立體化學(xué)原理1

1、立體化學(xué)原理有機分子的結(jié)構(gòu)由存在于組成原子之間的空間關(guān)系即組成配置和幾何配置來確定。分子構(gòu)造由每個原子與其他原子的鍵合方式而定，原子的鍵合通過共享相互間形成共價鍵的電子而發(fā)生?，F(xiàn)代化學(xué)理論以量子力學(xué)方式描述化學(xué)鍵，特別是在原子和分子軌道層面上。一個原子軌道（以符號1s、2s、2px、2py、2pz等表示）是一描述原子每個電子的空間坐標(biāo)的數(shù)學(xué)函數(shù)，此函數(shù)（波函數(shù)）描述了電子繞核分布方式，與電子核系統(tǒng)的能量值相聯(lián)系。把電子比作負(fù)電荷的擴散云，則波函數(shù)給出繞核空間中電子的密度。分子軌道源于兩個或更多原子軌道的相互作用，這些軌道屬不同核。分子軌道描述繞核運動的電子的行為（成鍵軌道，如或分子軌道），或使

2、核相互離開的電子的行為（反鍵軌道，如*或*分子軌道）。原子(或分子)軌道的能量就是原子系統(tǒng)當(dāng)電子從與核為零相互作用的位置進入特定軌道失去或獲得的能量(零相互作用發(fā)生在如當(dāng)電子和核無窮遠分離時)。當(dāng)分子軌道由具有同樣能量的兩個原子軌道如兩個2pz形成時，其能量可以小于、等于或大于原來的兩個原子軌道；這幾個狀態(tài)分別相當(dāng)于成鍵軌道、非成鍵軌道和反鍵軌道。以相互聯(lián)結(jié)形成分子的原子而論分子的構(gòu)成(constitution)指組成(composition)。一個分子的構(gòu)造雖然描述其組成，但并不給出任何原子間結(jié)合的三維方式的信息。包含有同樣原子的分子但具有不同構(gòu)造如（3）和（4）稱為同分異構(gòu)體。有些分子有同

3、樣的構(gòu)造但原子有不同指向。因此它們的立體結(jié)構(gòu)不同，稱為立體異構(gòu)體（如5和6，圖A 2.1）。圖A 2.1 構(gòu)造式：1和2；同分異構(gòu)體：3和4；立體異構(gòu)體：5和6 同一分子中原子間的各種幾何關(guān)系依賴于：（a）聯(lián)結(jié)各原子共價鍵的性質(zhì)；（b）不相互鍵合原子間分子內(nèi)相互作用；（c）不同分子間的分子間相互作用的影響（溶劑化等）。兩鍵合原子間的核間距取決于鍵合類型和鍵合原子的性質(zhì)：此間距，即鍵長即使在不同分子中也是相似的，約為鍵合原子的共價半徑之和（圖A 2.1）。如兩原子A和C與第三原子B共價結(jié)合，沿鍵AB和BC形成一鍵角，此角與所涉及的原子特性及存在的分子軌道類型有關(guān)（見圖A 2.2）。具三配體的碳原

4、子（平面結(jié)構(gòu)） 具四配體的碳原子（四面體結(jié)構(gòu)） (a) 相等配體Ca,a,a (3 AO-) (a) 相等配體裁Ca,a,a (3 AO-) 鍵角a,a=120°, 如CH， 鍵角a,a=109.47°, 如CH4， (b) 不相等配體 (b) 不相等配體 Ca,a,b, 如 甲醛和乙烯 Ca,a,a,b, 如 H,H=118° C,C=110.5° C,O=121° C,H=108.5° H,H=110.7° H,H=111.1° C,H=121.5° C,H=107.9° Ca,b,c, 如

