复旦有机化学课件03.ppt

1、第三章 立体化学,主要内容 烷烃的构象 手性分子和非手性分子 对映体和非对映体 手性的重要性及手性化合物的获取途径,构造异构 立体异构,3.1 链烷烃的构象,构象异构体（conformational isomer） 因单键的旋转而产生的异构体,构象（conformation）：在常温下，分子中的原子或原子团可以绕着碳碳单键旋转，从而产生了在空间不同位置的排列方式，这些不同的排列方式就称为分子的构象。,构象异构体的分子构造相同，但空间排列不同， 构象异构属立体异构,描述立体结构的三种方式,伞形式,锯架式,Newman投影式,例：乙烷 CH3CH3,1. 乙烷的构象,最不稳定 键电子云排斥， vo

2、n der waals排斥力，内能较高,交叉式构象,扭曲式构象,重叠式构象,staggered conformer,skewed conformer,eclipsed conformer,最稳定 原子间距离最远，内能较低,（无数个）,两种极限构象式,小于两个H 的von der waals 半径（1.2）之和，有排斥力,乙烷构象转换与势能关系图,旋转中须克服能垒扭转张力 电子云排斥 相邻两H间的von der waals排斥力,一般情况下( T-250oC): 单个乙烷分子：绝大部分时间在稳定构象式上。 一群乙烷分子：某一时刻，绝大多数分子在稳定的构象式上。,交叉式（anti） （反交叉式）,

3、部分重叠式,邻位交叉式 （gauche）,全重叠式,邻位交叉式 （gauche）,最稳定(甲基相距最远),较不稳定,较稳定,最不稳定（甲基相距最近）,2. 丁烷的构象,丁烷构象转换与势能关系图,规律: 大基团总是占据反式对位交叉,最稳定,最不稳定,3. 其它烷烃的构象,4. 分子内氢键对优势构象的影响 氢键：在成共价键的带部分正电荷的H和带部分负电荷的N, O, F之间形成的一种弱作用力。氢键具有很强的方向性。,角张力（angle strain）： 环的角度与sp3轨道夹角差别引起的张力,Newman投影式,所有C-H 键均为重叠式构象，有扭转张力,平面型,3.2 环烷烃的构象,1. 环丙烷的

4、结构,若环丁烷为平面型分子,角张力 扭转张力,90o,重叠式构象,2.环丁烷的构象,“信封”状分子,环戊烷的构象,3.环戊烷的构象,如果环己烷的 6 个碳原子在同一平面上: 将有角张力 将有扭转张力,偏离109.5o,C H 重叠,环己烷不是平面型分子,重要!,4.环己烷的构象,环己烷碳架是折叠的,椅式构象,船式构象,C2, C3, C5, C6 共平面,1）椅式构象和船式构象,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,1,2,3,4,5,6,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,1,2,3,4,5,6,椅式构象,HH之间距离均大于H的Van der Waals半径之和（2.4

5、0 ）,交叉式,Newman投影式,船式构象,有几组HH之间距离均 H的Van der Waals 半径之和（240 pm ）,重叠式 （有扭转张力）,旗杆键,环己烷的其它构象式,半椅式 (half chair form),扭船式 (twist boat form),椅式,船式,椅式,半椅式构象,5个碳在同一平面上 有角张力（CC键角接 近120o） 平面碳上的C-H键为重叠 式构象（有较大的扭转张 力）,扭船式构象,1.84,各种环己烷构象的势能图,2）直立键 (a) 和平伏键 (e),a键 (axial bond) 竖键, 直立键,e键 (equatorial bond) 横键, 平伏键,

6、椅式构象中CH键的顺反关系,相邻碳上的a键和e键为顺式 两个相邻的a键（或e键）为反式,a键和e键的相互转换,翻转后,原来的a键转变为e键,而e键转变为a键,环己烷椅式构象的画法,相间的两根键相互平行（画 Z 字形） 六个碳原子交替分布在两个平面上 每个碳均有一根C-H键在垂直方向，上平面的向上 画，下平面的向下画 其它C-H键分别向左（左边的三个）或向右（右边 的三个），且上下交替,i)一取代环己烷的构象,3）取代环己烷的构象,甲基环己烷中的1,3-二竖键效应,取代基体积越大，两种构象能量差也越大，e键取代构象所占比例就更高。,平衡混合物中占95%,叔丁基环己烷的构象,1, 3-竖键作用非常

