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第 4 章.立体化学

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1. 异构体

2. E-Z 命名法

3. 镜像异构体

4. 光学活性

5. 介观化合物和外消旋混合物

6. 配位异构体

7. Bürgi–Dunitz 轨迹

a. RS 配置和向量叉积

b. 立体异构体示例

1. 异构体

⑴ 定义：分子式相同但结构不同的化合物的总称

① 构象：由单键旋转产生的形状。表现出这种形状的化合物称为构象异构体。

② 构形：因方位差异而产生的空间排列。具有这种排列的化合物称为立体异构体。

⑵ 结构异构体

①定义：原子键合顺序不同的异构体

② 区域异构体：单一反应产生的结构异构体

○ 这种区域异构体被称为区域选择性产物。

③ 烷烃的结构异构体

○ 基于碳数的烷烃结构异构体数量：碳含量每增加1，结构异构体数量增加约2.36倍。

表 1. 基于碳数的烷烃结构异构体数量

○ 提示： 根据主链碳数区分情况

○ 丁烷：2种异构体。正丁烷，异丁烷。具有 4 个顶点的非同构树

图 1. 丁烷的结构异构体

○ 戊烷：3种异构体。正戊烷、异戊烷、新戊烷。具有 5 个顶点的非同构树

图 2. 戊烷的结构异构体

○ 己烷：5种异构体。具有 6 个顶点的非同构树

图 3. 己烷的结构异构体

○ 庚烷：9种异构体。具有 7 个顶点的非同构树

图 4. 庚烷的结构异构体

○ 辛烷值：18种异构体。具有 8 个顶点的非同构树

图 5. 辛烷的结构异构体

» ○ 根据碳原子数描述烷烃所有结构异构体的Python代码

④ 氘（D）和氢（H）被视为不同的实体→不是结构异构体

⑶ 立体异构体

①定义：原子键序相同但空间排列不同的异构体

○ 此类立体异构体称为立体选择性产物

② 类型1： 对映异构体（光学异构体、对映异构体）：与其镜像不重叠的立体异构体

③ 类型2： 非对映异构体：除对映异构体之外的所有立体异构体

④ 类型2-1： 几何异构体：具有不同空间排列的非对映体中的立体异构体

○ 类型

○ cis-异构体：当两个取代基位于同一侧时（例如_cis_-1,3-二甲基环丁烷）

○ trans-异构体：当两个取代基位于相对两侧时（例如_trans_-1-bromo-3-乙基环戊烷）

○ 类型1： 由于双键而固定头寸

图 6. 由于双键而固定位置

○ 类型 2： 由于旋转阻碍而固定位置

○ 即使是单键也可能无法旋转

○ 当环烷烃上的两个取代基连接到不同的碳上时，会产生几何异构体

图 7. 由于旋转阻碍而固定位置

○ 类型 3： 八位组规则的扩展可以轻松形成几何异构体

○ cis、trans 定义在这种情况下仍然适用

○ 示例：Pt(NH₃)₂Cl₂、Pt(NH₃)₃Cl₃、PCl₂Br₃

⑤ 类型 2-2: 差向异构体、端基异构体

○ 差向异构体

○ 具有多个手性中心的异构体，仅一个中心构型不同

○ 用于单糖、双糖

○ 端基异构体

○ 缩醛或半缩醛碳的绝对构型不同的异构体

○ 用于单糖、双糖

○ 异头效应：环己烷中杂原子旁边的取代基更倾向于轴向取向的现象。

图8. 异头效应

⑷ 光学分辨率

① 结构异构体和非对映异构体表现出不同的物理和化学性质，可实现分离

② 对映异构体除了[平面偏振光比旋光度]方向不同外，具有相同的物理化学性质(https://jb243.github.io/pages/1358)

③ 光学分辨率：分离对映体所需的特殊方法

2. E-Z 命名法

⑴ 优先级规则（CIP规则、Cahn-Ingold-Prelog优先级规则）

① 规则 1： 直接与原子序数较大的碳键合的原子具有更高的优先级

② 规则2： 如果两个原子具有相同的原子序数，则优先选择原子序数较大的取代基

○ 在不存在双键的情况下，如果三个2层原子中的任何一个具有原子序数较高的取代基，则优先

③ 规则3： 如果2层原子无法比较，则继续与3层、4层、…进行比较，直到发现差异。

○ 比较所有 n 层原子后，可以转变为 (n+1) 层原子。

④ 规则 4： 不共享的电子对被认为是最低优先级> ⑤ 规则 5： 对于多重键，想象一下用单键替换每个多重键。然后，将原始键中的每个原子视为具有另一个原子作为取代基。

图 9. 多种债券的优先级规则

⑵ E-Z 命名法

① 简介：顺式/反式命名法仅适用于烯烃上每个取代基恰好有两个的情况

② Z异构体：优先级较高的取代基与顺式位于同一侧，源自德语单词“zusammen”，意思是“在一起”

