第第 2 2 章章 立体化学原理立体化学原理有机化合物的异构现象有机化合物的异构现象 异构体：具有相同的分子式的不同化合物异构体：具有相同的分子式的不同化合物异构现象：由化学键的刚性和方向性引起的异构现象：由化学键的刚性和方向性引起的构构造造：分分子子中中各各原原子子间间相相互互结结合合的的顺顺序序（连连接顺序）接顺序）构型：构型：原子或基团在空间的排列方式原子或基团在空间的排列方式对映异构体：对映异构体：互为镜象的两种构型异构体。互为镜象的两种构型异构体。分分子子的的手手性性是是存存在在对对映映异异构构体体的的必必要要和和充充分分条件。条件。手手性性：一一个个物物体体若若与与自自身身镜镜象象不不能能叠叠合合，叫叫具有手性。具有手性。不不能能与与镜镜象象叠叠合合的的分分子子叫叫手手性性分分子子；手手性性分分子都具有旋光性。子都具有旋光性。旋旋光光性性物物质质（光光活活性性物物质质）：能能使使偏偏振振光光旋旋转的物质。转的物质。光光学学活活性性的的物物质质总总是是成成对对出出现现，一一个个左左旋旋，一个右旋，互为对映体；一个右旋，互为对映体； 手性(Chirality)实物与其镜像不能完全重合的特性 生活中的手性现象 手性分子(S)-(+)-乳酸乳酸(R)-(-)-乳乳酸酸具有手性特征的分子(一一). 分子的对称性分子的对称性 对称要素对称要素： 对称轴对称轴 (Cn)： 分子围绕通过分子中心、并且垂直于分子所在分子围绕通过分子中心、并且垂直于分子所在平面的直线旋转一定的角度后，同原来的分子重合，平面的直线旋转一定的角度后，同原来的分子重合，此直线为一般对称轴。此直线为一般对称轴。分子旋转的角度为分子旋转的角度为360n时，称时，称 n重对称轴重对称轴 (Cn)。一一. 分子的对称因素和手性分子的对称因素和手性C3C4C5C6n重：当分子旋转重：当分子旋转360时，已经重复了时，已经重复了 n 次围绕次围绕 对称轴的旋转操作。对称轴的旋转操作。对称平面对称平面 ():1. 所有的原子共同处于的所有的原子共同处于的平面平面2. 通过分子中心，且将分子平均通过分子中心，且将分子平均 分成互成实物与镜象关系的分成互成实物与镜象关系的 两部分的两部分的平面平面请你各举一例。请你各举一例。对称中心对称中心 (i)：点点分子中心分子中心等距离等距离相同的原子相同的原子交替对称轴交替对称轴 (Sn):反射反射重合重合 通过反射的通过反射的操作，上、下操作，上、下方的基团交换方的基团交换位置，基团的位置，基团的构型改变。构型改变。垂直于对称轴垂直于对称轴的镜面的镜面S4 -古柯间二酸古柯间二酸对称分子对称分子 (Symmetric Molecules)：具有具有、i、Sn 分子。分子。非对称分子非对称分子 (Dissymmetric Molecules)：仅具有仅具有Cn的分子。的分子。请各举一例请各举一例不对称分子不对称分子(AsymmetricMolecules)：不含有任何对称要素的分子。不含有任何对称要素的分子。27D= +42.9 27D= -42.9 非对称分子非对称分子不对称分子不对称分子手性分子手性分子(Chiral molecule)对映体对映体旋光活性旋光活性手性分子一定手性分子一定不含有不含有,i, Sn(二二) 手性分子的几种类型手性分子的几种类型 判断分子具有手性的充分必要条件：判断分子具有手性的充分必要条件： 分子既没有对称面，没有对称中心，也没有四重交替对分子既没有对称面，没有对称中心，也没有四重交替对称轴。一般情况下，只要分子中既没有对称面也没有对称中称轴。一般情况下，只要分子中既没有对称面也没有对称中心，即可判断它是手性分子。心，即可判断它是手性分子。 分子含有手性中心即分子含有手性中心即不对称碳原子不对称碳原子（连接四个不同取（连接四个不同取代基的碳原子）代基的碳原子） 非碳手性中心非碳手性中心（Si,N,S,P As以及以及B等）；非碳原子等）；非碳原子所形成的不对称四面体（或三角锥体）化合物也有对映异构所形成的不对称四面体（或三角锥体）化合物也有对映异构现象。如现象。如手性膦、手性氮与手性砜类化合物：手性膦、手性氮与手性砜类化合物：四级铵盐不能翻转四级铵盐不能翻转,可分出对映体可分出对映体3含手性轴的化合物：含手性轴的化合物：。a.丙二烯衍生物丙二烯衍生物（具手性轴）（具手性轴）b.