高等有机化学第二章 立体化学

HOH2C
D-(+)-甘油醛
L-(-)-甘油醛

注意：分子的旋光度符号和构型（ D ， L ）之 间没有简单的关系。不是都象甘油醛那样D-是 右旋，L-是左旋；例如，L-丙氨酸这个氨基酸 是右旋的。
手性的描述

因此，D，L与R，S以及旋光度的左旋， 右旋它们彼此之间没有必然联系。
CHO CHO
H 2N CO2H
OH CO2C2H5
38% yield, 82% d.e., 84% e.e.
2.3 动态立体化学


2.3.1立体专一反应和立体选择反应 立体专一反应是指：在相同的反应条件 下，由立体异构的起始物得出立体异构 的不同产物。 立体选择性反应是指：在特定反应中， 单一一种反应物能够形成两种或更多种 立体异构产物，但观察到的是其中一种 异构体的形成占优势。
非对映异构体的性质


非对映异构体在化学和物理性质上可以 是不相同的。它们具有不同的熔点、沸 点、折射率、溶解特性、偶极矩、比旋 光度等等。 在非对映异构体中可以把每个手征中心 按顺序规则规定为R或S。
2.2.2拆分和动力学拆分


拆分是把一个含有等量对映体的混合物 （称为消旋体或外消旋混合物）分离成 其组分的过程。 用一个旋光性试剂（拆分剂）来处理对 映异构体混合物，使其转变为非对映异 构体混合物，然后利用非对映异构体的 沸点、溶解度等性质的差异，通过蒸馏 或重结晶而使其分离，
从滤液中回收的盐富集了的S，R盐 酸化
部分拆分的S-（+）-酸
R-(-)-酸
拆分的分类



化学拆分：这种拆分试剂与消旋体发生 反应而进行的拆分称为化学拆分。 包结拆分：如果利用拆分试剂与消旋体 之间的物理作用，比如生成氢键等而将 其拆分开来，叫包结拆分。 动力学拆分
动力学拆分


用来描述利用与旋光性试剂的选择性反应进行 对映异构体分离的一个术语。 它依靠对映异构体与手征试剂反应时速度的差 别。一种手征分子与另一种手征分子反应的过 渡态能量，对于每一种对映异构体来说都可以 是不同的。 如果一个外消旋混合物(R-分子+S-分子)与一 个旋光性试剂（R-试剂）反应，那么两个过渡 态（R-分子…R试剂和S-分子…R试剂）彼此 具有非对映异构的关系。
2.4 潜手征关系

2.4.1同位配基
D H HO OH HO H H OH HO H D OH

如果在反应过程中C（2）上的一个质子 被另一个配基（例如氘）所取代，则两 种可能的取代方式产生同一种产物。所 以C（2）上的两个质子在拓扑学上和在 化学上都是相当的，它们被称为同位配 基。
2.4.2 异位配基
H Ph
CH3 OH CH3
H 苏型（33%）
CH3 H Cl Ph

OH-
HO
CH3 H
CH3 + H OH Ph Ph



构型保留：在反应中立体化学方面有意义的原 子的空间排列在反应物和产物中是相同的。 构型转变：在反应中立体化学方面有意义的原 子的空间排列在反应物和产物中是对映异构的 关系。 如果在生成产物过程中反应物失去了立体化学 的完整性，那么这个反应进行时发生外消旋化 作用。 如果仅仅丧失一部分立体化学完整性的许多反 应实例，我们把它称为部分外消旋化作用。
第二章 立 体 化 学


异构体 : 分子式相同而构造（即化合物中键的 特定结合方式和原子的顺序）不同的各种分子 集合体之间互称为异构体。包括：碳链异够构， 官能团异构，官能团位置异构和互变异构。 写出分子式为C5H10的各种异构体 构造相同而原子或基团的空间排列上不同的化 合物是立体异构体。包括：构型异构和构象异 构。
H3C(H2C)5
某些立体专一反应

H3C Ph
消除反应：如脱卤化氢反应
Br KOCH2CH3 Ph H3C Ph Ph H ； H3C Ph Br KOCH2CH3 H3C Ph H Ph H H Ph 赤型
H H 苏型

氧化胺的热解反应
CH3 H 115℃ H3C Ph CH3 H ; H3C Ph H
1 R1 R R1 R1 Nu + -X C C X 2 C Nu + Nu C R2 2 2 R 3 R 3 R R R3 R R3 achiral intermediate racemic product Pure enantiomer



