立體化學與構象

1、北京理工大學 高等有機化學立體化學教學目的要求本章學習立體化學和構象分析為完全認識一個分子結構，需要了解三個層次的內容：構造（constitution)構型（configuration) 指分子內原子或基團在空間“固定”排列關系，分為：順反異構，旋光異構二種。構象（conformation) 指圍繞單鍵旋轉產(chǎn)生的不同的分子形象。構型和構象在有機合成、天然產(chǎn)物、生物化學等研究領域非常重要。例如六六六有九種順反異構體，其中只有-異構體具有殺蟲活性。人體需要多種氨基酸，其中只有L-型具有活性作用。手性（chiral）在醫(yī)藥、農藥、食品添加劑、香料等領域需求越來越多。手性液晶材料、手性高分子材料具有獨

2、特的理化性能，成為特殊的器件材料。一個新興的高新技術產(chǎn)業(yè)-手性技術（chirotechnology）正在悄然興起。（一）順反異構由于雙鍵或環(huán)的存在，使得旋轉發(fā)生困難，而引起的異構現(xiàn)象。 能壘<10 kcalmol。 能壘50 kcalmol 雙鍵要破壞。命名：順、反 （Cis, Syn-; Trans, Anti)。現(xiàn)在用 “Z”， “E”表示Z：Zusammen 二個大的基團都在一側（相當于順）E：Entgegen 二個大的基團分在兩側 （相當于反）例：Z-3-甲基-4-異丙基-3-庚烯基團的大小排列是按照原子序數(shù)排列的。分子內含有二個以上的雙鍵時，每個雙鍵的構型都要標出來。(1E,5

3、Z)-環(huán)癸-1,5-二烯-1,6-二羧酸關于C=N和N=N雙鍵的命名含C=N雙鍵的化合物主要是指醛肟和酮肟（醛或酮與羥胺NH2OH反應得到）Z-2-戊酮肟 Z-苯甲醛肟孤對電子的序數(shù)為“0”。文獻上，現(xiàn)在還沿用順、反命名。把-OH,-H在一側的叫順式，Cis-，Syn-；把-OH,-H在兩側的叫反式，Trans-，Anti-。N=N雙鍵也用順反命名：反式(E)偶氮苯 順式(Z)偶氮苯一般反式穩(wěn)定,減少了基團間的排斥作用。（反式對稱性好，分子排列更為緊密、有序，有較高的熔點，較低的溶解度（在水中，因極性?。?，燃燒熱、氫化熱比順式低。對于環(huán)狀化合物仍用順反而不用E、Z，把環(huán)看成是一個平面的，取代基

4、團在同一側的為順式。 如果有三個以上時,選一個參考基,用小寫r(reference group)表示,再和別的取代基比較與之關系。順-3-反-5-二甲基環(huán)己-r-1-醇關于構型的確定的方法§ 環(huán)的生成或破裂 § 利用已知構型推斷未知構型 § 從反應歷程來確定 § 用物理方法測，x-衍射，熔點，溶解度性質等，這些都是很經(jīng)典的方法。最簡單、最常用的就是NMR。自旋-自旋偶合會引起核磁共振信號裂分，如：CH2Br-CHBr2的1H NMR如圖：用單位Hz表示發(fā)生裂分的吸收峰之間的間隔，稱為自旋偶合常數(shù)（J）。此處彼此間相互作用的原子核的自旋偶合常值是相等的。

5、Jab=211Hz Jab=1021HzJ反>J順如：HBrC=CHCl，J反=11Hz，J順=4Hz。順、反混合物，各出各的H，互不干擾，還可以從積分大小定比例。（二）對映異構手性分子（chiral molecule）、手性碳，從上世紀七十年代起廣泛使用，能夠使平面偏振光向左或向右旋的物質稱為旋光性物質（或光活性物質）。手性分子是指一個分子與其鏡象不能重合。手性分子一定是光活性物質。對映異構體：二個互為鏡象，但不能重合，是二種不同化合物。旋光能力相同，但方向相反，如同左、右手?？疾煲粋€分子是否為手性分子，可以從有無手性碳出發(fā)，但是最根本是要看分子對稱性來考察。符合手性分子的充要條件：無

