高等有机立体化学原理.pptx

1第二章 立体化学原理高等有机化学2异构体分类：异构体分类：同同分分异异构构构构造造异异构构：分分子子式式相相同同，分分子子中中原原子子相相互互 连连接接的的方方式式和和次次序序不不同同。碳链异构碳链异构官能团异构官能团异构官能团位置异构官能团位置异构互变异构互变异构n n 立体化学：以立体化学：以立体化学：以立体化学：以三维空间三维空间三维空间三维空间研究分子结构和性质的科学。研究分子结构和性质的科学。研究分子结构和性质的科学。研究分子结构和性质的科学。立体异构立体异构3立立体体异异构构：构构造造式式相相同同，分分子子中中原原子子在在空空间间的的排排列列方方式式不不同同。顺反异构顺反异构构型异构构型异构非对映异构：非实非对映异构：非实物与镜像的关系物与镜像的关系旋光异构旋光异构烯烃的顺反异构烯烃的顺反异构脂环烃的顺反异构脂环烃的顺反异构（不能相（不能相（不能相（不能相互转化）互转化）互转化）互转化）构象异构构象异构对映异构：实物与对映异构：实物与镜像的关系镜像的关系4构象异构构象异构（可互相转化）（可互相转化）（可互相转化）（可互相转化）单键旋转单键旋转叔胺翻转叔胺翻转R1、R2、R3是烃基是烃基5两种异构体两种异构体A和和BA和和B分子中的原子具有相同的连接顺序吗？分子中的原子具有相同的连接顺序吗？构造异构体构造异构体立体异构体立体异构体否否是是A和和B具有相互不能重合的实物与镜像关系吗？具有相互不能重合的实物与镜像关系吗？非对映异构体非对映异构体对映异构体对映异构体否否是是6化合物的对称性可以用对称元素加以确定，而对称元化合物的对称性可以用对称元素加以确定，而对称元素又可以用一定的对称操作加以描述。对称元素可以素又可以用一定的对称操作加以描述。对称元素可以分为分为对称轴、对称面、对称中心和更迭对称轴对称轴、对称面、对称中心和更迭对称轴（或旋（或旋转反射对称轴）。转反射对称轴）。一一.对称性与分子结构对称性与分子结构 对称轴对称轴 Cn：通过分子的一条直线，以这条直线为轴旋通过分子的一条直线，以这条直线为轴旋转转 360/n（n=2、3、4、）角度，得到角度，得到的物体或分子的形象和原来的形象完全相的物体或分子的形象和原来的形象完全相同，这种轴称为对称轴，并相应地称之为同，这种轴称为对称轴，并相应地称之为n重对称轴重对称轴。例如：例如：反反-2-丁烯丁烯有一个二重对称轴有一个二重对称轴C2（垂（垂直于碳碳双键中心）。直于碳碳双键中心）。7水分子水分子NH38对称面对称面 ：某一平面将分子分为两半某一平面将分子分为两半某一平面将分子分为两半某一平面将分子分为两半，就象一面镜子，实就象一面镜子，实物（一半）与镜象（另一半）彼此可以重叠，物（一半）与镜象（另一半）彼此可以重叠，则该平面是对称面。则该平面是对称面。经经过过N原原子子和和任任何何两两个个H H构构成成的的平平面面经经过过O和和两两个个H构构成成的的平平面面，与与此此平平面面垂垂直直的的平平面面9对称中心对称中心 i 分子中有一中心点分子中有一中心点，通过该点所画的直线，通过该点所画的直线都以等距离达到相同的基团，则该中心点是对称都以等距离达到相同的基团，则该中心点是对称中心。中心。反反1 1，3 3二甲基环丁烷二甲基环丁烷反反1 1，2 2二氯乙烯二氯乙烯10更更迭迭对对称称轴轴（又又称称为为旋旋转转轴轴）Sn：围围绕绕某某轴轴旋旋转转360/n（n=2、3、4、）然然后后对对垂垂直直于于该该轴轴的的平平面面作作反反射射，若若与与原原化化合合物物相相同同，相相应应的的称称之之为为n重重更更迭对称轴。迭对称轴。