5、乙酰氯 Ca,a,b,b, 如 Cl,Me=110° H,H=106.7° Cl,O=123° C,H=109.4° O,Me=127° C,C=112.4°（c）碳負(fù)離子， C （鍵角與配體原子有關(guān)）圖A 2.2 有機化合物中一些典型的鍵角表A 2.1 有機分子中主要原子的共價半徑（Å）原 子單 鍵雙 鍵三 鍵氫030碳0770665060氮070060055氧066055磷110100硫104094表A 2.2 原子間和原子團之間的非共價相互作用 相互作用類型 勢 能a 相互作用的能量級 kJ mol-1 kcal mo

6、l-1（a）離子-離子 40-400 10-100（b）離子誘導(dǎo)的偶極 4-40 1-10（c）偶極-偶極 0-4 0-1（d）偶極-誘導(dǎo)的偶極 0-4 0-1（e）發(fā)散（倫敦力） 4-40 1-10（f）空間排斥 0-40 0-10a：Z=電荷；=偶極矩；=極化能力；=介電常數(shù)；T=絕對溫度；k=波爾茲曼常數(shù)；R=相互作用體系中心間的距離。下標(biāo)1和2表示不同基團；+代表排斥力；-代表吸引力。表A 2.2中相互作用c、d、e和f相加得到一函數(shù)： 這里A、B值與兩相互作用原子的特性有關(guān)。E (R)為“范德華”力系統(tǒng)的勢能。當(dāng)吸引力和排斥力相等時R存在一最小值，用Re表示，這時距離相應(yīng)于兩原子范德

7、華半徑之和。范德華半徑確定原子空間障礙的限度及與其他不相鍵合原子接觸距離的限度。表A 2.3給出了一些范德華半徑的值。分子模型中原子的相對大小與這些值相關(guān)連。 表 2.3 有機化合物中主要原子的范德華半徑（Å） H 1.2 S 1.85 N 1.5 C（甲基） 2.0 O 1.4 C（苯） 1.85 P 1.9非鍵作用力一般非常小，對鍵長和鍵角影響不大，但在多于兩鍵分隔的原子間變得很重要。繞單鍵的旋轉(zhuǎn)是可能的，非鍵相互作用限制分子內(nèi)可能取向的數(shù)量。鍵轉(zhuǎn)動和鍵轉(zhuǎn)動的受限具有重要的空間結(jié)果，包括同一分子不同轉(zhuǎn)動形式稱為構(gòu)象物（conformers）的存在。構(gòu)象分析考慮兩直接鍵合原子為復(fù)雜

8、分子的一部分。這些原子相互間將尋求保持一平衡距離，re 。平衡位置可由外力所干擾，但當(dāng)它們更靠近時將對抗排斥力，如果它們被移開時將對抗鍵作用力。使系統(tǒng)保持不偏離平衡位置所需能量以勢能（Er）方式儲存。對很小位移此能量可近似為Er = 1/2 kr (r)2 ，此處r為鍵長變化（ < 0.1 Å時此表達式成立），kr 為特定鍵線性形變力常數(shù)。kr值對同類型鍵約為常數(shù)（見表A 2.4）。即使很小的形變，所涉及的能量都很大。對鍵角的形變存在相似的情況，這種情況下E=1/2 k()2，這里E為鍵的彎曲能量（角張力，或Baeyer張力），為平衡角的偏移，k為鍵彎曲力常數(shù)，此表達式對形變值

9、<20°適用。改變鍵角所需能量相對較小。 表 A 2.4 鍵形變力常數(shù) 鍵 kr kJ mol-1 Å-2 角 k103 (kJ mol-1 degree-2) CH 2895 （692）* HCH 29（7.0）* CC 2711 (648) CCC 73（17.5） C=O 7280 (1740) CCH 50（12.0） C=C 5774 (1380) C=CH 62（14.9）* 括號內(nèi)的值為k / cal 繞AB鍵的旋轉(zhuǎn)由潛在的扭應(yīng)變（torsional strain）和旋轉(zhuǎn)角所描述。為AX和BY鍵（X和Y為原子A和B上取代基中人為選擇的）在與AB鍵相交的兩