6、對稱面；無對稱中心；無交換對稱軸。三者不可缺一，但一般說來，只要求分子是否有對稱面或對稱中心即可了。（注意：對稱軸不能作為判據(jù)。）（1） 對稱因素 對稱軸Cn：指圍繞穿過分子的一條軸，旋轉360°/n分子能夠復原，此軸叫分子對稱軸。 C2軸，轉180º可以還原 C3軸ii：對稱面如果組成分子的所有原子都在一個平面上或者有一個平面通過分子能把此分子分成互為鏡像的兩者，這兩種平面都是分子對稱面。三氯甲烷三個對稱面BF3有四個對稱面苯有七個對稱面iii：對稱中心 i 在分子中找一個中心,在離中心等距離處能找到完全相同的原子，此中心即為對稱中心。iv：交換對稱軸Sn（旋轉反映軸）

7、指把一個分子圍繞穿過此分子的軸旋轉一定角度（Cn）再把垂直于此軸的平面作為鏡子，所得鏡象與原分子一樣時，此軸即為交替對稱軸。（2） 無手性碳的手性分子有些化合物，沒有手性碳，但從對稱性上看屬于手性分子a、 丙二烯型化合物（含手性軸） 手性軸：繞此軸轉360º時可以還原，中間任何狀態(tài)都不能還原。b、 螺環(huán)化合物（spiro compounds），手性軸兩個四元環(huán)是剛性的，所在的平面是互相垂直的。有一手性軸。類似于丙二烯類化合物。c、 聯(lián)苯型化合物，手性軸二個苯環(huán)由于取代基空間效應,不能在一個平面上。如果是對稱取代，就有對稱面了。另外，如果四個取代基較小就不同了。d、 含有手性面的化合物

8、 六螺并苯，由于1，6二環(huán)部分發(fā)生重疊，破壞了分子的對稱性，這種重疊相當于一對相反轉向的螺絲，一個是左螺紋，另一個是右螺紋，構成一對對映體，分子中有一個手性面。 e、柄型化合物（Ansa compounds），手性面 由對苯二酚與長鏈，二醇成醚。由于Br和COOH比較大，苯環(huán)繞單鍵轉不過去，也存在有對映體。手性面就是與苯環(huán)相垂直的平面。如果(CH2)12時就可以轉過去了，就無旋光性了。f、分子扭曲而產(chǎn)生旋光性由于二個CH3離的近發(fā)生重疊，不能共平面了，發(fā)生了扭曲（一上一下），整個分子不能共平面了，可以拆分成對映體。根據(jù)分子的對稱性要素可以把分子分成三大類：對稱化合物：有、i或Sn軸的化合物 非

9、對稱化合物：沒有上述三種對稱要素，只有簡單的對稱軸。不對稱化合物：沒有任何對稱要素的分子。而非對稱化合物和不對稱化合物都為手性分子。例如：此分子有一C2對稱軸，是個手性分子；此分子叫非對稱分子。這樣區(qū)分易于混淆，現(xiàn)在用手性分子和非（無）手性分子來區(qū)分。例： =有 = 手性分子 手性分子 （3）四面體N可以成為手性中心四面體N 即R4N+也可成為手性中心，銨鹽類叔胺分子無對稱性，似乎應有旋光性，但由于傘效應，易于翻轉，每秒翻轉2.3×1010次，翻轉能壘很低，外消旋化了。 但如果N在環(huán)上橋頭位置時，就不能翻轉了。此分子無對稱面和對稱中心。角錐形結構S化物也可以成為手性中心：锍離子亞砜

