1、第二章 立体化学(Sterochemistry),立体化学研究的内容主要为两个方面： 静态分子的立体结构 动态分子结构对性能的影响,碳架异构：,官能团异构：,位置异构：,互变异构：,顺反异构：,对映异构：,D-(-)-乳酸,L-(-)-乳酸,构象异构：,对位交叉,邻位交叉,手性（chirality）用来描述物体和它的镜象不能重叠的一种性质，历史上手性即旋光性。 旋光性即旋转偏振光平面的能力。是手征分子的一种性质，手性分子即有旋光性。 手性中心在sp3碳上具有四个不相同的配基时，分子是手性的，我们把这个碳原子称为手性中心。如2-丁醇是手性分子，而乙醇是非手性分子。除了手性碳中心外，还有硅、硫、磷
2、、氮等手性中心。 此外，还有不具手性中心的手性分子。,2.1 对映异构 (Enantiomerism),手性的描述,注意：分子旋光度符号和构型（D, L或R, S）之间没有对应关系。不是象甘油醛那样D- 是右旋，L-是左旋；例如，L-丙氨酸是右旋的。,Fischer法（D，L）或Cahn-Ingold-Prelog法（R，S）,R- S-,手性因素与手性化合物的关系,含有手性中心是分子产生手性的重要因素，但含有手性中心的化合物不一定是手性分子：如果该化合物含有对称中心，对称面等对称因素则是非手性的。例如1, 2-二甲基环丁烷的三个可能的立体异构体是：,只有反式有手性，故判断手性主要根据分子是否
3、有对称因素。,（一） 分子的对称性,对称要素：,对称轴 (Cn)：,对称平面 ():,1. 所有的原子共同处于的平面,2. 通过分子中心，且将分子平均分成互成实物与镜象关系的两部分的平面,对称中心 (i)：,点-分子中心，等距离有相同的原子,古柯间二酸,请你各举一例。,i,交替对称轴 (Sn):,反射,重合,通过反射的 操作，上、下 方的基团交换 位置，基团的 构型改变。,垂直于对称轴 的镜面,S4 = C4,（二）. 含一个手性中心的分子一定为手性分子，具有旋光性，有一对对映体,() - 乳酸,在非手性条件下，反应产物外消旋体,手性N原子：,两种对映体因快速翻转而相互转化，导致消旋。,其它手
4、性中心 ：,（三） 含两个（或多个）手性中心的分子,Fischer 投影式： 氧化态高的基团在上端。 赤型 (erythro-)相同原子或基团在碳链同侧 苏型 (threo-)相同原子或基团在碳链异侧,非对映体 (Diastereomers)：,不是对映体的立体异构体。如：(I)与(III)、(II)与(IV),结构特征：如果有两个不对称中心，至少在一个不对称中心上具有相同的构型，在一个不对称中心上具有不同的构型。 它们的物理性质、化学性质不同,内消旋体(meso)：两个相同的手性中心，构型相反。(V)、(VI)为内消旋体的两种表示,（四 环状化合物的对映异构,非对映异构体,内消旋体 mp:
5、130,反式 (+) 异构体 mp:175,反式 (-) 异构体 mp: 175 ,对映体对,内消旋体,（五）不含手性中心的手性分子,手性轴和手性面的化合物，如某些旋光性的丙二烯、螺环、联苯、柄型化合物。,1,3-丙二醇C（2）上的两个质子在拓扑学上和在化学上都相等。但C（1）上的两个质子不相等，分别取代应得到立体化学上不同的状态。氘取代C（1）上的质子产生一个手征性产物1-氘-1，3-丙二醇：,(六) 准手性关系（prochiral relationship）,如果一个点上配基被一个新的配基取代时产生一个手征组合体(chiral assembly), 则原来的组合体就是准手征的，该点称为准手
6、性中心（prochiral centers）,应用顺序规则：选取准手征中心上的一个异位配基，在不打乱其余配基的序位情况下，认为它比另一个异位配基有较高的序位，如果潜手征中心的构型为R时, 则所选的配基是pro-R；如果这个潜手征中心是S，则所选配基是pro-S。,准手征中心,潜手征面,乙醛的羰基为平面，如果试剂分别从两面进攻，会得到一对对映体，则这个面称为准手性面（prochiral plane） 如果从某一个面方向看过去，取代基按递降序位的排列顺序是顺时针的，那么这个面就是re，如果是反时针的，那就是si。,（例如正丁烷）,稳定性：对交叉式邻交叉式部分重叠式全重叠式,二、 构象分析,1. 饱
7、和烃类化合物,正丁烷围绕C(2)C(3)键旋转时势能与扭转角的关系图,在某些卤代烷达成平衡时，邻位交叉式构象略比对位交叉式构象占优势（Gauche效应） 。在邻位交叉式构象中，甲基和氯之间的距离接近于它们的范德华半径之和，它们之间有着起稳定作用的伦敦力。,分子内氢键也使邻位交叉式构象比对位交叉式构象稳定，如氯乙醇、邻二醇就有这种氢键，并经IR等证实。,因此，醛、酮的羰基往往与H或含H取代基处于重叠式位置：,2. 不饱和化合物,围绕烯的sp2-sp3键的重叠式构象占优势是一个普遍现象，如1-丁烯：构象A和B为重叠式，C和D为交叉式。稳定的旋转异构体是重叠式构象 A 和 B。构象B (氢重叠式)
