第五章 动态立体有机化学与构象分析

4、构象对化学性质的影响
EtONa / EtOH Br
Байду номын сангаас
加热
20 %
+ 20 %
+ 60 %
？
H CH H C Br
H CH 2
H HC H C Br Et1
H CH2
OEt
H HC
OEt CH Br CH 3
>
Et2
Br H H 3C H CH3 H
Br
Br H H
逆120o
H 3C H 3C H

拆分碱时，常用的天然的光活性酸，如酒石酸、樟 脑--磺酸等。 如-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
(1) 椅式构象--稳定(99.9%以上)

纽曼投影式
透视式
(2) 船式构象

所有键角也接近109.5 o,故也没有角张力，但相邻 C-H键却并非全是交叉的，C-2和C-3上的 C-H 键, 以及C-5和C-6上的 C-H键都是重叠式的，C-1和C4上两个向内伸的H由于距离较近而相互排斥,也使 分子的能量有所升高.
（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。
（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。
3
CH 3
CH3
A
B
ΔECH3 = 7.1 ΔEOH = 2.2
画出2-Br环己酮的优势构象
1
H
2
O
Br
O
1 1
O
2
2
Br
Br
A
A为优势构象
B
3、构象对物质性质的影响

例1,2-二溴-1,2-二苯乙烷的m.p.: (m)-体为237oC,旋光体的 为114oC；在乙醚中的溶解度，前者为1:10.25,后者为1:37， Why?
(e)甲基环己烷
(a)甲基环己烷
•甲基连在a键上的构象具有较高的能量,比较不稳定
•平衡体系中e键甲基环己烷占95%,a键的占5%


取代基在e键上的构象较稳定.
若有多个取代基,往往是 e 键取代基最多的构象最稳定. 若环上有不同取代基,则体积大的取代基连在 e键上的构象最 稳定. 例1: 顺-4-叔丁基环己醇的两种构象
如乳酸的结构
D-型
L-型
构象异构：仅仅通过单键的旋转或环翻转后分子中
的原子在空间的不同排列方式就能相互转化的立体异 构。一般分子的构象可以有无数多个，往往不能独立 分离。
船式
椅式
构型异构：仅仅通过单键的旋转或环翻转不能使分
子中某个原子在空间中的排列得以互相转化的立体异 构。这种异构体之间只能通过断键和再成键的过程才 能使原子在空间的不同排列方式得以相互转化，是可 以分离的。又分为顺反异构和光学异构两种。
二、对映体的拆分

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”。
H2 O H 3C C C OH O H H 3 C C C OH OH
-
OOC
COO -
外消旋体
非对映异构体
OH NH2 Ph + -OOC H CH 3 (S-) OH COO-

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：
讨论：将葡萄糖用稀碱处理，结果生成三种产物的混 合物，Why？
O H HO H H C H OH (1)
-
HO
H C
O C HO HO H H
H H H OH OH CH 2OH
OH H OH OH CH2 OH
OH HO H H OH H OH CH 2OH
(2)
D- 葡萄糖
烯二醇中间体
(3) CH 2OH O HO H H H OH OH CH 2OH

1、开链体系构象 （1）乙烷的球棒模型
(2)透视式表示乙烷的构象
H H H H H H
H H H H H H
重叠式
交叉式
(3)纽曼投影式
重叠式构象
交叉式构象

乙烷分子各种构象的能量曲线
2、环己烷体系的构象

环己烷不是平面结构,较为稳定的构象为折叠的 椅式构象. C-C-C键角基本保持109.5o,任何两个相邻的C-H 键都是交叉式的，椅型构象无张力环.
O C O + C O O C OR ROH 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。
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：


红P, Cl2
H H 3C C Cl O C OH OHO H H 3 C C C OH OH S OH O + H 3C C H R C OH
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)
构象能(kJ/mol) 取代基 7.1 7.5 8.8 23.1 13.0 1.7 -OH 非质子 质子 -COOR -CN -NO2
构象能(kJ/mol) 2.2 3.7 4.6 0.8 4.6

例：画出最稳定的构象
CH 3
6 1 3
Cl
C(CH 3) 3
Cl
6 1
6
CH3
3
CH 3 C(CH 3)3
D-型
L-型
1.
对映体性质差异：
对映体转动偏振面的方向相反，大小一样，也就 是比旋光度大小相等方向相反；
对映体与其他手性化合物的反应速度不同。
•右旋乳酸- 15 D 2.6 熔点=53 ℃
2.
•左旋乳酸- 15 熔点= 53 ℃ D 2.6
一、动态立体有机化学的几个基本概念
O C R2 R2 N* N H C R1
N* NH2 + R 1 H (-)
腙
三、构象分析