10、亞磺酸酯其他元素P，As也可成為四面體構型，成為手性中心。（4）含有一個手性中心的化合物四面體C上具有四個不同的取代基時，成為手性碳。（四個取代基稍有差別即可）。旋光度與四個取代基極性有關。極性差別愈大，旋光度愈大，烷基極化度相差不多，旋光度很小含有一個手性中心就只有二種異構體。212，R和S構型。手性碳原子的標記方法：1966年，Cahn-Ingold-Prelog規(guī)則（簡稱CIP規(guī)則）或者R/S規(guī)則。按原子序數(shù)遞減，共用電子對居末尾。C=A，看成和A連兩次。雙鍵順式和R-基團優(yōu)先于雙鍵反式和S型。例：標記下面分子中的手性碳。Fischer投影式為了充分理解立體化學，觀看分子模型很有幫助。但

11、是，如果把分子模型畫在平面上時遇到了問題。1891年，Emil Fischer創(chuàng)造的Fishcher投影法，即在平面上描述四面體碳的方法，對立體化學的研究非常適用。它是這樣規(guī)定的：按如下方式拿分子模型，紙前面的兩個鍵是水平的，紙后面的兩個鍵是垂直的，然后將其投影在紙上。把氧化態(tài)最高的基團放在上面，COOH>CHO>CH2OH>CH3可以轉180°，不能轉90°，不能離開紙面翻轉。固定一個基團，其他可以按照順或逆時針旋轉，但兩個基團不可以交換。Fishcher投影式與鋸木架結構式的互換：（5）關于糖類和氨基酸仍沿用D、L構型標記，不用R、S法選用甘油醛作為標

12、準，其他的化合物與它來對照。指定如下：糖類：編號最大的手性碳與其對比。以2號碳來對比，D型-丁醛糖。-氨基酸：以碳來與其對比。L-蘇氨酸。（注意：D,L在這里僅代表構型，不表示旋光方向（±）。）含有兩個手性碳的分子，為了表示兩個手性碳的相互關系，把含有兩個取代基相同的在一側叫赤式，在兩側叫蘇式。dl對，d表示右旋，l表示左旋，dl對外消旋體。（同下面內消旋體對比）D、L，蘇、赤式命名都不嚴密，但文獻上常用。R/S最嚴密科學。如果兩個手性碳連的基團都相同：如酒石酸對第一個分子，其鏡像和本身是同一分子。它分子內有一對稱面， 稱為內消旋。則酒石酸有三種立體異構體。如果有3個手性碳，就應該有

13、23=8種立體異構體了。 2，3，4，5-四羥基戊酸（學習畫法）（6）前手性中心（prochiral center,前，潛，準）乙醇分子沒有手性（有對稱面），經(jīng)反應后，產(chǎn)生手性中心。HS和HR稱為對映（異構）位氫，這兩個氫原子性質完全相同，從兩邊取代機會完全相等，得到外消旋混合物。如果前手性碳上連有一個手性碳，則兩個氫就是非對映位氫，從兩邊進攻機會就不同了。（7）前手性面（prochiral face） 對于有對稱面的不飽和鍵加成后產(chǎn)生新的手性中心。試劑從兩面進攻（Si面，Re面），得到不同構型的產(chǎn)物。對于上面的乙醛來說，得到對映異構體。如果，分子中已經(jīng)有了一個手性中心，此時羰基的兩個面就不一

14、樣了，試劑從兩邊進攻就得到不等量的非對映異構體。（8）不對稱合成（Asymmetric synthesis）一般說來，在一個非手性分子中引入一個手性中心時，產(chǎn)物總是等量的左旋和右旋的外消旋體，如果得到異構體數(shù)量不相等，這種反應就叫不對稱合成。%ee=百分主要對映體-百分次要對映體即對映體過量百分數(shù)。要實現(xiàn)不對稱合成，必須有一個化學的或物理的不對稱因素存在，不對稱底物、試劑、溶劑、催化劑或偏振光存在，才能產(chǎn)生不對稱產(chǎn)物。（a）活性底物Cram（1952年）規(guī)則：指出進攻基團將優(yōu)先作用雙鍵空間障礙最小的一面。 主要產(chǎn)物 次要產(chǎn)物R、L采取重疊構象Cram認為R、L重疊構象有利。在與格氏試劑作用前，