10、面上投影之二面角（圖A 2.3）。此二面角表示AB鍵兩端兩基團的往復(fù)轉(zhuǎn)動。對系統(tǒng)的最簡單情況，在整個循環(huán)后重復(fù)n次起始態(tài)（n>1）： 此處V是系統(tǒng)特征常數(shù)（見表A2.5），n為周期性（頻率），= 0360°。V代表分開兩平衡的“構(gòu)象物”的勢（能）壘。分子的構(gòu)象指某特定瞬間所采取的由分子經(jīng)每個單鍵轉(zhuǎn)動所得每個特定指向中的特定取向。由于轉(zhuǎn)動能壘，分子傾向采取優(yōu)勢構(gòu)象（conformation）。分子的構(gòu)象與構(gòu)型（configuration）是不同的。分子構(gòu)型定義為原子或原子團的空間排列（不考慮繞單鍵的旋轉(zhuǎn)）。旋轉(zhuǎn)能壘有不同原因，就乙烷而言，勢能最大值相應(yīng)于重疊構(gòu)象但不是立體效應(yīng)：重

11、疊氫原子間距（2.3 Å）比它們的范德華力半徑之和略短，估計三對氫原子間的排斥作用能小于1.5 kJ mol-1，比觀察值小得多（表A2.5）。估計扭轉(zhuǎn)能壘主要因為CH鍵間的電子排斥。圖 A 2.3 乙烷和類似物不同構(gòu)象表示的習(xí)慣方法圖A2.4 乙烷 (a) 和丁烷 (b) 的扭曲能壘表 A 2.5 繞單鍵的旋轉(zhuǎn)能壘 化合物V (kJ mol -1) CH3CH3 12.6CH3CH2CH3 13.8 CH3CH（CH3）2 16.2 CH3C（CH3）3 20.1 CH3CH2Cl 15.0 CH3OH 4.5 CH3OCH3 11.3 CH3NO2 0.025 C6H5CF3 0

12、 由圖 A 2.4a可以推測乙烷分子室溫下基本采取交叉構(gòu)象（skew conformation）。微波譜表明它們繞CC鍵實際上以很高頻率（1010 sec1）旋轉(zhuǎn)±120°。乙烷中的取代基產(chǎn)生很大的差別，對正丁烷（兩甲基取代基）能量圖如圖A2.4b所示。正丁烷有三個平衡構(gòu)象（能量最低值），其中兩個具有相同能量，它們并不相等（兩鄰位交叉對映體，synclinal enantiomer, 見下面的定義），一個更穩(wěn)定一些（對位交叉構(gòu)象或反迫構(gòu)象物，antiperiplanar conformer）。也有三個能壘：兩個有同樣的能量，相應(yīng)于鄰位交叉(anti-clinal) 構(gòu)型，另

13、一個能壘最高，相應(yīng)于全重疊 (syn-periplanar) 構(gòu)象。正丁烷室溫下能壘不是高得完全不可愈越，每個分子能通過能壘而達到不同構(gòu)象物的平衡分布。其他立體化學(xué)名詞：相等物體（identical objects）：兩物體經(jīng)旋轉(zhuǎn)操作和元素平移能相互重疊則是相等或相同的（相等關(guān)系的符號為）。等價（equivalence）：當(dāng)在指定的觀察條件下不能區(qū)分的兩物體則是等價的。對映體（enantiomer，optical antipode）：這個概念表示兩物體，特別是兩立體異構(gòu)分子結(jié)構(gòu)的拓樸性質(zhì)，這兩個立體異構(gòu)體分子相互為鏡像不能重合（符號表示對映關(guān)系）。非對映體（diastereomer，diast

