立体化学简述课件.ppt

1、1概述构造异构构造异构constitutional立体异构立体异构Stereo-碳链异构碳链异构位置异构位置异构官能团异构官能团异构构型异构构型异构configurational构象异构构象异构conformational顺反异构顺反异构对映异构对映异构同分异构同分异构isomerism单键旋转异构单键旋转异构叔胺翻转异构叔胺翻转异构2提纲l手性的判断l手性分子的描述与命名l手性分子的表示方法l手性分子的类型l不对称合成的途径l构象分析的基本原理l构想分析与不对称合成3对映异构-什么是手性？（1）平面对称因素（）（2）中心对称因素（i）（3）旋转轴对称因素（Cn）（4）反射对称因素（Sn）4对

2、称性与对称因素（1）平面对称因素（）ClHHBrCOOHOHOHCOOHmeso-酒石酸HHOHCOOHCOOHOH5对称性与对称因素（2）中心对称因素（i）iClClHOHCOOHHOHOOCHCOOHOHOHCOOHmeso-酒石酸HHOHCOOHCOOHOHH3CClCH3Cl6对称性与对称因素（3）旋转轴对称因素（Cn）C3三-（环己烷）-并金刚烷360n（n=2,3,4）旋转的角度 =7对称性与对称因素（4）反射对称因素（Sn）360n（n=1,2,4,6）旋转的角度 =S1 = S2 = i8对称因素与手性的关系（1）平面对称因素（）（2）中心对称因素（i）（3）旋转轴对称因素（C

3、n）（4）反射对称因素（Sn）只具有旋转轴对称因素（只具有旋转轴对称因素（Cn）的分子，为非对称分子的分子，为非对称分子完全不具有任何对称因素的分完全不具有任何对称因素的分子，为不对称分子子，为不对称分子手性分子手性分子9手性碳原子与手性分子的关系l含手性碳原子的未必是手性分子l手性分子未必含手性碳原子ClHCH3HHOHCOOHHOHHOHCOOHRS(s)假不对称碳原子10手性分子的描述与命名l手性分子都具有光学活性手性分子都具有光学活性 旋光：d，l（+，-）l构型的命名规则l构型的D-L命名规则l构型的R-S命名规则（Cahn-Ingold-Prelog规则, CIP规则）11手性分子

4、的描述与命名l构型的D-L命名规则CHOOHHC5CH2OHOHHOHHHHOD(+)-葡萄糖（即d-葡萄糖）酸12手性分子的描述与命名l构型的R-S命名规则（Cahn-Ingold-Prelog规则，CIP规则）l对取代的烯基，具有Z-构型的比具有E-构型的烯基优先；l对于手性基团，RS, MP13手性分子的描述与命名l苏式，赤式（threo，erythro）l顺式，反式（Syn，Anti） 主碳链以曲折线表示，C2和C3上的两个取代基处于相同方向（即远离观察者或朝向观察者）的异构体叫顺式异构体；否则是反式异构体。也有将其称为赤式和苏式异构体。CHOCH2OHHHOHHOL-(+)-赤藓糖R

5、R1R2OHORR1R2OHORR1R2OHORR1R2OHOSyn(erythro)Anti(threo)14手性分子的描述与命名l分子的前手性l一个对称分子经过一个基团被取代或加成的过程，失去其对称性而生成非对称分子的性质，称为“潜不对称性”或“前手性”l反应发生所在的碳原子称为“前手性碳原子”lsp3-前手性碳原子lsp2-前手性碳原子15手性分子的描述与命名l分子的前手性lsp3-前手性碳原子lHs，HRR-(-)-乳酸乳酸HSHRCOOHCH3被被OH取代取代HOHCOOHCH3HOHCOOHCH3orS-(+)-乳酸乳酸潜不对称碳原子潜不对称碳原子16手性分子的描述与命名l分子的前