联芳基型化合物（具手性轴）联芳基型化合物（具手性轴）(R)-(+)(S)-(-)-2,2-二二氨基氨基-6,6-二甲基联苯二甲基联苯联苯型联苯型丙二烯型丙二烯型下列哪些化合物为手性分子下列哪些化合物为手性分子 手性分子手性分子手性分子手性分子非手性分子非手性分子非手性分子非手性分子判断下列是否为手性分子判断下列是否为手性分子?44手性面分子（分子中无手性中心，无手性手性面分子（分子中无手性中心，无手性 轴）轴）取代对苯二酚双环醚衍生物。取代对苯二酚双环醚衍生物。二二. 含两个（或多个）手性中心的分子含两个（或多个）手性中心的分子(2R, 3S)(2S, 3R)(2R, 3R)(2S, 3S)赤（藓赤（藓型型 (ery-)：相同相同原子或基团原子或基团碳链碳链同侧同侧 Fischer 投影式：投影式： 氧化态高的基团在上端。氧化态高的基团在上端。苏（阿苏（阿型型 (threo-):相同相同原子或基团原子或基团碳链碳链异侧异侧D-赤藓糖赤藓糖L-赤藓糖赤藓糖L-苏阿糖苏阿糖D-苏阿糖苏阿糖非对映体非对映体 (Diastereomers)和和内消旋体内消旋体(mesomer):不是对映体的立体异构体称不是对映体的立体异构体称非对映体非对映体 。结构特征：结构特征：至少在一个不对称中心上具有相同的至少在一个不对称中心上具有相同的结构结构，至少在一个不对称中心上具有不同的至少在一个不对称中心上具有不同的结构结构。 物理性质、化学性质不同物理性质、化学性质不同如：如：(I)与与(III)、(II)与与(IV)内消旋体内消旋体(meso)：同一分子两个相同的手性同一分子两个相同的手性中心，构型相反。中心，构型相反。(V)、(VI)为内消旋体为内消旋体的两种表示的两种表示v非非对对映映异异构构体体之之间间不不是是物物体体与与其其镜镜象象的的关系的立体异构体。关系的立体异构体。当分子中有当分子中有n个手性碳原子时，则个手性碳原子时，则最多最多有有2n个立体异构个立体异构体。体。酒石酸酒石酸分子中有两个相同的手性碳。如果按照分子中有两个相同的手性碳。如果按照2n规则，规则，最多可有四个立体异构体。但实际上酒石酸分子只有三个最多可有四个立体异构体。但实际上酒石酸分子只有三个立体异构体立体异构体.内消旋酒石酸的两个内消旋酒石酸的两个邻位交叉式构象，相互对映，不邻位交叉式构象，相互对映，不能重合，有手性能重合，有手性。但由于它们的能量相同，存在的几率相同，。但由于它们的能量相同，存在的几率相同，室温下又不能分离，所以相互抵消了旋光性，整体表现不具室温下又不能分离，所以相互抵消了旋光性，整体表现不具旋光性。旋光性。L. Pasteur(1848)对映异构体的物理性质旋光性对映异对映异构体构体熔点熔点(oC)D密度密度(g/cm3)溶解度溶解度20oC(g/100mLH2O)右旋(+)168-170+12o1.7598139.0左旋(-)168-170-12o1.7598139.0酒石酸盐酒石酸盐酒石酸立体异构体的物理性质酒石酸立体异构体的物理性质熔熔 点点（）溶溶 解解 度度（g）()酒石酸酒石酸()酒石酸酒石酸内内消消旋旋酒酒石石酸酸()酒石酸酒石酸170170140206139.0139.0125.020.0-12 +12 0 0 20D含含n个手性碳原子化合物的对映异构个手性碳原子化合物的对映异构紫杉醇是一种全新的光紫杉醇是一种全新的光谱抗癌药，副作用小，谱抗癌药，副作用小，国际医疗界认为紫杉醇国际医疗界认为紫杉醇是近是近10年来发现的最有年来发现的最有希望的抗癌药物。希望的抗癌药物。C47H51NO14 Taxol一般说来，含有n个不同的手性碳原子，理论上有（2n）个异构体。11个手性碳个手性碳2112048个对映异构个对映异构环状化合物的对映异构环状化合物的对映异构: 环中的环中的键不能自由旋转，产生顺反异键不能自由旋转，产生顺反异构；也可能出现对映异构体。构；也可能出现对映异构体。