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类型Chapter (21) stereochemistry.ppt

  • 上传人:hyngb9260
  • 文档编号:9865240
  • 上传时间:2019-09-12
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    Chapter (21) stereochemistry.ppt
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    1、Chapt. 4 Stereochemistry,1. Isomerism The science of organic chemistry is based on the relationship between molecular structure and properties. That part of the science which deals with structure in three dimensions is called stereochemistry. 立体化学(Stereochemistry)是从三维空间来研究分子的结构和性质的科学. One aspect of

    2、stereochemistry is stereoisomerism. Isomers are different compounds that have the same molecular formula.,有机化合物的异构现象可以分成两大类: 结构异构(constitutional isomers)和立体异构。 结构异构也叫构造异构(constitutional isomers), 其中可以分成 1). 碳链异构,2). 位置异构,3). 官能团异构,4). The particular kind of isomers that are different each other only

    3、 in the way the atoms are oriented in space are called stereoisomers. 立体异构又可分为: 顺反异构; 对映异构; 构象异构.,5). 构象异构异构在多数情况下是不能分离的, 但也有能分离的:,2. 分子的手性和对称性 要对分子有无手性作出正确判断,必须先了解对称元素的涵义。因为分子有无手性取决于它本身的对称性。如果分子具有某几种对称元素,则它可与它的镜像重合,即分子没有手性。 一、对称元素(symmetry elements)共有四种对称元素:对称轴,对称面,对称中心和更迭对称轴。分子如果有后三种对称性就没有手性。 对称轴用

    4、符号Cn表示,n表示轴的“阶”。例如水分子,经过氧原子中心并平分HOH键角的中心线是水分子的C2轴,以该中心线为轴把水分子翻转180度(即2/2)得到一个能与原来分子完全重迭的镜像。如果某个分子转过360度得到n个与原始结构完全无法区别的等价构型,即每转2/n角度就得到一个等价构型,就称该分子有n重对称轴。,Cn轴是一种对称元素,转动是它的对称操作。,二、对称面(symmetry plane) 对称面的符号是,其对称操作是反映,即照镜子。有对称面的分子是以对称面为中心两边对称的。对称面(镜面)可以放在分子的任何一个位置。例如,2丙醇有一个对称面,所以它不是手性分子,而2丁醇则没有对称面,它是手

    5、性分子:,三、对称中心(i)。 假如分子中有一点,它与分子中任何原子(或基团)相连成线,在此直线的反方向延长线上等距离处有相同的原子(或基团),此点为该分子的对称中心。如图所示其对称操作是反演,就是假定对称中心是直角坐标的原点,分子中某一原子的坐标为(x,y,X), 经过反演操作变为(一x,一y, 一z),每个原子都经过反演操作,得到的新构型为原来构型的等价构型。有对称中心的分子就不是手性分子,也就不存在对映体。,四、更迭对称轴Sn. 其对称操作为绕某轴旋转360/n, 然后以垂直于该轴的平面作反射(反映), 得到的化合物与原化合物全同的, 是为有一更迭对称轴,对称面就是S1, 对称中心就是S

    6、2.,由于对称面就是S1, 对称中心就是S2,分子中只要有Sn轴,它就能与其镜像迭合,就是非手性的。一般情况下,分子中只要没有对称面和对称中心,该分子就是有手性的。 2、各种类型的手性化合物 分子的手性,可以是由分子结构中的某一部分所引起,比如分子中有一个而且只有一个手性碳,整个分子因此就是手性的了;也可以不含手性碳或其它手性原子,而整个分子结构是不对称的。手性化合物的几种基本类型如下: 一、有手性中心(chiral center)的化合物 这是最大的一类手性化合物。其中手性中心最多的是手性碳(不对称碳)。连有四个不同基团的手性碳作为手性中心是很容易判断的。有几类貌似连有相同基团的手性中心不易

