高等有機(jī) 第二章立體化學(xué)原理.ppt

1、1,第二章 立體化學(xué)原理,高等有機(jī)化學(xué),2,異構(gòu)體分類：,同分異構(gòu),構(gòu)造異構(gòu)：分子式相同，分子中原子相互 連接的方式和次序不同。,碳鏈異構(gòu),官能團(tuán)異構(gòu),官能團(tuán)位置異構(gòu),互變異構(gòu),立體化學(xué)：以三維空間研究分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的科學(xué)。,立體異構(gòu),3,立體異構(gòu)：構(gòu)造式相同，分子中原子在空間的排列方式不同。,順反異構(gòu),構(gòu)型異構(gòu),非對映異構(gòu)：非實(shí)物與鏡像的關(guān)系,旋光異構(gòu),烯烴的順反異構(gòu),脂環(huán)烴的順反異構(gòu),（不能相 互轉(zhuǎn)化）,構(gòu)象異構(gòu),對映異構(gòu)：實(shí)物與鏡像的關(guān)系,4,構(gòu)象異構(gòu),（可互相轉(zhuǎn)化）,單鍵旋轉(zhuǎn),叔胺翻轉(zhuǎn),R1、R2、R3是烴基,5,兩種異構(gòu)體A和B,A和B分子中的原子具有相同的連接順序嗎？,構(gòu)造異構(gòu)體,

2、立體異構(gòu)體,否,是,A和B具有相互不能重合的實(shí)物與鏡像關(guān)系嗎？,非對映異構(gòu)體,對映異構(gòu)體,否,是,6,化合物的對稱性可以用對稱元素加以確定，而對稱元素又可以用一定的對稱操作加以描述。對稱元素可以分為對稱軸、對稱面、對稱中心和更迭對稱軸（或旋轉(zhuǎn)反射對稱軸）。,一. 對稱性與分子結(jié)構(gòu),對稱軸 Cn：,通過分子的一條直線，以這條直線為軸旋轉(zhuǎn) 360/ n（n=2、3、4、）角度，得到的物體或分子的形象和原來的形象完全相同，這種軸稱為對稱軸，并相應(yīng)地稱之為n重對稱軸。 例如：反-2-丁烯有一個(gè)二重對稱軸C2（垂直于碳碳雙鍵中心）。,7,水分子,NH3,8,對稱面 ： 某一平面將分子分為兩半，就象一面鏡

3、子，實(shí)物（一半）與鏡象（另一半）彼此可以重疊，則該平面是對稱面。,經(jīng)過N原子和任何兩 個(gè)H構(gòu)成的平面,經(jīng)過O和兩個(gè)H 構(gòu)成的平面，與 此平面垂直的平面,9,對稱中心 i 分子中有一中心點(diǎn)，通過該點(diǎn)所畫的直線都以等距離達(dá)到相同的基團(tuán)，則該中心點(diǎn)是對稱中心。,反1，3二甲基環(huán)丁烷,反1，2二氯乙烯,10,更迭對稱軸（又稱為旋轉(zhuǎn)軸） Sn ：圍繞某軸旋轉(zhuǎn)360/ n（n=2、3、4、）然后對垂直于該軸的平面作反射，若與原化合物相同，相應(yīng)的稱之為n重更迭對稱軸。Sn = Cn + （垂直于Cn）,11,結(jié)論：判斷一個(gè)分子有無手性，一般只要判斷這個(gè)分子 有沒有對稱面、對稱中心。若既沒有對稱面又沒有對稱

4、中心，那么這個(gè)分子有手性，有對映異構(gòu)體，有旋光 性；若分子中有對稱面或者有對稱中心，則這個(gè)分子無手性。,二. 旋光化合物的分類,1. 有手性碳原子的化合物,若分子中只含有一個(gè)手性碳原子（連接的四個(gè)原子或基團(tuán)都不相同），則化合物具有手性。,12,例：,乳酸，2-羥基丙酸,分子中只含有一個(gè)不對稱碳原子，有手性。,一對對映體,從肌肉中提取，右旋乳酸 D-(+)乳酸； 葡萄糖發(fā)酵制取，左旋乳酸 L-(-)乳酸； 從酸牛奶中提取，對偏光無影響，外消旋乳酸（）乳酸。,13,2. 含有其它手性原子的化合物,分子中含有四個(gè)鍵指向四面體的四個(gè)頂點(diǎn)的原子，若四個(gè)基團(tuán)不同就有旋光性。,14,3. 含有三價(jià)的手性原子