反式异构体反式异构体对映体对对映体对顺式异构体顺式异构体对映体对对映体对非非对对映映异异构构体体非非对对映映异异构构体体内消旋体内消旋体mp: 130反式反式 (+) 异构体异构体mp:175反式反式 (-) 异构体异构体mp: 175 对映体对对映体对内消旋体内消旋体反式异构体反式异构体对映体对对映体对楔形式透视式Fischer投影式Emil Fischer (18521919)德国德国 1902年获奖年获奖“横前 竖后”横线横线纸面上纸面上竖线竖线纸面下纸面下【注意】碳链碳链写在竖线上，写在竖线上，而氧化态高的而氧化态高的基团写在上面基团写在上面代表手性碳原子Fischer投影式投影式Fischer投影式书写规则投影式书写规则碳链竖写，氧化态较高的基团写在顶端；碳链竖写，氧化态较高的基团写在顶端；水平线与垂直线交叉点代表水平线与垂直线交叉点代表C*；水平线上基团伸向纸前面，垂直线上基团伸向纸后面；水平线上基团伸向纸前面，垂直线上基团伸向纸后面；4多个手性碳以重叠式进行投影。多个手性碳以重叠式进行投影。例如：例如：(+)- 酒石酸酒石酸 透视式透视式 Fischer投影式投影式 其它表示立体异构的方法其它表示立体异构的方法 透视式透视式 Newman投影式投影式 透视式透视式与费歇尔投影式之间的转换与费歇尔投影式之间的转换费歇尔投影式与纽曼投影式之间的转换费歇尔投影式与纽曼投影式之间的转换三三.外消旋体外消旋体1 外消旋化外消旋化 一个纯的光活性物质，如果体系一个纯的光活性物质，如果体系中的一半量发生构型转化，就得外消中的一半量发生构型转化，就得外消旋体，这种由纯的光活性物质转变为旋体，这种由纯的光活性物质转变为外消旋体的过程称为外消旋体的过程称为外消旋化外消旋化。如果。如果构型转化未达到半量，构型转化未达到半量，就叫就叫部分外消部分外消旋化。旋化。含有手性碳原子的化合物，若手性含有手性碳原子的化合物，若手性碳很容易形成正碳离子、负碳离子、自碳很容易形成正碳离子、负碳离子、自由基等中间体时，常会发生外消旋化。由基等中间体时，常会发生外消旋化。经形成正碳离子、负经形成正碳离子、负碳离子、自由基等中碳离子、自由基等中间体发生外消旋化。间体发生外消旋化。H+-H+-H+H+-H2O-H2OH2OH2O60-70oC4小时小时（+）-肾上线肾上线素（无药效）素（无药效）（-）-肾上线素肾上线素（有药效）（有药效）H+ D-(-)-麻黄素麻黄素有生理活性，易结晶有生理活性，易结晶 L-(+)-假麻黄素假麻黄素生理活性只有麻黄素的生理活性只有麻黄素的1/5。碳正离子碳正离子 含手性碳的化合物，若手性碳上的氢含手性碳的化合物，若手性碳上的氢在酸或碱的催化作用下，易发生烯醇化，在酸或碱的催化作用下，易发生烯醇化，在烯醇化的过程中常会发生外消旋化。在烯醇化的过程中常会发生外消旋化。经烯醇化发生经烯醇化发生外消旋化外消旋化。D-(-)-乳酸乳酸L-(+)-乳酸乳酸除了考虑基团的大小，还要考虑基团的形象除了考虑基团的大小，还要考虑基团的形象反应温度：反应温度：118。X=CH3 NO2 COOH OCH3消旋化消旋化 t1/21.50 1.92 1.56 1.45179分分 125分分 91分分 9.4分分半衰期越短，说明旋转的阻力越小。半衰期越短，说明旋转的阻力越小。IBrCH3ClNO2COOHNH2OCH3OHFH阻转能力下降阻转能力下降旋光异构体在适当的条件下会发生消旋。旋光异构体在适当的条件下会发生消旋。含多个含多个C*的化合物，使其中一个的化合物，使其中一个C*发生构型转发生构型转化的过程称为差向异构化。如果是端基的化的过程称为差向异构化。如果是端基的C*发生构发生构型转化，则称为端基差向异构化。型转化，则称为端基差向异构化。2差差向向异异构构化化外消旋体（外消旋体（racemicmixture或或racemate）：）：一对一对对映体的等量混合物，常用（对映体的等量混合物，常用（）或）或dl表示。表示。v外消旋体是否显旋光性？为什么？外消旋体是否显旋光性？为什么？不显旋光性。因为对映体间旋光角度相不显旋光性。因为对映体间旋光角度相等，而其方向相反，正好相互抵消。等，而其方向相反，正好相互抵消。外消旋体的拆分外消旋体的拆分:v基于非对映体的物理性质的差别，设法制成非对映体。用基于非对映体的物理性质的差别，设法制成非对映体。用常规分离手段分开，再经一定方法处理使其转换回原来的常规分离手段分开，再经一定方法处理使其转换回原来的对映体。对映体。v拆分试剂：人工合成的；天然产物。光学纯度拆分试剂：人工合成的；天然产物。光学纯度100%。