Sn=Cn+（垂直于（垂直于Cn）11结论结论：判断一个分子有无手性，一般只要判断这个分子：判断一个分子有无手性，一般只要判断这个分子有没有对称面、对称中心。若既没有对称面又没有对称有没有对称面、对称中心。若既没有对称面又没有对称中心，那么这个分子有手性，有对映异构体，有旋光中心，那么这个分子有手性，有对映异构体，有旋光性；若分子中有对称面或者有对称中心，则这个分子无性；若分子中有对称面或者有对称中心，则这个分子无手性。手性。二二.旋光化合物的分类旋光化合物的分类 1.有手性碳原子的化合物有手性碳原子的化合物若分子中只含有一个手性碳原子若分子中只含有一个手性碳原子（连接的四个原（连接的四个原子或基团都不相同），子或基团都不相同），则化合物具有手性。则化合物具有手性。12例：例：乳酸，乳酸，2-羟基丙酸羟基丙酸分子中只含有一个不对称碳原子，有手性。分子中只含有一个不对称碳原子，有手性。一对对映体一对对映体从肌肉中提取，右旋乳酸从肌肉中提取，右旋乳酸 D-(+)乳酸；乳酸；葡萄糖发酵制取，左旋乳酸葡萄糖发酵制取，左旋乳酸 L-(-)乳酸；乳酸；从酸牛奶中提取，对偏光无影响，外消旋乳酸从酸牛奶中提取，对偏光无影响，外消旋乳酸（）乳酸。）乳酸。13 2.含有其它手性原子的化合物含有其它手性原子的化合物分子中含有四个键指向四面体的四个顶点的原子，若分子中含有四个键指向四面体的四个顶点的原子，若四个基团不同就有旋光性。四个基团不同就有旋光性。14 3.含有三价的手性原子的化合物含有三价的手性原子的化合物棱锥结构的分子中，中心原子若与三个不同基团相连棱锥结构的分子中，中心原子若与三个不同基团相连会产生旋光性。如：会产生旋光性。如：铵类化合物铵类化合物膦化合物膦化合物亚砜类化合物亚砜类化合物151.含两个不相同的不对称碳原子的化合物含两个不相同的不对称碳原子的化合物手性碳与立体异构体数目的关系：手性碳与立体异构体数目的关系：若分子有若分子有 n 个手性碳，理论上有个手性碳，理论上有 2n 个立体个立体异构体（异构体（2n/2对对 对映体）。若手性碳组成相同，对映体）。若手性碳组成相同，数目有所减少。数目有所减少。三三.含两个及多个手性碳原子化合物的含两个及多个手性碳原子化合物的旋光异构旋光异构16例：例：总结：总结：（）（）（）（）（）（）（）（）一对对映体一对对映体 一对对映体一对对映体 17等摩尔的一对对映体的混合物构成等摩尔的一对对映体的混合物构成外消旋体外消旋体。非对映异构体非对映异构体不成镜象关系的对映异构体。不成镜象关系的对映异构体。2.含有两个以上的不相同的不对称碳原子的化合物含有两个以上的不相同的不对称碳原子的化合物不相同的不不相同的不不相同的不不相同的不对称碳原子对称碳原子对称碳原子对称碳原子数数数数对映异构体数对映异构体数对映异构体数对映异构体数外外外外 消旋体数消旋体数消旋体数消旋体数1 12 21 12 24 42 23 38 84 44 416168 8n n2 2n n2 2n-1n-1183.含有两个相同的不对称碳原子的化合物含有两个相同的不对称碳原子的化合物例：例：例：例：酒石酸酒石酸酒石酸酒石酸有对称面，无对有对称面，无对映异构体，无旋映异构体，无旋光性光性内消旋体内消旋体。分子中有对称面的化合物分子中有对称面的化合物2个手性个手性C，最多有，最多有2n个异构体，相同的手性个异构体，相同的手性C减少其异构体数目减少其异构体数目l 若分子含有对称面或对称中心，为非手性分子若分子含有对称面或对称中心，为非手性分子19 对映异构体的表示方法对映异构体的表示方法常有三种表示方法常有三种表示方法透视式透视式费歇投影式（费歇投影式（Fischer）（R,S)3氯氯2戊醇戊醇纽曼投影式（纽曼投影式（Newman）透视式透视式费歇投影式费歇投影式纽曼投影式纽曼投影式201、外消旋化：旋光物质转变为不旋光的外消旋体的过程。