    7、判断。但通过分析甲烷和甲烷衍生物的对称性,可以很清楚地看出这几种结构类型是有手性的。,甲烷及其衍生物的对称性 甲烷分子中四个氢原子位于以碳原子为中心的正四面体的四个顶点上。把甲烷中的碳原子放在立方体的中心,四个氢原子放在互不相邻的四个顶点上,最易判断其对称性(见下图) 甲烷分子中每一个C一H键所在的直线都是分子的C3轴,一共有4个C3轴;通过碳原子而与立方体的边平行的直线是分子的C2轴,一共有3个C2轴;通过立方体相对的两个面上两条对角钱的平面都是分子的对称面,一共有6个对称面。因此,甲烷分子中对称元素的总数为:4C3十3C2十613,是对称性很高的分子。甲烷可以作为C(aaaa)型分子的代表

    8、.,用其它元素的原子取代一个氢原子就成了 C(aaab)型化合物中,其中C3轴只剩下一个,即通过 C一b键的直线,不再有C2,只有通过b的面才是分子的对称面,因此,只剩下3个对称面(见图47),对称元素的总数为1C3 + 3=4。,C3-轴,对称面,在C(aabb)型分子中有一个C2轴和两个对称面, 对称元素的总数为 1C2 + 2 =3.,C(aabb)型化合物的对称性: C2对称轴; 对称面. 在C(aabc)型化合物中, 只剩下一个对称面. 在C(abcd)型化合物中, 不再有对称轴和对称面, 所以这类化合物有手性. C(aabb)型分子中有一个C2轴和两个对称面。如果将a和b都用桥连接

    9、起来,C2轴仍保持不变, 但对称面不复存在,分子应有手性。这说明没有手性碳的分子也可能整个分子有手性.,下面这个化合物的两个对映体巳经得到. 分子中的中心碳原子不是不对称碳原子, 但却是手性中心. 这个例子也说明手性分子中可以有对称轴Cn.,C(aaab)型化合物有一个C3轴和三个对称面. 如果把三个a之间用不对称的桥连接起来, C3轴保持不变, 而对称面不复存在, 分子是有手性的, 这种类型化合物也已合成出来.,其它手性中心原子 其它原子上连有四个不同的基团,并且其构像能稳定存在,也构成手性中心。例如四个不同基团取代的季胺盐,其对映体如下,三级胺的氮原子也是四面体的,氮的一对未共享电子对占据

    10、四面体的一个顶角。由于氮原子的不对称性,因此应有对映异构体存在。但迄今为止还没有分离出来这类对映体,这是由于氮中的三个基团以很快的速度( 103/S105s)来回翻转。因此目前还没有方法拆分互变这样快的对映体,。,异构体翻转时, 可能经过一平面的过渡态:,当把氮的三个不同基因固定在环上,环阻止了它的构型的翻转,这样就可能拆分成单一的有光学活性的异构体。特勒格(JTrger)碱就是这样的一个分子,它的结构如下:,分子中的两个氮原子为一个亚甲基桥固定,因此不能来回翻转。在(十)乳糖柱上,可以将它拆分为在室温下稳定的有光学活性的异构体。,其他原子如P、S等也有类似胺的情况,但它们的构型转化要慢得多,

    11、在室温下常保留它们的构型。如:,如下所示的亚砜类化合物也可以有手性,如果是用手性氧化试剂氧化硫醚的话:,二、手性轴的化合物 典型的手性轴化合物是丙二烯型和联苯型。丙二烯分子中有对称面,是非手性分子,不存在对映体。但当C1和C3带有不同的取代基时,整个分子为不对称分子,因此存在对映体。1878年vant Hoff即已预言这类化合物有对映异构现象,人们在1935年合成出第一个旋光的丙二烯型化合物:1,3-二苯基-1,3-二-萘基丙二烯。,这类化合物甚至在自然界中也有存在,例如,菌霉素是一种抗生素,它是自然界存在的旋光性丙二烯型化合物:,如果把丙二烯型化合物中的两个双键用两个环来代替,则所得到的螺环

