立体化学讲义

StereochemistryI立体化学讲义（一）培训目的:理解立体化学的基本原理.培训后有能力区分辨别镜像立体异构体(enantiomers)和非镜像立体异构体(diastereomers),镜像立体异构体(enantiomers)和非镜像立体异构体(diastereomers)的物理化学性质,镜像立体选择反应(enantioselective)和非镜像立体选择(diastereoselctive)反应等培训内容:1.碳原子有机化合物的异构体种类(IsomerisminCarbonCompounds)2.镜像立体异构体(enantiomers)和非镜像立体异构体(diastereomers)的物理化学性质3.立体选择反应(StereochemistryinChemicalReactions)培训时间:1.5–2小时参考文献:1.定义:分子式相同的不同化合物即为异构体。异构体可分为组成异构体(constitutionalisomers)和立体异构体(stereoisomers)组成异构体(constitutionalisomers):分子中原子或基团的排列顺序不同立体异构体(stereoisomers):分子中原子或基团互相连接的次序相同但空间排列方向不同.立体异构体又可分为构像异构体(conformationalisomers)和构型异构体(configurationalisomers)C3H6OOC3H6OOC3H6OC3H6OOHOHC3H6OOC3H6OOHC3H6OOH-构像异构体(Conformationalisomers)BrHCH3HHOHCH3HBrOHHHCH3HBrHOHH碳原子有机化合物的异构体种类IsomerisminCarbonCompounds碳碳单键的旋转或翻转需要能量，并受周围原子基团大小的影响。某些分子在室温下因键的旋转或翻转能垒较高，而构像异构体之间不能自由转换，能垒低的构像被“冻结”。构像异构体(Conformationalisomers)是由碳碳单键的旋转或翻转不自由产生的，可通过键的旋转或翻转而相互转换。MeMeMeMeHHHHaxialaxialMeMeHHequitorialequitorialEnergyKJmol-1∆E1∆E2碳原子有机化合物的异构体种类IsomerisminCarbonCompounds-构型异构体(Configurationalisomers):包括镜像立体异构体(enantiomers)和非镜像立体异构体(diastereomers)手性化合物(Chiralcompound):空间上不能完全叠合,却能互为镜像的化合物.不是所有的立体异构化合物都是手性的BrHBrH手性中心(CChiralcenter):任何碳原子连接四个不同的基团.不是所有带手性中心的化合物都是手性的mirror碳原子有机化合物的异构体种类BrHBrHIsomerisminCarbonCompounds非手性(Achiral):当化合物可以和它的镜像重合时，该化合物为非手性HOOHHOOHmirror碳原子有机化合物的异构体种类IsomerisminCarbonCompounds镜像立体异构体(Enantiomer):两个不同的化合物互成镜像且不能完全叠合.上图中化合物1和2是外消旋化合物.1=50%1S+50%1R;2=50%2S+50%2R.化合物1S和1R化合物是镜像立体异构体；2S和2R是镜像立体异构体。NOHNNH2BocNOOHBochydrazine1NOOHNOOHNOHOBocBocBoc1S1R1R外消旋化合物(RacemicCompounds):等量的镜像异构体的混合物(50%:50%)叫做外消旋化合物。OH2OHOH2SOH2R2R碳原子有机化合物的异构体种类IsomerisminCarbonCompounds带两个手性中心的镜像立体异构体(Enantiomerwithtwochiralcenters)**NBnOOOMeOHNOTMSBnOOOOH1NBnOOOMeOHNBnOOOMeOHNBnOOOMeOHNBnOOOMeOH1a1b1c1dNBnHOMeOOO1bNBnHOMeOOO1dmirror碳原子有机化合物的异构体种类NBnOOOMeOHNBnOOOMeOHNBnOOOMeOHNBnOOOMeOH1a1b1c1dNBnHOMeOOO1bNBnHOMeOOO1denantiomerenantiomerIsomerisminCarbonCompounds碳原子有机化合物的异构体种类NBnOOOMeOHNBnOOOMeOH50%1aNBnOOOMeOH50%1bsyn(racemic)+NBnOOOMeOHsyn(racemic)NBnOOOMeOHNBnOOOMeOH50%1cNBnOOOMeOH50%1danti(racemic)+NBnOOOMeOHanti(racemic)NBnOOOMeOHNBnOOOMeOHNBnOOOMeOH+25%1a+25%1b+25%1c+25%1dsynanti“棍形”和“锲形”的区别(Differencebetween“stick”and“wedge”)IsomerisminCarbonCompounds碳原子有机化合物的异构体种类IsomerisminCarbonCompounds非镜像立体异构体(Diastereomers):StereoisomersarenotenantiomersNBnOOOMeOHNBnOOOMeOHNBnOOOMeOHNBnOOOMeOH1a1b1c1dNBnHOMeOOO1bNBnHOMeOOO1denantiomersenantiomersdiastereomersdiastereomersdiastereomersdiastereomers碳原子有机化合物的异构体种类HOOHHOOHHOOHHOOHIsomerisminCarbonCompoundsenantiomersenantiomersdiastereomersdiastereomersdiastereomersdiastereomers碳原子有机化合物的异构体种类IsomerisminCarbonCompounds内消旋化合物(Mesocompounds):分子内虽含有手性原子,但因具有对称因素而使旋光性内部抵销的不旋光物质.