14、ereoisomer）：表示每個與對映體不同的立體異構(gòu)體（非對映異構(gòu)關(guān)系的符號為）。兩立體異構(gòu)體不可能同時為對映體和非對映體。手性（chirality）：如果一物體能以兩種對映形式存在，則為手性的。為使這種情況發(fā)生，則應(yīng)該沒有反映對稱。具有這種拓樸性質(zhì)的物體更適宜于稱為非對稱的（dissymmetric），其他所有具反映對稱，與其鏡像能疊合者稱為 non-dissymmetric。對稱元素（鏡面，；n >1階的旋轉(zhuǎn)軸，Cn；n階反映旋轉(zhuǎn)軸，Sn；對稱中心 i）的分析可以使人確信一個物體是否是非對稱的（手性）。如果不存在上述對稱元素則為非對稱的，在這種情況下也可能變?yōu)閍symmetric,

15、 或者它僅存Cn軸（也就是，繞其軸旋轉(zhuǎn)一周它與其鏡像2，3，4 n 次重合）見（7），它有 Cn軸垂直于兩中心碳原子鍵的中點。Dissymmetric和non-dissymmetric用來指兩分開的物體；相等、等價、對映和非對映關(guān)系用在兩個或多個物體之間的比較。對化學(xué)家而言，物體就是分子或原子團。就如所提及的，分子隨時間可以改變其形狀。所以有機化合物的任何立體化學(xué)分析在針對下述情況時必須是專一性的：（a）同一分子或不同分子的瞬息形式（構(gòu)象物）；（b）化合物由一系列可相互自由轉(zhuǎn)變的構(gòu)象物組成，在這種情況下可考慮它們的平均構(gòu)象。生物有機化學(xué)家常遇到第二種情況，因而對具自由內(nèi)旋轉(zhuǎn)的化合物對不同概念（

16、相等，對映異構(gòu)等）進行延伸是適宜的。（1）兩非剛性體系的重迭性（相等）應(yīng)該通過適當(dāng)?shù)目臻g轉(zhuǎn)換和旋轉(zhuǎn)包括繞具旋轉(zhuǎn)自由度的鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)來檢驗；（2）對映關(guān)系表示化合物自由采取的每個構(gòu)象均有相應(yīng)的對映構(gòu)象；（3）非對映關(guān)系表示兩立體異構(gòu)體的任何構(gòu)象之間不存在重迭性或?qū)τ承?；?）一個化合物是不對稱的僅當(dāng)其所有構(gòu)象在觀察的條件下均為不對稱才成立。到正丁烷的情形，可以通過熱動力學(xué)來處理構(gòu)象物的相互轉(zhuǎn)化，在絕對溫度T平衡時（見圖A2.4）： （鄰位交叉構(gòu)象物，i） （對位交叉構(gòu)象物，j） 這里R=氣體常數(shù)=1.98 cal mol -1 K-1，T = 絕對溫度，以開（K）表示，從而： 為兩構(gòu)象物之間的勢能

17、差，即Ej-Ei=0.8 kcal mol-1。就熵而言，兩構(gòu)象物i和j之間由于振動或溶劑化變化等因素應(yīng)該沒有明顯差別。各自能態(tài)差別僅是其簡并能級數(shù)目：i具有兩同樣可能性的幾何形式（對映物），而j僅有一種形式，所以： 從而我們得到： 25（298 K）時, 由此Keq = 1.93。25時就意味著66% 的正丁烷以對位交叉形式而兩種鄰位交叉形式分別以17% 存在（見表A 2.6）。構(gòu)象物i向構(gòu)象物j或反過來j向i的轉(zhuǎn)化速率可以通過Eyring方程估算： kr為速率，k為Boltzmann常數(shù) (1.38×10 -33 J·K -1)，h為普朗克常數(shù) (6.624×

18、10 34 J·s)，G為活化自由能。因為G = H - TS， 活化焓H等于勢能壘，S可以同基于計算平衡常數(shù)的條件來計算（也就是比較起始狀態(tài)和過渡態(tài)的能量簡并性）。所以25時，ki,j = 7.69×1010 s-1H =3400 cal mol-1，S = R ln2 表A 2.6 25標(biāo)準(zhǔn)條件下（對i和j =1 M濃度）自由能差（G）、 平衡常數(shù)和平衡ij中較穩(wěn)定物異構(gòu)體所占百分率之間的關(guān)系 G cal mol-1 keq 穩(wěn)定異構(gòu)體百分?jǐn)?shù) 0 10050 11912255 24015060 36718665 50223370 65130075 82140080 10

