1-1有机立体化学
立体化学-1
are the same except their optical activity.
一对对映异构体，其比旋光度数值相等，旋光
方向相反。
外消旋体 ---- 一对对映异构体的等量混合物。
5.2 光学纯度 （Optical Purity)
--- A mixture of enantiomers in a 75:25 ratio
will have an observed rotation that is 50% of that for a single enantiomer. Such a mixture is said to have an optical purity (o.p.) of 50%.
o.p.
a
=
[a] × c× l
Question：判定下列分子是否具有手性
Question：判定下列分子是否具有手性
COOH H OH CH3 E
HO COOH H CH3
Cl
CH3
CH3
Cl
F
5. 手性分子的光学活性
5.1 外消旋体 (racemic mixture, or racemate)
All the physical properties of enantimers
B
counterclockwise ---- S
clockwise ---- R
H C 2H 5 A H H 2N B Cl H2C=HC C H CH2CH2COCH3 CH2OCH3 CH3 OH CH3
A. (R)-2-Butanol B. (S)-1-methoxy-2propanamine C. (S)-5-chloro-6hepten-2one
有机化学-1 第一章 绪论
C-H键键能 (423+439+448+347)/4=414 kj/mol 键键能=( 键键能
2003-2008年 2003-2008年
2009年至今 2009年至今
1999-2003年 年 化学(师范类) 化学(师范类) 2003-2008年 年 有机合成 2009年至今 2009年至今 有机化学
安徽师范大学 理学学士 中国农业大学 理学博士 中科院大连化物所 博士后
第一章 绪论
§ 1-1 有机化学的产生和发展 § 1-2 有机化合物的分类 §1-3 有机化合物结构式的表达方式 §1-4 现代共价键理论 §1-5 共价键的断裂和有机反应的类型
4,键的极性和极化性 ,
两个不同原子形成共价键时, 两个不同原子形成共价键时,将使键产生极性 不同原子形成共价键时
δ H δ Cl H C m H Cl C =3.57X10
-30
=3.57X10-30 C m Cl
极化性:键的极性大小取决于成键的两原子电负性 极化性:
的差值,与外界条件无关, 永久的性质 的差值,与外界条件无关,是永久的性质
H3C NH2 N O
O
硝羟硝
S OH 硝磺羧 O
§1-3 有机化合物结构式的表达方式
H H C H C H H C C H CH3CHCH2CH3 CH3
《高等有机化学—反应和机理》(Bernard Miller)笔记
●Woodward-Hoffmann规则一：4n电子的热电环化反应，如果按照顺旋方式进行是允许的；4n+2电子的热电环化反应，如果按照对旋的方式进行时允许的。
●顺旋：多烯烃的末端碳原子或环烯烃的饱和碳原子，以相同方向(同为顺时针或同为逆时针)旋转成键或断键，这种方式称为顺旋。
顺旋：多烯烃的末端碳原子或环烯烃的饱和碳原子，以不相同方向旋转成键或断键，这种方式称为对旋。
●最高已占分子轨道(HOMO)在4n+2的体系中是对称的；最低未占分子轨道(LUMO)在4n+2的体系中是反对称的。
●前线轨道理论：忽略较低的能级轨道，只考虑HOMO。
前线轨道理论能简单、形象化，但是理论上不完善，在理论上应该有更精确的处理方法。
在电环化反应中，对旋是允许的，顺旋是禁阻的。
●轨道对称性守恒：反应物中的每个轨道的对称性，在反应后对称性保持不变。
●用相关图法处理电环化反应遵循轨道对称性守恒。
●相关图法处理4n+2体系的热环化反应(对旋)：以1,3,5-己三烯为例：(1)形成6个分子轨道(2)用能量最低的形成键，和的对称性相同，都是镜面对称的。
(3)是由6个原子轨道组成，键是2个原子轨道组成，故转化为时，可以想象其中有4个原子轨道的系数降低为0。