内消旋化合物实际上为同一化合物其他构型异构体(Otherconfigurationalisomers)HC2H6HCH3HC2H6CH3HZ-isomerE-isomerHOOHHOOHHOOHHOOHtwochiralcenters碳原子有机化合物的异构体种类旋转120o121的构象转换体21和2既是构象转换体，又是对映体。能量相等，构象分布为1:1。用平面式分析，化合物是内消旋化合物。用构象式分析，化合物是外消旋化合物。该化合物为以手性分子，但是因构像1和2翻转能垒小，该外消旋化合物无法拆分。IsomerisminCarbonCompounds碳原子有机化合物的异构体种类是手性分子吗？问题：1，2-顺式二甲基环己烷是手性分子吗？（1）丙二烯型的旋光异构体CCCababspsp2sp2IsomerisminCarbonCompounds碳原子有机化合物的异构体种类分子内无手性中心的手性化合物：(2)一个双键与一个环相连（1909年拆分）[α]D=±81.4oHH3CHCOOH(3)螺环化合物HH3CHCOOH（4）联苯类化合物如BINAPHCH3C2H6Br手性中心的命名Step1.将C上的不同基团排序.所连基团原子量越大,优先性越高.如集团间原子量相同,比较下一个；1342-bromobutaneIsomerisminCarbonCompounds2碳原子有机化合物的异构体种类Step2.旋转分子，将最小的基团指向远离你的平面；C2H6BrCH3H4IsomerisminCarbonCompoundsStep3.将剩下的基团从大到小排列，如顺时针旋转，为R异构体，如逆时针旋转，S异构体.C2H6BrCH3H123(S)-2-bromobutane碳原子有机化合物的异构体种类SummaryinIsomerisminCarbonCompounds同分异构体Isomers组成异构体Constitutionalisomers立体异构体stereoisomers构像异构体Conformationalisomers构型异构体Configurationalisomers镜像异构体enantiomers非镜像异构体diastereomers顺反异构体Cis-transisomers有手性中心的非镜像异构体碳原子有机化合物的异构体种类总结QuestionsinIsomerisminCarbonCompoundsNHOHNClBocBocNNNON练习题：下面两个化合物各有几个手性中心?画出所有的立体异构体，并确定它们之间的关系.碳原子有机化合物的异构体种类问题PropertiesofEnantiomersandDiastereomers镜像立体异构体(Enantiomers)之间具有完全相同的物理和化学性质除了以下两点1.它们与其他手性纯化合物的反应能力不同2.对偏振光旋转方向不同那么，怎样判断是否得到纯的单一镜像异构体呢？镜像立体异构体和非镜像立体异构体的物理化学性质这意味着它们具有相同的NMR,相同的TLC,相同的HPLC保留时间(手性柱除外),相同的LC-MS,相同的熔沸点,无法过柱分离,无法用常规重结晶方法分离(优先结晶法和自发结晶拆分在此不讨论,如感兴趣可自学),等。这也造成镜像异构体之间的拆分(从外消旋产物得到镜像纯的单一镜像异构体)非常困难.手性分子使偏振光偏转对应的镜像异构体会向相反方向偏转相同的角度!!PropertiesofEnantiomersandDiastereomers镜像立体异构体和非镜像立体异构体的物理化学性质比旋光度observedrotation(o)at20oC&λ=589nm(yellow)specificrotation(odm3g-1cm-1)concentration(gdm-3)pathlength(cm)PropertiesofEnantiomersandDiastereomersclDD2020α=α][[][][][]...)(][)(][eepoSRSRpureobservedDD==+−=αα2020光学纯度(镜像过量ee%)镜像立体异构体和非镜像立体异构体的物理化学性质手性色谱(HPLC,GC,etc)PropertiesofEnantiomersandDiastereomers1.不是所有的外消旋化合物都是可以分开的2.外消旋化合物需要在手性柱上先被分开来测量反应ee%3.绝对构型无法通过手性色谱确立，除非同已知文献报道的结果相比NNHNNBocONNHNNBocO外消旋化合物(普通HPLC)NNHNNBocO=+外消旋化合物(手性HPLC)镜像立体异构体和非镜像立体异构体的物理化学性质PropertiesofEnantiomersandDiastereomers非镜像立体异构体之间具有不同的物理和化学性质,但是有些情况下这种区别很小，难以区分。但在大多数情况下，非镜像立体异构体之间的物理和化学性质是相当不同的.这意味着它们具有不同的NMR,不同的TLC,不同的HPLC保留时间(不需要手性柱),不同的LC-MS,不同的熔沸点,可以过柱分离,可以用常规重结晶方法分离，等等。如果你的非镜像立体异构体具有相同的TLC,HPLC,那么你的分析条件不够好或者分析仪器灵敏度不够。镜像立