19、2856785 130290090 1744 190095 2722 990099 4092 99900 999 5456 9999 9999 正丁烷和乙烷中旋轉(zhuǎn)勢能的主要區(qū)別可能在于范德華排斥力貢獻的不同。丁烷的全重疊構(gòu)象中兩甲基靠近的距離(2.6 Å) 比平衡距離（為范德華半徑之和，4 Å）更短。在重疊或鄰位交叉構(gòu)象物中雖然沒有那么強烈，也存在類似情況。對于比正丁烷更復(fù)雜的分子也有可能計算其構(gòu)象能。明顯地，構(gòu)象能為一給定構(gòu)象相對于分子更穩(wěn)定構(gòu)象的勢能過量。能計算出所有可能構(gòu)象相對于一理想構(gòu)象的勢能 (E)，此理想構(gòu)象以“常規(guī)”鍵長和鍵角（和）(見表A2.1和圖A2.2)

20、、扭轉(zhuǎn)角=0和不存在非鍵力為特征?？偰芰縀由下式導(dǎo)出： E 為所有鍵的線性畸變能之總和；同樣表示“Baeyer應(yīng)變”能（見上面）的總和；為“Pitzer應(yīng)變”能之總和（見圖A2.4）；為“空間應(yīng)變”能的總和，即所有非共價鍵連結(jié)的原子之間的相互作用（見表A2.3)，除那些已經(jīng)包括的如Pitzer應(yīng)變能外（對烴分子而言，“空間應(yīng)變”能主要涉及范德華力）。W則包括每個其他能量類型，如氫鍵，發(fā)色團之間的電子相互作用等。一旦確定各種E值，就可以決定其最小值：對應(yīng)于此最小值的相對構(gòu)象能就可以求出。上述手段僅在特殊的有利情況下才有現(xiàn)實意義，如對于飽和烷烴。當(dāng)涉及更為復(fù)雜的分子時，如果準(zhǔn)確知道兩結(jié)構(gòu)之間的幾何

21、變化的話，估計值E可用于評價兩差別不是很大的構(gòu)象物（我們稱之為和）之間的構(gòu)象能差。在這些情況下，表達式E-E由幾個參數(shù)所組成，這些參數(shù)的數(shù)值也許可以以相當(dāng)程度的精確度計算出，實際上相應(yīng)于兩構(gòu)象中相等距離或相互作用的很多項相互抵消，從而不必計算它們。如果涉及上述所討論的原子間的幾何能量關(guān)系，則有機化合物可以根據(jù)分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)的“自由度”來劃分成四類，每類代表特定的扭曲立體異構(gòu)。（1）室溫下繞所有鍵能以高頻完全轉(zhuǎn)動的分子（自由旋轉(zhuǎn)）：不同構(gòu)象物的分離依賴于繞鍵轉(zhuǎn)動能壘的高度?！皟鼋Y(jié)”不同構(gòu)象，也就是給不同構(gòu)象室溫下一定生存時間就需要約20 kcal mol -1的能壘。隨溫度的降低，凍結(jié)構(gòu)象的能壘急劇

22、下降，如-70大約在13 kcal mol -1左右。正丁烷就是這類化合物的代表。（2）繞CC單鍵轉(zhuǎn)動有兩個能壘（室溫下>20 kcal mol-1）的分子得到所謂扭轉(zhuǎn)異構(gòu)物（atropoisomers）：某些鄰位有大取代基團的聯(lián)苯屬此類，鄰位取代基引入較大的范德華排斥力（構(gòu)象中能量最大發(fā)生在苯環(huán)傾向于同一平面時）。由于旋轉(zhuǎn)受阻所以兩扭轉(zhuǎn)異構(gòu)物可以是不對稱的（圖A2.5），因而相互為對映異構(gòu)體。手性的條件就是兩環(huán)都無垂直于本身的對稱面 8中ab, cd 。圖A2.5 Atropoisomerism：聯(lián)苯衍生物（3）具雙鍵的分子：較高的扭曲能壘阻止了旋轉(zhuǎn)。對 >C=C< 可達6