15、格氏試劑的金屬部分先與羰基氧配位，這大大膨脹了羰基氧原子的一端，使得L與R重疊，成為最有利的優(yōu)勢構象。（b）活性試劑（c）活性催化劑或活性溶劑催化劑是由旋光三級膦與Rh（銠）配位而得。 D20=(+)3.04°二十世紀六十年代發(fā)生在歐洲的反應停（thalidomide）事件。R-反應停，鎮(zhèn)靜、止吐 S-反應停，致畸作用服用外消旋體的反應停，造成強烈的嬰兒致畸。美國食品與藥品管理局（FDA）于1992年規(guī)定：在美國上市的消旋體類新藥必須提供藥品中所含各對映體各自的藥理作用、毒性和臨床效果。全世界到2000年手性藥物市場高達1200億美元。三分之二開發(fā)中的藥物是手性的。手性技術，特別是不

16、對稱催化已經(jīng)成為國內外關注的新技術領域之一。例如1983-1996年已經(jīng)生產(chǎn)了近3萬噸薄荷醇及其中間體，而消耗掉的手性配體僅250kg。手性催化劑要求：高效率（high efficiency）、高選擇性（high selectivity）、高產(chǎn)出率（high productivity）。目前，不對稱氫化合成（對雙鍵C=C、C=O、C=N）具有廣泛使用前景。催化劑用的是：（Ru（s）-BINAP）(OAc)2，手性聯(lián)二萘酸雙磷配體與釕的配合物。2001年的諾貝爾化學獎，日本的野依良至，美國的諾爾斯（Knowles）、夏普雷斯（Sharpless）。日本科學家研究不對稱氫化催化劑。1968年諾爾斯

17、發(fā)現(xiàn)用過渡金屬進行不對稱氫化的方法，該方法很快用于治療帕金森癥藥物生產(chǎn)上。夏普雷斯發(fā)現(xiàn)了不對稱催化氧化，被應用于心腦血管、抗生素、激素、抗癌藥及中樞神經(jīng)類藥物的研制上。不對稱氫化反應是典型的原子經(jīng)濟性反應，使用清潔的氫氣，屬于綠色化學反應。手性催化劑中影響對映選擇性的關鍵因素是手性配體。目前，開發(fā)的手性配體很多，可是有效的手性配體不足二十分之一。因此，手性催化劑的設計與合成、回收及循環(huán)使用是不對稱氫化合成的研究方向。（d）僅使用物理方法無任何化學的不對稱因素參與下，形成一個光學活性的產(chǎn)物的反應，也叫絕對不對稱合成。常用的物理因素為偏振光、電磁等。這種方法產(chǎn)率很低，但是在自然界中最早出現(xiàn)的光活性

18、化合物，可能是在自然界中偏振光作用下生成的。（e）微生物發(fā)酵和酶催化的不對稱反應酶是生物化學反應的高效、立體專一、條件溫和的催化劑。在生物體中有無數(shù)的有機反應發(fā)生，酶屬于蛋白質，結構復雜。把酶吸附在一種纖維素離子交換樹脂上，相當于柱層析的柱體。將純的苯甲醛和HCN（摩爾比2：3）的甲醇水溶液通過柱體，洗提液減壓下除去溶劑，得率為95%，ee：94%（R-(+)97%,S-(-)3%）。這個反應可以連續(xù)操作，許多芳香族、雜環(huán)的、脂肪族的醛都可以。（W. Becker. JACS, 88,4299(1966)）。（三）構象和構象分析構象：沿C-C單鍵旋轉，分子產(chǎn)生不同形象，稱為構象。單鍵旋轉能壘一

19、般為310千卡/摩爾，在室溫下熱運動可以越過此能壘，各種構象迅速互變，分子在某一構象停留時間很短（10-6秒），因此不可能將某一個構象分離出來。研究構象對于了解化合物結構、反應歷程和反應取向等方面非常重要。許多分子呈現(xiàn)有張力，就是由于非理想幾何形狀造成的。分子將盡可能利用鍵角或鍵長的改變使能量達到最低值，就是說一個分子總是要采取使其能量為最低的幾何形狀?？臻g張力=成鍵張力（單鍵伸長或縮短）+鍵角張力+扭轉張力+非鍵張力分子內張力是上述四種張力之和。1、 角張力（亦稱Baeger張力）：它是由于正常鍵角改變產(chǎn)生的。2、 鍵張力：是由鍵的伸縮使正常鍵長改變而產(chǎn)生的張力。3、 扭轉張力（pitzer

