高等有机第二章立体化学原理

构象异构
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H H H H H H H
HH H H
单键旋转 构象异构 （可互相转化）
H
叔胺翻转
R1、R2、R3是烃基
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两种异构体A和B
A和B分子中的原子具有相同的连接顺序吗？ 否 构造异构体 是 立体异构体 A和B具有相互不能重合的实物与镜像关系吗？ 否 非对映异构体
是
对映异构体
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一. 对称性与分子结构
化合物的对称性可以用对称元素加以确定，而对称元 素又可以用一定的对称操作加以描述。对称元素可以 分为对称轴、对称面、对称中心和更迭对称轴（或旋 转反射对称轴）。 对称轴 Cn： 通过分子的一条直线，以这条直线为轴旋 转 360°/ n（n=2、3、4、…）角度，得 到的物体或分子的形象和原来的形象完全 相同，这种轴称为对称轴，并相应地称之 为n重对称轴。 例如：反-2-丁烯有一个二重对称轴C2（垂 直于碳碳双键中心）。
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2. 含有其它手性原子的化合物
分子中含有四个键指向四面体的四个顶点的原子，若 四个基团不同就有旋光性。
CH2CH3 N CH(CH3)2 C6H5 CH3 CH2CH3 C6H5 N CH(CH3)2 CH3
CH2CH=CH2 P CH(CH3)2 C6H5 CH3
CH2CH=CH2 C6H5 P CH(CH3)2 CH3
外消旋体
非对映混合体
• 拆分酸时，常用的光学活性的碱，如天然的生物碱（（-）奎宁、（-）-马钱子碱、（-）-番木鳖碱）和合成得到的光学 纯的胺类等。
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• 拆分碱时，常用的天然的光活性酸，如酒石酸、樟 脑--磺酸等。 如a-苯乙胺的拆分：
NH 2 Ph + H CH3 (R-) OHNH2 Ph H CH 3 (R-) NH2 Ph H CH 3 (S-) + HOOC OH COOH NH 3+ Ph HOOC H CH3 (R-) NH 3+ Ph H CH3 (S-) OH HOOC COOOH COOOH
反－1，3－二甲基环丁烷
反－1，2－二氯乙烯
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更迭对称轴（又称为旋转轴） Sn ：围绕某轴旋转 360°/ n（n=2、3、4、…）然后对垂直于该轴的平 面作反射，若与原化合物相同，相应的称之为 n 重 更迭对称轴。Sn = Cn + σ（垂直于Cn）
H3C H H H3C N Ⅰ H CH3 H CH3 反映操作 CH3 N Ⅲ H H CH3 H3C H H H3C N Ⅳ H CH3 H CH3 H H3C H H3C CH3 N Ⅱ H H CH3
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• 对于酸，拆分步骤可用下列通式表示：
(+)-RCOOH (-)-RCOOH + 2 (-)-R'NH 2 (-)-RCOOH (-)-R'NH2 (+)-RCOOH (-)-R'NH 2
重结晶 (+)-RCOOH (-)-R'NH 2
(-)-RCOOH (-)-R'NH2
HCl HCl
(+)-RCOOH + (-)-R'NH2 HCl (-)-RCOOH + (-)-R'NH 2 HCl
O C O + ROH C O O C OR C OH O
然后再将这种含有羧基的酯与旋光性碱作用生成 非对映体后分离。
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方法2：使醇与旋光性酰氯作用，形成非对映体的酯 的混合物，然后分离；
O N* S H O (-)
O + Cl ROH
O N* S O H
O + HCl OR
拆分醛、酮时，可使醛、酮与如下的旋光性的肼作用， 然后分离：
1. 有手性碳原子的化合物
若分子中只含有一个手性碳原子（连接的四个原 子或基团都不相同），则化合物具有手性。
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例：CH3CHOHCOOH
*
乳酸，2-羟基丙酸
分子中只含有一个不对称碳原子，有手性。
COOH H C
CH 3
COOH
OH
HO
H3 C
C H
一对对映体
从肌肉中提取，右旋乳酸 D-(+)乳酸； 葡萄糖发酵制取，左旋乳酸 L-(-)乳酸； 从酸牛奶中提取，对偏光无影响，外消旋乳酸 （±）乳酸。
COOH H OH R H OH s COOH
分子中有对称面的化合物
有对称面，无对 映异构体，无旋 光性内消旋体。 18
对映异构体的表示方法
透视式
常有三种表示方法
纽曼投影式（Newman） 费歇投影式（Fischer）
Cl
H
HO Cl CH3
CH2CH3 H H Cl HO CH3 H H H H
-
OOC
COO -
外消旋体
非对映异构体
