1、第三章 立体化学,主要内容 烷烃的构象 手性分子和非手性分子 对映体和非对映体 手性的重要性及手性化合物的获取途径,构造异构立体异构,3.1 链烷烃的构象,构象异构体（conformational isomer） 因单键的旋转而产生的异构体,构象（conformation）：在常温下，分子中的原子或原子团可以绕着碳碳单键旋转，从而产生了在空间不同位置的排列方式，这些不同的排列方式就称为分子的构象。,构象异构体的分子构造相同，但空间排列不同， 构象异构属立体异构,描述立体结构的三种方式,伞形式,锯架式,Newman投影式,例：乙烷 CH3CH3,1. 乙烷的构象,最不稳定 键电子云排斥， von
2、 der waals排斥力，内能较高,交叉式构象,扭曲式构象,重叠式构象,staggered conformer,skewed conformer,eclipsed conformer,最稳定 原子间距离最远，内能较低,（无数个）,两种极限构象式,小于两个H 的von der waals 半径（1.2）之和，有排斥力,乙烷构象转换与势能关系图,旋转中须克服能垒扭转张力电子云排斥相邻两H间的von der waals排斥力,一般情况下( T-250oC): 单个乙烷分子：绝大部分时间在稳定构象式上。 一群乙烷分子：某一时刻，绝大多数分子在稳定的构象式上。,交叉式（anti） （反交叉式）,部分重
3、叠式,邻位交叉式 （gauche）,全重叠式,邻位交叉式 （gauche）,最稳定(甲基相距最远),较不稳定,较稳定,最不稳定（甲基相距最近）,2. 丁烷的构象,丁烷构象转换与势能关系图,规律: 大基团总是占据反式对位交叉,最稳定,最不稳定,3. 其它烷烃的构象,4. 分子内氢键对优势构象的影响 氢键：在成共价键的带部分正电荷的H和带部分负电荷的N, O, F之间形成的一种弱作用力。氢键具有很强的方向性。,角张力（angle strain）：环的角度与sp3轨道夹角差别引起的张力,Newman投影式,所有C-H 键均为重叠式构象，有扭转张力,平面型,3.2 环烷烃的构象,1. 环丙烷的结构,若
4、环丁烷为平面型分子,角张力 扭转张力,90o,重叠式构象,2.环丁烷的构象,“信封”状分子,环戊烷的构象,3.环戊烷的构象,如果环己烷的 6 个碳原子在同一平面上:将有角张力将有扭转张力,偏离109.5o,C H 重叠,环己烷不是平面型分子,重要!,4.环己烷的构象,环己烷碳架是折叠的,椅式构象,船式构象,C2, C3, C5, C6 共平面,1）椅式构象和船式构象,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,1,2,3,4,5,6,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,1,2,3,4,5,6,椅式构象,HH之间距离均大于H的Van der Waals半径之和（2.40 ）,交叉
5、式,Newman投影式,船式构象,有几组HH之间距离均 H的Van der Waals 半径之和（240 pm ）,重叠式 （有扭转张力）,旗杆键,环己烷的其它构象式,半椅式 (half chair form),扭船式 (twist boat form),椅式,船式,椅式,半椅式构象,5个碳在同一平面上有角张力（CC键角接近120o）平面碳上的C-H键为重叠式构象（有较大的扭转张力）,扭船式构象,1.84,各种环己烷构象的势能图,2）直立键 (a) 和平伏键 (e),a键 (axial bond)竖键, 直立键,e键 (equatorial bond)横键, 平伏键,椅式构象中CH键的顺反关系
6、,相邻碳上的a键和e键为顺式 两个相邻的a键（或e键）为反式,a键和e键的相互转换,翻转后,原来的a键转变为e键,而e键转变为a键,环己烷椅式构象的画法,相间的两根键相互平行（画 Z 字形）六个碳原子交替分布在两个平面上每个碳均有一根C-H键在垂直方向，上平面的向上画，下平面的向下画其它C-H键分别向左（左边的三个）或向右（右边的三个），且上下交替,i)一取代环己烷的构象,3）取代环己烷的构象,甲基环己烷中的1,3-二竖键效应,取代基体积越大，两种构象能量差也越大，e键取代构象所占比例就更高。,平衡混合物中占95%,叔丁基环己烷的构象,1, 3-竖键作用非常大,优势构象 室温：100,cis-
7、1, 2-二甲基环己烷,trans-1, 2-二甲基环己烷,1, 2-cis,能量相等,1, 2-trans,优势构象,e, a-,a, e-,e, e-,a, a-,1. 3-竖键作用较大,ii）二取代环己烷的构象分析,cis-1, 3-二甲基环己烷,trans-1, 3-二甲基环己烷,1, 3-cis,1, 3-trans,e, a-,a, e-,a, a-,e, e-,能量相等,优势构象,有较大的1. 3-竖键作用,cis-1, 4-二甲基环己烷,trans-1, 4-二甲基环己烷,能量相等,e, a-,a, e-,a, a-,1, 4-cis,1, 4-trans,有1. 3-竖键作用
