高等有機化學立體化學課件第一頁，共四十頁，2022年，8月28日第三章立體化學1874年Van‘tHoff建立了碳四面體結構學說，創立了立體化學的理論基礎。1931年Pauling提出的雜化軌道理論，從理論上論述了甲烷的正四面體構型問題。化合物的結構特征基本上取決于分子中原子間相互連接的鍵的性質和它們在三維空間的排布，立體化學就是從靜態與動態兩方面論述分子三維結構及其在化學轉化中的聯系。本章重點在于介紹一些較新的立體化學術語和概念以及研究主題。立體化學的基本知識和概念的重要性是無論怎樣強調都不會過分的。第二頁，共四十頁，2022年，8月28日3.1同分異構體的分類同分異構可以分為構造異構和立體異構兩大類。3.1.1構造異構分子的構造（constitution）取決于原子的種類、數量及它們之間的連接，即成鍵的形式。構造異構指分子中由于原子互相連接的方式和次序不同而產生的同分異構體。可以分為：

1）碳架異構如正丁烷和異丁烷；

2）位置異構如正丁醇和2一丁醇；

3）官能團異構如乙醇和二甲醚；官能團異構中的酮式／烯醇式能迅速互變，不易分離，故又特稱為互變異構體。第三頁，共四十頁，2022年，8月28日3.1.2立體異構----構象和構型1）構象異構僅僅通過單鍵的旋轉或環翻轉后分子中的原子在空間的不同排列方式就能相互轉化的立體異構。

構象異構也可有對映和非對映兩種光學異構

2）構型異構僅僅通過單鍵的旋轉或環翻轉不能使分子中某個原子在空間中的不同排列得以互相轉化的立體異構。

構型異構又可分為順反異構和光學異構兩種立體異構是指分子的構造相同，但因分子中的原子在空間的位置或排列方式不同而引起的同分異構。可以分為構象（Comformation）和構型（configuration）兩種。第四頁，共四十頁，2022年，8月28日3.2對稱元素、手性、前手性和立體源中心

分子中的對稱元素

簡單對稱軸（Cn）當一條直線穿過一個分子并使這個分子以該條直線為軸旋轉2／n角度后仍能與原來分子中的各原子（團）的空間排列相同，該直線為這個分子的簡單對稱軸。

對稱面（）如果一個分子中的所有原子都處在一個平面上；或有一個穿過分子并能把它分成互為物體和鏡像兩部分的平面，這些平面稱為這個分子的對稱面。

對稱中心（i）如果在所有穿過分子中心的直線上離中心成等距離處都有相同的原子（團），則此中心為對稱中心。

交替對稱軸(Sn）當一個分子圍繞一個穿過此分子的軸旋轉一定角度后（2／n），再把垂直于此軸的平面作為鏡面而得到的鏡像與原來的物體分子完全一樣，該軸稱為這個分子的交替對稱軸。第五頁，共四十頁，2022年，8月28日若分子中某一個原子（團）上的任意兩個配體交換位置后即產生一個新的立體異構體時，這個原子（團）即被稱為

立體源中心。第六頁，共四十頁，2022年，8月28日3.3手性分子的種類2）三價手性原子的化合物如果氮原子上的孤對電子當作“虛”原子對待，則和三個不同基團結合的叔胺就成為一個手性分子，N是手性原子。

1）有一個手性碳原子的化合物

手性分子：中心手性、軸手性、螺旋手性和平面手性。中心手性分子有以下幾種：第七頁，共四十頁，2022年，8月28日4)金剛烷類帶4個不同取代基的金剛烷類化合物12的結構實際上是一種擴展的正四面體，手性中心是高度對稱的金剛烷中心，它也有光學活性。