3外消旋体的拆分外消旋体的拆分例：外消旋酸拆分例：外消旋酸拆分外消旋体的化学拆分实例：外消旋体的化学拆分实例：酶法动力学拆分实例拆分实例生物化学法 利用微生物或酶在外消旋体的稀溶液中生长时破坏其中一种对映体比另一种快的方法，分离出其中一种对映体。例如，在LD-氨基酸中加入酵母，因酵母易与L-氨基酸作用而剩下D-氨基酸。 又如：1-（- 呋喃）乙醇的外消旋体在脂酶催化下进行酰基化，其中（S）构型异构体未作用，这样所得2种产物极性不同，很容易通过柱层析分离纯化。四四. . 前手性关系前手性关系（一）前手性中心（一）前手性中心 非手性分子非手性分子CXCX2 2Y Y2 2 如如 CHCH3 3CHCH2 2CHCH3 3 C-2C-2上上的的两两个个H H地地位位相相等等, ,（立立体体化化学学环环境境相同）等位（相同）等位（homotopichomotopic）关系。关系。另一非手性分子如丙酸：另一非手性分子如丙酸：(R)(S)C-2的的两两个个H地地位位并并不不相相等等。象象CX2YZ分分子子中中的的碳碳原原子子被被称称为为前前手手性性中中心心(prochiralcenter)；分分子子中中的的X被被不不同同于于X,Y,Z的的基基团团取取代代后后形形成成的的对对映映体体时时，两两个个基基团团(X)称称为为对对映映异异位位基基团团；两两个个基基团团的的这这一一关关系系称称为为对对映异位关系。映异位关系。对映异位基团的标记对映异位基团的标记： 应用基团顺序规则：应用基团顺序规则：X伸向观察者方面相当于伸向观察者方面相当于R构型标记为构型标记为pro-R，反之则为反之则为pro-S。习惯上是在相应原子的下角习惯上是在相应原子的下角标记上标记上R或或S。 对映异位基团和非手性试剂作用时，产生对映异位基团和非手性试剂作用时，产生等量对映异构体；但与手性试剂作用时却表现等量对映异构体；但与手性试剂作用时却表现出非等同行为，此为不对称合成的基础。出非等同行为，此为不对称合成的基础。前（潜）手性碳和前（潜）手性氢前（潜）手性碳和前（潜）手性氢v被取代后，成为手性碳被取代后，成为手性碳pro-Cv被被D代后，得代后，得S-构型构型Hsv被被D代后，得代后，得R-构型构型HR（二）前手性面（二）前手性面(prochiralface)具具有有对对称称面面的的不不饱饱和和键键经经过过加加成成得得到到一一对对对对映映体体，可说明另一种前手性关系，即可说明另一种前手性关系，即Prochiralface.从从左左侧侧看看，OCHOCH的的顺顺序序，其其转转向向是是顺顺时时针的，称为针的，称为R R面；从右侧看，称为面；从右侧看，称为S S面。面。 R R面面与与S S面面，对对映映异异构构关关系系，称称为为对对映映异异位面；特殊试剂可辨认。位面；特殊试剂可辨认。Eg.五五. 手性分子的生物作用手性分子的生物作用 手手性性分分子子的的立立体体结结构构与与受受体体的的立立体体结结构构(受受体体靶靶位位)有有互互补补关关系系时时，其其活活性性部部位位才才能能进进入入受受体体的的靶靶位位，产产生生应应有有的的生生理理作作用用 。 而而 一一 对对 对对 映映 体体 只只 有有 其其 中中 一一 个个 适适 合合 进进 入入一个特定受体靶位，产生生理活性效应。一个特定受体靶位，产生生理活性效应。 手性分子与手性生物受体之间的相互作用手性分子与手性生物受体之间的相互作用 例如：例如： (+)-多多 巴巴 （无生理效应）（无生理效应） (-)-多多 巴巴 （抗帕金森病）（抗帕金森病） 六六.对映异构体的合成及化学对映异构体的合成及化学1.手性中心的产生手性中心的产生非手性分子转化成手性分子非手性分子转化成手性分子如如：正正丁丁烷烷的的氯氯代代，控控制制条条件件可可得得到到主主要要产产物物2-氯丁烷，该分子存在手性碳，但产物不旋光。为什么？氯丁烷，该分子存在手性碳，但产物不旋光。为什么？因因为为得得到到的的是是等等量量的的左左旋旋体体和和右右旋旋体体的的混混合合物物外外消消旋旋体。体。2.对映异构体与手性试剂及非手性试剂的反应对映异构体与手性试剂及非手性试剂的反应v一对对映体与非手性试剂反应时，反应速度完全一对对映体与非手性试剂反应时，反应速度完全相等。因过渡态也呈对映关系。相等。因过渡态也呈对映关系。v如：如：当与手性试剂反应时，反应速度不相等。当与手性试剂反应时，反应速度不相等。