OH NH2 Ph + -OOC H CH 3 (S-) OH COO-
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• 对非酸非碱的外消旋体，可以设法在分子中引入酸性基团，然 后按拆分酸的方法拆分；也可以选适当的旋光性物质与外消旋 体作用而生成非对映体的混合物，然后分离。 例如：拆分醇时
方法1：先使醇与丁二酸酐或邻苯二甲酸酐作用生成酸性酯：
CHCH CH 2 3 H OH
透视式
纽曼投影式
费歇投影式
（R,S)－3－氯－2－戊醇
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四.动态立体有机化学的几个基本概念
1、外消旋化：旋光物质转变为不旋光的外消旋体的过程。 例如(s)-2-溴代苯乙烷溶于液态的SO2中，其旋光性逐渐减小，
为什么？
（2）诱导结晶拆分法（晶种结晶法）：在外消旋体的 过饱和溶液中，加入一定量的一种纯的光学异构体 作为晶种，形成非平衡结晶，从而优先结晶出这种 对映体，母液经浓缩再用另一种对映体的晶体为晶 种，如此反复进行，可达到一定的拆分目的。
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（3）生物化学法：利用某些微生物或它们所产生的酶 的立体专一性，对对映体中的一种异构体有选择的 分解作用。 （4）选择吸附拆分法：用某种旋光性物质作为吸附剂， 使之选择性地吸附外消旋体中的一种异构体（形成 两个非对映的吸附物）。通常是利用手性色谱柱来 分离。 （5）化学拆分法：将外消旋体与旋光性物质作用，得 到非对映体的混合物，根据非对映体不同的物理性 质（溶解度、沸点、蒸汽压、吸附特性等），将它 们拆分后再通过反应分别恢复到原来组成的组分。
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水分子
NH3
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对称面 σ ： 某一平面将分子分为两半，就象一面镜子，实 物（一半）与镜象（另一半）彼此可以重叠， 则该平面是对称面。
个经 过 构 成原 的子 平和 面任 何 两
此构经 平成过 面的 垂平和 直面两 的，个 平与 面 O H
H
N
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对称中心 i —— 分子中有一中心点，通过该点所画的直线 都以等距离达到相同的基团，则该中心点是对称 中心。
(+)-抗坏血酸具有抗坏血病的功能, (R)-天冬酰胺是甜的, L-四咪唑是驱虫剂, (-)-抗坏血酸则无此活性； (S)-天冬酰胺是苦的; D-四咪唑有毒且不能驱虫;
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6.2 不对称合成中的立体选择性和立体专一性
立体选择性反应一般是指反应能生成两种或两种以上立体 异构体产物（有时反应只生成一个立体异构体），但其中 仅一种异构体占优势的反应。
CHO
CHO
CHO
H H
CHO
H OH
RH RH
OH OH CH2OH （Ⅰ）
HO HO
s s
s HO
R H
H HO
OH R H CH2OH
s
CH2OH
CH2OH
（Ⅱ）
（Ⅲ）
（Ⅳ）
总结：
A B
R R
S S
S R
R S
（Ⅰ） （Ⅱ） （Ⅲ） （Ⅳ） 一对对映体
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一对对映体
等摩尔的一对对映体的混合物构成外消旋体。 非对映异构体——不成镜象关系的对映异构体。 2. 含有两个以上的不相同的不对称碳原子的化合物 不相同的不 对称碳原子 数 1 2 3 4 对映异构体数 2 4 8 16 外 消旋体数 1 2 4 8
旋转90° H H3C H H3C
S4 I = IV II = III
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结论：判断一个分子有无手性，一般只要判断这个分子 有没有对称面、对称中心。若既没有对称面又没有对称 中心，那么这个分子有手性，有对映异构体，有旋光
性；若分子中有对称面或者有对称中心，则这个分子无 手性。
二. 旋光化合物的分类
H O N H O H O O N O O H N O O N
R configuration
S configuration
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常用的拆分的方法一般有以下几种：
（1）机械拆分法：利用外消旋体中对映体的结晶形态 上的差异，借肉眼直接辨认，或通过放大镜进行辨 认，而把两种结晶体挑捡分开。(1848年Pasteur首次 拆分成功两种不同晶型的酒石酸钠铵，目前很少用)
O S O +H
Br C CH3 H S +
O S O
Br C CH 3
Br C CH 3 + H
H C CH 3 Br R
活性中间体具有平面构型
S
• 主要是反应过程中发生外消旋化，发生外消旋化必须具备两 个条件（1）底物有一个手性中心；（2）活性中间体有平面 构型。
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• 例如(s)-2-甲基环己酮在碱性溶液中，其旋光性逐渐 减小，为什么？