7、大,优势构象 室温：100,cis-1, 2-二甲基环己烷,trans-1, 2-二甲基环己烷,1, 2-cis,能量相等,1, 2-trans,优势构象,e, a-,a, e-,e, e-,a, a-,1. 3-竖键作用较大,ii）二取代环己烷的构象分析,cis-1, 3-二甲基环己烷,trans-1, 3-二甲基环己烷,1, 3-cis,1, 3-trans,e, a-,a, e-,a, a-,e, e-,能量相等,优势构象,有较大的1. 3-竖键作用,cis-1, 4-二甲基环己烷,trans-1, 4-二甲基环己烷,能量相等,e, a-,a, e-,a, a-,1, 4-cis,1,

8、4-trans,有1. 3-竖键作用,优势构象,e, e-,不同基团二取代环己烷,大基团总是占据 e键,1, 2-cis,优势构象,1, 3-竖键作用较大,cis-1, 4-二叔丁基环己烷的构象,有较大的1, 3-竖键作用,扭船型构象,Gill, G.; Pawar, D. M.; Noe, E. A. J. Org. Chem. 2005, 70, 10726.,较稳定,trans,cis,十氢萘 二环4. 4. 0癸烷,5.十氢化萘的构象,反式十氢萘的构象,全为交叉式构象,顺式十氢萘的构象,1. 3-竖键作用,6. 天然产物甾体骨架,全反式连接,天然甾体化合物骨架,环己烷椅式构象的画法,本

9、次课要求 掌握构象的概念，熟练掌握几种开链烷烃构象式的表达方法（重要：Newman投影式），判断优势构象。 掌握环丙烷、环丁烷、环戊烷的结构特点和构象。 掌握并熟练画出环己烷的构象（主要：椅式、船式构象），了解各构象的相对稳定性，掌握椅式的a键和e键及相邻键的顺反关系。 了解并掌握各类取代环己烷的构象，判断其中的优势构象。 会画顺、反式十氢萘的构象，分析两者的相对稳定性。,习题 p84 习题3-2, p86 习题3-4, p94 习题3-8 (不必计算势能差), p95 习题3-9 (不必计算势能差), p97 习题3-10,构造异构 立体异构,一、手性分子和非手性分子,3.3 旋光异构体,手

10、(征)性 (Chirality ),手性(chirality)：互为镜像与实物关系，彼此又不能重合的现象 Chiral is derived from the Greek word cheiros, meaning “hand”.,手性分子(chiral molecule) ：不能与其镜像重叠的分子,手性碳 手性分子的特征,连有四个不同基团的碳原子 手性碳(chiral carbon) 手性中心 (Chiral center),手性碳标记,例：,非手性分子（achiral molecules）,非手性分子：与镜像相重合 （非手性分子不含有手性碳）,手性分子有光学活性 (旋光性，optical

11、activity),手性化合物 = 光学活性化合物 = 旋光性化合物,旋光度(a) observed rotation： 偏振面被旋光性物质所旋转的角度,t : 实验观察到的旋光度 l : 样品管长度 (dm, 分米) c : 样品密度或浓度 (g/ml) t : 测试时温度 : 光源波长,顺时针(右旋)：“+” dextrorotatory (d) 逆时针(左旋)：“-” levorotatory (l),手性分子旋光能力的表示方式 比旋光度 (at) specific rotation,二、对映体 和外消旋体,(-)-2-丁醇 (+)-2-丁醇,a27D = + 13.5,a27D = -

12、 13.5,对映异构体:具有相同分子构造的两个异构体，互为实物与镜像关系，且不能完全重合，互称为对映异构体, 简称对映体.,光学纯 optically pure和光学纯度 optical purity 光学纯：一个样品中所有分子具有相同手性 光学纯度：一个对映体在样品中的含量，又称为对映体过量 percent enantiomeric excess (%ee),某 2-丁醇样品的光学纯度为 50，请问 2 个对映体在该样品中的含量。,2个对映体在该样品中的含量分别为75和25。,已知(+)-乳酸的比旋光度为+3.8，现有某乳酸样品的比旋光度为-1.9， 请问 2 个对映体在该样品中的含量。,(

