第二章立体化学

H3C
NCH3 OH
HO
H
NHCH3
DL-假麻黄碱
±-α-甲氨基苯丙酮
DL-麻黄碱
催化剂倾向于在碳基的空间位阻较小的一边吸附反应物分子 而用钠汞齐还原，由于酮醇间经醇钠的相互转化，逐渐达到平衡(热力学控制)， 得到的主要产物是较稳定的 DL-假麻黄碱。
O RM
O RS
X
RL
RL
X
RS R1
R1 RM
R RL OH
R
H
CH3
HO
HO C6H5CH3 C6H5 CH3
C6H5
H CH3
COCH3
R
RMgX
H
H2O
CH3
H3C C6H5
R H
O CH3
H3C
苏式
R 基团越大，选择性越好
R = -CH3, -C2H5, -C6H5时，苏式：赤式 ≈ 1:2；1:3；1:5 不能应用于手性碳原子连有能与试剂络合的基团的化合物
负电荷互相排斥，呈现“偶极模型”构象
δ− O H
δ−Cl R
H CH3 +H3O
4
④Out-in 内外异构体
HN
(CH2)k (CH2)l
N HH N
(CH2)k (CH2)l
HN
NH
(CH2)k (CH2)l
HN
(CH2)m
N 桥连的三环二胺
(CH2)m
(CH2)m
For reviews, see Schmidtchen, F.P.; Gleich, A.; Schummer, A. Pure. Appl. Chem. 1989, 61, 1535
第二章 立体化学
基本知识基础(复习)
1.立体异构：构型异构与构象异构 2.手性与对称因素（对称面与对称中心） 3.对映体与旋光性 4.光学异构体中的 R/S 规则
第一节 立体化学原理
对称分子（非手性）分子与手性分子；对映体与非对映体 一、等位基与等位面(Homotopic ligands and face)
Si进攻
RMgX H2O
C6H5
C6H5
H
CH3 + H
CH3
HO CH3 H3C OH
R
R
R
Si进攻
S
re进攻
H3C N CH3
H
Ph H
H3C N CH3
H
Ph H
前者两个氢原子为对映异位原子，后者两个氢原子非对映异位原子
H3C N CH3
H
Ph H
H3C N CH3
H
Ph H
H3C N CH3 HD Ph
HHBr
CH3
H3C H
单线态二溴卡宾中间体
H CH3
CHBr3 KOC(CH3)3
H
Br
CH3HBr
立体选择性反应：同一反应物能够生成两种以上的立体异构物时．其中某一
异构体较多地生成的反应。
CH3CH2CHCH3 I
KOC(CH3)3 DMSO
H3C H
H CH3
+H3CH
60%
CH3 H
+
HCH2CH3C
③桥环化合物：通过非相邻原子稠合的化合物 i．当桥上没有取代基时。
G
H
H
G
主桥判断
(1)含杂原子优先，如 O、N 等
(2)含较少的碳原子
(3)碳原子数相同，饱和环的为主桥
(4)碳原子数相同，饱和数相同，则取代基少的为主桥
与主桥不在同一侧的为内型（endo）
与主桥在同一侧的为外型（exo）
H
OH
OH
H
endo-2-Norborneol exo-2-Norborneol
ii．当桥上有一个取代基，内向指取代基接近换上官能团的异构体。
H CH3
H3C H
O
O
endo-7-Methyl-2-norcamphor exo-7-Methyl-2-norcamphor
环上取代基接近较长桥，或位于主桥相反的位置，或位于环内障碍较大的位 置，是用内向（endo）表示；若取代基接近较短桥，或位于靠近主桥的位置，或 位于环外障碍较小的位置时，用外向（exo）表示。
CH2
20%
20%
O
H
CH3
OH
H
CH3
CH3MgX
H2O
C6H6 H
H3C C6H5H
CH3
67%赤式
OH
H
CH3
H C6H5CH3
33%苏式
CHO H OH H OH
CH2OH
CHO HO H HO H
CH2OH
CHO HO H
H OH CH2OH
Leabharlann Baidu
CHO H OH HO H
CH2OH
D-(-)-赤藓糖 L-(+)-赤藓糖 D-(-)-苏阿糖 L-(+)-苏阿糖
3
H
H
CCC
H3C
CH3
H
H
H
H
类似还有 H3C
CH3 H3C
CH3
Ar
Me
CN
S
CH2Ph
Ar
CH2Ph
H3C
CN
Ar = H3C
CH3
S
Me
H3C
单键旋转慢，在 50℃能够以晶体形式存在于CDCl3，翻转半衰期为 25h ②源于单环的顺反异构
H3C
CH3 H3C