外消旋化：旋光物质转变为不旋光的外消旋体的过程。例如例如(s)-2-溴代苯乙烷溶于液态的溴代苯乙烷溶于液态的SO2中，其旋光性逐渐减小，中，其旋光性逐渐减小，为什么？为什么？主要是反应过程中发生外消旋化，发生外消旋化必须具备两主要是反应过程中发生外消旋化，发生外消旋化必须具备两个条件个条件（1）底物有一个手性中心；（）底物有一个手性中心；（2）活性中间体有平面）活性中间体有平面构型。构型。四四.动态立体有机化学的几个基本概念动态立体有机化学的几个基本概念21例如例如(s)-2-甲基环己酮在碱性溶液中，其旋光性逐渐甲基环己酮在碱性溶液中，其旋光性逐渐减小，为什么？减小，为什么？222、差向异构化：在含有多个手性碳的化合物中，使其、差向异构化：在含有多个手性碳的化合物中，使其中一个手性碳发生构型转化的过程。中一个手性碳发生构型转化的过程。条件：条件：（1）有两个或多个手性原子；（有两个或多个手性原子；（2）生成的不）生成的不是对映体。是对映体。233、Walden 转化转化R-2-溴辛烷在碱性条件下的溴辛烷在碱性条件下的SN2亲核取代反应：亲核取代反应：24许多合成反应中，产物往往是一对对映体，而一般一种单一的许多合成反应中，产物往往是一对对映体，而一般一种单一的构型应用更为广泛，尤其是在医药卫生行业。构型应用更为广泛，尤其是在医药卫生行业。用一般的物理方法（分馏、分步结晶等）不能把一对对映体分用一般的物理方法（分馏、分步结晶等）不能把一对对映体分离开来。必须用特殊方法。离开来。必须用特殊方法。拆分拆分将外消旋混合物分离成两个独立的对映体的过程通常叫将外消旋混合物分离成两个独立的对映体的过程通常叫做做“拆分拆分”。五五.外消旋体的拆分外消旋体的拆分R configuration S configuration25常用的拆分的方法一般有以下几种：常用的拆分的方法一般有以下几种：（1）机械拆分法机械拆分法：利用外消旋体中对映体的：利用外消旋体中对映体的结晶形态结晶形态上的差异，借上的差异，借肉眼直接辨认肉眼直接辨认，或通过放大镜进行辨，或通过放大镜进行辨认，而把两种结晶体挑捡分开。认，而把两种结晶体挑捡分开。(1848年年Pasteur首次首次拆分成功两种不同晶型的酒石酸钠铵，目前很少用拆分成功两种不同晶型的酒石酸钠铵，目前很少用)（2）诱导结晶拆分法诱导结晶拆分法（晶种结晶法）：在外消旋体的（晶种结晶法）：在外消旋体的过饱和溶液中，加入一定量的一种纯的光学异构体过饱和溶液中，加入一定量的一种纯的光学异构体作为作为晶种晶种，形成非平衡结晶，从而优先结晶出这种，形成非平衡结晶，从而优先结晶出这种对映体，母液经浓缩再用另一种对映体的晶体为晶对映体，母液经浓缩再用另一种对映体的晶体为晶种，如此反复进行，可达到一定的拆分目的。种，如此反复进行，可达到一定的拆分目的。26（3）生物化学法生物化学法：利用某些微生物或它们所产生的酶：利用某些微生物或它们所产生的酶的的立体专一性立体专一性，对对映体中的一种异构体有选择的，对对映体中的一种异构体有选择的分解作用。分解作用。（4）选择吸附拆分法选择吸附拆分法：用某种旋光性物质作为吸附剂，：用某种旋光性物质作为吸附剂，使之使之选择性地吸附选择性地吸附外消旋体中的一种异构体（形成外消旋体中的一种异构体（形成两个非对映的吸附物）。通常是利用手性色谱柱来两个非对映的吸附物）。通常是利用手性色谱柱来分离。分离。