第二章 立体化学

反式消除反应 2.7.2 立体选择反应（stereoselective reaction）
如果某一立体异构体反应物能同时生成几种立体异
构体产物，其中一种的量超过其它立体异构体，这种 反应称为立体选择性反应。
H CH3 CH3 CH3 t -BuOK CH3CH2CHCH3 C C + + CH3CH2CH CH2 C C DMSO H I H CH3 H 60% 20% 20%
一般情况下：O.P = e.e
实现不对称合成的方法有： （1）利用手性辅助试剂(chiral auxiliary)的不对
称合成（p31-33）
A S* AS* S*T* T*
S*为手性辅助试剂
使用了手性试剂(-)-薄荷醇,第一步形成了丙酮酸(-)-薄荷酯，这是手性化合物(酯的-C为R构型)。
机会大
( R)-2-丁醇
C6 H 13 H C + ICH3 ( S) -(-)-2- 碘辛烷
128 -
I
C 6 H13 H + C H3 C
I
128
I
( R) -(+)-2- 碘辛烷
2.5 外消旋化（racemization） 旋光性物质转化为不旋光的外消旋体的反应叫外 消旋化。 极个别旋光体在室温不用加热、光照或催化剂，
25 C
S
S
构型保持的反应的相关手性中心的化学键在反应过程中 没有发生化学键断裂。
多步反应后构型保持:
C 2H 5 HO H3C H C C C2 H5 Cl OH -O
C 2H 5 C 2H5 C C H Cl
C 2H 5 C O
C 2H 5
OHC H CH 3
H3 C
-O
C 2 H5 C2 H5 C C H OH
(3)利用不对称催化(chiral catalysis)的不对称合成
A Cat* T*
手性催化剂可循环使用,具有手性放大效应。
手性钛酸酯和过氧叔丁醇(Sharpless试剂)对烯丙醇的 不对称环氧化。
R'' R R' BuOOH, Ti(OPr i)4 R'' O OH L-(+)- or D -(-)-DET R
赤式
苏式
空阻小
OH
O H Me MeMgI H 3 O+
ether
Me
Me
H Me Ph
H H Me
OH Ph
H
H Ph
优势构象
还原含-手性碳的醛酮时，手性碳上两个体积较小的 基团（S与M）分处于羰基平面两侧，体积最大的基团 L则与羰基呈反位重叠式构象，还原剂从体积较小的 S 一侧进攻羰基占优势，这就是Gram规则
时形成四面体的手性中心时，这个三角平面就是潜 手性面 (prochiral face) 。三个基团按次序规则为 顺时针时的平面为 Re 面，如为逆时针时的平面则为
Si面。
O C Me Et
Si 面
(1) n-PrMgX (2) H3O
+
n-Pr C Et
OH + Me
HO C Et
Pr-n Me
Re面
2.8 潜手性分子（prochiral molecule）（略）
一个原子或基团被取代或发生其它反应形成手性
分子的非手性分子叫做潜手性分子，而发生反应的 对称原子叫潜手性原子。
H C Me Cl Me H H C Cl Br + Me Br C Cl H
潜手性分子
手性分子
X C Z
X Y
X C Z
就能自行外消旋化。多数外消旋化一般要在加热、
光照、催化剂或化学试剂作用下才能发生。 （1）含-H和-手性中心的羰基化合物通过酮型烯醇型互变异构可自行外消旋化。 如（+）-2-苯基丙酸缓慢失去旋光性。
Ph H 3C H R C C
O
Ph H C C
O
OH
H 3C S
OH
非手性的平面性烯醇型
（2）反应因形成平面型的碳正离子发生外消旋化。
( 非手性分子)
潜手性
外消旋体 ( 手性分子)
2.9 不对称合成(略)
分子整体中的一个对称结构单位被一个试剂转化
成一个不对称的单位 , 从而产生不等量的旋光体产
物的反应叫不对称合成(asymmetric synthesis)。 不对称合成的产物不需要分离就存在旋光性 ,它属 于立体选择性反应。 反 应 的 效 பைடு நூலகம் 用 对 映 体 过 量 百 分 数 (e.e,
空阻小
OH
O H Me MeMgI H 3 O+
ether
Me
Me