有机分子发生外消旋化作用时最常见的机理过 程是：从不对称碳原子处断裂掉一个配基而得 出一个平面的三配位中间体。 当不存在象非对称溶剂化作用这样特殊的效应 时，这样一个中间体能以两边相等的几率被俘 获，结果产生等量的对映异构体产物。 外消旋化反应也可以通过角锥体的翻转作用和 围绕碳-碳单键旋转的过程而发生。
2-苯基-3-甲基丁酸的拆分为例
H Ph CO2H (H3C)2HC Ph H CO2H (H3C)2HC
R-(-)
S-(+)
外消旋混合物
Ph CH3 NH2 H R-(+)
非对映异构的羧酸铵盐（R-酸，R-胺和S-酸，R-胺）的混合物，从乙醇-水中重结晶
重结晶后的产物：R，R盐 酸化
H Ph CO2H (H3C)2HC
H
OH
H
C
OH
H
CH2OH
CH2OH
CH2SH
D
R-甘油醛
L-半光氨酸 R-半光氨酸
不含手性中心的手性分子

手性轴和手性面的化合物，如某些旋光 性的丙二烯、联芳基、亚烷基环己烷就 是轴型非对称分子的例子（手征轴）。 反式环烯可作为分子中有非对称性面的 例子。
H H C HO2C C C CO2H

2.1 对映异构关系



手性（chirality）是用来描述一种物体和它的镜象 不能重叠时一个名称，历史上手征性和旋光性非常 密切相关，化学家们能互换地使用旋光的和手征的 这两种描述方法。 旋光性是手征分子的一种性质，即旋转偏振光平面 的能力。旋光度的符号和大小都与测量条件有关， 包含温度、溶剂和射入样品中的入射光的波长。 一个旋光性的分子一定是手征的，反之亦然。但在 一些测量条件下，有些手征分子的旋光性可能非常 小，以至无法与零相区别。在这种情况下，可以在 另一个波长上测定，得出较大的旋光度。
H H3C
手征中心

除了碳手征中心外，还有硫、磷、氮手征中 心，如
S O H3CH2CH2C P CH3

具有三个不同取代基的胺原则上是能够有旋 光性的因为它们是手征的，但是角锥体翻转 所需要的活化能太小，以致不能将对映异构 体分离。当它变为季胺盐时，就不能翻转而 CH 变成手性的。
3

+N
PhH2C
某些立体专一反应
对烯的立体专一加成反应：如环氧化反应
H3C(H2C)7 H H H3C(H2C)7 (CH2)8OH H (CH2)8OH CH3CO3H H CH3CO3H HO(H2C)8 H3C(H2C)7 O H H HO(H2C)8 H O H H3C(H2C)7
亲核取代反应
H3C(H2C)5 H (CH ) CH H 2 5 3 CH3CO2 H3CO2C OSO2C6H4pCH3 CH3 H3C H H3C (CH ) CH 2 5 3 CH CO 3 2 OSO2C6H4pCH3 H3CO2C H3C H
H H3C H
H3C H3C H
立体异构体的数目

手征中心的数目和立体异构体的数目之 间不存在一个简单的一般关系，因为某 些式子可以和它们的镜象重叠。当不存 在这些情况时，具有n个不同的不对称中 心的体系可能有的立体异构体的数目是 2n个。
2.2 非对映异构关系

2.2.1 非对映异构体 它们之间不是物体与其镜象的关系的立 体异构体。
用字母pro-R 和 pro-S来规定手征分 子中的异位配基

选取潜手征中心上的一个异位配基，并且认为 它比另一个异位配基有较高的序位，而不打乱 其余配基的序位。如果应用顺序规则的结果是： 潜手征中心的构型规定为 R, 则所选的配基是 pro-R. 如果这个潜手征中心是 S ，则所选配基 是pro-S。
-
H3C Ph H
H
CH3
125℃
H3C Ph
H CH3
+N(CH3)2 O 苏型
N(CH3)2 O+ 赤型
某些立体专一反应


在这些立体专一过程中，起始物都是一 对对立体异构体，产物彼此也是立体异 构体。 每个反应进行时，只得到单一一种立体 异构体，而不混杂有另一种立体异构体。
某些立体选择性反应
+
H2N CO2
OCH3
27% yield,96% d.e.
酶拆分也是动力学拆分的一类
CHCH3 Rhizopus nigricans O2CCH3 CHCH3 OH R-enantiomer,98%e.e. at 28% conversion
PhCH2O
O CO2C2H5
PhCH2O Baker's yeast
手征中心

碳手征中心： 连在sp3碳上的配基按四面体方式取向， 当具有四个不相同的配基时，分子是手 征的，我们把这个碳原子称为手征中心。 如 2- 丁醇是手征的，而乙醇却不是。不 是手征的分子叫做非手征的。
H OH H HO H CH3 H CH2CH3 H3C OH H CH2CH3 HO CH3
Ph CH2CH
CH2
手性的描述

手性可以用菲舍尔（Fischer）惯用法（D，L） 或凯恩-英格尔德-泼莱劳格（Cahn-IngoldPrelog）惯用法（R，S）来描述 。