立体化学与构象分析

立体化学
教学目的要求
本章学习立体化学和构象分析
为完全认识一个分子结构，需要了解三个层次的内容：
●构造（constitution)
●构型（configuration)
指分子内原子或基团在空间“固定”排列关系，分为：顺反异构，旋光异构二种。

●构象（conformation)
指围绕单键旋转产生的不同的分子形象。

构型和构象在有机合成、天然产物、生物化学等研究领域非常重要。

例如六六六有九种顺反异构体，其中只有γ-异构体具有杀虫活性。

人体需要多种氨基酸，其中只有L-型具有活性作用。

手性（chiral）在医药、农药、食品添加剂、香料等领域需求越来越多。

手性液晶材料、手性高分子材料具有独特的理化性能，成为特殊的器件材料。

一个新兴的高新技术产业-手性技术（chirotechnology）正在悄然兴起。

（一）顺反异构
由于双键或环的存在，使得旋转发生困难，而引起的异构现象。

能垒<10 kcal／mol。

能垒50 kcal／mol 双键要破坏。

命名：顺、反（Cis, Syn-; Trans, Anti)。

现在用“Z”，“E”表示
Z：Zusammen 二个大的基团都在一侧（相当于顺）
E：Entgegen 二个大的基团分在两侧（相当于反）
例：
Z-3-甲基-4-异丙基-3-庚烯
基团的大小排列是按照原子序数排列的。

分子内含有二个以上的双键时，每个双键的构型都要标出来。

(1E,5Z)-环癸-1,5-二烯-1,6-二羧酸
关于C=N和N=N双键的命名
含C=N双键的化合物主要是指醛肟和酮肟（醛或酮与羟胺NH2OH反应得到）
Z-2-戊酮肟 Z-苯甲醛肟
孤对电子的序数为“0”。

文献上，现在还沿用顺、反命名。

把-OH,-H在一侧的叫顺式，Cis-，Syn-；把-OH,-H在两侧的叫反式，Trans-，Anti-。

N=N双键也用顺反命名：
反式(E)偶氮苯顺式(Z)偶氮苯
一般反式稳定,减少了基团间的排斥作用。

（反式对称性好，分子排列更为紧密、有序，有较高的熔点，较低的溶解度（在水中，因极性小），燃烧热、氢化热比顺式低。

对于环状化合物仍用顺反而不用E、Z，把环看成是一个平面的，取代基团在同一侧的为顺式。

如果有三个以上时,选一个参考基,用小写r(reference group)表示,再和别的取代基比较与之关系。

顺-3-反-5-二甲基环己-r-1-醇
关于构型的确定的方法
环的生成或破裂
利用已知构型推断未知构型
从反应历程来确定
用物理方法测μ，x-衍射，熔点，溶解度性质等，这些都是很经典的方法。

最简单、最常用的就是NMR。

自旋-自旋偶合会引起核磁共振信号裂分，如：CH2Br-CHBr2的1H NMR如图：
用单位Hz表示发生裂分的吸收峰之间的间隔，称为自旋偶合常数（J）。

此处彼此间相互作用的原子核的自旋偶合常值是相等的。

Jab=2～11Hz
Jab=10～21Hz
J反>J顺
如：HBrC=CHCl，J反=11Hz，J顺=4Hz。

顺、反混合物，各出各的H，互不干扰，还可以从积分大小定比例。

（二）对映异构
手性分子（chiral molecule）、手性碳，从上世纪七十年代起广泛使用，能够使平面偏振光向左或向右旋的物质称为旋光性物质（或光活性物质）。

手性分子是指一个分子与其镜象不能重合。

手性分子一定是光活性物质。

对映异构体：二个互为镜象，但不能重合，是二种不同化合物。

旋光能力相同，但方向相反，如同左、右手。

考察一个分子是否为手性分子，可以从有无手性碳出发，但是最根本是要看分子对称性来考察。

符合手性分子的充要条件：
①无对称面；
②无对称中心；
③无交换对称轴。

三者不可缺一，但一般说来，只要求分子是否有对称面或对称中心即可了。

（注意：对称轴不能作为判据。

）
（1）对称因素
ⅰ 对称轴Cn：指围绕穿过分子的一条轴，旋转360°/n分子能够复原，此轴叫分子对称轴。

C2轴，转180o可以还原
C3轴
ii：对称面σ
如果组成分子的所有原子都在一个平面上或者有一个平面通过分子能把此分子分成互为镜像的两者，这两种平面都是分子对称面。