6、手性lsp2-前手性碳原子lre ( )面，si ()面re面产物si面产物17手性分子的描述与命名l顺反异构l烯烃l脂环l-键l-键18手性分子的表示方法l费歇尔（Fischer）投影式l锯架式：l锲型式：l纽曼（Newman）投影式：19手性分子的表示方法l费歇尔（Fischer）投影式两个竖立的键两个竖立的键向纸面背后伸去的键向纸面背后伸去的键; ; 两个横在两边的键两个横在两边的键向纸面前方伸出的键向纸面前方伸出的键. .ABCDsawhorse projectionCDBAACDBFischer projection上上 - 碳链头端碳链头端下下 - 碳链末端碳链末端横线横线 - H

7、及取代基及取代基20手性分子的表示方法l费歇尔（Fischer）投影式注意事项：注意事项： 1. 不能在纸面上旋转不能在纸面上旋转9090o o , ,或或9090o o的奇数倍的奇数倍. .2. 2. 不能离开纸面翻转不能离开纸面翻转180180o o（不能翻身不能翻身）3. 3. 基团基团两两交换两两交换次数不能为奇数次，但可以是次数不能为奇数次，但可以是偶数次偶数次。4.4. 保持一个基团不变，顺时针或逆时针保持一个基团不变，顺时针或逆时针交换三个基团交换三个基团 构构 型不变型不变21手性分子的表示方法l锯架式：l锲型式：最接近于所表达的分子的某一立体形象的真实状态锯架式锯架式CCOO

8、HCH3HOHCHOHCOOHCH3NSCH3CH3CO2HHHRCONHONSCO2HCH2ARCONHOHHNSCO2HCH2ARCONHOOHCH3NHOHHOCH3SRHCO2HNR2R1CONHOR3青霉素类头孢菌素类头霉素类碳青霉烯类单环类12345678123456722手性分子的表示方法纽曼（Newman）投影式：能最确凿的表示出被关注的两个相邻碳原子的各个基团所处的相位和关系。23手性分子的类型l中心手性分子l轴手性分子l平面手性分子l螺旋手性分子24手性分子的类型l中心手性分子lC原子和金刚烷类金刚烷类化合物当abcd时，构型为R25手性分子的类型l中心手性分子l杂原子，如

9、S，P，N，As等，与四四个不同的基团相连时，也有光活异构体存在。26手性分子的类型l中心手性分子l杂原子与三三个不同基团相连。lN原子l需要非键电子对需要非键电子对l翻转能量翻转能量 25 kJ/mol, 在室温可迅速翻转在室温可迅速翻转27手性分子的类型l中心手性分子l杂原子与三三个不同基团相连。lN原子当把N的三个不同的基团固定在环上，使它不能来回翻转，这样就可能拆分成光活异构体。NNNN28手性分子的类型l中心手性分子l杂原子与三三个不同基团相连。lP，S原子含磷、硫的化合物，较为稳定，可得到光活的化合物29手性分子的类型l轴手性分子l对于四个基团分两对围绕一个轴排列在平面之外所构成的

10、体系，当每对基团不同时，该体系有可能是不对称的，这样的体系称为轴手性体系。l它可认为是中心手性的延伸。30手性分子的类型l轴手性分子螺环类化合物31手性分子的类型l轴手性分子联芳烃类化合物X1X2X4X3Adams规则：规则：两个苯环被不对称地取代的联苯衍生物，只要C-X1与C-X2的，或C-X3与C-X4的键长之和大于0.29nm，那么在室温下，就有可能被析解为旋光性的对映体。由于位阻太大引起的旋光异构体称为位阻异构体。由于位阻太大引起的旋光异构体称为位阻异构体。32手性分子的类型l平面手性分子l由对称平面的失对称作用而产生的手性称为平面手性。l导向原子，第1优先原子，第2优先原子SpSpS