1936年，Pitzer指出乙烷分子的C-C转动也需要克服一定的能 障而并非完全自由进行，这就产生了构象这一概念。 构象分析：就是讨论分子中因单键旋转或环翻转而产生的分 子中原子（团）在空间的不同分布，涉及分子在不同环境下 的完整的立体形象。
构(立体结构),及其对化合物的物理性质和化学反应的影响.
同分异构体：分子式相同而结构不同的化合物。 构造异构：分子中由于原子相互连接的方式和次序不同而
产生的同分异构体。如C2H6O,可以是CH3CH2OH，也可以 是CH3OCH3
立体异构：--分子的构造(即分子中原子相互连接的方式和
次序)相同,但因分子中原子在空间的位置或排列方式不同而 引起的同分异构体。
透视式
纽曼投影式
(3) 环己烷椅型构象中碳原子的空间分布 A
A线为构象的对称轴
(4) 椅型构象中的两种 C-H 键
a键 (直立键)
e键 (平伏键) 与对称轴成 109.5o
(5) 构象的翻转

通过C-C键的不断扭动,一种椅型翻转为另一种 椅型
为 a键
为 e键
(6) 甲基环己烷椅型构象的翻转
•同一平面 上的比较
逆120
o
H H 3C CH 3
H H
不符合消去
Br H H 3C H OEt CH3 H H 3C H 3C
Br H H H OEt
例：消去反应，vCis = 500 vtrans， Why？
C(CH3 )
4 1 4 1
C(CH3 )
Br
Br
Cis
Br
1
Trans
Br
1
Br (H 3 C) 3C
(+)-RCOOH (-)-RCOOH
重结晶 (+)-RCOOH (-)-R'NH 2
(-)-RCOOH (-)-R'NH2
HCl HCl
(+)-RCOOH + (-)-R'NH2 HCl (-)-RCOOH + (-)-R'NH 2 HCl
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。
D-甘露糖
D-果糖
3、Walden 转化 如R-2-溴辛烷在碱性条件下的Sn2亲核取代反应：
H3 C OH+ C H C 6H 13 R Br
-HO
CH3 C H Br HO C
CH 3
C 6 H13
C 6H 13 S
H
S N 2 反应机理：
Nu Nu Nu NuNu
C C C C C
L L L L
（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。

对于酸，拆分步骤可用下列通式表示：
(+)-RCOOH (-)-R'NH 2 + 2 (-)-R'NH 2 (-)-RCOOH (-)-R'NH2
3 1
Cl
最稳定
C(CH 3) 3
ΔE(Cl+CH3) = 1.7 + 7.1 = 8.8 ΔE(C(CH3)3) = 23.1

例：比较化合物的稳定构象
在(CH3)2C=O中，下列化合物的稳定性
CH 3
4 3 1 4 3
OH
1
CH 3 CH 3
OH
CH3
A
1 OH
B
OH
1
<
4 3
CH 3
H3 C 4

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？
H3C H S OH (1) CH3
O
OH (2)
H CH3 R
O
烯醇式
2、差向异构化
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）有两个手性原子；（2）生成的不是对映体
立体化学是有机化学的重要组成部分,是从静态和动
态两方面论述分子三维结构及其在化学转化中的联系 和结果。
静态立体化学涉及立体异构体的数目、种类、命名、
能量、物理和谱学性质，处理时通常将分子看成理想 化的刚性分子；
动态立体化学涉及反应中立体化学的变化条件、过程
和结果。
立体化学的主要内容是研究有机化合物分子的三度空间结
叔丁基在 e 键上的构象比在 a 键上的另一种构象要稳定的多.
（7）扭式构象：处于椅式构象和船式构象之间的一 种构象，比船式构象稳定。有的化合物，由于特殊键 作用，使扭式构象稳定。
O
H O
H
Me 3C
CMe3
（8）环己烷体系平伏取代基和直立取代基的构象能
A A
取代基 -CH3 -CH2CH3 -CH(CH3)2 -C(CH3)3 -C6H5 -Cl, Br, I
第四章 动态立体有机化学与构象分析
化学本质上是关于分子的科学，1874年Van’t Hoff 建立了
碳四面体结构学说，创立了立体化学的理论基础；
1931年Pauling提出的杂化轨道理论，从理论上论述了甲
烷的正四面体构型问题；
化合物的结构特征基本上取决于分子中原子间相互连接的
键的性质和它们在三维空间的排布；
1、外消旋化
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？
Br C CH3 H S + O S O Br C CH 3 O S O +H 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。
ph H H ph Br Br H ph Br H ph Br H ph H Br Br 180o ph H 180 o ph Br Br ph H H ph Br H ph ph Br ph H Br ph H H Br ph Br H
(m)-体
ph H Br
Br ph
H
Br
旋光体
(m)-体对称性高，故熔点较旋光体高；而旋光体由于极性较(m)体高，故溶解性能高。