3）有一個四配位非碳原子的化合物有一個正四面體構型的帶4個不同原子（團）的非碳原子的分子。第八頁，共四十頁，2022年，8月28日Caabb型分子中有一個C2和兩個對稱面，故一般無手性。但若將a和b都用橋（）連接起來，C2對稱軸雖仍保留不變，但對稱面已經不復存在，物像不疊合，中心碳原子不是不對稱碳原子，但分子有軸手性，如13。同樣，Caabb型分子有一個C3和3個對稱面，但用橋連接起來后，整個分子就有手性，如14。軸手性（axialChirality）:當4個基團分兩對圍繞一個軸排列在平面之外，而各對基團上的基團都不同時產生的性。軸手性分子有以下幾種:第九頁，共四十頁，2022年，8月28日5）阻轉異構體如果擁有鄰位基團且足夠大，以致兩個苯基繞C一C單鍵的旋轉受到阻礙而造成的光學異構體。拓展（科研）：苯在202nm處有一個較強的UV吸收，聯苯UV的最大吸收入max在248nm處，這顯示出由于聯苯分子中兩個苯環處在一個共軛體系中，使入max向長波方向移動。在聯苯分子的鄰位引入取代基則將影響到兩個苯環的共平面性，UV上表現出入max向短波區移動。如2-甲基聯苯入max為236nm,2,2-二甲基聯苯的入max為224nm。第十頁，共四十頁，2022年，8月28日3.4絕對構型、相對構型和旋光度3.4.1分子立體構型的表示方式在一個二維的紙平面上表示一個三維分子，可以采用下列幾個方式：第十一頁，共四十頁，2022年，8月28日規則定義：將手性碳原子上的四個原子按原子序數排列，將原子序數最小的原子放在后面，另外三個基團按原子序數由大到小的方向排列，若是順時針的則構型為R，若是逆時針的則構型為S。3.4次序規則和構型的命名原子（團）的優先次序補充細則：1）如果和手性原子相連的兩個基團的原子是相同的，則比較基團中的第二個原子。如C2H5要比CH3優先。2）重鍵可以看作多次和同一原子的結合，如CHO看作是碳和氧的兩次相連，所以CHO要比CH2OH優先。3）同位素較重的原子和不飽和基團優先。如D比H優先，CH=CH2比CH(CH3)2優先。4）互為立體異構體時，順式或R型比反式或S型優先。第十二頁，共四十頁，2022年，8月28日軸手性化合物的命名：從手性軸的方向看去，先看到的基團為近端，后看到的基團為遠端，近端上的基團次序優先于遠端。然后按優先次序，從近端的大基團開始，沿近端的高低（a＞b）次序再到遠端的大小基團（a’＞b’）若aba’是按順時針方向排列，稱為R型；若為逆時針方向排列，則稱為s型。第十三頁，共四十頁，2022年，8月28日3.4.2旋光度、旋光方向和構型旋光方向可用“+”或“一”表示。“+”為右旋“-”為左旋第十四頁，共四十頁，2022年，8月28日3.5幾組立體化學名詞1)cis/trans

除雙鍵有cis/trans異構外，在兩個烯鍵之間的單鍵C(sp2）一C(sp2）也有s-cis和s-trans之分，在Die1S一Alder環加成反應中，只有s-cis構型的二烯47b才是可以發生反應的。第十五頁，共四十頁，2022年，8月28日2)E/Z

雙鍵順反異構體之間的物理化學性質各不相等，但它不呈現光學活性。按照R/S優先規則可以將順反異構體命名為E-（反式）和Z-（順式）。雖然也有用詞頭順或反的，當兩個相同基團在同側的為順式，但順／反和E/Z在許多情況下會不一致，所以應該用統一的E/Z來命名烯烴的順反異構。第十六頁，共四十頁，2022年，8月28日

3）蘇式／赤式含有兩個相鄰手性碳原子的化合物常用蘇式／赤式命名。赤式（erythro）、蘇式（threo）的命名來源于赤鮮糖48和蘇阿糖49。按照次序規則，人們把兩個手性碳原子上較優原子（團）在同一側的稱為赤式（50)，在異側的稱為蘇式（51）。二者是非對映異構體關系。第十七頁，共四十頁，2022年，8月28日

4)out/in

某些三環二銨鹽，氮原子位于橋頭時，N一H鍵可在分子空腔的內部或外部而產生三種類型的立體異構。即out／out（外向／外向）、out／in（外向／內向）和in／in（內向／內向）。

科研拓展第十八頁，共四十頁，2022年，8月28日5）endo/exo

多環橋化合物常用內型(endo-)/外型(exo-)表示取代基間的立體化學關系。首先選擇好主橋，主橋按下列先后原則來選擇：含雜原子；含較少的原子；飽和的橋；取代基較少或取代基按優先次序規則較小。a內型是表示取代基接近于兩個未取代的橋中較長的橋，如內-降冰片54；外型則表示取代基接近于兩個未取代的橋中較短的橋。

b如果兩個橋中的一個橋含有官能團，則內型指該取代基接近于官能團，外型指二者距離相對遠一點，如內-7-甲基-2-降樟腦55及其外型異構體56。第十九頁，共四十頁，2022年，8月28日以下幾個化合物中還有取代基之間的空間關系要給出。(暫時不用)第二十頁，共四十頁，2022年，8月28日6）/