8、,优势构象,e, e-,不同基团二取代环己烷,大基团总是占据 e键,1, 2-cis,优势构象,1, 3-竖键作用较大,cis-1, 4-二叔丁基环己烷的构象,有较大的1, 3-竖键作用,扭船型构象,Gill, G.; Pawar, D. M.; Noe, E. A. J. Org. Chem. 2005, 70, 10726.,较稳定,trans,cis,十氢萘 二环4. 4. 0癸烷,5.十氢化萘的构象,反式十氢萘的构象,全为交叉式构象,顺式十氢萘的构象,1. 3-竖键作用,6. 天然产物甾体骨架,全反式连接,天然甾体化合物骨架,环己烷椅式构象的画法,本次课要求 掌握构象的概念，熟练掌握几
9、种开链烷烃构象式的表达方法（重要：Newman投影式），判断优势构象。掌握环丙烷、环丁烷、环戊烷的结构特点和构象。掌握并熟练画出环己烷的构象（主要：椅式、船式构象），了解各构象的相对稳定性，掌握椅式的a键和e键及相邻键的顺反关系。 了解并掌握各类取代环己烷的构象，判断其中的优势构象。会画顺、反式十氢萘的构象，分析两者的相对稳定性。,习题 p84 习题3-2, p86 习题3-4, p94 习题3-8 (不必计算势能差), p95 习题3-9 (不必计算势能差), p97 习题3-10,构造异构立体异构,一、手性分子和非手性分子,3.3 旋光异构体,手(征)性 (Chirality ),手性(c
10、hirality)：互为镜像与实物关系，彼此又不能重合的现象 Chiral is derived from the Greek word cheiros, meaning “hand”.,手性分子(chiral molecule) ：不能与其镜像重叠的分子,手性碳 手性分子的特征,连有四个不同基团的碳原子 手性碳(chiral carbon) 手性中心 (Chiral center),手性碳标记,例：,非手性分子（achiral molecules）,非手性分子：与镜像相重合 （非手性分子不含有手性碳）,手性分子有光学活性 (旋光性，optical activity),手性化合物 = 光学活性
11、化合物 = 旋光性化合物,旋光度(a) observed rotation：偏振面被旋光性物质所旋转的角度,t : 实验观察到的旋光度 l : 样品管长度 (dm, 分米) c : 样品密度或浓度 (g/ml) t : 测试时温度 : 光源波长,顺时针(右旋)：“+” dextrorotatory (d) 逆时针(左旋)：“-” levorotatory (l),手性分子旋光能力的表示方式 比旋光度 (at) specific rotation,二、对映体 和外消旋体,(-)-2-丁醇 (+)-2-丁醇,a27D = + 13.5,a27D = - 13.5,对映异构体:具有相同分子构造的两个
12、异构体，互为实物与镜像关系，且不能完全重合，互称为对映异构体, 简称对映体.,光学纯 optically pure和光学纯度 optical purity光学纯：一个样品中所有分子具有相同手性光学纯度：一个对映体在样品中的含量，又称为对映体过量percent enantiomeric excess (%ee),某 2-丁醇样品的光学纯度为 50，请问 2 个对映体在该样品中的含量。,2个对映体在该样品中的含量分别为75和25。,已知(+)-乳酸的比旋光度为+3.8，现有某乳酸样品的比旋光度为-1.9，请问 2 个对映体在该样品中的含量。,(+)-乳酸的含量为25， (-)-乳酸的含量为75。,
13、 物理性质相同： 有相同的熔点 相同的沸点 相同的溶解度(在水和其它普通的非手性溶剂)等 两者对偏振光的偏振面的作用不同 化学性质 除了与手性试剂反应外，对映体的化学性质也相同 两者在生理作用上有着显著的不同,一对对映体性质的异同,外消旋体：一对对映体的等量混合物,（一对对映体对光的影响是比旋光度值相等，旋光方向相反旋光性 相互抵消消旋）,例1：2-丁醇,常用立体结构表达式,伞形式,Fischer 投影式 (Fischer projection),十字式,主链放在垂直方向上,伸向后方,不是立体结构式,立体结构的表示方法,Fischer投影式正规写法的原则： 主 碳 链 直 立 上 小 下 大
14、横 前 竖 后,Fischer投影式,Fischer投影式的获得,例：2,3-丁二醇,2.手性分子的构型命名,1） D.L 命名法（相对构型）,参照物,D-(+)-甘油醛,L-(-)-甘油醛,D-(+)-葡萄糖,D-(-)-乳酸,L-(+)-乳酸,例： 2-丁醇,将手性碳上的四个原子或基团中最小的置于远离我们视线的位置(即放在最远的位置)，然后观察朝向我们的另外三个基团由大到小的顺序。如为顺时针方向即为R构型；反时针方向为S构型,(S)-2-丁醇,(R)-2-丁醇,沿 C-H 方向,S（逆时针方向）,R（顺时针方向）,(1) 透视式,2) R/S 构型命名法,手性碳上的两个基团或原子交换奇数次
