復(fù)旦有機(jī)化學(xué)通用課件[通用]

1、第三章 立體化學(xué)主要內(nèi)容烷烴的構(gòu)象 手性分子和非手性分子 對映體和非對映體手性的重要性及手性化合物的獲取途徑構(gòu)造異構(gòu) 立體異構(gòu) 同分異構(gòu)現(xiàn)象 碳鏈異構(gòu) 位置異構(gòu) 官能團(tuán)異構(gòu) 互變異構(gòu) 構(gòu)型異構(gòu)構(gòu)象異構(gòu) 順反異構(gòu) 對映異構(gòu) 3.1 鏈烷烴的構(gòu)象構(gòu)象異構(gòu)體（conformational isomer）因單鍵的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的異構(gòu)體構(gòu)象（conformation）：在常溫下，分子中的原子或原子團(tuán)可以繞著碳碳單鍵旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生了在空間不同位置的排列方式，這些不同的排列方式就稱為分子的構(gòu)象。構(gòu)象異構(gòu)體的分子構(gòu)造相同，但空間排列不同，構(gòu)象異構(gòu)屬立體異構(gòu) 描述立體結(jié)構(gòu)的三種方式傘形式鋸架式Newman投影式例：

2、乙烷 CH3CH31. 乙烷的構(gòu)象最不穩(wěn)定鍵電子云排斥， von der waals排斥力，內(nèi)能較高交叉式構(gòu)象扭曲式構(gòu)象重疊式構(gòu)象staggeredconformerskewedconformereclipsedconformer最穩(wěn)定原子間距離最遠(yuǎn)，內(nèi)能較低（無數(shù)個）兩種極限構(gòu)象式 小于兩個H 的von der waals 半徑（1.2）之和，有排斥力 乙烷構(gòu)象轉(zhuǎn)換與勢能關(guān)系圖旋轉(zhuǎn)中須克服能壘扭轉(zhuǎn)張力 電子云排斥 相鄰兩H間的von der waals排斥力一般情況下( T-250oC): 單個乙烷分子：絕大部分時間在穩(wěn)定構(gòu)象式上。一群乙烷分子：某一時刻，絕大多數(shù)分子在穩(wěn)定的構(gòu)象式上。交叉式

3、（anti）（反交叉式）部分重疊式鄰位交叉式（gauche）全重疊式鄰位交叉式（gauche）最穩(wěn)定(甲基相距最遠(yuǎn))較不穩(wěn)定較穩(wěn)定最不穩(wěn)定（甲基相距最近）2. 丁烷的構(gòu)象 丁烷構(gòu)象轉(zhuǎn)換與勢能關(guān)系圖規(guī)律: 大基團(tuán)總是占據(jù)反式對位交叉最穩(wěn)定最不穩(wěn)定3. 其它烷烴的構(gòu)象4. 分子內(nèi)氫鍵對優(yōu)勢構(gòu)象的影響氫鍵：在成共價鍵的帶部分正電荷的H和帶部分負(fù)電荷的N, O, F之間形成的一種弱作用力。氫鍵具有很強(qiáng)的方向性。角張力（angle strain）： 環(huán)的角度與sp3軌道夾角差別引起的張力Newman投影式所有C-H 鍵均為重疊式構(gòu)象，有扭轉(zhuǎn)張力平面型3.2 環(huán)烷烴的構(gòu)象 1. 環(huán)丙烷的結(jié)構(gòu)若環(huán)丁烷為平面

4、型分子角張力扭轉(zhuǎn)張力90o重疊式構(gòu)象環(huán)丁烷的穩(wěn)定構(gòu)象角張力稍增加, 扭轉(zhuǎn)張力明顯減小扭曲式構(gòu)象88o2.環(huán)丁烷的構(gòu)象“信封”狀分子C4-C5 為全重疊式構(gòu)象C1-C2, C2-C3 為交叉式環(huán)戊烷的構(gòu)象3.環(huán)戊烷的構(gòu)象如果環(huán)己烷的 6 個碳原子在同一平面上: 將有角張力 將有扭轉(zhuǎn)張力偏離109.5oC H 重疊 環(huán)己烷不是平面型分子重要!4.環(huán)己烷的構(gòu)象 環(huán)己烷碳架是折疊的椅式構(gòu)象船式構(gòu)象C2, C3, C5, C6 共平面1）椅式構(gòu)象和船式構(gòu)象 HHHHHHHHHHHH123456HHHHHHHHHHHH123456 椅式構(gòu)象HH之間距離均大于H的Van der Waals半徑之和（2.40