    12、化合物也应当是旋光的,如图所示。,累积三烯烃两端碳上的取代基在同一平面上,因此不能成手性轴,但可以有顺反异构,但这种顺反异构体不很稳定,在漫射日光照射下或加热到100C就迅速互变,累积四烯烃的立体结构与丙二烯类似,旋光的下列化合物已于1977年合成得到。,联苯型化合物 联苯分子中的单键是可以自由旋转的。但邻位两个氢原子还是有空间冲突。没有取代基时两个苯环如果在同一平面上,形成一个大体系,可以获得一些稳定化能。在固态需要紧密堆积时联苯分子确实是平面的。但在溶液和气相中,分子可以取较大的空间时,两个苯环还是成45度角,,当联苯分子中邻位(2,6,2,6)的氢原子被体积相当大的原子或基团取代(如-N

    13、O2、-CO2H、-Br等)时,由于两个苯环上的取代基不能容纳在同一平面内,使苯环围绕中心单键的旋转受到了阻碍,两个苯环所在的平面之间必须有一定的角度,如图811所示。,其中没有对称面,也没有对称中心,因此应该有手性。这类化合物中第一个被拆分的是6,6-二硝基-2-,2-联苯二甲酸:,但2,6-二硝基-2,6-二羧基联苯分子中,因为有对称面,是非手性分子,不存在对映体,少数情况,在联苯邻位上各有一个大的取代基,也可以使单键旋转受到阻碍而成为手性分子,有一对对映体。例如(见上图). 究竟要多少大的基团才能拆分成对映体呢?旋转的能垒与取代基的体积大小有关:完全可以假定,各有一个取代基的联苯有这四种

    14、极限构象:,(2) 和(3)构象的能量最低;它们之间的能垒的大小与取代基a的体积大小有关。,当 E比较小时,(2)和(3)之间易互变,因此不能拆分成对映体;当E大到一定程度(8496kJ mol-1)后,它们之间就不能互变(室温下),可以把它们拆开成对映异构体。实验证明,当a = SO3H时,可以拆分成旋光的化合物,但加热时迅速外消旋化;当叔丁基这样的大基团时,就极难外消旋化。 根据旋光的联苯衍生物外消旋化的难易程度,人们测定了取代基位阻大小的次序为:I Br CH3 Cl NO2 CO2H OCH3 F,当然联二萘化合物也有这种现象,例如,联二萘酚是一种著名的最常用的手性试剂之一。,乙烷虽然

    15、可以有无数的构象,但在室温下是不能分离的。如果用很大的取代基取代氢原子,使C-C单键不能自由旋转,这样的分子有没有手性?已证明这三个异构体都能分离得到,,X-衍射分析证明中间的C-C键的键长为162.1pm, 比正常的C-C键长很多。这种分子也是手性轴分子。,三、手性面化合物(柄型化合物) 对苯二酚与长链二醇生成的环醚,由于它像提篮的把手。故称为把手化合物,它在一定条件下有手性。当苯环上有足够大的取代基,环醚就被挡住转不过去,因而也有对映体存在。例如:,这个“把手”究竟多少大小才会“翻转”不过去使分子呈现手性呢?分子能不能呈现手性跟这个“把”有关,也跟苯环上的取代基有关。当X = H时,n 要

    16、是10能,得到旋光的化合物;当X = Br时,由于取代基体积大了,n = 12就能得到旋光的化合物了。,当然这个“把”上有其它的取代基也可以的,例如有一个苯环:,此外,乙烯分子中所有的原子都在同一平面内,它有三个互相垂直的对称面和对称中心,但如果把反位的两个氢原子换成碳桥,对称面和对称中心就不复存在,就成为一个手性分子。双键所在的平面就是手性面。旋光的(E)-环辛四烯已合成出来。,四、螺旋分子 螺环烃也是一类不含手性碳原子的手性分子,它可以被看作是由苯环彼此以两个邻位共合的螺旋结构。最简单的是由六个苯环合并而成,因此叫六螺环烃。六螺环烃分子的末端的两个苯环不在一平面上,它不呈环形而呈螺旋形,这