③ E异构体：优先级较高的取代基位于反式的相反一侧，源自德语单词“entgegen”，意思是“相反”

④ 亚胺（E）和（Z）可以确定，非共享电子对被认为是最低优先级

⑶ Re、Si命名法

①确定与sp²杂化碳键合的三个取代基的优先顺序

② Re-face：取代基顺序为顺时针方向的面。

③ Si面：取代基顺序为逆时针方向的面。

图 10. Re、Si 命名法

3。镜像异构体

⑴ RS命名法：区分镜像异构体的命名约定。 （注：有机化学亟待解决的问题）

① RS命名法是绝对的配置命名约定

○ 绝对配置

○ 相对构型：即使绝对构型未知，也能表明两个构型是否相同的实验关系

② 基本原理

○ 优先规则与E-Z异构体相同

○ 原子4放在后面，如果原子1、2、3的顺序是顺时针的，则标记为R；如果逆时针，则标记为 S。

○ R异构体：源自“ectus”，意思是顺时针方向

○ S异构体：源自“sinister”，意思是逆时针方向

③ 作者建议的原则：确定RS的时间不应超过0.5秒。

○ 公式 1： 如果“向量 1 × 向量 4 = 向量 2”，则为 S

图 11. 使用公式 1 测定 RS

当叉积指向外时，它是 R

○ 公式2： 如果“向量1 × 向量2 = 向量3”，则为S

○ 公式 3： 如果“矢量 3 × 矢量 4 = 矢量 1”，则为 S：常见于甲基位于 3 且氢位于 4 的情况

○ 式1的解释： 以中心碳为原点，向量1和向量4的叉积方向为2，则绝对构型为S

○ 记住它是特殊的，因为它是 S。

○ 由于正交向量的性质，叉积不能与正四面体的顶点完美对齐

○ 【作者建议原理证明】(https://jb243.github.io/pages/2387)