20、張力）：它是由于優(yōu)勢構象二面角改變而產(chǎn)生的張力。兩個連接四面體碳原子，他們都傾向于成為交叉式，與交叉式任何偏差都會引起一定張力，希望恢復到交叉式的最穩(wěn)狀態(tài)，這種張力就是扭轉張力。4、 非鍵張力(范德華張力)：非鍵合的原子或基團相互作用。在小環(huán)化合物中（34元環(huán)）主要存在有角張力；普通環(huán)（57元環(huán)）各種張力都不顯著，6元環(huán)無角張力、無扭轉張力。在中環(huán)（811元環(huán)）主要存有跨環(huán)張力。在環(huán)內有6個氫，由于對面基團距離近，僅有1.84Å（范氏半徑之和為2.4Å）產(chǎn)生張力，成為跨環(huán)張力。在大部分環(huán)狀化合物中（除大環(huán)外）大部分存在扭轉張力。（1） 丁烷的構象 對位交叉，部分重疊，鄰位交

21、叉，全重疊式，鄰位交叉，部分重疊為優(yōu)勢構象從丁烷的勢能圖可見，有三個能量極大值，全重疊式為最大值；三個能量極小值，對位交叉為最小值。穩(wěn)定性次序：對位交叉鄰位交叉部分重疊全重疊兩個鄰位交叉、比對位交叉式略高0.8kcal/mol，是由于甲基之間的排斥作用，但由于能量相差不大，在室溫下，兩者都可存在。對位交叉占68%，鄰位交叉占32%。正丁烷體系不能分離出單一的構象異構體，他們這類化合物的性質是各種構象異構體的平均值。（2） 乙烷及其衍生物的構象CH2X-CH2Y兩個大的取代基處于對位交叉，為優(yōu)勢構象。對位交叉：1，2-二氯乙烷70%，1，2-二溴乙烷84-91%，聯(lián)芐90%，其余為鄰位交叉。但是

22、，當取代基之間能形成氫鍵時，鄰位交叉占優(yōu)勢。（能夠形成氫鍵：N，O，F(xiàn)與活潑氫-OH，-NH2）（3） 不飽和體系由于電子離域要求，雙鍵都在一個平面上（以單鍵來看順反）。 S-trans S-單反式非鍵排斥力 S-cis S-單順式（4） 醛酮的構象甲基和羰基重疊式比氫重疊式穩(wěn)定0.9kcal/mol當碳上取代基特別大時，H重疊占優(yōu)勢，如為叔丁基時。（5） 環(huán)己烷及其衍生物的構象環(huán)己烷在天然產(chǎn)物中大量存在，由于其旋轉能壘比較高，可以把最穩(wěn)定的構象分離出來，研究得最充分。最穩(wěn)定椅式構象常溫下，12H在NMR譜圖上表現(xiàn)為一條譜線，是等價的；在低溫下，則是兩類質子在300K轉換速度104105次/秒

23、每個碳上都有一個a鍵（垂直鍵），一個e鍵（平伏鍵），其中一個向上，一個向下。轉環(huán)時，ae，ea，但鍵的朝向不變。在室溫下，甲基處于a鍵的占5%，處于e鍵的占95%。環(huán)己烷另外一種不穩(wěn)定構象是船式：兩個旗桿氫之間為1.83Å，比范德華半徑總和2.5 Å小得多，因此相互作用較大。船式構象中有兩對氫處于重疊構象，又有旗桿氫之間的相互作用，船式構象比椅式構象能量高29.7kcal/mol。環(huán)己烷從一種椅式構象變成另一種椅式構象可以經(jīng)過船式構象或者扭船式構象：取代環(huán)己烷的構象在常溫下，直立式平伏式取代基的近似自由能G0：CN，鹵素，-OTs 0.82.2kJ/molCO2R，OR，O