11、p33手性分子的类型l螺旋手性分子l螺旋化合物是结构比较特殊的一类手性化合物，它们没有手性中心，也没有手性轴，但结构上的特殊性使得其实物和其镜像不能重合按照螺旋的方向分别指定为M和P构型。螺旋性从旋转轴的上面观察，看到的螺旋为顺时针方向的定义为P构型，而逆时针取向的定义为M构型。MPCH3H3CC2H5CH334不对称合成相关的基本概念l外消旋体：l外消旋化l部分消旋化l内消旋体l对映异构体l非对映异构体l差向异构体l差向异构化l对映体过量百分率（ee值）35不对称合成的定义和表述l对称反应（ee值=0）l不对称反应l立体选向反应（ee值=0100%）l对映区别反应：l反应物具有对称性，或为一

12、对对映异构体l反应的不对称性决定于非对称的试剂、催化剂等l不等量的生成对映体l非对映区别反应：l反应物具有非对称性l不等量的生成非对映体l立体专一反应（ee值=100%）36不对称合成的定义和表述lMorrison和Mosher的定义：l一个反应，其中底物分子整体中的非手性单元由反反应剂应剂以不等量地生成立体异构产物的途径转化为手性单元。即将潜手性单元转化为手性单元，使得产生不等量不等量的立体异构产物。l所说的反应试剂可以是化学试剂、溶剂、催化剂或物理因素（诸如圆偏振光）37不对称合成的途径第一代 底物控制法第二代 辅基控制法第三代 试剂控制法第四代 催化控制法38有机反应中的构象效应l构象分

13、析大师Barton在1955年为有机反应与构象的关系作了归纳：l由于构象的选择和有机反应的过渡态所必须具备的几何条件之间的相互影响决定了产物分子的本质l虽然一个分子的某一构象比其它可能的构象稳定，但这并不是说这个分子就一定以这种构象参加反应。39构象分析的基本原理l构象最小改变原理l初产物与反应物在构象上尽可能少改变的反应方向是主要的反应方向l原因：过渡态能量较低，活化能较少。40构象分析的基本原理l构象最小改变原理l符合构象最小改变原理的反应方向，活化能低，初产物是动力学控制的主要产物（PI）。l另一产物（PII）在热力学上可以是比较稳定的，也可以是比较不稳定的。 R PI + PII l若

14、反应是不可逆的，PI应当是主产物。l若反应是可逆的，同时PI是热力学较不稳定的产物，PI逐渐转变为PII，最后达成一定的平衡比例，主产物可能为热力学控制的产物。41构象分析的基本原理l“禁止构象” 禁止构象是指这类构象出现的可能性太小，于是在计算某一化合物的旋光性的特定情况下，可以忽略不计，并非不是完全不能出现的意思。l五原子重叠构象l双邻位交叉型构象42构象分析的基本原理l“禁止构象”l五原子重叠构象HHHHCH3CH3CH3CH3HHHHHH正丁烷的四原子重叠型构象正戊烷的五原子重叠型构象MeMet-Bu对于构象转变能力有限的环形化合物，特别是稠环化合物，五原子重叠型构象出现的可能性大一些

15、。43构象分析的基本原理l“禁止构象”l双邻位交叉型构象BCA双邻位交叉型构象当A、B、C均为比H大的原子或基团时，就是一个含双邻位交叉型构象的禁止构象MeMeMeMe44构象分析与不对称合成lCram规则： 总的概念：对羰基碳原子发生加成反应时的反应物的优势构象，决定主要产物的构型。Around and beyond Crams Rule Chem. Rev. 1999, 99,1191-122345构象分析与不对称合成lCram规则： （1）（2）A. 非螯合非螯合46构象分析与不对称合成lCram规则：B. 螯合螯合（3）47构象分析与不对称合成lCram规则：C. -碳原子上连有电负性基团-Conforth规则规则（4）48构象分析与不对称合成lCram规则：D. 在亲电加成反应中的应用49构象分析与不对称合成lPrelog规则50结束语