H Me Ph
H H Me
OH Ph
H
H Ph
优势构象
还原含-手性碳的醛酮时，手性碳上两个体积较小的 基团（S与M）分处于羰基平面两侧，体积最大的基团 L则与羰基呈反位重叠式构象，还原剂从体积较小的 S 与M之间进攻羰基占优势，这就是Gram规则
含 - 手性碳的醛（酮）的还原得非对映异构体，
其立体选择性遵从Gram规则。
CHO H Me (S)-2-苯基丙醛 Ph + MeMgI ether H 3O+ H H Me 67% Me OH + Ph H Me 33% Ph HO Me H
(2 S,3 S)-3-苯基-2- 丁醇 (2 R ,3 S)-3-苯基-2- 丁醇
位置选择性为查氏消除，立体选择性为过渡态的位
阻较小
I H 3C H H H CH 3 -HI H3 C C H C CH 3 H
I H H CH 3 CH 3 H -HI H3 C C C H CH3
底物甲基之间的 位阻较大，过渡 态位阻增加更大
H
LiAlH4体积 较小
H H t -Bu O LiAlH4 H 3O+ t -Bu major H H OH
2.4 构型保持与构型反转
2.4.1 构型保持（retention of configuration）
产物构型与反应物构型相同的反应叫构型保持。 1-苯基-2-丙醇与对甲苯磺酰氯反应为构型保持。
H 3C H C PhCH 2 OH + TsCl H 3C H C PhCH 2 OTs + HCl
吡啶
O CH 3 C C O H i -Pr O H C H Me
HO CH 3
H C O C H C H Me
O H i- Pr
优势构象 (两个羰基反式共平面)
( R )-(-)-乳酸
应用手型辅助试剂是获得光学纯化合物的一个有效方 法，它在分子内部引入一个手性辅助部分，用其控制 反应中心的立体化学，生成非对映异构体 , 通常可用 柱色谱分离，最后去掉这个手性的辅助部分。
enantiomeric excess)来衡量。
e.e =R %-S %（R型为主） e.e =S % -R %（S型为主）
手性产物 ( 混合物)的比旋光度与该纯净物质在相同
条件下的比旋光度之比为该手性产物的光学纯度（
O.P，optical purity）。
O.P
[ ]测 [ ]纯
100%
O O O OH + O
O OH O
chiral reagent
chiral reagent (+)-DET (-)-DET
1 : 22 90 : 1
2.10 构象分析(conformational analysis) 研究分子中优势构象的存在以及构象对分子的物理 性质和化学性质的影响称为构象分析。 内消旋二溴芪在KI-丙酮溶液中脱溴的反应比旋光体快 100倍. 内消旋体的优势构象中两个溴处于反位，而发生 E2 消 除的立体化学为反式消除，其过渡态的位阻较小，活 化能低，反应速度快。
Ph H H Ph Br Br OH
-
Ph
H C Ph C
Br Ph
H Br Ph
Br H
OH
-
Ph C H C
Br Ph
(2S,3R) meso
顺-1-溴-1,2-二苯乙烯 （E）-1-溴-1,2-二苯乙烯
(2S,3S) 外消旋体之一
反-1-溴-1,2-二苯乙烯 (Z)-1-溴-1,2-二苯乙烯
H CH3 CH 3 H O CH3 H H O
b
H
CH 3
2.7 立体专一反应和立体选择反应
a
b
OH CH 3 CH3
a
2.7 立体专一反应和立体选择反应 2.7.1 立体专一反应(stereospecific reaction)
凡互为立体异构体的反应物在相同的条件下生成不同的立 体异构产物的反应叫立体专一性反应。
H 2O
HO H3 C
C 2H 5 C 2 H5 C C H OH
H3 C
构型保持
2.4.2 构型反转（inversion of configuration）
一个分子转化为构型相反的产物分子叫构型反转。
H3 C H C OH - + C2 H 5
( S)-2-溴丁烷
Br
HO
CH 3 H C + BrC2 H 5
Ph H 3C H C Cl H -Cl
-
Ph
Ph OH
-