亚砜类化合物
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三. 含两个及多个手性碳原子化合物的 旋光异构
手性碳与立体异构体数目的关系：
若分子有 n 个手性碳，理论上有 2n 个立体 异构体（2n / 2对 对映体）。若手性碳组成相同， 数目有所减少。
1. 含两个不相同的不对称碳原子的化合物
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* * 例： OHC CHOH CHOH CH2OH
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3、Walden 转化 R-2-溴辛烷在碱性条件下的SN2亲核取代反应：
H3C OH+ C H C 6H 13 R S Br
-HO
CH3 C H Br HO C
CH 3
C 6H13
C 6H 13
H
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五. 外消旋体的拆分
• 许多合成反应中，产物往往是一对对映体，而一般一种单一 的构型应用更为广泛，尤其是在医药卫生行业。 • 用一般的物理方法（分馏、分步结晶等）不能把一对对映体 分离开来。必须用特殊方法。 • 拆分—将外消旋混合物分离成两个独立的对映体的过程通常 叫做“拆分”。
n
2n
2n-1
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3. 含有两个相同的不对称碳原子的化合物

若分子含有对称面或对称中心，为非手性分子
* * 例： HOOC CHOH CHOH COOH 酒石酸
2个手性C，最多有2n个异构体，相同的手性C减少其异构体数目
COOH OH H COOH
R H R HO
COOH HO H H COOH
s OH s
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3. 含有三价的手性原子的化合物
棱锥结构的分子中，中心原子若与三个不同基团相连 会产生旋光性。如：
CH2CH3 C6H5 CH3 N C6 H5 CH3 CH2CH3 C6H5 N CH3
N CH2CH3
铵类化合物
P CH3CH2CH2
O S
C6H5 CH3
CH2C6H5
C6H4CH3
膦化合物
O C R2 R2 N* N H C R1
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N* NH2 + R 1 H (-)
腙
六. 不对称合成
6.1 不对称合成反应的意义
不对称合成反应是近20年来有机化学中发展最为迅速也是最有成就 的研究领域之一。它泛指:一类反应由于手性反应物、试剂、催化剂以及 物理因素(如偏振光)等造成的手性环境,使得反应物的前手性部位在反应 后变为手性部位时形成的立体异构体不等量,或在已有的手性部位上一对 立体异构体以不同速度反应,从而形成一对立体异构体不等量的产物和一 对立体异构体不等量的未反应原料。 研究不对称合成反应,具有十分重要的实际意义和重大的理论价值。 对于不对称化合物来讲,制备单一的对映体是非常重要的,因为对映体的 生理作用往往有很大差别。
第二章 立体化学原理
高等有机化学
1

立体化学：以三维空间研究分子结构和性质的科学。
异构体分类：
碳链异构 次 相相 构 序 互同 造 不 连， 异 同 接分 构 。 的子 ： 方中 分 式原 子 和子 式 立体异构
2
CH3CH2CH2CH3
CH3CHCH3 CH3
同 分 异 构
官能团异构
CH3CH2OH
CH3OCH3
CH3CHCH3 Cl
官能团位置异构 CH3CH2CH2Cl
互变异构
烯烃的顺反异构 顺反异构 不在 相 立 同空 同 体 。间 ， 异 的分构 排子： 列中构 方原造 式子式 脂环烃的顺反异构
H H CH3 H3C H H CH3
构型异构 （不能相 互转化） 旋光异构
H3C
对映异构：实物与 镜像的关系 非对映异构：非实 物与镜像的关系
含有两个以上的不相同的不对称碳原子的化合物不相同的不不相同的不对称碳原子对称碳原子对映异构体数对映异构体数11221122442233884444161688nn22nn22nn1118含有两个相同的不对称碳原子的化合物coohchohchoh酒石酸酒石酸有对称面无对映异构体无旋分子中有对称面的化合物2个手性c最多有2若分子含有对称面或对称中心为非手性分子19对映异构体的表示方法常有三种表示方法透视式费歇投影式fischerchohchclrs3氯2戊醇纽曼投影式newman透视式费歇投影式纽曼投影式201外消旋化
H3C H S O OH (1) CH3
OH (2)
H CH3 R
O
烯醇式
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2、差向异构化：在含有多个手性碳的化合物中，使其 中一个手性碳发生构型转化的过程。
H H3C CH3 H 2s,4R O OH(1) H OH CH 3 CH3 (2) CH 3 CH3 2R,4R H H O
烯醇式
条件：（1）有两个或多个手性原子；（2）生成的不 是对映体。