⑵ 手性分子

① 手性：具有镜像异构体的分子

○ 手性来自“手”一词

○ Achiral: 手性的反义词

图 12. 手性分子的示例

② 存在内镜面（镜面、对称面）：如果不存在内镜面，则分子是手性的，否则是非手性的

③ 镜面的唯一性：无论镜面如何选择，最终都确定了可以叠加到其镜像上的分子

④ 示例：市场上手性药物约占60%» ○ (R)-柠檬烯是橙子香味 ↔︎ (S)-柠檬烯是柠檬香味

○ (S)-Asp-(S)-PheOMe 非常甜，用于可口可乐 ↔︎ (R)-Asp-(R)-PheOMe 用途广泛

○ (S)-沙利度胺用于治疗孕吐 ↔︎ (R)-沙利度胺会导致畸形

○ (S)-氯胺酮是麻醉剂 ↔︎ (R)-氯胺酮是致幻剂

○ (S)-青霉胺用于治疗类风湿性关节炎 ↔︎ (R)-青霉胺诱导突变

⑶ 立体中心：两个取代基互换时成为立体异构体的原子

① 手性中心：两个取代基互换时成为镜像异构体的原子

○ 原理：中心原子必须有不同的取代基（如C、N、O、P、S、Si）

○ 手性中心通常是 sp³ 杂交的。

○ 不共享电子对也被视为取代基

② 手性中心可以产生手性，但并非所有具有手性中心的化合物都是手性化合物

○ 示例：介观化合物、胺转化等。

③ 立体中心是指手性中心和几何中心

⑷ 手性测定标准

① 无立体中心：非手性（例外：⑹）

② 1个立体中心：手性

③ 两个或多个立体中心：基于内部对称面的手性测定

⑸ 杂原子的手性

① 自然发生噪声：80 kJ/mol

② 胺中的氮转化：25 kJ/mol

○ 对于仲胺和叔胺，手性分析可以包括非共享电子对，类似于手性中心。

○ 氮转化在室温下非常容易发生并且不表现出手性。

○ 在氮反转中，当由于扭转应变、角应变等导致能量差增加时，就会出现手性。

图 13. 氮反转

○ 反例：1,2,2-三甲基氮丙啶（18.5 kcal/mol）

○ 在这种情况下，它表现出光学活性。

○ 原因：由于环丙烷的环应变，能量不稳定性显着。

○ 氮转化发生在具有三元环以外的环（例如四元环和五元环）的杂环胺化合物中。

③ 硫化物、锍、膦、氧化膦

○ 考虑电子从 P=O、S=O 转移，形成 P⁺-O^-、S⁺-O^-。

○ 手性是由于大的能量势垒而产生的。

⑹ 没有手性中心的化合物的手性

① 艾伦

○ 示例：H(CH₃)C=C=C(CH₃)H, 4-氯戊-2,3-二烯-2-醇

② 环烯烃

○ 平面手性

○ 示例：反式环辛烯

③ 螺旋烯

○ 例如：菲[3,4-c]菲

④ 阻转异构体

○ 手性是由于空间排斥而产生的。

○ 在高温环境下会发生旋转。

○ 示例：BINAP

图 14. 阻转异构体的示例

⑤ 螺环化合物

○ 示例：费希特酸

⑺ (+) / (-) 命名法

① 定义：如果在极化实验中观察到（+）极化，则该异构体为（+）异构体。如果观察到(-)极化，则该异构体是(-)异构体。

② 说明：（+）极化表示右旋或右手旋转，（-）极化表示左旋或左旋。

③ 注意：(+) 异构体也称为 d-异构体，(-) 异构体也称为 l-异构体，但不再使用 d/l 命名法 (ref)。

④ 重要提示：(+)/(-) 命名法不提供有关 RS 命名法的信息。» ○ 例：(S)-(+)-乳酸、(S)-(-)-乳酸

⑻ DL 命名法：生物学中常用

① 碳水化合物的 DL 命名法

○ 在葡萄糖中，D 型和 L 型是根据费歇尔投影中距离醛基 (CHO) 最远的碳的立体化学来确定的。

○ 在标准费歇尔投影中，如果距 CHO 最远的碳原子上的 -OH 基团位于右侧（R 型），则属于 D 型；如果不是，则被归类为 L 型。

○ 该命名仅代表一个碳的绝对构型，与正负旋光度没有相关性。

○ 在生物体中，碳水化合物如单糖以D型异构体存在。

② 氨基酸的 DL 命名法

图 15. 氨基酸和 LD 的命名

○ 氨基酸的 DL 命名法由中心碳周围取代基的空间排列决定，包括氢原子、羧基、氨基和官能团，如上所示。

○ 在生物体中，氨基酸以L型异构体存在。

4.光学活性（手性）

⑴镜面相关的对映异构体具有相同的物理化学性质（熔点、沸点、溶解度等）。

⑵ 平面偏振光

① 光在垂直于其传播方向的所有方向上振动，但在平面偏振光中仅在一个方向上振动。

② 穿过偏光棱镜（尼科耳棱镜）使振动沿同一方向排列。

⑶ 旋光计：使平面偏振光透过含有有机化合物的样品的装置。

图 16. 旋光计

⑷ 光学活性

① 非手性分子不旋转平面偏振光。

② 手性分子旋转平面偏振光，产生旋光性。

③ 对映体使平面偏振光向相反方向旋转。

⑸ 比旋光度：每个手性分子的固有性质

① 通常在 25°C 下测量。

② α：使用旋光计测量的比旋光度，αD表示使用Na灯的D线。

③ λ：光的波长，通常使用钠蒸气灯的D线（589.3 nm）。

④ l：样品管的长度（单位：dm = 10 cm）。

⑤ c：手性样品浓度（g/ml）。

⑥ (+) / (-) 异构体

○ 如果该化合物是右旋的，则表示为（+）；如果是左旋，则表示为(-)。

○ (+) 异构体：使偏振光平面向右旋转的异构体。

○ (-) 异构体：使偏振光平面向左旋转的异构体。

5.介观化合物和外消旋混合物

⑴ 具有n个取代基的手性中心的立体异构体的最大数量为N。

⑵ 介观化合物

①定义：具有两个以上取代基的化合物，具有分子内对称面，使其与其镜像相同。