5、 ）2.502.492.49交叉式Newman投影式 船式構(gòu)象227 pm227 pm183 pm有幾組HH之間距離均 1.84扭曲式構(gòu)象 各種環(huán)己烷構(gòu)象的勢能圖2）直立鍵 (a) 和平伏鍵 (e)a鍵 (axial bond) 豎鍵, 直立鍵e鍵 (equatorial bond) 橫鍵, 平伏鍵椅式構(gòu)象中CH鍵的順反關(guān)系相鄰碳上的a鍵和e鍵為順式兩個相鄰的a鍵（或e鍵）為反式 a鍵和e鍵的相互轉(zhuǎn)換翻轉(zhuǎn)后,原來的a鍵轉(zhuǎn)變?yōu)閑鍵,而e鍵轉(zhuǎn)變?yōu)閍鍵環(huán)己烷椅式構(gòu)象的畫法 相間的兩根鍵相互平行（畫 Z 字形） 六個碳原子交替分布在兩個平面上 每個碳均有一根C-H鍵在垂直方向，上平面的向上 畫，下平面

6、的向下畫 其它C-H鍵分別向左（左邊的三個）或向右（右邊 的三個），且上下交替i)一取代環(huán)己烷的構(gòu)象 3）取代環(huán)己烷的構(gòu)象 甲基環(huán)己烷中的1,3-二豎鍵效應(yīng)取代基體積越大，兩種構(gòu)象能量差也越大，e鍵取代構(gòu)象所占比例就更高。平衡混合物中占95% 叔丁基環(huán)己烷的構(gòu)象1, 3-豎鍵作用非常大優(yōu)勢構(gòu)象室溫：100 cis-1, 2-二甲基環(huán)己烷 trans-1, 2-二甲基環(huán)己烷1, 2-cis能量相等1, 2-trans優(yōu)勢構(gòu)象e, a-a, e-e, e-a, a-1. 3-豎鍵作用較大ii）二取代環(huán)己烷的構(gòu)象分析 cis-1, 3-二甲基環(huán)己烷 trans-1, 3-二甲基環(huán)己烷1, 3-cis

7、1, 3-transe, a-a, e-a, a-e, e-能量相等優(yōu)勢構(gòu)象有較大的1. 3-豎鍵作用 cis-1, 4-二甲基環(huán)己烷 trans-1, 4-二甲基環(huán)己烷能量相等e, a-a, e-a, a-1, 4-cis1, 4-trans有1. 3-豎鍵作用優(yōu)勢構(gòu)象e, e- 不同基團(tuán)二取代環(huán)己烷大基團(tuán)總是占據(jù) e鍵1, 2-cis優(yōu)勢構(gòu)象1, 3-豎鍵作用較大 cis-1, 4-二叔丁基環(huán)己烷的構(gòu)象有較大的1, 3-豎鍵作用扭船型構(gòu)象Gill, G.; Pawar, D. M.; Noe, E. A. J. Org. Chem. 2005, 70, 10726.較穩(wěn)定transcis十

8、氫萘二環(huán)4. 4. 0癸烷5.十氫化萘的構(gòu)象 反式十氫萘的構(gòu)象全為交叉式構(gòu)象順式十氫萘的構(gòu)象1. 3-豎鍵作用6. 天然產(chǎn)物甾體骨架全反式連接天然甾體化合物骨架環(huán)己烷椅式構(gòu)象的畫法加豎鍵(a鍵)加豎鍵(a鍵)加氫加橫鍵(e鍵)加橫鍵(e鍵)加橫鍵(e鍵)加氫本次課要求掌握構(gòu)象的概念，熟練掌握幾種開鏈烷烴構(gòu)象式的表達(dá)方法（重要：Newman投影式），判斷優(yōu)勢構(gòu)象。 掌握環(huán)丙烷、環(huán)丁烷、環(huán)戊烷的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和構(gòu)象。 掌握并熟練畫出環(huán)己烷的構(gòu)象（主要：椅式、船式構(gòu)象），了解各構(gòu)象的相對穩(wěn)定性，掌握椅式的a鍵和e鍵及相鄰鍵的順反關(guān)系。了解并掌握各類取代環(huán)己烷的構(gòu)象，判斷其中的優(yōu)勢構(gòu)象。 會畫順、反式十氫萘