24、H 34CH3，C2H5，（CH3）2CH 7.18.8-C(CH3)3 17（取代基體積是個重要因素。）由于平伏式構象比直立式穩(wěn)定，因此k1，G0應為負值舉例：-CH3由直立鍵變?yōu)槠椒I，G0 -7.1 kJ/mol-Cl由直立鍵變?yōu)槠椒I，G0 -2.2 kJ/mol-OH由平伏鍵變?yōu)橹绷㈡I，G0 +3.8 kJ/mol總能量差=-7.1+（-2.2）+3.8=-5.5 kJ/mol因此右邊的構象是優(yōu)勢構象。環(huán)外雙鍵和1位上有CH3時為了解除基團之間的排斥作用，烷基取a鍵。后者穩(wěn)定10.9kJ/mol。練習：畫出異構體（優(yōu)勢構象） 23=8個方法：鍵的排列順序，再畫出它的異構體。但安排好鍵

25、的方向后，首先確定哪個是優(yōu)勢構象。它的優(yōu)勢構象應該是（轉環(huán)），然后畫出他的鏡像，這就是兩個異構體，其它六個以此類推。（6） 不飽和六元環(huán)環(huán)己烯的構象C6，C1，C2，C3處于同一平面上轉環(huán)活化能5.3kcal/mol（7） 雜環(huán)構象分析分子內有雜原子結構參數(shù)要發(fā)生變化，影響分子的構象特征。主要有O、N、S雜原子的六元環(huán)。C-O鍵長1.43Å，C-N鍵長1.47 Å，C-S鍵長1.82 Å鍵角都比四面體稍小C-S-C鍵角最小為100°-OH處于a鍵能夠形成氫鍵，分子穩(wěn)定，為優(yōu)勢構象此稱為異頭效應也可以用MO理論來解釋（離域作用）當C-Cl處于a鍵時，O原子

26、有 一對孤對電子，占據(jù)p軌道，與C-Cl的反鍵軌道（空軌道）相互作用，使得O上的電子云有離域作用，從而使分子更穩(wěn)定。這時C-O鍵應縮短，C-Cl鍵應伸長。實驗事實也證明了這點（單位Å）：1，3相互作用：取代基都朝上（或下）甲基和氫之間的1，3相互作用強，轉環(huán)后，1，3作用解除。（此處，叔丁基作用減弱。）（8） 環(huán)己酮取代環(huán)己酮從空間因素上看，Br處于平伏位置似乎有利，但溴和氧都是電負性很強的基團，相互排斥，不如Br處于a鍵穩(wěn)定。（9） 環(huán)丁烷和環(huán)戊烷的構象環(huán)丁烷主要是“蝴蝶”型占優(yōu)勢，能量相差不大，迅速翻轉。環(huán)戊烷如果是平面型，正五邊形夾角為108度，角張力不大，但是CH2之間都是重

27、疊式排列，張力大。因此，采取信封式和扭曲式：信封型，四個碳共面，扭曲式，三個碳共面，這兩者能量相差不大。（10） 環(huán)庚烷和環(huán)辛烷隨著環(huán)增加，需要考慮的構象也多了，七元環(huán)有四種構象特別穩(wěn)定（它們之間的能量差不大）：環(huán)辛烷曾考慮了11種構象，三種是最穩(wěn)定的（了解即可）船-椅式，船-船式，皇冠式。大家有人會做推進劑方面的課題，下面就介紹兩種含能化合物的構象。構象不同表現(xiàn)為晶形不同，在應用上有重大影響：密度、感度、穩(wěn)定性HMX有四種構象，表現(xiàn)為、不同的晶型 CL-20（六硝基六氮雜異伍茲烷），常溫下有四種較穩(wěn)定的構象，四種晶型-，-，-，-其中晶型密度最大為2.04g/cm3，感度最低，熱穩(wěn)定性最好密度：- 1.97，- 1.99，- 1.92，- 2.04八硝基立方烷芝加哥大學的Zhang M X合成出了，