5、的化合物,棱錐結(jié)構(gòu)的分子中，中心原子若與三個(gè)不同基團(tuán)相連會(huì)產(chǎn)生旋光性。如：,銨類化合物,膦化合物,亞砜類化合物,15,1. 含兩個(gè)不相同的不對稱碳原子的化合物,手性碳與立體異構(gòu)體數(shù)目的關(guān)系： 若分子有 n 個(gè)手性碳，理論上有 2n 個(gè)立體異構(gòu)體（2n / 2對 對映體）。若手性碳組成相同，數(shù)目有所減少。,三. 含兩個(gè)及多個(gè)手性碳原子化合物的旋光異構(gòu),16,例：,總結(jié)：,（）,（）,（）,（）,（）,（）,（）,（）,一對對映體,一對對映體,17,等摩爾的一對對映體的混合物構(gòu)成外消旋體。,非對映異構(gòu)體不成鏡象關(guān)系的對映異構(gòu)體。,2. 含有兩個(gè)以上的不相同的不對稱碳原子的化合物,18,3. 含有兩

6、個(gè)相同的不對稱碳原子的化合物,有對稱面，無對映異構(gòu)體，無旋光性內(nèi)消旋體。,分子中有對稱面的化合物,2個(gè)手性C，最多有2n個(gè)異構(gòu)體，相同的手性C減少其異構(gòu)體數(shù)目,若分子含有對稱面或?qū)ΨQ中心，為非手性分子,19,對映異構(gòu)體的表示方法,常有三種表示方法,透視式,費(fèi)歇投影式（Fischer）,（R,S)3氯2戊醇,紐曼投影式（Newman）,透視式,費(fèi)歇投影式,紐曼投影式,20,1、外消旋化：旋光物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)椴恍獾耐庀w的過程。 例如(s)-2-溴代苯乙烷溶于液態(tài)的SO2中，其旋光性逐漸減小，為什么？,主要是反應(yīng)過程中發(fā)生外消旋化，發(fā)生外消旋化必須具備兩個(gè)條件（1）底物有一個(gè)手性中心；（2）活性中間

7、體有平面構(gòu)型。,四.動(dòng)態(tài)立體有機(jī)化學(xué)的幾個(gè)基本概念,21,例如(s)-2-甲基環(huán)己酮在堿性溶液中，其旋光性逐漸減小，為什么？,22,2、差向異構(gòu)化：在含有多個(gè)手性碳的化合物中，使其中一個(gè)手性碳發(fā)生構(gòu)型轉(zhuǎn)化的過程。,條件：（1）有兩個(gè)或多個(gè)手性原子；（2）生成的不是對映體。,23,3、Walden 轉(zhuǎn)化R-2-溴辛烷在堿性條件下的SN2親核取代反應(yīng)：,24,許多合成反應(yīng)中，產(chǎn)物往往是一對對映體，而一般一種單一的構(gòu)型應(yīng)用更為廣泛，尤其是在醫(yī)藥衛(wèi)生行業(yè)。 用一般的物理方法（分餾、分步結(jié)晶等）不能把一對對映體分離開來。必須用特殊方法。 拆分將外消旋混合物分離成兩個(gè)獨(dú)立的對映體的過程通常叫做“拆分”。,

8、五. 外消旋體的拆分,R configuration S configuration,25,常用的拆分的方法一般有以下幾種： （1）機(jī)械拆分法：利用外消旋體中對映體的結(jié)晶形態(tài)上的差異，借肉眼直接辨認(rèn)，或通過放大鏡進(jìn)行辨認(rèn)，而把兩種結(jié)晶體挑撿分開。(1848年P(guān)asteur首次拆分成功兩種不同晶型的酒石酸鈉銨，目前很少用) （2）誘導(dǎo)結(jié)晶拆分法（晶種結(jié)晶法）：在外消旋體的過飽和溶液中，加入一定量的一種純的光學(xué)異構(gòu)體作為晶種，形成非平衡結(jié)晶，從而優(yōu)先結(jié)晶出這種對映體，母液經(jīng)濃縮再用另一種對映體的晶體為晶種，如此反復(fù)進(jìn)行，可達(dá)到一定的拆分目的。,26,（3）生物化學(xué)法：利用某些微生物或它們所產(chǎn)生的酶

9、的立體專一性，對對映體中的一種異構(gòu)體有選擇的分解作用。 （4）選擇吸附拆分法：用某種旋光性物質(zhì)作為吸附劑，使之選擇性地吸附外消旋體中的一種異構(gòu)體（形成兩個(gè)非對映的吸附物）。通常是利用手性色譜柱來分離。 （5）化學(xué)拆分法：將外消旋體與旋光性物質(zhì)作用，得到非對映體的混合物，根據(jù)非對映體不同的物理性質(zhì)（溶解度、沸點(diǎn)、蒸汽壓、吸附特性等），將它們拆分后再通過反應(yīng)分別恢復(fù)到原來組成的組分。,27,對于酸，拆分步驟可用下列通式表示：,拆分酸時(shí)，常用的光學(xué)活性的堿，如天然的生物堿（-）-奎寧、（-）-馬錢子堿、（-）-番木鱉堿）和合成得到的光學(xué)純的胺類等。,28,拆分堿時(shí)，常用的天然的光活性酸，如酒石酸、樟