9、的構(gòu)象，分析兩者的相對穩(wěn)定性。習(xí)題p84 習(xí)題3-2, p86 習(xí)題3-4, p94 習(xí)題3-8 (不必計(jì)算勢能差),p95 習(xí)題3-9 (不必計(jì)算勢能差), p97 習(xí)題3-10構(gòu)造異構(gòu) 立體異構(gòu) 同分異構(gòu)現(xiàn)象 碳鏈異構(gòu) 位置異構(gòu) 官能團(tuán)異構(gòu) 互變異構(gòu) 構(gòu)型異構(gòu)構(gòu)象異構(gòu) 順反異構(gòu) 對映異構(gòu) 一、手性分子和非手性分子 3.3 旋光異構(gòu)體手(征)性 (Chirality ) Right handLeft hand手性(chirality)：互為鏡像與實(shí)物關(guān)系，彼此又不能重合的現(xiàn)象Chiral is derived from the Greek word cheiros, meaning “han

10、d”.手性分子(chiral molecule) ：不能與其鏡像重疊的分子不能重合手性分子Mirror轉(zhuǎn)180 手性碳 手性分子的特征連有四個不同基團(tuán)的碳原子手性碳(chiral carbon)手性中心 (Chiral center)手性碳標(biāo)記*例：* 非手性分子（achiral molecules）兩者互相重合非手性分子鏡像轉(zhuǎn) 60o非手性分子：與鏡像相重合（非手性分子不含有手性碳）轉(zhuǎn) 180o兩者完全重合非手性分子手性分子有光學(xué)活性 (旋光性，optical activity) 手性化合物 = 光學(xué)活性化合物 = 旋光性化合物 旋光度(a) observed rotation： 偏振面被旋

11、光性物質(zhì)所旋轉(zhuǎn)的角度at =a t l ct : 實(shí)驗(yàn)觀察到的旋光度l : 樣品管長度 (dm, 分米)c : 樣品密度或濃度 (g/ml)t : 測試時溫度: 光源波長順時針(右旋)：“+”dextrorotatory (d) 逆時針(左旋)：“-”levorotatory (l) 手性分子旋光能力的表示方式 比旋光度 (at) specific rotation二、對映體 和外消旋體(-)-2-丁醇 (+)-2-丁醇a27D = + 13.5a27D = - 13.5a25D = + 3.8a25D = - 3.8(-)-乳酸 (+)-乳酸對映異構(gòu)體:具有相同分子構(gòu)造的兩個異構(gòu)體，互為實(shí)物

12、與鏡像關(guān)系，且不能完全重合，互稱為對映異構(gòu)體, 簡稱對映體. 光學(xué)純 optically pure和光學(xué)純度 optical purity 光學(xué)純：一個樣品中所有分子具有相同手性 光學(xué)純度：一個對映體在樣品中的含量，又稱為對映體過量 percent enantiomeric excess (%ee)光學(xué)純度 =at D樣品 100 ee% = S - R 100at D純品S + R某 2-丁醇樣品的光學(xué)純度為 50，請問 2 個對映體在該樣品中的含量。2個對映體在該樣品中的含量分別為75和25。已知(+)-乳酸的比旋光度為+3.8，現(xiàn)有某乳酸樣品的比旋光度為-1.9， 請問 2 個對映體在該

13、樣品中的含量。(+)-乳酸的含量為25， (-)-乳酸的含量為75。 物理性質(zhì)相同： 有相同的熔點(diǎn) 相同的沸點(diǎn) 相同的溶解度(在水和其它普通的非手性溶劑)等 兩者對偏振光的偏振面的作用不同 化學(xué)性質(zhì)除了與手性試劑反應(yīng)外，對映體的化學(xué)性質(zhì)也相同 兩者在生理作用上有著顯著的不同 一對對映體性質(zhì)的異同外消旋體：一對對映體的等量混合物（一對對映體對光的影響是比旋光度值相等，旋光方向相反旋光性相互抵消消旋）（）()-2-溴丁烷外消旋體表示方式例1：2-丁醇常用立體結(jié)構(gòu)表達(dá)式傘形式Fischer 投影式(Fischer projection)十字式主鏈放在垂直方向上,伸向后方不是立體結(jié)構(gòu)式立體結(jié)構(gòu)的表示方

14、法Fischer投影式正規(guī)寫法的原則： 主 碳 鏈 直 立 上 小 下 大 橫 前 豎 后Fischer投影式Fischer投影式的獲得例：2,3-丁二醇將主鏈轉(zhuǎn)至同一方向互為鏡像，不能重合2.手性分子的構(gòu)型命名1） D.L 命名法（相對構(gòu)型） 參照物D-(+)-甘油醛L-(-)-甘油醛D-(+)-葡萄糖D-(-)-乳酸L-(+)-乳酸例： 2-丁醇將手性碳上的四個原子或基團(tuán)中最小的置于遠(yuǎn)離我們視線的位置(即放在最遠(yuǎn)的位置)，然后觀察朝向我們的另外三個基團(tuán)由大到小的順序。如為順時針方向即為R構(gòu)型；反時針方向?yàn)镾構(gòu)型 (S)-2-丁醇(R)-2-丁醇沿 C-H 方向S（逆時針方向）R（順時針方向