H
H
CH3
H
H
H
CH3 H3C
H
(2R,3R)-赤藓糖 (2S,3S)-赤藓糖 (2S,3R)-苏阿糖 (2R,3S)-苏阿糖
相同的基团
同侧—赤式(erythro-） 异侧—苏式(threo-)
5
CHO H C6H5
CH3
CH3MgX H2O
CH3
CH3
H OH HO H
+
H
C6H5 H
C6H5
CH3
CH3
反应机制受环境因素，分子的拥挤，反应温度，介质，酸碱度等因素影响。
96-99% ee
H3O+
CHO ZnBr2
(R)-citronellal
H2, Ni cat
isopulegol
(-)-menthol
PPh3 PPh3
野依良治（Ryoji Noyori）与手性双膦配体-BINAP
iii. 绝对的不对称合成（物理方法） 应用非分子的不对称源，如圆偏振光，造成手性环境，实现不对称合成。
H
CHO
H
Cl OH
H
H 是对映异位原子
re
H
O H3C
OH
OH
HCN
H3C
CN + H
H3C
H CN
R
S
si
三个基团按顺序规则排列，对映异位面顺时针为 re (rectus)，反时针为 si (sinister)
COOH
COOH
H COOH
H OH HO H
H2O
H
H +H
H
COOH
COOH
(±)
种基团叫非对映异位基，相应也有非对映异位面。
CH3CH2C* H(CH3)CH2COOH Br2,P CH3CH2C* H(CH3)C* HBrCOOH
COOH H 2 * Br Br2,P H 3 * CH3
C2H5
(2R,3R)
COOH H 2 H Br2,P H 3 * CH3
C2H5
R
COOH Br 2 * H
HOOC H
COOH
HO Fumarate hydratase
H
HH
COOH
S. Ichikawa et.al Biochemical Engineering Journal 2003, 13(1), 7-13.
三、非对映异位基，非对映异位基面（diasteseotopic ligand and faces） 与手性中心相连的前手性中心上基团（原子）被取代，生成非对映异构体，这
六、动态立体化学 按特定的立体途径进行的化学反应过程。 与化学键的断裂、生成，试剂进攻的方向，离去基团的去向，中间体和过渡
态的空间关系有关。 1. 立体专一性反应与立体选择性反应
立体专一性反应：一定立体异构的原料在某种条件下只取得一定异构产物的 反应
CH3
H3C H
CH3 H
CHBr3 H3C
Br
KOC(CH3)3
b．选用手性试剂进行反应
6
加入手性试剂，得到反应产物为新的手性化合物，而手性试剂能部分回收。 c．选用手性催化剂进行反应
myrcene
Li,(C2H5)2NH
HR HS
[Rh((S)-binap)]+
diethylgeranylamineN(C2H5)2
HS HR
(R)-citronellal enamNin(eC2H5)2
Br H
CH3 Br-
Br H3C
H
H CH3
H CH3
+
Br
Br
Br H
CH3
赤式内消旋体﹥99%
H3C H
CH3 Br2 H CH3COOH
H3C H
Br CH3 H
Br-
Br H3CH
CHH3 HCH3 +
Br
Br
Br HCH3
苏式外消旋体﹥99%
R. S. Brown Acc. Chem. Res. 1997, 30, 131-137
H3C N CH3 DH Ph
H3C N CH3 HD Ph
H3C N CH3 DH Ph
对映体
非对映体
四、潜手性（前手性，Prochiral） 如对映异位基或非对映异位基之一被一个不同的基团取代，产生一个手性
中心，则原来的中心称为潜手性中心。具有潜（前）手性的分子被称为前手性中 心分子。对应也有前手性面。
OH
H
H3C
H
非手性分子，两个 H 是对映异位原子（enantiotopic atom），用 D 原子取代一个 H 原子能够得到 R,S 对映体。
O
H CH3 对映异位面
O D CH3
催化加氢
OH
OH
H3C
D H
+
H3C
H D
R
S
特点①与一般化学试剂反应相同②NMR 化学位移相同
1
H HH
H HF
Felkin-Ahn model
Evans, D.A.; Siska, S.J.; Cee, V.J. Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 1761.