当反应得到不等量的对映体或非对映体时，可用当反应得到不等量的对映体或非对映体时，可用对映体过量百分率或立体选向百分率来表示对映体过量百分率或立体选向百分率来表示3、断裂与手性碳所连的键，随反应机理的不同而不、断裂与手性碳所连的键，随反应机理的不同而不同。可有三种情况：同。可有三种情况：v构型保持；构型翻转；外消旋化。如构型保持；构型翻转；外消旋化。如:C-2空间构型保持不变空间构型保持不变 C-2空间构型反转空间构型反转另：另：SN2反应中的瓦尔登翻转（构型翻转）。反应中的瓦尔登翻转（构型翻转）。例如例如：（：（+）-2-碘辛烷与放射性碘辛烷与放射性128I-的反应的反应又如；又如；2-溴丁烷的碱性水解溴丁烷的碱性水解七七.动态立体化学动态立体化学(一一 )立立 体体 选选 择择 反反 应应 （ stereoselectivereaction）定定义义：同同一一反反应应物物能能够够生生成成两两种种以以上上的的立立体体异异构物时，其一异构体生成较多的反应。构物时，其一异构体生成较多的反应。一般为反式消除一般为反式消除60% 20% 20%2-碘丁烷的消除反应：碘丁烷的消除反应：较稳定的构象得到较多的较稳定的构象得到较多的消除产物。消除产物。某些立体选择性反应某些立体选择性反应(二二)立体专一反应立体专一反应(stereospecificreaction)定定义义：一一定定立立体体异异构构的的原原料料在在某某种种条条件件下下只只取取得得一定构型产物的反应。一定构型产物的反应。eg.某些立体专一反应某些立体专一反应对烯的立体专一加成反应：如环氧化反应对烯的立体专一加成反应：如环氧化反应亲核取代反应亲核取代反应立体化学为反式消除立体化学为反式消除立体化学为反式消除立体化学为反式消除 v消除反应：如脱卤化氢反应消除反应：如脱卤化氢反应v氧化胺的热解反应氧化胺的热解反应立体化学为反式加成立体化学为反式加成立体化学为反式加成立体化学为反式加成 符合事实的机理符合事实的机理 反式加成（反式加成（antiaddition） 亲电加成反应亲电加成反应(electrophilic addition reaction) 练习练习v反反-2-丁烯与溴加成如经碳正离子中间体丁烯与溴加成如经碳正离子中间体的历程，将会产生怎样的立体化学结果的历程，将会产生怎样的立体化学结果？反应是立体选择的，而非立体专一的反应是立体选择的，而非立体专一的反应是立体选择的，而非立体专一的反应是立体选择的，而非立体专一的凡立体专一性反应都是立体选择性反应，凡立体专一性反应都是立体选择性反应，凡立体专一性反应都是立体选择性反应，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。而立体选择性反应并不一定立体专一性反应。而立体选择性反应并不一定立体专一性反应。而立体选择性反应并不一定立体专一性反应。(三)手性合成技术(即不对称合成技术)。v不对称合成即分子整体中的一个对称的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异构体产物。它属于立体选择反应。v自19世纪Fischer进行了氢氰酸和糖的反应，得到了不同比例的氰羟化物异构体，开创了不对称合成研究领域的100年来，不对称合成反应的发展历程经历了四个阶段：v手性源的不对称反应vS*T*v手性源S*（如天然的D-葡萄糖、L-氨基酸等手性碳原子）经不对称反应进入了新的手性化合物T*中.v手性辅助剂的不对称反应v借助于手性辅助剂S*与反应底物A作用而成为手性中间体AS*，经不对称反应得到新的反应中间体S*T*，回收S*后，得到新的手性产物T*。如乳酸的制备：如乳酸的制备：外消旋体外消旋体为什么（为什么（-）的乳酸过量？）的乳酸过量？Prelog从分子构象从分子构象分析进行解释：分析进行解释：假定能谷的构象体中两个羰基假定能谷的构象体中两个羰基共平面且处于反位。首先将（共平面且处于反位。首先将（-）薄荷醇的结）薄荷醇的结构用简式代表：构用简式代表：SMLC*OH，即：，即：丙酮酸（丙酮酸（-）薄荷酯相对稳定的构象体可用透）薄荷酯相对稳定的构象体可用透视式表示：视式表示：因最大基团处于纸平面的前方，还原剂从后方因最大基团处于纸平面的前方，还原剂从后方进攻有利。进攻有利。