/被用來描述十氫化萘的相對構型，表示取代基與相近的環稠合處的氫位于異側，表示取代基與之處于同側。甾體環上的取代基的立體構型也常用/表示其向位，指位于面的上方，與角甲基同側；-指位于平面的下方，與甾醇羥基異面，如甾醇57。第二十一頁，共四十頁，2022年，8月28日3.6環烷烴的手性由于環的存在，限制了小環和普環、中環中C一C單鍵的自由轉動。因此，當環上的氫原子被其他原子或基團取代時會出現立體異構現象。一元取代環丙烷是無旋光性的；在兩個碳上有不同的取代基時，則會產生順反異構和光學異構現象；兩個取代基相同時，則只有順反異構體，一對對映體和一個內消旋體。第二十二頁，共四十頁，2022年，8月28日稠環體系:當兩個環并聯時會產生順反異構體。十氫萘：反式異構體是通過兩個e鍵、e鍵稠合成58不能發生環己烷中椅式構象的相互反轉，分子是剛性的，環之間不能轉變為a鍵、a鍵稠合。順式異構體是通過兩個e鍵、a鍵稠合成59

可以發生eaae的轉換而成為不能相互重疊的對映體關系的兩個構象。順式異構體中兩個并聯碳上的氫相對較為靠近，有非鍵張力，因此不如反式穩定。當兩個不同的環并聯時，如二氫化茚的順式異構體60是內消旋的，反式異構體61則有對映體存在，是外消旋的。第二十三頁，共四十頁，2022年，8月28日三個環己烷并聯后可以形成菲烷和蒽烷，由于環之間順反立體關系的存在，能形成多種異構體。雖然各個環己烷部分仍以取椅式構象穩定，但某些異構體由于幾何原因，其中的環己烷也可能取船式或其他構象式。在給出它們穩定的構象結構式時，可以先畫出中間環的椅式構象，然后再根據環順反并聯的關系，給出越多的椅式構象越好。第二十四頁，共四十頁，2022年，8月28日科研拓展對9,10一二氫蒽的構象分析表明，這并不是一個平面分子，9一取代基主要處于假直立位。第二十五頁，共四十頁，2022年，8月28日3.7外消旋體、內消旋體和非對映異構體外消旋化：有旋光活性的化合物在物理或化學條件作用下失去旋光性成為兩個對映的平衡混合物的過程。外消旋體:外消旋化過程中，手性碳原子上的兩個基團互換位置，由R-變為S-，或由S-變為R-，光活性化合物中有一半在手性碳原子上發生兩個基團互換就得到各一半的R-和S-構型的化合物混合物。因此，外消旋化必定伴隨著鍵的斷裂和再形成。第二十六頁，共四十頁，2022年，8月28日內消旋體：有手性碳原子而又不是手性的分子。