8、比A (甲基重叠式) 更稳定一些。焓差大约为0.15千卡/摩尔。,在1,3-丁二烯的构象中，两个双键是共平面的，以便使电子离域时作有效的轨道重叠。1,3-丁烯的两种共平面构象称为 S-反式和 S-顺式。,S-反式构象是较为稳定的构象。,3. 环己烷衍生物的构象,环己烷最稳定的构象是椅式。,环己烷的另外两个具有正常键角和键长的构象是船式和扭式。船式构象比椅式构象的能量高29.7kJ/mol。,环己烷由于围绕碳-碳键的旋转而使椅式之间的互相转化称为构象翻转。如图所示：,取代基对环己烷环的构象翻转速度并不产生很大的影响，但却影响各椅式间的平衡分配比。在一种椅式构象中处于直立式的全部取代基，在环翻转中
9、都变为平伏式，反之亦然。,构象异构体之间自由能之差称为构象自由能。,叔丁基占有平伏式定向的强大优势使它在研究构象倾向体系时成为非常有用的基团。,二甲基环己烷,1,2- 、1,3- 和 1,4-二甲基环己烷，顺式反式的平衡自由能两个甲基全是平伏式的构象最稳定。,顺式和反式十氢化萘可以类似的方法来分析,环己酮衍生物的构象,环己酮C(2)上的烷基平伏式比直立式要稳定，平伏式定向是与羰基重叠故相当于开链醛酮的较稳定的构象。 环己酮C(3)上烷基取代基的构象也是平伏式较稳定,-氯代酮效应(Cornforth规则)：,由于羰基和碳-卤键偶极相互作用的结果 , 偶极矩较小的构象是卤素为直立式的构象，所以在低
10、介电常数溶剂中有利于这种构象。2-氯-环己酮在低介电常数溶剂(CCl4)中，直立式构象与与平伏式构象之比为31。,在顺式-2-甲基-5-叔-丁基-1，3-二氧六环中，它的优势构象是叔丁基为直立式，甲基为平伏式：,5. 杂环构象分析,杂原子引入环所造成的明显变化是键长和键角，C-O和C-N键长（1.43和1.47）都比C-C键长1.54短，而C-S键的键长（1.82）却比较长。范德华力减小是杂环化合物环的另一个重要特点.,当杂环中存在一个极性取代基时，取代基与环中杂原子的 相互作用可以变得很重要。,如在IR中观测到5-羟基-1，3-二氧六环的羟基氢键有43cm-1位移，由此得出，它的优势构象是羟
11、基为直立式的构象。因为羟基为直立式时可能与环中氧原子形成氢键。,异头效应,当吸电子取代基（如卤素、烷氧基）在吡喃糖的C(1)位时，这种糖的取代基为直立式比平伏式时稳定性要高。,当取代基为平伏式时，各C-O键和取代基之间不利的偶极-偶极相互作用比取代基为直立式时的要大。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当比直立式异构体为高。,2.2 动态立体化学,立体专一反应(Stereospecific Reaction)：在相同的反应条件下，由立体异构的起始物得出立体异构的不同产物，通常反应只得到一种产物。 立体选择性反应(Stereoselective Reaction)：在特定
12、反应中，一种反应物能够形成两种或更多种立体异构产物，但是其中一种异构体产物占优势。,反应活性与构象效应,克拉姆（Cram）规则：,酮的碳为手性碳原子时，其优势构象为羰基双键处于两个较小基团之间，发生反应时试剂从位阻较小的一边进攻羰基碳原子。例如含手性碳原子的羰基化合物的反应,例如：,当手性碳上有OH或-NH2时，它们与羰基处于邻交叉位,对烯的立体专一加成反应：如环氧化反应 亲核取代反应,某些立体选择性反应,消除反应：如脱卤化氢反应氧化胺的热解反应,在这些立体专一过程中，起始物都是一对对立体异构体，产物彼此也是立体异构体。 每个反应进行时，只得到单一一种立体异构体，而不混杂有另一种立体异构体。,
13、非对映异构关系,构型保留：在反应中立体化学方面有意义的原子的空间排列在反应物和产物中是相同的。 构型转变：在反应中立体化学方面有意义的原子的空间排列在反应物和产物中是对映异构的关系。 如果在生成产物过程中反应物失去了立体化学的完整性，那么这个反应进行时发生外消旋化作用。 如果仅仅丧失一部分立体化学完整性的许多反应实例，我们把它称为部分外消旋化作用。,有机分子发生外消旋化作用时最常见的机理过程是：从不对称碳原子处断裂掉一个配基而得出一个平面的三配位中间体。这样一个中间体能以两边相等的几率被俘获，结果产生等量的对映异构体产物。 当反应中发生烯醇化也导致消旋化。 多个手性碳原子化合物，其中一个手性碳发生构型转化差向异构化。,外消旋化（Racemization）,外消旋体拆分（Resolution of Racemate）,拆分是把一个含有等量对映体的混合物（称为消旋体或外消旋混合物）分离成其组分的过程。 化学法用一个旋光性试剂来处理对映异构体混合物，使其转变为非对映异构体混合物，然后利用非对映异构体的熔沸点及溶解度等物理化学性质的差异，通过蒸馏或重结晶而使其分离。,例如：2-苯基-3-甲基丁酸的拆分,