Prelog规律：规律：应用类似（应用类似（-）薄荷醇空间构型的）薄荷醇空间构型的 试剂为光活性辅助试剂时，其试剂为光活性辅助试剂时，其-酮酸酯的主要酮酸酯的主要 还原产物为还原产物为R构型。构型。v应用手性辅助剂是合成光纯化合物的一个有效方法，它是在分子内引入一个手性辅助部分，用这个部分来控制反应中心的立体化学，生成的产物是非对映体异构体，通常可用柱色谱分离，最后去掉这个手性的辅助部分。现在最常用的辅助剂是美国哈佛大学Evans开发的噁唑啉酮（Oxazolidinone）和瑞士日内瓦大学Oppolzer开发的樟脑磺内酰胺（Camphorsultam）。噁唑啉酰酮作为重要的手性辅助试剂。在酰胺的-位可以借助碱进行不对称烃基化反应。DavidEvansDavidEvansEvanshasmadefundamentaladvancesinthedesignofstereoselectivereactionsandtheapplicationsofthesereactionstonaturalproductssynthesis.Evanschiralauxiliariesandchiralcatalystsforenantioselectivebondconstructionsarewidelyusedinbothindustrialandacademiclaboratoriesthroughouttheworld.手性诱导不对称合成实例v手性试剂的不对称反应v底物A在进行不对称反应中加入手性试剂S*，得到反应产物为新的手性化合物T*，而手性试剂能部分回收。v不对称催化反应v在底物A进行不对称反应时加入少量的手性催化剂Cat*，使它与反应底物或试剂形成高反应活性的中间体催化剂作为手性模板控制反应物的对映面，经不对称反应得到新的手性产物T*，而Cat*在反应中循环使用，达到手性增殖或手性放大效应。是产生大量手性化合物最经济和实用的技术。例如，美国孟山都公司在20世纪70年代中期就成功地用不对称催化氢化合成了治疗帕金森病的药物L-多巴。98% ee手性试剂或手性催化剂直接合成出具有旋光性的物质的方法，叫做手性合成或不对称合成(asymmetry synthesis) (S)-萘普生萘普生BINAPv1980年Sharpless报道用手性钛酸酯及过氧叔丁醇对烯丙基醇进行氧化，成功地实现了不对称环氧化的过程。后在分子筛的存在下，四异丙基钛酸酯Ti（OPri）4和酒石酸二乙酯（DET）的用量为5-10mol%，实现了催化的不对称环氧化反应。这一反应很快便用于药物心得安（S-propanol）的合成。不对称合成的程度可用不对称合成的程度可用对映体过量百分数对映体过量百分数（%e.e.）和）和光学纯度百分率光学纯度百分率（%O.P.）表示）表示所有的立体专一性反应和立体选择性反应均为不对称所有的立体专一性反应和立体选择性反应均为不对称合成反应。合成反应。%.e.e是指一种对映体超过另一种对映体的百分数是指一种对映体超过另一种对映体的百分数%O.P.为实测产物比旋光度与光学纯对映体的比旋光度为实测产物比旋光度与光学纯对映体的比旋光度之比之比 光学纯光学纯(R)-苯基乳酸苯基乳酸D20=-36.6，实测合成产物实测合成产物 D20=-6.6 八八.构象和构象分析构象和构象分析构象：由单键旋转所形成的分子中基团在空间不同排列的立体构象：由单键旋转所形成的分子中基团在空间不同排列的立体形象。形象。(一一)饱和烃及有关衍生物饱和烃及有关衍生物（sp3-sp3键的旋转）键的旋转）1、乙烷的构象、乙烷的构象锯架式(sawhorseformula)： 重叠式重叠式 交叉式交叉式 纽曼纽曼(Newman)投影式：投影式：重叠式重叠式交叉式交叉式 在交叉式中，两个碳原子上的氢原子间的距离最远，在交叉式中，两个碳原子上的氢原子间的距离最远，相互之间的作用力最小，内能最低，这种构象叫优势构象。相互之间的作用力最小，内能最低，这种构象叫优势构象。在重叠式中，两个碳上的氢两两相对，距离最近，相互作用力最大，因而内能最高，是不稳定的构象。交交叉叉式式和和重重叠叠式式是是乙乙烷烷的的两两种种极极端端构构象象，其其它它构构象介于这两种构象之间。象介于这两种构象之间。