(4) 1,3,5-己三烯的，不能转化为1,3环己二烯的，因为前者的的对称性是镜面反对称，后者的的对称性是镜面对称，对称性不匹配。
故1,3,5-己三烯的事转化为1,3环己二烯的，同理1,3,5-己三烯的事转化为1,3环己二烯的(5)能量分配很合理，故反应是允许的。
用相关图法处理4n体系的热环化反应(对旋)：以1,3-丁二烯为例：(1)用能量最低的形成键(2)用1,3-丁二烯的形成环丁烯的；用1,3-丁二烯的形成环丁烯的。
理由同4n+2体系，因为对称性不守恒。
(3) 1,3-丁二烯的上有2个电子，而要形成的环丁烯的电子在上。
但是1,3-丁二烯要转化为环丁烯的，如果发生这样的转化，就会形成能量很高的环丁烯的激发态。
《有机化合物的结构》立体化学基础
《有机化合物的结构》立体化学基础在有机化学的广袤世界里，有机化合物的结构就如同是一座精巧构建的大厦，而立体化学则是其中至关重要的基石。
理解有机化合物的立体结构，对于深入探究其性质、反应以及在各种领域中的应用都具有不可估量的意义。
首先，让我们来认识一下什么是有机化合物的结构。
简单来说，它指的是构成有机分子的原子在空间的排列方式。
这可不仅仅是原子的简单连接，而是有着极其精妙的规律和特点。
原子之间通过化学键相互结合，形成了有机分子的骨架。
常见的化学键包括共价键，比如单键、双键和三键。
这些键的类型和长度，以及它们之间的角度，都对有机化合物的结构和性质产生着深远的影响。
以最简单的有机化合物甲烷为例，它的分子结构是正四面体。
碳原子位于正四面体的中心，四个氢原子分别位于正四面体的四个顶点。
这种空间排列使得甲烷分子具有特定的对称性和稳定性。
当我们谈到有机化合物的立体化学基础时，不得不提到手性这个重要的概念。
手性就好像是我们的左右手，虽然看起来相似，但却不能完全重合。
在有机化学中，存在着许多手性分子，它们具有对映异构体。
对映异构体在物理性质上，如熔点、沸点、溶解度等，往往非常相似，但在生物活性和化学反应性方面却可能有着天壤之别。
比如，某些药物的一种对映异构体可能具有良好的治疗效果，而另一种可能不仅无效，甚至还会产生副作用。
再来看一下碳的四面体构型。
当碳原子与四个不同的原子或基团相连时，就会形成手性中心。
这四个基团在空间上的不同排列，就产生了一对对映异构体。
那么，如何确定一个分子是否具有手性呢？这就需要用到一些方法和规则。
比如，可以通过观察分子是否存在对称面或对称中心来判断。
如果不存在对称面和对称中心，那么这个分子很可能就是手性分子。
除了手性，有机化合物的构象也是立体化学中的一个重要方面。
构象是指由于单键的旋转而导致分子中原子在空间的不同排列方式。
以乙烷为例，它的构象可以有无数种，但最常见的是交叉式和重叠式。
交叉式构象能量较低，比较稳定；而重叠式构象能量较高，相对不稳定。
沈阳药科大学高等有机化学课件胡春版——第一章绪论
（1）分子轨道是由原子轨道通过线性组合而成； （2）组合前后的轨道数守恒：即有几个原子轨道就可以组合 成几个分子轨道。
（3）原子轨道组合成分子轨道遵守最大重叠原则，能量近似 原则，对称性匹配原则。
（4）电子在分子轨道中的排布与原子中电子在核外排布类似。
(1915) • 1912, F. Pregl有机化合物微量分析方法(1923) • 1901-1903, A Windaus甾体化合物的结构和与维生素D的关系
(1928) • 1924-1940, R. Robinson生物碱、青霉素结构 （1947） • 1948-1956, D. C. Hodgkin维生素B12结构(1964) • 1953, F. Sanger蛋白质结构(1958) • 1953, J. D. Watson和 F. H. C. Crick发现DNA双螺旋结构(1962)
高等有机化学电子教案1胡春高等有机化学物理有机化学2有机立体化学有机合成化学高等有机化学高等有机化学第1章概论第2章立体化学第3章第3章有机反应总论有机反应总论3第4章饱和碳原子的亲核取代反应第5章烯烃的加成反应第6章消除反应第7章芳香性高等有机化学第8章芳香亲电取代反应第9章羰基的加成反应及相关反应第10章第0章分子重排反应分子重排反应4第11章协同反应第12章自由基反应第13章有机光化学第一章概论511有机化学发展概况一有机化学的研究范畴1
学
12
§1-2 现代共价键理论
一、原子轨道和化学键
