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1、北京理工大学 高等有机化学立体化学教学目的要求本章学习立体化学和构象分析为完全认识一个分子结构，需要了解三个层次的内容：构造（constitution)构型（configuration) 指分子内原子或基团在空间“固定”排列关系，分为：顺反异构，旋光异构二种。构象（conformation) 指围绕单键旋转产生的不同的分子形象。构型和构象在有机合成、天然产物、生物化学等研究领域非常重要。例如六六六有九种顺反异构体，其中只有-异构体具有杀虫活性。人体需要多种氨基酸，其中只有L-型具有活性作用。手性（chiral）在医药、农药、食品添加剂、香料等领域需求越来越多。手性液晶材料、手性高分子材料具有独
2、特的理化性能，成为特殊的器件材料。一个新兴的高新技术产业-手性技术（chirotechnology）正在悄然兴起。（一）顺反异构由于双键或环的存在，使得旋转发生困难，而引起的异构现象。 能垒J顺如：HBrC=CHCl，J反=11Hz，J顺=4Hz。顺、反混合物，各出各的H，互不干扰，还可以从积分大小定比例。（二）对映异构手性分子（chiral molecule）、手性碳，从上世纪七十年代起广泛使用，能够使平面偏振光向左或向右旋的物质称为旋光性物质（或光活性物质）。手性分子是指一个分子与其镜象不能重合。手性分子一定是光活性物质。对映异构体：二个互为镜象，但不能重合，是二种不同化合物。旋光能力相同
3、，但方向相反，如同左、右手。考察一个分子是否为手性分子，可以从有无手性碳出发，但是最根本是要看分子对称性来考察。符合手性分子的充要条件：无对称面；无对称中心；无交换对称轴。三者不可缺一，但一般说来，只要求分子是否有对称面或对称中心即可了。（注意：对称轴不能作为判据。）（1） 对称因素 对称轴Cn：指围绕穿过分子的一条轴，旋转360/n分子能够复原，此轴叫分子对称轴。 C2轴，转180可以还原 C3轴ii：对称面如果组成分子的所有原子都在一个平面上或者有一个平面通过分子能把此分子分成互为镜像的两者，这两种平面都是分子对称面。三氯甲烷三个对称面BF3有四个对称面苯有七个对称面iii：对称中心 i
4、在分子中找一个中心,在离中心等距离处能找到完全相同的原子，此中心即为对称中心。iv：交换对称轴Sn（旋转反映轴） 指把一个分子围绕穿过此分子的轴旋转一定角度（Cn）再把垂直于此轴的平面作为镜子，所得镜象与原分子一样时，此轴即为交替对称轴。（2） 无手性碳的手性分子有些化合物，没有手性碳，但从对称性上看属于手性分子a、 丙二烯型化合物（含手性轴） 手性轴：绕此轴转360时可以还原，中间任何状态都不能还原。b、 螺环化合物（spiro compounds），手性轴两个四元环是刚性的，所在的平面是互相垂直的。有一手性轴。类似于丙二烯类化合物。c、 联苯型化合物，手性轴二个苯环由于取代基空间效应,不能
5、在一个平面上。如果是对称取代，就有对称面了。另外，如果四个取代基较小就不同了。d、 含有手性面的化合物 六螺并苯，由于1，6二环部分发生重叠，破坏了分子的对称性，这种重叠相当于一对相反转向的螺丝，一个是左螺纹，另一个是右螺纹，构成一对对映体，分子中有一个手性面。 e、柄型化合物（Ansa compounds），手性面 由对苯二酚与长链，二醇成醚。由于Br和COOH比较大，苯环绕单键转不过去，也存在有对映体。手性面就是与苯环相垂直的平面。如果(CH2)12时就可以转过去了，就无旋光性了。f、分子扭曲而产生旋光性由于二个CH3离的近发生重叠，不能共平面了，发生了扭曲（一上一下），整个分子不能共平面
6、了，可以拆分成对映体。根据分子的对称性要素可以把分子分成三大类：对称化合物：有、i或Sn轴的化合物 非对称化合物：没有上述三种对称要素，只有简单的对称轴。不对称化合物：没有任何对称要素的分子。而非对称化合物和不对称化合物都为手性分子。例如：此分子有一C2对称轴，是个手性分子；此分子叫非对称分子。这样区分易于混淆，现在用手性分子和非（无）手性分子来区分。例： =有 = 手性分子 手性分子 （3）四面体N可以成为手性中心四面体N 即R4N+也可成为手性中心，铵盐类叔胺分子无对称性，似乎应有旋光性，但由于伞效应，易于翻转，每秒翻转2.31010次，翻转能垒很低，外消旋化了。 但如果N在环上桥头位置时