（5）化学拆分法化学拆分法：将外消旋体与旋光性物质作用，得：将外消旋体与旋光性物质作用，得到到非对映体非对映体的混合物，根据非对映体不同的物理性的混合物，根据非对映体不同的物理性质（溶解度、沸点、蒸汽压、吸附特性等），将它质（溶解度、沸点、蒸汽压、吸附特性等），将它们拆分后再通过反应分别恢复到原来组成的组分。们拆分后再通过反应分别恢复到原来组成的组分。27 对于酸，拆分步骤可用下列通式表示：对于酸，拆分步骤可用下列通式表示：拆分酸时拆分酸时，常用的光学活性的碱，如天然的生物碱（，常用的光学活性的碱，如天然的生物碱（-）-奎宁、（奎宁、（-）-马钱子碱、（马钱子碱、（-）-番木鳖碱）和合成得到的光学番木鳖碱）和合成得到的光学纯的胺类等。纯的胺类等。28拆分碱时拆分碱时，常用的天然的光活性酸，如酒石酸、樟，常用的天然的光活性酸，如酒石酸、樟脑脑-磺酸等。磺酸等。如如a a-苯乙胺的拆分：苯乙胺的拆分：29对对非酸非碱非酸非碱的外消旋体，可以设法在分子中的外消旋体，可以设法在分子中引入酸性基团引入酸性基团，然，然后按拆分酸的方法拆分；也可以选适当的旋光性物质与外消旋后按拆分酸的方法拆分；也可以选适当的旋光性物质与外消旋体作用而生成非对映体的混合物，然后分离。体作用而生成非对映体的混合物，然后分离。例如：拆分例如：拆分醇醇时时 方法方法1：先使醇与丁二酸酐或邻苯二甲酸酐作用生成酸性酯：先使醇与丁二酸酐或邻苯二甲酸酐作用生成酸性酯：然后再将这种含有羧基的酯与然后再将这种含有羧基的酯与旋光性碱旋光性碱作用生成作用生成非对映体后分离。非对映体后分离。30 方法方法2：使醇与旋光性：使醇与旋光性酰氯酰氯作用，形成非对映体的酯作用，形成非对映体的酯的混合物，然后分离；的混合物，然后分离；拆分醛、酮时拆分醛、酮时，可使醛、酮与如下的旋光性的肼作用，可使醛、酮与如下的旋光性的肼作用，然后分离：然后分离：31 不对称合成反应是近不对称合成反应是近2020年来有机化学中发展最为迅速也是最有成就的年来有机化学中发展最为迅速也是最有成就的研究领域之一。它泛指研究领域之一。它泛指:一类反应由于一类反应由于手性反应物手性反应物、试剂试剂、催化剂催化剂以及以及物物理因素理因素(如偏振光如偏振光)等造成的手性环境等造成的手性环境,使得反应物的前手性部位在反应后使得反应物的前手性部位在反应后变为手性部位时形成的立体异构体不等量变为手性部位时形成的立体异构体不等量,或在已有的手性部位上一对立或在已有的手性部位上一对立体异构体以不同速度反应体异构体以不同速度反应,从而形成一对立体异构体不等量的产物和一对从而形成一对立体异构体不等量的产物和一对立体异构体不等量的未反应原料。立体异构体不等量的未反应原料。研究不对称合成反应研究不对称合成反应,具有十分重要的实际意义和重大的理论价值。具有十分重要的实际意义和重大的理论价值。对于不对称化合物来讲对于不对称化合物来讲,制备单一的对映体是非常重要的制备单一的对映体是非常重要的,因为对映体的因为对映体的生理作用往往有很大差别。生理作用往往有很大差别。6.1 不对称合成反应的意义不对称合成反应的意义(+)-抗坏血酸具有抗坏血酸具有抗坏血病抗坏血病的功能的功能,(-)-抗坏血酸则抗坏血酸则无此活性无此活性；(R)-天冬酰胺是天冬酰胺是甜甜的的,(S)-天冬酰胺是天冬酰胺是苦苦的的;L-四咪唑是四咪唑是驱虫剂驱虫剂,D-四咪唑四咪唑有毒且不能驱虫有毒且不能驱虫;六六.不对称合成不对称合成32 6.2 不对称合成中的立体选择性和立体专一性不对称合成中的立体选择性和立体专一性立体选择性反应一般是指反应能生成两种或两种以上立体立体选择性反应一般是指反应能生成两种或两种以上立体异构体产物（有时反应只生成一个立体异构体），但其中异构体产物（有时反应只生成一个立体异构体），但其中仅一种异构体占优势的反应。