三氯甲烷三个对称面
BF3有四个对称面
苯有七个对称面
iii：对称中心 i
在分子中找一个中心,在离中心等距离处能找到完全相同的原子，此中心即为对称中心。

iv：交换对称轴Sn（旋转反映轴）
指把一个分子围绕穿过此分子的轴旋转一定角度（Cn）再把垂直于此轴的平面作为镜子，所得镜象与原分子一样时，此轴即为交替对称轴。

（2）无手性碳的手性分子
有些化合物，没有手性碳，但从对称性上看属于手性分子
a、丙二烯型化合物（含手性轴）
手性轴：绕此轴转360o时可以还原，中间任何状态都不能还原。

b、螺环化合物（spiro compounds），手性轴
两个四元环是刚性的，所在的平面是互相垂直的。

有一手性轴。

类似于丙二烯类化合物。

c、联苯型化合物，手性轴
二个苯环由于取代基空间效应,不能在一个平面上。

如果是对称取代，就有对称面了。

另外，如果四个取代基较小就不同了。

d、含有手性面的化合物
六螺并苯，由于1，6二环部分发生重叠，破坏了分子的对称性，这种重叠相当于一对相反转向的螺丝，一个是左螺纹，另一个是右螺纹，构成一对对映体，分子中有一个手性面。

e、柄型化合物（Ansa compounds），手性面
由对苯二酚与长链α，ω－二醇成醚。

由于Br和COOH比较大，苯环绕单键转不过去，也存在有对映体。

手性面就是与苯环相垂直的平面。

如果(CH2)12时就可以转过去了，就无旋光性了。

f、分子扭曲而产生旋光性
由于二个CH3离的近发生重叠，不能共平面了，发生了扭曲（一上一下），整个分子不能共平面了，可以拆分成对映体。

根据分子的对称性要素可以把分子分成三大类：
对称化合物：有σ、i或Sn轴的化合物
非对称化合物：没有上述三种对称要素，只有简单的对称轴。

不对称化合物：没有任何对称要素的分子。

而非对称化合物和不对称化合物都为手性分子。

例如：
此分子有一C2对称轴，是个手性分子；此分子叫非对称分子。

这样区分易于混淆，现在用手性分子和非（无）手性分子来区分。

例：
=
有
σσσ
=
手性分子手性分子σ
（3）四面体N可以成为手性中心
四面体N 即R4N+也可成为手性中心，铵盐类
叔胺分子无对称性，似乎应有旋光性，但由于伞效应，易于翻转，每秒翻转2.3×1010次，翻转能垒很低，外消旋化了。

但如果N在环上桥头位置时，就不能翻转了。

此分子无对称面和对称中心。

角锥形结构S化物也可以成为手性中心：
其他元素P，As也可成为四面体构型，成为手性中心。

（4）含有一个手性中心的化合物
四面体C上具有四个不同的取代基时，成为手性碳。

（四个取代基稍有差别即可）。

旋光度与四个取代基极性有关。

极性差别愈大，旋光度愈大，烷基极化度相差不多，旋光度很小
含有一个手性中心就只有二种异构体。

21＝2，R和S构型。

手性碳原子的标记方法：1966年，Cahn-Ingold-Prelog规则（简称CIP规则）或者R/S规则。

①按原子序数递减，共用电子对居末尾。

②C=A，看成和A连两次。

③双键顺式和R-基团优先于双键反式和S型。

例：标记下面分子中的手性碳。

Fischer投影式
为了充分理解立体化学，观看分子模型很有帮助。

但是，如果把分子模型画在平面上时遇到了问题。

1891年，Emil Fischer创造的Fishcher投影法，即在平面上描述四面体碳的方法，对立体化学的研究非常适用。

它是这样规定的：按如下方式拿分子模型，纸前面的两个键是水平的，纸后面的两个键是垂直的，然后将其投影在纸上。

ⅰ把氧化态最高的基团放在上面，COOH>CHO>CH2OH>CH3
ⅱ可以转180°，不能转90°，不能离开纸面翻转。

固定一个基团，其他可以按照顺或逆时针旋转，但两个基团不可以交换。

Fishcher投影式与锯木架结构式的互换：
（5）关于糖类和氨基酸仍沿用D、L构型标记，不用R、S法
选用甘油醛作为标准，其他的化合物与它来对照。

指定如下：
糖类：编号最大的手性碳与其对比。

以2号碳来对比，D型-丁醛糖。

α-氨基酸：以α碳来与其对比。

L-苏氨酸。

（注意：D,L在这里仅代表构型，不表示旋光方向（±）。

）
含有两个手性碳的分子，为了表示两个手性碳的相互关系，把含有两个取代基相同的在一侧叫赤式，在两侧叫苏式。

dl对，d表示右旋，l表示左旋，dl对外消旋体。

（同下面内消旋体对比）
D、L，苏、赤式命名都不严密，但文献上常用。

R/S最严密科学。

如果两个手性碳连的基团都相同：如酒石酸
对第一个分子，其镜像和本身是同一分子。

它分子内有一对称面，称为内消旋。

则酒石酸有三种立体异构体。

如果有3个手性碳，就应该有23=8种立体异构体了。

2，3，4，5-四羟基戊酸
（学习画法）
（6）前手性中心（prochiral center,前，潜，准）
乙醇分子没有手性（有对称面），经反应后，产生手性中心。