10、腦-磺酸等。 如a-苯乙胺的拆分：,29,對非酸非堿的外消旋體，可以設(shè)法在分子中引入酸性基團(tuán)，然后按拆分酸的方法拆分；也可以選適當(dāng)?shù)男庑晕镔|(zhì)與外消旋體作用而生成非對映體的混合物，然后分離。 例如：拆分醇時(shí) 方法1：先使醇與丁二酸酐或鄰苯二甲酸酐作用生成酸性酯：,然后再將這種含有羧基的酯與旋光性堿作用生成非對映體后分離。,30,方法2：使醇與旋光性酰氯作用，形成非對映體的酯的混合物，然后分離；,拆分醛、酮時(shí)，可使醛、酮與如下的旋光性的肼作用，然后分離：,31,不對稱合成反應(yīng)是近20年來有機(jī)化學(xué)中發(fā)展最為迅速也是最有成就的研究領(lǐng)域之一。它泛指:一類反應(yīng)由于手性反應(yīng)物、試劑、催化劑以及物理因素(如

11、偏振光)等造成的手性環(huán)境,使得反應(yīng)物的前手性部位在反應(yīng)后變?yōu)槭中圆课粫r(shí)形成的立體異構(gòu)體不等量,或在已有的手性部位上一對立體異構(gòu)體以不同速度反應(yīng),從而形成一對立體異構(gòu)體不等量的產(chǎn)物和一對立體異構(gòu)體不等量的未反應(yīng)原料。 研究不對稱合成反應(yīng),具有十分重要的實(shí)際意義和重大的理論價(jià)值。對于不對稱化合物來講,制備單一的對映體是非常重要的,因?yàn)閷τ丑w的生理作用往往有很大差別。,6.1 不對稱合成反應(yīng)的意義,(+)-抗壞血酸具有抗壞血病的功能, (-)-抗壞血酸則無此活性； (R)-天冬酰胺是甜的, (S)-天冬酰胺是苦的; L-四咪唑是驅(qū)蟲劑, D-四咪唑有毒且不能驅(qū)蟲;,六. 不對稱合成,32,6.2 不

12、對稱合成中的立體選擇性和立體專一性,立體選擇性反應(yīng)一般是指反應(yīng)能生成兩種或兩種以上立體異構(gòu)體產(chǎn)物（有時(shí)反應(yīng)只生成一個(gè)立體異構(gòu)體），但其中僅一種異構(gòu)體占優(yōu)勢的反應(yīng)。,33,立體專一性反應(yīng)是指在相同的反應(yīng)條件下，由立體異構(gòu)的起始物得出立體異構(gòu)的不同產(chǎn)物，立體專一過程中，起始物都是一對立體異構(gòu)體，如：親核取代反應(yīng)，產(chǎn)物也是立體異構(gòu)體。,34,6.3 不對稱合成的反應(yīng)效率,不對稱合成反應(yīng)實(shí)際上是一種立體選擇反應(yīng),反應(yīng)的產(chǎn)物可以是對映體,也可以是非對映體,只是兩種異構(gòu)體的量不同而已。立體選擇性越高的不對稱合成反應(yīng), 產(chǎn)物中兩種對映體或兩種非對映體的數(shù)量差別就越為懸殊。不對稱合成的效率, 正是由兩者的數(shù)量

13、差別來表示的。若產(chǎn)物彼此為對映體, 則其中某一對映體過量的百分率(percent enantiomeric excess,簡寫為 %e.e)可作為衡量該不對稱合成反應(yīng)效率高低的標(biāo)準(zhǔn),表示方法如下:,式中R和S分別為主要對映體產(chǎn)物的量和次要對映體產(chǎn)物的量。如兩個(gè)對映體產(chǎn)物的比是95:5，則%e.e是95-5=90(或e.e=90%),35,通常情況下,可假定比旋光度與對映體組成具有線性關(guān)系，因而在實(shí)驗(yàn)測量誤差略而不計(jì)時(shí)，上述 %e.e即等于下述所謂光學(xué)純度百分率(percent optical purity,簡寫為 %O.P).,若產(chǎn)物為非對映異構(gòu)體時(shí),不對稱合成反應(yīng)效率用非對映過量百分率(percent diastereomeric excess，簡寫為 %d.e)來表示。,式中A和B分別為主要非對映體產(chǎn)物的量和次要非對映體產(chǎn)物的量。,36,6.4 不對稱合成反應(yīng),6.4.1 用化學(xué)計(jì)量手性物質(zhì)進(jìn)行不對稱合成,1. 由手性反應(yīng)物進(jìn)行不對稱合成,37,2用手性試劑進(jìn)行的不對稱合成,1) 不對稱烷氧基鋁還原劑,38,2）手性硼試劑,39,該實(shí)例說明應(yīng)用手征性硼烷進(jìn)行的手征性合成反應(yīng)具有很高的立體