71和72是一對對映異構體。69(70）與71或72互為非對映異構體關系，它們的分子中有部分重疊而部分是對映關系，65或66與67或68的關系也是這樣。非對映異構體之間的物理性質和化學性質各不相同。差向異構體：在有多個立體中心的非對映異構體中只有一個立體中心不同的化合物。第二十七頁，共四十頁，2022年，8月28日3.8構象分析1936年，Pitzer指出乙烷分子的C一C轉動也需要克服一定的能障而并非完全自由進行，這就產生了構象這一概念。構象分析是討論分子中因單鍵旋轉或環翻轉而產生的分子中原子（團）在空間的不同分布，涉及分子在不同環境下的完整的立體形象。在考慮圍繞單鍵的旋轉時要注意“單鍵”的含義。如，酰胺基中的C一N鍵就帶有部分雙鍵的特點；阻轉異構體中的單鍵旋轉的能壘就很高，圍繞這根單鍵旋轉實際上在室溫時是不能實現的；但某些雙鍵也可能帶有很低的旋轉能壘，等等。第二十八頁，共四十頁，2022年，8月28日注意：有些分子中，分子內氫鍵經常會導致優先選擇鄰位交叉式，如乙二醇。在相鄰的原子上有極性基團或未共享電子對時，也有利于它們排列在鄰位交叉位置上，該現象稱為鄰位交叉效應。正丁烷分子：對位交叉式（最穩定）鄰位交叉式（最不穩定）重疊反錯式全重疊式第二十九頁，共四十頁，2022年，8月28日碳環化合物環丙烷：環是平面的，但環碳之間是一個彎曲的香蕉狀的鍵以減小鍵角的張力；環丁烷：主要以“蝴蝶式”構象（80）存在，其中兩翼之間的夾角為20°；環戊烷：兩種皺褶式構象，一種是扭曲式81a，其中三個碳原子在一個平面里，另外兩個碳原子分別處于該平面的上下；另一種是信封式81b，其中相鄰四個碳原子在一個平面內。信封式構象能量較低，穩定性也較好。注意：環丁烷和環戊烷是快速振動互變的非平面構象極限式的混合物。因為在它們的平面構象里，所有的CH2都為重疊式構象，因此鍵張力使它們成為皺摺構象，盡管這會增加鍵角張力但總的張力減小。第三十頁，共四十頁，2022年，8月28日六元環結構：最穩定的構象是椅式82a，這樣的構象中所有的鍵都是交叉式，角張力和扭轉張力都極小，是能量最低、最穩定的構象結構。環己烷的另一種沒有角張力的構象是船式82b。但船式構象中1,4一碳上兩個氫之間的距離較短，相距僅0.183nm，比兩個氫原子的范氏半徑之和0.24nm小，因此存在較大的非鍵張力，遠不如椅式穩定。

第三十一頁，共四十頁，2022年，8月28日Barton規則：多取代的環己烷中總是以占有較多e鍵向位的為優勢構象，其中又以作用較大的基團優先占有e鍵為一般規律。常見基團的這種位于e鍵向位的優勢順序一般有下列規律：But>＞苯基＞環己基＞異丙基＞正烷基；NH2,HO2C>NO2>OH>X;AcO,MeO>HO>I>Br、C1>F、CN>H。一般說來，烷基基團總是傾向于排列在平伏鍵上，而極性取代基的體積大小對鍵的取向不是那么敏感。

第三十二頁，共四十頁，2022年，8月28日取代六元環的補充要點1當考慮取代環己烷的構象穩定式時還需注意其他影響因素，如1,4一二取代基可以形成分子內氫鍵時，船式構象會更穩定84；反式一1,3一二叔丁基若取椅式構象則必會有一個取代基處在a鍵；而取船式構象則都能處于e鍵向位85，順式一1,3一環己二醇由于分子內氫鍵則取a鍵向位更有利86.第三十三頁，共四十頁，2022年，8月28日異頭效應：雜原子（O、N、S）取代的環己烷中，-電負性取代基將主要占有a鍵構象。同樣現象在亞甲基取代環己烷和環己酮體系中也能觀察到。如5-取代1,3-二氧六環中，5-取代基以a鍵存在的構象87為主要成分。雜原子-位極性取代基也以a鍵為主，如-吡喃葡萄糖苷88a的成分在平衡態中比-吡喃葡萄糖苷88b多。這可能是因為極性原子上的孤對電子能與-碳和另一個相鄰雜原子之間的反鍵軌道有作用。取代六元環的補充要點2第三十四頁，共四十頁，2022年，8月28日1R一甲基-4S一異丙基一3S一氯代環己烷（91）1R一甲基-4S-異丙基－3R一氯代環己烷（92）發生消除反應后得到不同的產物組成，且91的反應快。仔細分析一下它們各自的構象可以發現，91分子中的氯原子處于a鍵時，C（2）和C（4）上有反向a鍵鍵聯的氫原子，此時較大的異丙基位于e鍵，有兩個方向消除HCI得到兩個產物。92中，當氯原子處于a鍵時，只有C（2）位上有反向a鍵的氫原子，C（4）上的氫原子位于e鍵。C（4）-H和Cl不呈反式共平面關系，不能發生消除反應，故只生成脫去C（2）上的氫形成的一個產物。同時可以看出，92分子中發生消除HCI的構象分子中大基團異丙基位于a鍵，由于環己烷1,3一張