15、）(1) 透視式2) R/S 構(gòu)型命名法手性碳上的兩個基團(tuán)或原子交換奇數(shù)次得對映體, 交換偶數(shù)次回到原來結(jié)構(gòu)（2）環(huán)狀化合物(S)-(-)-4-甲基環(huán)己烯(R)-(+)-4-甲基環(huán)己烯(-)-香芹酮(+)-3-丁烯-2-醇2-甲基-2-溴環(huán)己酮問題：找出下列化合物中的手性碳原子，并標(biāo)出構(gòu)型（一）分子中含有兩個不同的手性碳 （Diastereomers）四、含兩個以上手性碳原子的有機(jī)分子 aD = + 9.5aD = - 9.5aD = - 17.8aD = + 17.8(2R, 3R) (2S, 3S) (2R, 3S) (2S, 3R)對映體 對映體非對映體 diastereomers并非實(shí)

16、物與鏡像關(guān)系的 2 個構(gòu)造相同的化合物 酒石酸 (tartaric acid) 的構(gòu)型異構(gòu)體同一化合物(2R, 3S) (2S, 3R)(2R, 3R) (2S, 3S)對映體非對映體（二）分子中含有兩個相同的手性碳含有兩個以上手性碳原子的化合物存在兩個以上的立體異構(gòu)體，其最大數(shù)目是2n (n代表手性碳原子數(shù)) meso-酒石酸分子內(nèi)存在對稱因素一個手性碳的旋光性正好被分子內(nèi)另一構(gòu)型相反的手性碳所抵消：無旋光性（三）1, 2-二甲基環(huán)己烷的構(gòu)型異構(gòu)體同一化合物，內(nèi)消旋體cis-1, 2-二甲基環(huán)己烷trans-1, 2-二甲基環(huán)己烷對映體非對映體，順反異構(gòu)體 cis-1, 2-二甲基環(huán)己烷有對

17、稱面, 非手性（內(nèi)消旋體）平面結(jié)構(gòu)式構(gòu)象對映體 (構(gòu)象外消旋體)無對稱面, 手性分子椅式構(gòu)象式 trans-1, 2-二甲基環(huán)己烷對映體構(gòu)象非對映體平面結(jié)構(gòu)式椅式構(gòu)象式（四）含假手性碳原子的有機(jī)分子有對稱面, 內(nèi)消旋體對映體 C3為假手性碳原子，構(gòu)型以 r, s 表示 相同組成的手性碳優(yōu)先順序：R型 S型（五）差向異構(gòu)體 epimers：只有一個手性不同非對映體，差向異構(gòu)體五、不含手性中心的手性分子 (P.115, 3.7-8)丙二烯型右旋左旋非手性分子螺環(huán)型聯(lián)苯型 (位阻異構(gòu)體、阻轉(zhuǎn)異構(gòu)體 atropisomers)非手性分子螺旋型(M/P構(gòu)型)“Thalidomide Babies”六、手

18、性分子的獲得（一）來源于自然界手性分子（二）不對稱有機(jī)合成 Asymmetric synthesis立體專一反應(yīng) Stereospecific Reaction 不同立體異構(gòu)體在同樣反應(yīng)條件下得到相應(yīng)的立體異構(gòu)體。立體有擇反應(yīng) Stereoselective Reaction 一個反應(yīng)底物在一定反應(yīng)條件下可以生成 2 個以上立體異構(gòu)體，其中有一個占優(yōu)勢。StereoselectivityEnantioselectivityDiastereoselectivityW. S. KnowlesL-DOPA的工業(yè)生產(chǎn) Ryoji Noyori有機(jī)反應(yīng)中的立體化學(xué)加成消除順式 syn反式 anti取代 構(gòu)型翻轉(zhuǎn) reversion 構(gòu)型保持 retentionWalden inversionPaul Walden (1863-1957) (外)消旋化 racemization 差向異構(gòu)化 epimerization巴斯德Louis Pasteur (18221895)1848: 巴斯德借助放大鏡拆分外消旋酒石酸鈉銨sodium ammonium salts of (+) and (-)-tartaric acid機(jī)械拆分（三）外消旋體的