仅一种异构体占优势的反应。33立体专一性立体专一性反应是指在相同的反应条件下，由立体异构的起始反应是指在相同的反应条件下，由立体异构的起始物得出立体异构的不同产物，立体专一过程中，起始物都是一物得出立体异构的不同产物，立体专一过程中，起始物都是一对立体异构体，如：亲核取代反应，产物也是立体异构体。对立体异构体，如：亲核取代反应，产物也是立体异构体。34 6.3 不对称合成的反应效率不对称合成的反应效率 不对称合成反应实际上是一种立体选择反应不对称合成反应实际上是一种立体选择反应,反应的产物可以反应的产物可以是对映体是对映体,也可以是非对映体也可以是非对映体,只是两种异构体的量不同而已。立只是两种异构体的量不同而已。立体选择性越高的不对称合成反应体选择性越高的不对称合成反应,产物中两种对映体或两种非对产物中两种对映体或两种非对映体的数量差别就越为悬殊。不对称合成的效率映体的数量差别就越为悬殊。不对称合成的效率,正是由两者的正是由两者的数量差别来表示的。若产物彼此为对映体数量差别来表示的。若产物彼此为对映体,则其中则其中某一对映体过某一对映体过量的百分率量的百分率(percent enantiomeric excess,简写为简写为%e.e)可作为衡量可作为衡量该不对称合成反应效率高低的标准该不对称合成反应效率高低的标准,表示方法如下表示方法如下:式中R和S分别为主要对映体产物的量和次要对映体产物的量。如两个对映体产物的比是95:5，则%e.e是95-5=90(或e.e=90%)35 通常情况下通常情况下,可假定比旋光度与对映体组成具有线性关系，可假定比旋光度与对映体组成具有线性关系，因而在实验测量误差略而不计时，上述因而在实验测量误差略而不计时，上述%e.e即等于下述所即等于下述所谓谓光学纯度百分率光学纯度百分率(percent optical purity,简写为简写为%O.P).若产物为非对映异构体时若产物为非对映异构体时,不对称合成反应效率用不对称合成反应效率用非对映非对映过量百分率过量百分率(percent diastereomeric excess，简写为，简写为%d.e)来来表示。表示。式中A和B分别为主要非对映体产物的量和次要非对映体产物的量。36 6.4 不对称合成反应不对称合成反应6.4.1 用化学计量手性物质进行不对称合成用化学计量手性物质进行不对称合成 1.由手性反应物进行不对称合成由手性反应物进行不对称合成372 2用手性试剂进行的不对称合成用手性试剂进行的不对称合成1)不对称烷氧基铝还原剂不对称烷氧基铝还原剂382）手性硼试剂）手性硼试剂39 该实例说明应用手征性硼烷进行的手征性合成反应具有很高的立体选该实例说明应用手征性硼烷进行的手征性合成反应具有很高的立体选择性。在反应过程中，形成两种能量差别相当大的过渡态（择性。在反应过程中，形成两种能量差别相当大的过渡态（A）和（）和（B），），而（而（A）的能量小于（）的能量小于（B）的能量。在）的能量。在(A)中顺中顺-2-丁烯的甲基接近丁烯的甲基接近C3上体上体积较小的氢原子积较小的氢原子,在在(B)中该甲基接近于体积较氢原子大得多的中该甲基接近于体积较氢原子大得多的C3上的上的M基基团团,这就导致两种过渡态在能量上的悬殊这就导致两种过渡态在能量上的悬殊,从而使反应具有较高的立体选择从而使反应具有较高的立体选择性。性。403 3反应底物中手性诱导的不对称合成反应底物中手性诱导的不对称合成416.4.2 不对称催化反应不对称催化反应1手性催化剂的不对称反应手性催化剂的不对称反应42Mn（）-Salen-Complexe