高等有机化学第2章
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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
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*
(3)利用不对称催化(chiral catalysis)的不对称合成
C 2H 5 C O
C 2H 5
OHC H CH 3
H3 C
构型保持
构型反转
-O
C 2 H5 C2 H5 C C H OH
H 2O
HO H3 C
C 2H 5 C 2 H5 C C H OH
H3 C
构型反转
构型保持
反应总的结果为构型保持
2.3 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
一个分子转化为构型相反的产物分子的反应叫构型反转。
H3 C H C OH - + C2 H 5
( S)-2-溴丁烷
Br
HO
CH 3 H C + BrC2 H 5
( 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
Ph H H Ph
(2S,3R) meso
Ph
Br Br
OH
-
H C Ph C
Br Ph
H Br Ph
Br H
OH
-
Ph C H C
Br Ph
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
反式消除 2.4.2 立体选择反应（stereoselective reaction）
COOH (1)NaNO 2, HBr H OH CH 2NH2 (R) (2)Cu H
COOH OH CH 2Br (S)
构型保持
（3）产物的相对构型标记与反应物相同的反应是构 型保持，而相对构型标记相反的反应是构型反转。
C 2H 5 HO H3C H C C C2 H5 Cl OH -O
C 2H 5 C 2H5 C C H Cl
HR Cl
H C Me
Br + Cl
Br C Me
H
Cl
手性分子 潜手性分子的两个-H原子的关系为对映异位关系
潜手性分子
（enantionpic）。对于CX2YZ的一个X被W取代可产 生手性中心，处于对映异位关系的X分别命名为pro-
R 和pro-S。
按次序规则，规定X的次序最优先，按照次序规则观
H H t-Bu O LiAlH4 H 3O+ t-Bu major H H OH
主要从a键方向加成，得较稳定的反-4-叔丁基环己醇 。
亲核试剂体 积较大
H H t-Bu O
+ LiAlH(OCH3 )3 H 3 O
a-H的位阻大
H
OH H
t-Bu major
空间上较为有利
含-手性碳的醛（酮）的还原得非对映异构体，其立
高等有机化学
第2章 立体化学
谢斌 教授
2.1 赤式和苏式构型
丁醛糖存在四种立体异构体，分属于两对对映体。
在Fischer投影式中，凡是相同基团或原子位于横键
同侧的叫赤藓糖，而位于异侧的叫苏阿糖。
CHO H H OH OH CH2OH HO HO CHO H H CH2OH HO H CHO H OH CH2OH H HO CHO OH H CH2OH
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的反应为构型保持。
H 3C H C PhCH 2 OH + TsCl H 3C H C PhCH 2 OTs + HCl
吡啶
25C
S
S
构型保持的反应的相关手性中心的化学 键在反应过程中不会发生化学键断裂。
2.4.2 构型反转（inversion of configuration）
N(CH3)2
-O
赤式
Br H H Br
Me Br Me Br
H
Br Me H Br H Me
Me H Me
苏式
CHOEt CHO H H Me Me Et
CHO Me Et Me H H H
H
赤式
Me Me
2.2 构型保持与构型反转
2.4.1 构型保持（retention of configuration）
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
H OTs -TsOH Ph H OTs H Ph H -TsOH Ph H
反应只是立体选择的， 而非立体专一的
H Ph
凡立体专一性反应都是立体选择性反应，而立体
选择性反应并不一定立体专一性反应。
d.e ={[SS]-[SR]}/{[SS]+[SR]}100%
手性产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%
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
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。 反应物为非手性分子的不对称反应的效率用对映
体过量百分ຫໍສະໝຸດ Baidu(e.e, enantiomeric excess)来衡量。
e.e =R %-S %
反应物为手性分子的不对称反应的效率用非对映 体过量百分数(d.e,diastereoisomeric excess)来衡 量。