    17、种分子没有对称面也没有对称中心。因此,它可以形成左和右螺旋的一对对映体:,2、外消旋体的拆分 合成有机化合物时,如果是在非手性的条件下(原料、试剂、溶剂、催化剂等都没有手性 ),得到的是外消旋体。因为对映异构体分子中各原子之间的距离相同,用非手性原料和试剂进行合成时,生成右旋体和左旋体的过渡状态能量相同,反应速率相同,反应产物、两个对映体的量也应当相同。要得到纯粹的对映体,必须对外消旋体进行拆分( resolution)。拆分有时还必须在工业规模下进行,例如,(R, R)-(十)-氯霉素的生产工艺中就有拆分工序。 一、用结晶的方法拆分Pasteur首先用结晶的方法拆分外消旋酒石酸钠铵。这种方法

    18、只适用于外消旋混合物(racemic mixture或conglomerate),就是外消旋体的晶体由等量的右旋体晶体和左旋体晶体组成。据估计有手性的有机化合物中外消旋体以外消旋混合物的形式结晶出来的只占510,而绝大多数是以外消旋化合物(racemic compound)的形式结晶出来,即同一晶体中有左旋体和右旋体且数量相等。,外消旋化合物的例子有外消旋酒石酸,其熔点(206C)远高于(十)-或(一)-酒石酸。在外消旋化合物晶体的晶胞中,两种对映体分子的数目相等,因此不能用结晶的方法分开。此外,即使是外消旋混合物也不一定呈半面晶体,用手工把两种晶体分开也很麻烦。不过不能低估这种方法的重要性,

    19、它的最大优点是不需要手性试剂。在确定手性化合物的构型时只要一个单晶就能进行X射线衍射研究,这种方法还是有优越性的。即使是手性化合物本身生成外消旋化合物,但它的衍生物却有可能是外消旋混合物,例如,外消旋酒石酸生成外消旋化合物,外消旋酒石酸钠铵生成外消旋混合物。改变温度也是一种办法,例如,外消旋酒石酸钠铵在28C以上生成外消旋化合物,在28C以下生成外消旋混合物。另外一种重要的方法是在外消旋体的饱和或过饱和溶液中加入一种纯对映体的晶种,使这种对映体优先结晶出来。这种方法称为优先结晶(Preferential crystallization)。例如,在氯霉素的生产中用优先结晶法得到它的中间体:,二、

    20、用化学方法拆分 化学拆分的原理是将外消旋体与一光学活性体反应,转变成两个非对映异构体,非对映异构体的物理性质不同,可以用重结晶的方法分开。所谓反应,一般是酸碱反应,例如,外消旋-苯乙胺与光活性的(+)-酒石酸反应,得到(+)(+)-和(-)(+)-的-苯乙胺-酒石酸盐,这两种盐是非对映异构体,其溶解性应不同,从而可以用重结晶的办法分开。,三、色谱法 在柱色谱中用手性物质作固定相可以将两个对映体分开。 四、动力学拆分 外消旋体与一个手性化合物等摩尔量起反应,两个对映体的反应速率不同,如在反应完成前停止反应,则反应速率快的一个对映异构体富集在产物中,慢的一个富集在未反应的原料中,两个对映体由于反应

    21、速率的不同被部分或全部分开,称为动力学拆分。,现代的文献中报道动力学拆分的不少,工业上实用的多以酶为试剂:,顺反异构 顺反异构现象在双键和环状化合物中存在。 由于双键旋转会导致-键破裂,因此双键上不同的取代基会导致顺反异构。但双键上不同的取代基对碳碳双键旋转的能垒高低有很大的影响。当双键的一端有强的给电子取代基而另一端是强的吸电子取代基时,能垒特别低:,这是因为共振效应导致双键性质降低,,但双键上的四个基团可能会由于位阻的关系而不在同一平面内。联苯衍生物产生手性就是因为这个原因。下面这个化合物也是这样,因为位阻,双键结构还不如双自由基结构稳定。,顺反异构体的偶极矩: 对于1,2-二取代乙烯(X