2、丁烷的构、丁烷的构象象对位交叉式对位交叉式部分重叠式部分重叠式邻位交叉式邻位交叉式全重叠式全重叠式四种极限构象的稳定性次序：四种极限构象的稳定性次序： 对位交叉式对位交叉式邻位交叉式邻位交叉式部分重叠式部分重叠式全重叠式全重叠式构构象象异异构构体体：在在各各种种构构象象中中，那那些些能能量量处处于极小值的构象。于极小值的构象。注注意意：并并不不是是任任何何化化合合物物都都是是对对位位交交叉叉构构象所占比例大于邻位交叉构象。象所占比例大于邻位交叉构象。下图各构象的稳定性顺序为：下图各构象的稳定性顺序为：abc。因因a、b中存在氢键，且中存在氢键，且a中甲基中甲基与乙基相距较远。但如果把乙基与乙基相距较远。但如果把乙基换成体积很大的苯基或叔丁基，换成体积很大的苯基或叔丁基，其稳定的构象则为对位交叉式。其稳定的构象则为对位交叉式。(三三)环状分子的构象（角张力）环状分子的构象（角张力）环烷烃及其衍生物的燃烧热环烷烃及其衍生物的燃烧热小小环环（环环丙丙烷烷和和环环丁丁烷烷）的的内内能能，比比其其它它环环烷烷烃烃高高得得多多，说说明明存存在在很很大大张张力力；环环己己烷张力最小。烷张力最小。（1）小环小环环丙烷：最大角张力，其次扭转张力较高。环丙烷：最大角张力，其次扭转张力较高。（2）普通环和环己烷衍生物普通环和环己烷衍生物环环戊戊烷烷：平平面面构构象象几几乎乎没没有有角角张张力力；但但扭转张力较高。扭转张力较高。环环己己烷烷：最最稳稳定定构构象象椅椅型型；船船型型构构象象不稳定。不稳定。(1) 环己烷椅式环己烷椅式(Chair Form)构象的画法构象的画法锯架式锯架式纽曼式纽曼式环己烷的椅式构象环己烷的椅式构象*1. 有有6个个a (axial) 键，有键，有6个个e (equatorial) 键。键。(已为已为1H NMR 证明证明)*2. 有有C3对称轴。（过中心，垂直于对称轴。（过中心，垂直于1,3,5平平 面和面和2,4,6平面，两平面间距平面，两平面间距50pm）*3. 有构象转换异构体有构象转换异构体 。（。（K=104-105/秒）秒）*4. 环中相邻两个碳原子均为邻交叉。环中相邻两个碳原子均为邻交叉。(2)环己烷环己烷椅式构象椅式构象的的特点特点桥环化合物的构象桥环化合物的构象 稳定性：反式十氢化萘稳定性：反式十氢化萘顺式十氢化萘顺式十氢化萘异头效应异头效应v当吸电子取代基（如卤素、烷氧基）在吡喃糖当吸电子取代基（如卤素、烷氧基）在吡喃糖的的C(1)位时，这个糖的稳定性在取代基为直立位时，这个糖的稳定性在取代基为直立式定向时比平伏式定向时要高。式定向时比平伏式定向时要高。这种倾向在这种倾向在2-取代四氢吡喃这样简单的环体系中也存在。取代四氢吡喃这样简单的环体系中也存在。v当取代基为平伏式时，各当取代基为平伏式时，各C-O键和取代基之间键和取代基之间不利的偶极不利的偶极-偶极相互作用比取代基为直立式偶极相互作用比取代基为直立式时的要大。时的要大。平衡位置与介质介电常数的依耐关平衡位置与介质介电常数的依耐关系是符合这种解释的。由于平伏式异构体的偶系是符合这种解释的。由于平伏式异构体的偶极矩较大，它在高介电常数的溶剂中的浓度应极矩较大，它在高介电常数的溶剂中的浓度应当比直立式异构体为高。当比直立式异构体为高。v另一种说法认为，直立式取向比平伏式取向之另一种说法认为，直立式取向比平伏式取向之所以稳定，是所以稳定，是因为氧的孤电子对给予了因为氧的孤电子对给予了C-X键键的反键轨道的反键轨道。这种给予作用可以用价键术语表。这种给予作用可以用价键术语表示为示为双键双键-无键式对共振杂化的贡献：无键式对共振杂化的贡献：v这种这种电子离域作用在取代基为直立式时由于有电子离域作用在取代基为直立式时由于有关的轨道重叠较好而应当比平伏式时更为有效关的轨道重叠较好而应当比平伏式时更为有效。这种这种稳定的程度随溶剂极性的增加而降低，因稳定的程度随溶剂极性的增加而降低，因为溶剂极性增加时孤电子对的溶剂化作用增加为溶剂极性增加时孤电子对的溶剂化作用增加正常的碳正常的碳正常的碳正常的碳- -氯键的键长为氯键的键长为氯键的键长为氯键的键长为1.791.79，实测，实测，实测，实测的平伏式的平伏式的平伏式的平伏式C-C-ClCl键长几乎正好就是这么长。键长几乎正好就是这么长。键长几乎正好就是这么长。键长几乎正好就是这么长。