Ph C OH + HO C CH 3 H
C+ CH3
H 3C
H
（3）反应因形成自由基发生外消旋化。
2-苯基-2-苯偶氮基丁烷在异辛烷中发生部分外消旋化。
C2H5 C N=NPh Ph H3C Ph H3C C2H5 C N=NPh
差向异构化（epimerization） 对于多个手性中心的化合物，如果一个手性中心的 构型发生转化的叫差向异构化（epimerization）。
噁唑啉酮是手性辅助剂,在酰胺的-位借助碱，进行
不对称烃基化反应
Me O O (1) LDA N O (2) PhCH CHCH Br Ph 2 O O N O
84%
LiAlH4
Ph 71%
OH
LDA= (i-Pr)2NLi
(2) 利用手性试剂(chiral reagent)的不对称合成
A
S*
T*
主要从a键方向加成得较稳定的反-4-叔丁基环己醇
a-H的位阻大
H H t -Bu O
+ LiAlH(OCH3 )3 H 3 O
体积较大
H H t -Bu major OH
空间有利
含 - 手性碳的醛（酮）的还原得非对映异构体，
其立体选择性遵从Gram规则。
CHO H Me (S)-2-苯基丙醛 Ph + MeMgI ether H 3O+ H H Me 67% Me OH + Ph H Me 33% Ph HO Me H
W + Y
W C Z
X Y
对于CX2YZ的X被W取代时产生手性中心，对映异位关
系的X命名为pro-R、pro-S。
按次序规则规定X的次序最优先，按照次序规则观察
轮转顺序的构型为R时，则X为pro-R,否则为pro-S。 一般在原子(或基团)的下角标记为R或S。
含双键分子的三角中心加成上一个其它原子或基团
Ph H Br Ph meso Br H Br Br Ph Ph H H H H Ph Ph Br Br
旋光体
2.10.1 开链体系的构象 对于丁烷及XCH2-CH2Y结构的化合物，一般情况为对位 交叉式构象为优势构象，但含卤素或羟基的化合物由
(2 S,3 S)-3-苯基-2- 丁醇 (2 R ,3 S)-3-苯基-2- 丁醇
赤式
苏式
空阻小
OH
O H Me MeMgI H 3 O+
ether
Me
Me
H Me Ph
H H Me
OH Ph
H
H Ph
优势构象
还原含-手性碳的醛酮时，手性碳上两个体积较小的 基团（S与M）分处于羰基平面两侧，体积最大的基团 L则与羰基呈反位重叠式构象，还原剂从体积较小的 S 与M之间进攻羰基占优势，这就是Gram规则
2.1 对称性与手性
对称面与对称中心 不对称分子一定是手性分子，有对映异构，有旋光性。
2.2
旋光化合物的分类
（1）有手性碳原子的化合物 （2）有其它手性原子的化合物 （3）有三价手性原子的化合物 （4）含手性轴的化合物
2.3 含两个或多个手性碳原子的化合物的旋光 异构
含n个不同手性碳原子的化合物有2n个旋光异构，有相 同手性碳原子时，会有内消旋体，旋光异构体少于2n。
t
R' OH
Y: 70-90% e.e: 90%
O O OH
t
BuOOH, Ti(OPr i)4
O O O OH d.e: 70%
这是底物控制的不对称合成
t
Ph
O
OH
BuOOH, Ti(OPr i) 4 Ph (+)-DET
O O e.e : 99%
OH
为试剂诱导的不对称合成
O O OH
t
BuOOH, Ti(OPri) 4
高等有机化学
第2章 立体化学
分子式相同，原子的成键顺序不同。 碳骨架异构 构造异构 官能团异构 官能团位置异构
互变异构
同 分 异 构
分子构造相同，原子或原子团在空间 的排列不同。
对映异构
构型异构 非对映异构
顺反异构 非对映异构
构象异构
分子构型相同，由于单键 的自由旋转，原子或原子 团在空间的排列不同。
CH3 CH3 C H C CH3 H + Br2 H H CH3 100% CH3
CH3 C C H H CH3 + Br2 Br CH3 H H Br + Br H CH3 (2R,3R) 50%
Br Br
内消旋体(meso) (2S,3R)
CH3 H Br
外消旋体(dl)
反式加成反应
(2S,3S) 50%