    22、CH=CHY), 如果X和Y都是给电子或吸电子取代基,顺式异构体有较大的偶极矩,反式异构体没有或很小的偶极矩;如果一个是吸电基另一个是给电基,则反式异构体的偶极矩大于顺式。,顺反异构体的互变 转动能垒较低的顺反异构体可以通过直接加热使顺式异构体转变为更稳定的反式异构体。例以如马来酸加热至160C生成富马酸,一部分则脱水变成酐;如在封管中加热到200C,防止水的蒸发,则主要产物为富马酸。顺反异构体的互变在催化剂的存在下更容易进行。例如,马来酸在催化量的HCl或HBr存在下在室温即转变为富马酸。马来酸二乙酯在微量碘存在下迅速转变为反式异构体。富马酸的水溶液在 4 05 0 C下用紫外光照射几小时后

    23、,即变成马来酸和富马酸的混合物,其中含马来酸 75。 C=N 和N=N双键的顺反异构 肟的E-Z转变能垒在163kJ mol-1以上,顺反异构体较稳定。亚胺和偶氮化合物的E-Z转变能垒较低:,前手性 立体化学的另一个重要发展是,对于某一对相同的基团或原子( 在新课本中称为配体),可以根据它们在整个分子中所处的环境加以区别在某些化合物中,如CH2CI2,两个氢是处在等同(equivalent)或等位(homotopic)的情况,不论取代哪一个氢原子,都导致相同的产物,另一类化合物中就不同。例如乙醇,取代亚甲基上的H1 或H2实际上生成对映体。因此,这两个氢是“前手性”的。,为了更全面地说明前手性

    24、的问题,我们可以用比乙醇稍为复杂一点的模型化合物:例如,1,3-丙二醇中C2上的两个氢是等位的:用D取代HA或HB得到同一个化合物:,将C1(or C3)上的两个氢分别用D取代,得到的两个分子不能互相叠合,因此这两个氢是异位的(实际上相当于乙醇的情况,是对映异位的);也因此这个碳是前手性中心:,对映异位是可以命名的。如将一个对映异位的配体用一个次序较优的基团取代后,所产生的手性中心为R构型的,则该对映异位配体称为pro-R; 反之则为pro-S。,在下面的分子中如果R基团中包含一个(例如构型为R或S的)手性碳,则H1和H2就不是对映异位的了,而是非对映异位,例如:,对映异位和非对映异位基团的性

    25、质: 非对映异位基团在核磁共振谱中的化学位移是不同的,这是核磁共振谱中的一个非常常见的现象:手性碳边上的亚甲基的两,个氢的化学位移是不同的,它们经常相互偶合分裂成四重峰。 对映异位基团的化学位移: 对映异位基团的化学位移相同。例如在乙醇中的亚甲基。又如下列两个化合物:这是两个经典的例子。,左边的为内消旋体,非对映异位基团与非手性试剂反应的速率不同;对映异位基团与非手性试剂反应的速率相同。与手性试剂反应的速率不同,产物中一个异构体过量。如产物中较多的一个异构体的mol量为X,另一少的异构体的量为Y, 则对映体过量为:,羰基碳是sp2杂化的,因此羰基碳以及它的三个价键直接相连的三个原子组成了一个平

    26、面。亲核加成试剂可以从羰基平面的上面和下面对羰基碳进行加成,从上面加成与从下面加成得到的产物是否相同? 不同分子中的羰基平面可以有三种不同的情况。甲醛所在的平面是甲醛分子的对称面,面内还有一个C2轴,这种面称为全同面。乙醛中羰基也是分子的对称面,但面内没有C2轴,上下面不能互换,,试剂从甲醛的上面和下面对羰基进行加成,得到的是同一产物:,乙醛中羰基也是分子的对称面,但面内没有C2轴,上下面不能互换;按次序规则,从上面看三个基团按顺时针方向排列,从下面看三个基团是逆时针的。亲核试剂从上面加成和从下面加成得到的是一对映体;如果试剂不是光学活性的,得到的对映体应等量,即外消旋的:,如果羰基所连的基团