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。
噁唑啉酮是手性辅助剂,在酰胺的-位借助碱，进行
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)
反式的加成反应
(2S,3S) 50%
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
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
型发生转化的反应叫差向异构化（epimerization）。
H CH3 CH 3 H O CH3 H H O
b
H
CH 3
a
b
OH CH 3 CH3
a
2.4 立体专一反应和立体选择反应
2.4.1 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。
I
( R)-(+)-2- 碘辛烷
该反应的外消旋化速度为取代反应的两倍
特别注意：
（1）产物的旋光性与反应物相同时，与其构型是否保
持无关；产物的旋光性与反应物相反时，与其构型是
否反转无关。构型与旋光性之间不存在必然的简单规
律。
（2）产物的绝对构型标记与反应物相同的反应不一定
构型保持；产物的绝对构型标记与反应物相反的反应 不一定构型反转（绝对构型取决于与手性中心相连基 团在空间的伸展和基团之间的先后顺序）。
D-(-)-赤藓糖
(2R,3R)-赤藓糖
L-(+)-赤藓糖
(2S,3S)-赤藓糖
D-(-)-苏阿糖
(2S,3R)-苏阿糖
L-(+)-苏阿糖
(2R,3S)-苏阿糖
凡含有两个手性碳原子的化合物的构型均可用赤式和 苏式来表示 。在Fischer投影式中，将不同的基团或
原子位于竖键上，凡是相同基团或原子位于横键同侧 的是赤式，相同基团或原子位于异侧的为苏式。
Fischer投影式 的构象实际上 为重叠式构象
Br C H CH3 C
H CH3 Ph
交叉式构象
Br C H CH3 C
Ph
H H
Ph CH3 CH3 Br
重叠式构象
H CH3
重叠式构象
让不同基团处 于重叠的位置
赤式构型
O-
CH3 Ph
H C C
H
CH3
H H
N(CH3)2 CH3 CH3 Ph
的位阻尽量较小。
I H 3C H H H CH 3 -HI H3 C C H
I H H H CH 3 CH 3 -HI H3 C C H C H CH3
H C CH 3
过渡态的位阻进一步 减小，对反应有利 底物甲基之间的位 阻较大，过渡态的 位阻增加更大
LiAlH4体积较小，轴向 进攻带来的位阻增加不 大
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
(2S,3S)-3-苯基-2- 丁醇 (2R,3S)-3-苯基-2- 丁醇
赤式
苏式
还原含-手性碳的醛酮时，体积最大基团L与羰基呈 反位重叠式构象，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，还原剂(亲核试剂)从体积较 小的S一侧进攻羰基占优势，这就是Gram规则.
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%
位置选择性为查依采夫消除，其立体选择性为过渡态
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
( 非手性分子)
潜手性
外消旋体 ( 手性分子)
2.5 不对称合成(asymmetric synthesis)
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
旋化。只有极个别旋光体在室温不用加热、光照或
催化剂，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 OH O Ph H H 3C S C C OH O
非手性的平面性烯醇型
（2）反应因形成平面型的碳正离子中间体发生外消旋化。
Ph -Cl H3C H C Cl H
-
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。
对于多个手性中心的化合物，如果一个手性中心的构
称合成
A S* AS* S*T* T*
S*为手性辅助试剂
非手性条件 下的反应
手型试剂： (-)-薄荷醇
使用了手性试剂(-)-薄荷醇,第一步形成了手性的丙
酮酸-(-)-薄荷酯 (酯的-C为R构型)。
机会大
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
Y X X Z 赤式dl对 W W W W Z Y X X W X Z 苏式dl对 Y X W X W Z Y W X
赤式和苏式各含有一对对映体，赤式和苏式互为非对 映体； 若Y=Z时，赤式为内消旋体，苏式仍含有一对对映体。
Ph H H Br 赤式 CH3 CH3 CH3 H
Br H CH3 OH 苏式
O [H] CH3CCOOH 丙酮酸 非手性分子 ( + )CH3CHCOOH OH
dl
反应既非立体选择性，也非立体专一性
2.5 潜手性分子（prochiral molecule）
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。