7、，就不能翻转了。此分子无对称面和对称中心。角锥形结构S化物也可以成为手性中心：锍离子亚砜 亚磺酸酯其他元素P，As也可成为四面体构型，成为手性中心。（4）含有一个手性中心的化合物四面体C上具有四个不同的取代基时，成为手性碳。（四个取代基稍有差别即可）。旋光度与四个取代基极性有关。极性差别愈大，旋光度愈大，烷基极化度相差不多，旋光度很小含有一个手性中心就只有二种异构体。212，R和S构型。手性碳原子的标记方法：1966年，Cahn-Ingold-Prelog规则（简称CIP规则）或者R/S规则。按原子序数递减，共用电子对居末尾。C=A，看成和A连两次。双键顺式和R-基团优先于双键反式和S型。例：
8、标记下面分子中的手性碳。Fischer投影式为了充分理解立体化学，观看分子模型很有帮助。但是，如果把分子模型画在平面上时遇到了问题。1891年，Emil Fischer创造的Fishcher投影法，即在平面上描述四面体碳的方法，对立体化学的研究非常适用。它是这样规定的：按如下方式拿分子模型，纸前面的两个键是水平的，纸后面的两个键是垂直的，然后将其投影在纸上。把氧化态最高的基团放在上面，COOHCHOCH2OHCH3可以转180，不能转90，不能离开纸面翻转。固定一个基团，其他可以按照顺或逆时针旋转，但两个基团不可以交换。Fishcher投影式与锯木架结构式的互换：（5）关于糖类和氨基酸仍沿用D
9、、L构型标记，不用R、S法选用甘油醛作为标准，其他的化合物与它来对照。指定如下：糖类：编号最大的手性碳与其对比。以2号碳来对比，D型-丁醛糖。-氨基酸：以碳来与其对比。L-苏氨酸。（注意：D,L在这里仅代表构型，不表示旋光方向（）。）含有两个手性碳的分子，为了表示两个手性碳的相互关系，把含有两个取代基相同的在一侧叫赤式，在两侧叫苏式。dl对，d表示右旋，l表示左旋，dl对外消旋体。（同下面内消旋体对比）D、L，苏、赤式命名都不严密，但文献上常用。R/S最严密科学。如果两个手性碳连的基团都相同：如酒石酸对第一个分子，其镜像和本身是同一分子。它分子内有一对称面， 称为内消旋。则酒石酸有三种立体异构
10、体。如果有3个手性碳，就应该有23=8种立体异构体了。 2，3，4，5-四羟基戊酸（学习画法）（6）前手性中心（prochiral center,前，潜，准）乙醇分子没有手性（有对称面），经反应后，产生手性中心。HS和HR称为对映（异构）位氢，这两个氢原子性质完全相同，从两边取代机会完全相等，得到外消旋混合物。如果前手性碳上连有一个手性碳，则两个氢就是非对映位氢，从两边进攻机会就不同了。（7）前手性面（prochiral face） 对于有对称面的不饱和键加成后产生新的手性中心。试剂从两面进攻（Si面，Re面），得到不同构型的产物。对于上面的乙醛来说，得到对映异构体。如果，分子中已经有了一个手
11、性中心，此时羰基的两个面就不一样了，试剂从两边进攻就得到不等量的非对映异构体。（8）不对称合成（Asymmetric synthesis）一般说来，在一个非手性分子中引入一个手性中心时，产物总是等量的左旋和右旋的外消旋体，如果得到异构体数量不相等，这种反应就叫不对称合成。%ee=百分主要对映体-百分次要对映体即对映体过量百分数。要实现不对称合成，必须有一个化学的或物理的不对称因素存在，不对称底物、试剂、溶剂、催化剂或偏振光存在，才能产生不对称产物。（a）活性底物Cram（1952年）规则：指出进攻基团将优先作用双键空间障碍最小的一面。 主要产物 次要产物R、L采取重叠构象Cram认为R、L重叠构象有利。在与格氏试剂作用前，格氏试剂的金属部分先与羰基氧配位，这大大膨胀了羰基氧原子的一端，使得L与R重叠，成为