13、+)-乳酸的含量为25， (-)-乳酸的含量为75。, 物理性质相同： 有相同的熔点 相同的沸点 相同的溶解度(在水和其它普通的非手性溶剂)等 两者对偏振光的偏振面的作用不同 化学性质除了与手性试剂反应外，对映体的化学性质也相同 两者在生理作用上有着显著的不同,一对对映体性质的异同,外消旋体：一对对映体的等量混合物,（一对对映体对光的影响是比旋光度值相等，旋光方向相反旋光性 相互抵消消旋）,例1：2-丁醇,常用立体结构表达式,伞形式,Fischer 投影式 (Fischer projection),十字式,主链放在垂直方向上,伸向后方,不是立体结构式,立体结构的表示方法,Fischer投影式正

14、规写法的原则： 主 碳 链 直 立 上 小 下 大 横 前 竖 后,Fischer投影式,Fischer投影式的获得,例：2,3-丁二醇,2.手性分子的构型命名,1） D.L 命名法（相对构型）,参照物,D-(+)-甘油醛,L-(-)-甘油醛,D-(+)-葡萄糖,D-(-)-乳酸,L-(+)-乳酸,例： 2-丁醇,将手性碳上的四个原子或基团中最小的置于远离我们视线的位置(即放在最远的位置)，然后观察朝向我们的另外三个基团由大到小的顺序。如为顺时针方向即为R构型；反时针方向为S构型,(S)-2-丁醇,(R)-2-丁醇,沿 C-H 方向,S（逆时针方向）,R（顺时针方向）,(1) 透视式,2) R

15、/S 构型命名法,手性碳上的两个基团或原子交换奇数次得对映体, 交换偶数次回到原来结构,（2）环状化合物,(S)-(-)-4-甲基环己烯,(R)-(+)-4-甲基环己烯,（一）分子中含有两个不同的手性碳 （Diastereomers）,四、含两个以上手性碳原子的有机分子,aD = + 9.5,aD = - 9.5,aD = - 17.8,aD = + 17.8,(2R, 3R) (2S, 3S) (2R, 3S) (2S, 3R),非对映体 diastereomers 并非实物与镜像关系的 2 个构造相同的化合物,酒石酸 (tartaric acid) 的构型异构体, 同一化合物,(2R, 3

16、S) (2S, 3R),(2R, 3R) (2S, 3S),对映体,（二）分子中含有两个相同的手性碳,含有两个以上手性碳原子的化合物存在两个以上的立体异构体，其最大数目是2n (n代表手性碳原子数),meso-酒石酸,分子内存在对称因素 一个手性碳的旋光性正好被分子内另一构型相反的手性碳所抵消：无旋光性,（三）1, 2-二甲基环己烷的构型异构体, 同一化合物，内消旋体,cis-1, 2-二甲基环己烷,trans-1, 2-二甲基环己烷,对映体,cis-1, 2-二甲基环己烷,有对称面, 非手性 （内消旋体）,平面结构式,构象对映体 (构象外消旋体),trans-1, 2-二甲基环己烷,对映体,

17、平面结构式,（四）含假手性碳原子的有机分子,有对称面, 内消旋体,对映体,C3为假手性碳原子，构型以 r, s 表示 相同组成的手性碳优先顺序：R型 S型,（五）差向异构体 epimers：只有一个手性不同,非对映体，差向异构体,五、不含手性中心的手性分子 (P.115, 3.7-8) 丙二烯型,右旋,左旋,非手性分子,联苯型 (位阻异构体、阻转异构体 atropisomers),非手性分子,螺旋型(M/P构型),“Thalidomide Babies”,六、手性分子的获得,（一）来源于自然界手性分子,（二）不对称有机合成 Asymmetric synthesis 立体专一反应 Stereos

18、pecific Reaction 不同立体异构体在同样反应条件下得到相应的立体异构体。 立体有择反应 Stereoselective Reaction 一个反应底物在一定反应条件下可以生成 2 个以上立体异构体，其中有一个占优势。,Stereoselectivity Enantioselectivity Diastereoselectivity,W. S. Knowles,l-DOPA的工业生产,Ryoji Noyori,有机反应中的立体化学 加成消除,顺式 syn,反式 anti,取代,Walden inversion Paul Walden (1863-1957),(外)消旋化 racemization,差向异构化 epimerization,巴斯德 Louis Pasteur (18221895),1848: 巴斯德借助放大镜拆分,外消旋酒石酸钠铵sodium ammonium salts of (+) and (-)-tartaric acid,机械拆分,（三）外消旋体的拆