HS C Me
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
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*
(3)利用不对称催化(chiral catalysis)的不对称合成
C 2H 5 C O
C 2H 5
OHC H CH 3
H3 C
构型保持
构型反转
-O
C 2 H5 C2 H5 C C H OH
H 2O
HO H3 C
C 2H 5 C 2 H5 C C H OH
H3 C
构型反转
构型保持
反应总的结果为构型保持
2.3 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
一个分子转化为构型相反的产物分子的反应叫构型反转。
H3 C H C OH - + C2 H 5
( S)-2-溴丁烷
Br
HO
CH 3 H C + BrC2 H 5
( 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
Ph H H Ph
(2S,3R) meso
Ph
Br Br
OH
-
H C Ph C
Br Ph
H Br Ph
Br H
OH
-
Ph C H C
Br Ph
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
反式消除 2.4.2 立体选择反应（stereoselective reaction）
COOH (1)NaNO 2, HBr H OH CH 2NH2 (R) (2)Cu H
COOH OH CH 2Br (S)
构型保持
（3）产物的相对构型标记与反应物相同的反应是构 型保持，而相对构型标记相反的反应是构型反转。
C 2H 5 HO H3C H C C C2 H5 Cl OH -O
C 2H 5 C 2H5 C C H Cl
HR Cl
H C Me
Br + Cl
Br C Me
H
Cl
手性分子 潜手性分子的两个-H原子的关系为对映异位关系
潜手性分子
（enantionpic）。对于CX2YZ的一个X被W取代可产 生手性中心，处于对映异位关系的X分别命名为pro-
R 和pro-S。
按次序规则，规定X的次序最优先，按照次序规则观
H H t-Bu O LiAlH4 H 3O+ t-Bu major H H OH
主要从a键方向加成，得较稳定的反-4-叔丁基环己醇 。
亲核试剂体 积较大
H H t-Bu O
+ LiAlH(OCH3 )3 H 3 O
a-H的位阻大
H
OH H
t-Bu major
空间上较为有利
含-手性碳的醛（酮）的还原得非对映异构体，其立
高等有机化学
第2章 立体化学
谢斌 教授
2.1 赤式和苏式构型
丁醛糖存在四种立体异构体，分属于两对对映体。
在Fischer投影式中，凡是相同基团或原子位于横键
同侧的叫赤藓糖，而位于异侧的叫苏阿糖。
CHO H H OH OH CH2OH HO HO CHO H H CH2OH HO H CHO H OH CH2OH H HO CHO OH H CH2OH
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的反应为构型保持。
H 3C H C PhCH 2 OH + TsCl H 3C H C PhCH 2 OTs + HCl
吡啶
25C
S
S
构型保持的反应的相关手性中心的化学 键在反应过程中不会发生化学键断裂。
2.4.2 构型反转（inversion of configuration）
N(CH3)2
-O
赤式
Br H H Br
Me Br Me Br
H
Br Me H Br H Me
Me H Me
苏式
CHOEt CHO H H Me Me Et
CHO Me Et Me H H H
H
赤式
Me Me
2.2 构型保持与构型反转
2.4.1 构型保持（retention of configuration）
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
H OTs -TsOH Ph H OTs H Ph H -TsOH Ph H
反应只是立体选择的， 而非立体专一的
H Ph
凡立体专一性反应都是立体选择性反应，而立体
选择性反应并不一定立体专一性反应。
d.e ={[SS]-[SR]}/{[SS]+[SR]}100%
手性产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%
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
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。 反应物为非手性分子的不对称反应的效率用对映
体过量百分ຫໍສະໝຸດ Baidu(e.e, enantiomeric excess)来衡量。
e.e =R %-S %
反应物为手性分子的不对称反应的效率用非对映 体过量百分数(d.e,diastereoisomeric excess)来衡 量。
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。