23、0 kcal mol-1。這些最大值相應(yīng)于兩個碳原子和它們的取代基位于垂直平面的構(gòu)象，相應(yīng)于最低能量的構(gòu)象應(yīng)該為碳原子和取代基位于同一平面（這構(gòu)成了幾何異構(gòu)或順反異構(gòu)，見下面討論）。（4）環(huán)狀分子：繞其中屬于環(huán)骨架的單鍵旋轉(zhuǎn)受與環(huán)形變相關(guān)的角、扭曲和立體應(yīng)變所限，熟悉的例子就是天然產(chǎn)物（如萜和甾體等）中很常出現(xiàn)的環(huán)己烷環(huán)。圖A2.6為環(huán)己烷不同構(gòu)象（穩(wěn)定或過渡構(gòu)象）及在勢能圖中的位置。飽和環(huán)己烷最穩(wěn)定的構(gòu)象為椅式很具剛性，為對稱（non-dissymmetric）的分子。對環(huán)己烷而言，計算表明25時在有約10，000個分子以椅式構(gòu)象物存在時，僅有一個扭曲構(gòu)象物。椅式構(gòu)象的環(huán)己烷分子經(jīng)各種扭曲構(gòu)

24、象回到初始構(gòu)象相等的情況（簡并轉(zhuǎn)化，degenerate interconversion），室溫下速度為每秒鐘105。環(huán)己烷構(gòu)象物的不同穩(wěn)定性源于各類型的不同能量貢獻，比如說在椅式構(gòu)象與9 a比較中所有CC體系是交錯的 具有最小扭曲能，而在扭曲構(gòu)象中CC體系是扭曲的；在船式結(jié)構(gòu)中兩相鄰碳原子上的氫原子是重疊的（圖A2.3和A2.4a）。船式構(gòu)象兩端的兩氫原子之間存在強的空間應(yīng)變，兩者相互靠近（原子間距為1.83 Å，其總的范德華直徑為2.4 Å）。環(huán)己烷椅式構(gòu)象的實際形狀可能要比計算的稍平，因為計算是以C原子完美四面體，sp3雜化模型進行的。稍微的偏平把CCC角度由109.

25、5°增加到111.5°（圖 A2.2），使兩直立1,3-氫原子向中心軸（C3）偏離：由此不利的立體相互作用被去掉了。如果環(huán)己烷帶取代基，它們的相互作用以及它們與直立氫原子的相互作用（主要為范德華相互作用）可以極大地改變圖 A2.6的能量輪廓。環(huán)己烷有兩種對映的椅式9和10（當(dāng)H = CH3），具有不同的勢能：10比9要穩(wěn)定，低約1.7 kcal mol-1 ，因此，比9多得多，見表A2.6 ，通常取代基傾向于取平伏鍵，相對于具有直立取代基的穩(wěn)定性主要取決于取代基的大小及其與環(huán)碳原子的鍵長（見表A2.7）。表 A2.7 單取代環(huán)己烷（C6H11X）之間的自由能差G°= G°（X直立）- G°（X平伏） G°(kcal mol-1) 取代基（X） 1.7 CH3 1.8 C2H9 2.1 CH（CH3）2 5 C（CH3）3 3.1 C6H5 0.7 OH 0.4 Cl圖A2.7為兩環(huán)己烷稠合系統(tǒng)（十氫萘）的穩(wěn)定構(gòu)象。反式稠合的異構(gòu)體相應(yīng)于唯一剛性構(gòu)象，而順式異構(gòu)體可采取兩種可相互轉(zhuǎn)化的對映形式。其他多環(huán)飽和體系（全氫蒽和甾體等）的情況相似。圖 A2.6 環(huán)己烷