ii. Cornfoth 规则：当酮 α-C 上有卤原子，卤原子与 C=O 处于反式 澳大利亚化学家 Cornfoth 指出，卤原子与碳基都是电负性较大，且带有部分
高温 H2 Ni
冰乙酸 H2 Pt 常温常压
+
50%
50%
2. 对向与同向加成 对向加成（反式加成，anti addition），同向加成（顺式加成，syn addition）
X
Y 同向消除 X
Y 对向消除 X
M N
A B
M 同向加成
N
B
对向加成 A
N
BY
H3C H
H
Br2
CH3 CH3COOH
H3C H
[R]-[S] e.e. = [R]+[S] × 100 = (%R)-(%S)
（2）不对称合成的方法、 i. 选用的手性化合物（光学纯）作为起始反应物，即手性源 ii. 起始反应物是对称非手性的，根据反应特点
a.选用手性辅助剂 手性辅助剂与底物反应产生手性中间体，回收手性辅助剂后，得到手性化合
物。
R CH3
C6H5OH 赤式
X R'
Mg
OH
OO
O R'MgX
R
RL
RS
RL
RS
R
OH
HO
R'
RL R RS
规则二：手性α-C有羟基-OH或-NH2，可与C=O形成氢键，亲核试剂从含氢键的
7
空间阻碍小的一边进攻，为环状模式。
H3C
Ph H
Na-Hg
Ph H
H3C
Pt / H2
Ph H
H
OH
NHCH3
由非手性物质得到部分或全部光学纯产物，用 ee%表示对映体过量
COOH
HS
HR Br2,P
CH3
COOH
COOH
H Br + Br X
CH3
CH3
O
酶
H3C C D
OH H3C H
D
五、顺反异构（cis-trans isomerism） ①源于双键的顺反异构
(R)-1-氘-乙醇
W
Y
X
Z
W≠X and Y≠Z.
HH
H HH
Cl
Cl
Cl
H Cl Cl HO
H OH
Cl
Cl
Cl
C2轴，2 个H等位
C3轴，3 个H等位 C6轴，6 个Cl等位
特点：用任何基团取代其中一个等位的原子或基团，都能得到相同的化合物。
NMR 有相同的化学位移，用普通物理化学方法都不能区分。
等位面
H
O H
亲核试剂
亲核试剂从上面和下面进攻产物相同 二、对映异位基与对映异位面（enantiotopic groups and face）
COO H3N 2 H HS 3 HR
C6H5
C2 是手性碳，C3 上的两个质子为非对映异位原子 H被D取代得到S构型为HS
2
H被D取代得到R构型为HR 非手性试剂在非手性环境的条件下反应得到非手性化合物。
非对映异位面：连接在手性碳原子上的不饱和碳原子双键的面。
re进攻
C6H5
H H3C
O CH3
H 3 * CH3 C2H5
(2S,3R)
溴化产生的两个化合物互为非对映体，且产量也不相等
COOH
COOH
COOH
H 2 * Br H3C 3 * H
H2
Br2,P
H
H3C
3*
S
H
Br2,P Br 2 * H H3C 3 * H
C2H5
C2H5
C2H5
(2R,3S)
(2S,3S))
同样，C2 上氢原子即为非对映异位原子（diasteseotopic atom）
3. 不对称合成 手性分子（非手性分子）的前手性单位被转化成手性单位并生成不等量的
立体异构体的过程
（1）旋光纯度 表示不对称合成的效率
旋光纯度百分率（Percent optical purity）
o.p. =
[α]obs [α]max
× 100
[α]obs：实测的产物的旋光度；[α]max：纯立体异构体的旋光度 对映体过量百分数（percent enantiomeric excess，e.e.)
① 醛酮（链型）不对称合成
i. Cram 规则 Cram 等总结 C=O 加成反应经验规则，对 α-C 是手性 C 原子的醛酮（链型） Cram 规则一： L（大）M（中）S（小），反应试剂从最小和中间的基团之间进 攻羰基得到不对称物，为链状模型
HNu
RM
O
Nu
Nu
RM
RS RM
RS
RS
+
RL R
HO RL R