② 根据上下文，介观化合物可以指具有两个以上手性中心的化合物。

③ 提示： (R, S) 对于介观化合物是可能的，但 (R, R) 和 (S, S) 则不然。

图 17. 内消旋化合物测定示例

» ○ (A) ≠ (B) ≠ (C) ≠ (D)，但 (a) = (d) ≠ (b) ≠ (c) 成立。

○ (A)、(B)、(C)、(D) 的关系：光学对映体。

○ (b)、(c)的关系：光学对映异构体。

○ (a)、(d)的关系：介观化合物。

③ 提示： 如果化合物具有大于 2 的奇数个手性中心，则它不是介观化合物，因为它必须具有手性。

○ 请注意，虽然2,3,4-三溴戊烷中的第三个碳是手性中心，但由于介观化合物规则，它不是手性中心。

⑶外消旋混合物：这个词的起源是拉丁文“racemus”，意思是“葡萄串”。

① 定义：对映异构体按1:1比例的混合物。

② 光学活性：等量的对映体相互抵消，光学纯度为0。

③与介观化合物的区别：介观化合物由单一物质组成，而外消旋混合物是混合物。

④ 自然和实验室环境

○ 在自然界中，酶仅产生手性分子的一种对映体。

○ 示例：乳酸脱氢酶将 (+) 乳酸专门转化为丙酮酸。

○ 示例：延胡索酶仅允许水分子从一侧接近。

○ 将天然手性分子的镜像对映体施用于生物体可能存在风险。

○ 实验室中的某些反应会产生外消旋混合物，从而降低纯度并增加潜在危害。

⑤ 外消旋化：产生外消旋混合物的反应

○ 非手性分子（反应物）反应形成手性分子（产物）的反应

○ 通过非手性中间体产生手性分子的反应

○ 如果满足条件 2)，即使反应物是手性的，多步反应也会导致外消旋化。

⑥ 对映体过量（ee）

○ 对映异构体过量 ee(%) = 对映异构体 A 的百分比 - 对映异构体 B 的百分比

○ 混合物旋光度 = 固有旋光度 × 对映体过量 (%)

○ 如果 A 为 60%，B 为 40%，则 ee(%) = 60 - 40 = 20% ee，表明 A 比 B 多存在 20%。

⑦ 光学纯度

○ 定义：纯对映体旋光度与混合物旋光度之比

○ 光学纯度=固有旋光度×光学异构体ee%

○ A和B等量的外消旋混合物的光学纯度为0。

⑧ 外消旋混合物的分离

○ 第一^第一。手性特异性酸/碱反应、酶反应产生 (R, R) 或 (R, S) 形式的手性分子。

○ 第二^第二。液相色谱（LC）、重结晶、分馏分离。

○ 示例

○ 用(R)-丙氨酸和(S)-丙氨酸处理乙酸酐分别生成(R)-N-乙酰苯胺和(S)-N-乙酰苯胺。

○ 随后用酰基酶处理会导致 (S)-N-乙酰苯胺的酰胺键水解，而 (R )-N-乙酰苯胺保留下来，从而可以根据官能团差异进行分离。

6。 配位异构体

⑴ 类型1. 几何异构体：顺式/反式异构体、fac_/mer_异构体等。

⑵ 类型1-1. 顺式/反式异构体：如果两个取代基在同一侧，则为顺式；如果在相反侧，则为反式。

⑶ 类型 1-2. fac / mer 异构体

① fac 异构体

○ 当三个取代基相互正交时。

○ “Fac”源自“facial”，是指三个取代基全部相互正交的平面。

② mer 异构体

○ 当一对取代基彼此相对时。

○ “Mer”源自“meridional”，表示一对相反的取代基沿着赤道形成一条线。

⑷ 类型2. 光学异构体（对映体）⑸ 实施例1. FeCl₃(H₂O)₃（氯化铁）以面/异构体形式存在。由于存在分子对称面，因此不存在光学对映体。

图 18. FeCl₃(H₂O)₃ 的立体异构体

⑹ 实施例2. [CoBr₄Cl₂]^3-有两种立体异构体：没有光学对映体。

图 19. [CoBr₄Cl₂]^3- 的立体异构体

⑺ 实施例3. [Co(bipy)Br₂Cl₂]^-有四种立体异构体，其中存在一对光学对映体。

图 20. [Co(bipy)Br₂Cl₂]^- 的立体异构体

⑻ 实施例 4. Co(en)₂Cl₂⁺ 有两个 cis-Co(en)₂Cl₂⁺ 和一个 trans-Co(en)₂Cl₂⁺ 对映体，通过镜像关系。

图 21. Co(en)₂Cl₂⁺ 的立体异构体

⑼ 实施例 5. Co(en)₂BrCl⁺ 具有两个 cis-Co(en)₂BrCl⁺ 和一个 trans-Co(en)₂BrCl⁺ 对映体，通过镜像关系相关。

① 缓慢转动时变得明显。

图 22. Co(en)₂BrCl⁺ 的立体异构体

⑽ 实施例6. 具有对称配体的[Co(en)₃]³⁺由于镜像关系而具有两种立体异构体。

图 23. [Co(en)₃]³⁺ 的立体异构体

⑾ 实施例7. [Co((R)-pn)₃]³⁺有四种立体异构体：Λ-fac、Δ-fac、Λ-mer、Δ-mer。

图 24. [Co((R)-pn)₃]³⁺ 的立体异构体

⑿ 实施例8. [Fe(gly)₃]^3-与三个二齿(N,O)螯合配体glys产生类似于实施例7的四种立体异构体。

7.布尔吉-杜尼茨轨迹

⑴ Bürgi-Dunitz 角：亲核试剂的 HOMO 接近羰基反键轨道 (LUMO) 的角度。

图25. NaBH₄还原反应速率比较

⑵ 根据Bürgi-Dunitz轨迹角，BH₄^-以大约107度的角度攻击羰基碳的π*。

⑶ 由于两个苯基不在同一平面上，BH₄^-通过该路径接近时会受到显着的排斥。

图 26. 二苯甲酮的实际结构

输入：2019.01.09 02:03