    27、上有手性碳,例如下列R-2-苯基丙醛,羰基所在平面就不是分子的对称面。这种情况中试剂从上面和从下面加成得到的是一对非对映异构体;从理论上说,两个异构体的量应该是不相等的:,另一种情况是4-甲基-4-叔丁基环己酮这样的分子。该分子中虽然有一个对称面,但不是羰基所在的平面。而羰基加成的立体化学取决于羰基所在的平面的对称性。 4-甲基-4-叔丁基环己酮的羰基平面是非对映面。因此,从理论上说,试剂对该羰基从上面和从下面加成的几率不同,得到的产物量不同。,(S)-2-甲环戊酮与甲基锂加成,试剂从环上甲基的反面进攻所得的产物达90%,在这个分子中,羰基所在的平面是个手性面,这是底物分子内手性环境所产生的手

    28、性诱导。 对于对映面的化合物,如果要使试剂从某一面加成为主,即得到某一对映体过量的产物,可能吗?理论上只要加上去的试剂是手性的就行了,因为这时还是产生非对映异构体,理论上能量是不同的,所以其生成的量也不同。例如,,这就是不对称合成。总之,要使对映体过量,在反应中必须要有手性的环境,这个手性可以在底物中,也可以在试剂中,也可以在催化剂中等。 生物体内的酶对re面或si面有很强的识别能力。酵母醇脱氢酶催化的乙醇氧化反应, 要求(NAD+)作为辅酶, 乙醇是潜手性分子, 在氧化成乙醛的过程中, 包含失去pro-R氢而转移给辅酶的过程,哪个异构体为主?上世纪四十年代Cram提出了一个羰基加金属有机试剂

    29、的模型,当羰基的一个-碳是手性碳时,在反应时该手性碳上三个体积大小不同的基团应作下列方式的排列(S、M、L表示体积为小、中、大的基团):,当羰基的亲核加成仅仅受到空间位阻影响时,上诉规则适用。当过渡态是环状构型时上述规则不适用。,5. 环状化合物的立体异构 一、环状化合物的顺反异构 如果环状化合物在环上有两个或两个以上碳原子连有两个不同的原子或基团,便产生顺反异构。例如1,4-环己烷二羧酸分子中两个羧基可以在环的同一边,叫顺式,不在同一边的叫反式。,二、环状化合物的对映异构 环状化合物往往同时存在顺反异构和对映异构。分子有无手性往往与取代基的顺反有关。,1,2一环丙烷二羧酸存在顺、反异构体。

    30、顺式分子内有一对称面,因此没有手性,为内消族体;反式无对称因素存在,有手性,有一对对映体。反式一对对映体的比旋光度是84。,l,2-环戊烷二羧酸的立体异构现象也与1,2-环丙烷二羧酸相似。但1,3-环戊烷二羧酸则有三个立体异构体:,顺-1,2-二羧基环基烷分子(1)没有对称面或对称中心, 是有手性的, 是镜象为(2):,(1)可以翻转成(3), (3)以通过环中心并与a-键平行的直线为轴, 旋转120得(4), (4)与(2)互相重迭; 就是说, (1)经过环翻转变成为它的对映体, 而(1)的翻转在室温下即可进行. 在平衡状态时, (1)和(2)所占份额相等, 它们对旋光性的作用也相互抵销, 因此它们实际上没有旋光性.,如果从平面结构考虑, 分子中有对称面, 因此是没有手性的:,反式-1,2-环己烷二羧酸分中两个羧基可以在a-键,也可以在e-键。由于分子的热运动,在常温下就可以互相转变. 不论是ee型还是aa型,转换时都未涉及到键的断裂,因此属于同一构型,但是ee型占优势。然而ee型的反式化合物与其镜像是不能重叠的,因而反式存在一对对映体。,平面结构式中,反式1,2二羧基环已烷也没有对称面和对称中心,结论也是有手性的。,因此, 考虑环己烷衍生物有无手性时, 从平面结构式出发考察就可以了.,

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