環己烷衍生物的構象

一取代環己烷的取代基在ａ鍵和ｅ鍵上就是兩種不同的構象。兩個構象異構體可通過構象翻轉相互轉化。兩者的穩定性也不一樣。對于甲基環己烷來說，ａ鍵甲基構象翻轉為e鍵甲基構象的ΔG0約為7.5KJ/mol，在常溫下達到平衡時，甲基在e鍵上的約占95%，在a鍵上的約占5%。這是因為甲基在ｅ鍵上的類似于正丁烷的構象中的對位交叉式、在ａ鍵上的類似于正丁烷的鄰位交叉式結構片斷。構象能

（取代基處于ａ鍵上和ｅ鍵上的能量差）

異丙基的構象能比乙基和甲基略大，這是因為取代基和環之間相連的鍵的旋轉能最大限度的減小乙基和異丙基中額外增加的甲基取代基所產生的效應。但是，叔丁基將不能通過如上所述的鍵旋轉來減小1,3-直立鍵間的相互排斥作用，因而叔丁基一般總是處在ｅ鍵上。表2-2是一些取代基的構象能ΔG0。

構象能構象能構象能CH37.1O-CO-CH32.5NHCOCH36.4CF38.8O-SO2C6H4CH3(p)2.1NH38.0C27.3OCH32.5N(CH3)28.8i-C3H79.0OC2H53.8

N(CH3)310.1t-C4H923.1CO2H5.7SH3.8C6H513.0CO2C2H55.3SCH32.9Cl,Br,I1.7NO24.6HgBr03二取代環己烷的構象

二取代環己烷的構象比一取代的要復雜的多。若兩個取代基不在同一個碳原子上，二取代環己烷的立體異構體不僅涉及到構象，還涉及到構造和構型。也就是說，在構造確定的基礎上才能談論構型，在構型確定的基礎上才能談論構象問題。一般討論較為復雜分子的立體化學或構象問題也是這樣，先討論和確定分子的構造——其次討論和確定分子的構型——最后討論和確定分子的構象。例如，1,2-二甲基環己烷和1,3-二甲基環己烷互為構造異構體（構造異構中的位置異構）；順-1,2-二甲基環己烷和反-1,2-二甲基環己烷互為構型異構體（順反異構或幾何異構）一般，對二取代和多取代環己烷衍生物來說，若沒有其它因素的參與，取代基盡可能處在ｅ鍵上，尤其對烷基是這樣。但是還要強調，對其它非烷基取代基，具體情況要具體分析。

反-1,3-二叔丁基環己烷若采取椅式構象，勢必有一個叔丁基要處在ａ鍵上，這樣的構象存在著很強的1,3-直立鍵相互排斥作用，為了緩解這種排斥作用造成的能量升高，通過環上碳碳鍵間的旋轉，環翻轉為船式以使兩個叔丁基基都處在有利的位置上。4其它碳環的構像

主要是環丙烷和環丁烷（小環）、環戊烷和環庚烷（普通環）的構象。小環的特點是角張力和扭轉張力很大；普通環的張力較小（如環己烷），構象多受扭轉因素的影響；在中環（環辛烷到環十一烷）中，取代基之間的跨環范德華相互作用對構象有重要影響。環丁烷類化合物可能有兩種構象，平面型和折疊型。用Ｘ射線衍射法測得，反式-1,3-環丁烷二羧酸在結晶狀態下為平面四元環。環戊烷的構象環戊烷的五個碳原子在同一平面上，則基本上沒有角張力，但五個Ｃ－Ｃ鍵的重疊構象所引起的扭轉張力將很高。因此，環戊烷是非平面的，其兩種優勢構象分別為信封式和半椅式。環庚烷的椅式和船式構象九個以上的碳環化合物，隨著碳原子數目的增多，其構象問題愈來愈復雜，可以加以討論和計算的構象數目也愈來愈多，但對于偶數碳環化合物來說，卻出現了一個十分簡單而有趣的事實，那就是最穩定的構象相當于能按金剛石晶格描繪出輪廓的那種構象。５稠合脂環化合物

僅以十氫化萘為例來看一看它們的立體化學問題。十氫化萘有順式和反式之分，兩者互為構型異構體。兩者的優勢構象均可看作由兩個環己烷的椅式構象稠合而成，順-十氫化萘是由一個環的ａ鍵和一個ｅ鍵分別與另一個環的一個ｅ鍵和一個ａ鍵稠合而成；其反式異構體則是兩個環各用兩個ｅ鍵稠合而成。6雜環化合物

僅對含O、N、S雜原子的六員雜環化合物作一簡要介紹。雜原子引入六員環引起的最顯著變化是鍵長和鍵角的改變。C—O、C—N和C—S鍵長分別是0.143、0.147和0.182nm，前兩個比C—C鍵長0.154nm短，后一個比鍵長C—C長。雜原子鍵角C—N—C約108O，比C—C—C鍵角109.5O略小，C—S—C鍵角最小，約為100o，而C—O—C鍵角約為111o，比C—C—C鍵角大。六員雜環化合物四氫吡喃、二氧六環、哌啶、哌嗪、嗎啉和四氫噻喃等的最穩定的構象都很像環己烷的椅式構象，只是鍵長和鍵角要適應相應的雜原子略作改變，而且這些六員雜環椅式構象都比環己烷的椅式構象折疊程度大一些。

六員雜環化合物的另一重要特點是vanderWaals力減小了。可能是O、N、S分別是二和三配位，減少了1，3-直立氫的排斥作用。如順式-2-甲基-5-叔丁基-1，3-二氧六環的優勢構象是叔丁基位于直立鍵，這顯然可歸因于叔丁基位于直立鍵時不存在1，3-直立氫的排斥作用。

在1，3-二氧六環中，2-烷基取代的構象能比環己烷中的大，平伏鍵取向的優勢更明顯，是由于4，6-直立氫的排斥作用因C—O鍵比C—C鍵短而加劇；而在1，3-二硫六環中，2-烷