15、得对映体, 交换偶数次回到原来结构,（2）环状化合物,(S)-(-)-4-甲基环己烯,(R)-(+)-4-甲基环己烯,（一）分子中含有两个不同的手性碳 （Diastereomers）,四、含两个以上手性碳原子的有机分子,aD = + 9.5,aD = - 9.5,aD = - 17.8,aD = + 17.8,(2R, 3R) (2S, 3S) (2R, 3S) (2S, 3R),非对映体 diastereomers 并非实物与镜像关系的 2 个构造相同的化合物,酒石酸 (tartaric acid) 的构型异构体,同一化合物,(2R, 3S) (2S, 3R),(2R, 3R) (2S, 3
16、S),对映体,（二）分子中含有两个相同的手性碳,含有两个以上手性碳原子的化合物存在两个以上的立体异构体，其最大数目是2n (n代表手性碳原子数),meso-酒石酸,分子内存在对称因素一个手性碳的旋光性正好被分子内另一构型相反的手性碳所抵消：无旋光性,（三）1, 2-二甲基环己烷的构型异构体,同一化合物，内消旋体,cis-1, 2-二甲基环己烷,trans-1, 2-二甲基环己烷,对映体,cis-1, 2-二甲基环己烷,有对称面, 非手性 （内消旋体）,平面结构式,构象对映体 (构象外消旋体),trans-1, 2-二甲基环己烷,对映体,平面结构式,（四）含假手性碳原子的有机分子,有对称面, 内
17、消旋体,对映体,C3为假手性碳原子，构型以 r, s 表示相同组成的手性碳优先顺序：R型 S型,（五）差向异构体 epimers：只有一个手性不同,非对映体，差向异构体,五、不含手性中心的手性分子 (P.115, 3.7-8) 丙二烯型,右旋,左旋,非手性分子,联苯型 (位阻异构体、阻转异构体 atropisomers),非手性分子,螺旋型(M/P构型),“Thalidomide Babies”,六、手性分子的获得,（一）来源于自然界手性分子,（二）不对称有机合成 Asymmetric synthesis 立体专一反应 Stereospecific Reaction 不同立体异构体在同样反应条
18、件下得到相应的立体异构体。 立体有择反应 Stereoselective Reaction 一个反应底物在一定反应条件下可以生成 2 个以上立体异构体，其中有一个占优势。,Stereoselectivity Enantioselectivity Diastereoselectivity,W. S. Knowles,l-DOPA的工业生产,Ryoji Noyori,有机反应中的立体化学 加成消除,顺式 syn,反式 anti,取代,Walden inversion Paul Walden (1863-1957),(外)消旋化 racemization,差向异构化 epimerization,巴斯
19、德 Louis Pasteur (18221895),1848: 巴斯德借助放大镜拆分,外消旋酒石酸钠铵 sodium ammonium salts of (+) and (-)-tartaric acid,机械拆分,（三）外消旋体的拆分,化学法拆分,常用拆分剂 光学纯的天然碱:(+)-奎宁、()-马钱子碱和(+)-辛可宁 手性酸：酒石酸、樟脑磺酸、乳酸 要拆分的外消旋体既不是酸又不是碱：可以设法将化合物接 上一个羧基，然后再进行拆分。,例：(一)奎宁,C,C,O,O,H,C,H,3,H,O,H,N,R,R,C,C,C,H,3,H,O,H,O,O,N,R,R,+,H,()-乳酸 ()-奎宁 (
20、)-奎宁-(+)-乳酸盐,()-奎宁-()-乳酸盐,()-奎宁-(+)-乳酸盐 + HCl (+)-乳酸 + ()-奎宁 HCl ()-奎宁-()- 乳酸盐 + HCl ()乳酸 + ()-奎宁 HCl,非对映体混合物,Separation,仪器拆分（GC, HPLC）,HPLC用手性柱,GC用手性柱,酶解法拆分（利用酶的选择性反应进行拆分）,例: DL-丙氨酸的酶解拆分,选择性去乙酰基,以下章节以后介绍：3.6.6, 3.9.1, 3.9.2, 3.9.4 本章习题：P.86, 习题3-3 (任选2题), 3-4, P.95, 习题3-9, P.97, 习题3-10 (ii, iv), 3-11, P. 86, 习题3-5, P.102, 习题3-12, P.106, 习题3-13, 3-14, P.107, 习题3-17, P.110, 习题3-18, 3-19P.114, 习题3-23, P.117, 习题3-24, P.118, 习题3-25,