但但但但直立式直立式直立式直立式C-C-ClCl键却要长得多键却要长得多键却要长得多键却要长得多1.821.82，这与这与这与这与电子释放到反键轨道使电子释放到反键轨道使电子释放到反键轨道使电子释放到反键轨道使C-C-ClCl键减弱是一致键减弱是一致键减弱是一致键减弱是一致的的的的。而且，碳。而且，碳。而且，碳。而且，碳- -氧键的键长依赖于碳上氯氧键的键长依赖于碳上氯氧键的键长依赖于碳上氯氧键的键长依赖于碳上氯原子的定向，当与氯为平伏式时相比，原子的定向，当与氯为平伏式时相比，原子的定向，当与氯为平伏式时相比，原子的定向，当与氯为平伏式时相比，氯氯氯氯为直立式时的电子离域作用较为重要，碳为直立式时的电子离域作用较为重要，碳为直立式时的电子离域作用较为重要，碳为直立式时的电子离域作用较为重要，碳氧键具有较大的双键特性，所以键长较短氧键具有较大的双键特性，所以键长较短氧键具有较大的双键特性，所以键长较短氧键具有较大的双键特性，所以键长较短（1.391.39比比比比1.431.43）。）。）。）。电子离域作用的解释比只用偶极作用力的电子离域作用的解释比只用偶极作用力的电子离域作用的解释比只用偶极作用力的电子离域作用的解释比只用偶极作用力的解释更正确。解释更正确。解释更正确。解释更正确。(四四)构象分析构象分析通通过过研研究究分分子子的的构构象象来来分分析析分分子子的的物物理理和和化学性质。化学性质。在在环环己己烷烷体体系系中中，取取代代基基在在a键键与与在在e键键的的能能量量差差，称称为为该该取取代代基基在在环环己己烷烷中中的的构构象象能能，构构象象能能越越大大，表表示示a-取取代代基基的的构构象象越越不不稳稳定定，而易于通过环的翻转变成而易于通过环的翻转变成e-取代基的构象。取代基的构象。二溴芪二溴芪PhCHBr-CHBrPh在在碘化钾碘化钾-丙酮溶丙酮溶液中脱溴时，内消旋体比旋光体约快液中脱溴时，内消旋体比旋光体约快100倍倍内消旋体的优势构象有利于反式消除内消旋体的优势构象有利于反式消除铬铬酸酐氧化酸酐氧化4-叔丁基环己醇，顺式反应速度为叔丁基环己醇，顺式反应速度为反式的反式的3.23倍倍4-叔丁基环己醇，反式乙酰化速率为顺式的叔丁基环己醇，反式乙酰化速率为顺式的3.7倍。倍。(五五)空间效应空间效应定定义义：分分子子内内各各基基团团之之间间，或或两两分分子子相相互互接接近近时时不不同同分分子子的的基基团团之之间间，通通过过空空间间直直接接相相互作用所引起的取代基效应。互作用所引起的取代基效应。空空间间效效应应的的大大小小与与相相互互作作用用基基团团的的大大小小和和形状密切相关。形状密切相关。一一般般总总是是将将空空间间张张力力分分解解为为角角张张力力，扭扭转转张张力力和和非非键键张张力力，用用以以定定性性地地解解释释空空间间效效应对分子性能的影响。应对分子性能的影响。空间效应一般具体化为位阻效应。空间效应一般具体化为位阻效应。关于位阻：关于位阻：1位位阻阻可可使使分分子子产产生生手手性性轴轴或或手手性性面面，从从而而拆拆分分为为对映体。对映体。2位位阻阻可可表表现现在在化化合合物物分分子子间间的的相相互互作作用用方方面面。这这是是由由原原子子或或基基团团相相处处在在他他们们的的范范德德华华力力半半径径所所不不允允许许的的范围之内时所发生的一种相互作用。范围之内时所发生的一种相互作用。3某些情况下，位阻还会改变电子效应的大小。某些情况下，位阻还会改变电子效应的大小。eg.位阻影响硝基的位阻影响硝基的-C效应效应PKa5.806.834空空间间效效应应对对反反应应性性能能的的影影响响，常常有有以以下下规规律律：在在没没有有相相反反因因素素（如如电电子子效效应应）的的情情况况下下，一一个个试试剂剂倾倾向向于于沿沿着着位位阻阻最最小小的的途途径径接接近近反反应应中中心。心。eg.赤型（较多）赤型（较多）苏型（较少）苏型（较少）3、下列反应中，、下列反应中，-NHCOCH3显示为间位定位基，为什么（显示为间位定位基，为什么（3分）分）高等有机化学高等有机化学1-21-2章章 课堂测试（课堂测试（1515分钟）分钟）2将下列式子改写为标准的将下列式子改写为标准的Fischer投影式，并指出它们的投影式，并指出它们的相互关系（同一物、对映体、非对映体）（相互关系（同一物、对映体、非对映体）（3分）分）1指出以下化合物中指出以下化合物中3个氮原子个氮原子的碱性大小，并说明理由。的碱性大小，并说明理由。(4分分)