噁唑啉酮是手性辅助剂,在酰胺的-位借助碱，进行
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)
反式的加成反应
(2S,3S) 50%
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
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
型发生转化的反应叫差向异构化（epimerization）。
H CH3 CH 3 H O CH3 H H O
b
H
CH 3
a
b
OH CH 3 CH3
a
2.4 立体专一反应和立体选择反应
2.4.1 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。
I
( R)-(+)-2- 碘辛烷
该反应的外消旋化速度为取代反应的两倍
特别注意：
（1）产物的旋光性与反应物相同时，与其构型是否保
持无关；产物的旋光性与反应物相反时，与其构型是
否反转无关。构型与旋光性之间不存在必然的简单规
律。
（2）产物的绝对构型标记与反应物相同的反应不一定
构型保持；产物的绝对构型标记与反应物相反的反应 不一定构型反转（绝对构型取决于与手性中心相连基 团在空间的伸展和基团之间的先后顺序）。
D-(-)-赤藓糖
(2R,3R)-赤藓糖
L-(+)-赤藓糖
(2S,3S)-赤藓糖
D-(-)-苏阿糖
(2S,3R)-苏阿糖
L-(+)-苏阿糖
(2R,3S)-苏阿糖
凡含有两个手性碳原子的化合物的构型均可用赤式和 苏式来表示 。在Fischer投影式中，将不同的基团或
原子位于竖键上，凡是相同基团或原子位于横键同侧 的是赤式，相同基团或原子位于异侧的为苏式。
Fischer投影式 的构象实际上 为重叠式构象
Br C H CH3 C
H CH3 Ph
交叉式构象
Br C H CH3 C
Ph
H H
Ph CH3 CH3 Br
重叠式构象
H CH3
重叠式构象
让不同基团处 于重叠的位置
赤式构型
O-
CH3 Ph
H C C
H
CH3
H H
N(CH3)2 CH3 CH3 Ph
的位阻尽量较小。
I H 3C H H H CH 3 -HI H3 C C H
I H H H CH 3 CH 3 -HI H3 C C H C H CH3
H C CH 3
过渡态的位阻进一步 减小，对反应有利 底物甲基之间的位 阻较大，过渡态的 位阻增加更大
LiAlH4体积较小，轴向 进攻带来的位阻增加不 大
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
(2S,3S)-3-苯基-2- 丁醇 (2R,3S)-3-苯基-2- 丁醇
赤式
苏式
还原含-手性碳的醛酮时，体积最大基团L与羰基呈 反位重叠式构象，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，还原剂(亲核试剂)从体积较 小的S一侧进攻羰基占优势，这就是Gram规则.
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%
位置选择性为查依采夫消除，其立体选择性为过渡态
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
( 非手性分子)
潜手性
外消旋体 ( 手性分子)
2.5 不对称合成(asymmetric synthesis)
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
旋化。只有极个别旋光体在室温不用加热、光照或
催化剂，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 OH O Ph H H 3C S C C OH O
非手性的平面性烯醇型
（2）反应因形成平面型的碳正离子中间体发生外消旋化。
Ph -Cl H3C H C Cl H
-
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。
对于多个手性中心的化合物，如果一个手性中心的构
称合成
A S* AS* S*T* T*
S*为手性辅助试剂
非手性条件 下的反应
手型试剂： (-)-薄荷醇
使用了手性试剂(-)-薄荷醇,第一步形成了手性的丙
酮酸-(-)-薄荷酯 (酯的-C为R构型)。
机会大
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
Y X X Z 赤式dl对 W W W W Z Y X X W X Z 苏式dl对 Y X W X W Z Y W X
赤式和苏式各含有一对对映体，赤式和苏式互为非对 映体； 若Y=Z时，赤式为内消旋体，苏式仍含有一对对映体。
Ph H H Br 赤式 CH3 CH3 CH3 H
Br H CH3 OH 苏式
O [H] CH3CCOOH 丙酮酸 非手性分子 ( + )CH3CHCOOH OH
dl
反应既非立体选择性，也非立体专一性
2.5 潜手性分子（prochiral molecule）
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。
HS C Me