1. 原子轨道和电子云 • 共价键由成键电子所在原子轨道重叠形成。 • 原子轨道（φ）：电子在原子核外空间运动状态函数。 • 电子云（φ2） ：电子在核外空间运动出现的几率密度。 • s轨道围绕原子核呈球形对称，p轨道呈哑铃形。 • 原子轨道图中“+”、“-”表示波函数位相，并不代表 电荷。 • 原子轨道中电子排布遵守Pauli不相容原理，能量最低原 理，Hund规则。
大学本科有机化学07 立体化学-1
_ _ _ _ 1 苯基 1,3 戊二烯 _ _ _ _ (1E , 3E) 1 苯基 1,3 戊二烯 反,反
15
含C=N、N=N双键的化合物： 、 双键的化合物： 双键的化合物
CH3 C6H5
:
C=N
CH3 C6 H 5
OH
C=N
OH
:
(Z)
_
苯 乙酮 肟
_ ( E ) 苯 乙酮 肟
HO N=N
11
顺反异构体的命名方法： 顺反异构体的命名方法：
1. 顺/反标记法 反标记法 相同的原子或基团位于双键（或环平面） 相同的原子或基团位于双键（或环平面）的同侧为 顺式” 否则为“反式” “顺式”；否则为“反式”。
a C=C b
a b
a C=C b
b a
a b
a b
a b
b a
_ 顺式 (cis )
22
手性分子： 手性分子：有手性现象的分子
手性碳 —— 手性分子的特征
F H Cl C Br
* * 例： CH CHCHCH 3 3 连有四个不同基团的碳原子 连有四个不同基团的碳原子 手性碳( 手性碳(chiral carbon) carbon) 手性中心 (Chiral center) center)
constitutional
CH3 CH3 HO OH OH CH3 CH3 H3C OH HO cis trans CH3 OH OH OH CH3 OH CH3
C7H14O
OH
CH3 OH
CH2OH
H3C
OH
HO
CH3
CH3 CH3 OH
CH3
configurational
conformational
(整理)立体化学1
立体化学（一）前言1、手性手性是自然界的普遍特征。
构成自然界物质的一些手性分子虽然从原子组成来看是一摸一样，但其空间结构完全不同，他们构成了实物和镜像的关系，也可比喻成左右手的关系，所以叫做手性分子［1］。
在生命的产生和演变过程中，自然界往往对一种手性有所偏爱，如自然界中，糖的构型为D-构型，氨基酸为L-构型，蛋白质和DNA的螺旋构象又都是右旋的，等等。
因此，分子手性在自然界生命活动中起着极为重要的作用。
人类的生命本身就依赖于手性识别。
如人们对L一氨基酸和D一糖类能够消化吸收，而其对映体对人类没有营养价值，或有副作用。
CHOOH CH2OHOHCHOOHOHCH2OHOHCHOHHHOOHHOHH2OHOCH2OHHHOOHHOHH2OH2D-(+)-甘油醛 D-(-)-核糖 D-(+)-葡萄糖 D-(+)- 果糖 L-氨基酸人们对手性的研究可以追溯到1874年第一位化学诺贝尔奖获得者Jhvan［2］。
当时他就提出了具有革命性的理论化学分子为三维结构，一些化合物存在两种构像，且两者互为镜像。
1886年，科学家报道了氨基酸类对映体引起人们味赏感受的差别。
1956年Pfeifer根据对映体之间药理活性的差异，总结出：一个药物的有效剂量越低，光学异构体之间药理活性的差异就越大。
即在光学构体中，活性高的异构体与活性低的异构体之间活性比例越大，作用于某一受体或酶的专一性越高，作为一个药物它的有效剂量就越低。
20世纪50年代中期，反应停(沙利度胺，Thalidomide)作为镇静剂，有减轻孕妇清晨呕吐的作用而被广泛应用。
结果在欧洲导致1.2万例胎儿致残，即海豹婴。
于是1961年该药从市场上撤消。
后来发现沙利度胺R型具有镇静作用，而S型却是致畸的罪魁祸首。
研究人员进一步研究发现沙利度胺任一异构体在体内都能转变为相应对映体，因此无论是S型还是R型，作为药物都有致畸作用。
N O ONONHOO(S)-Thalidomide(R)-Thalidomide1984年荷兰药理学家Ariens极力提倡手性药物以单一对映体上市，抨击以消旋体形式进行药理研究以及上市。
有机化学中的立体化学
有机化学中的立体化学有机化学是研究含碳化合物的化学性质和反应机理的一个重要分支领域。
在有机化学中，立体化学是一个至关重要的概念，它研究的是有机分子中空间构型的特征以及由此带来的化学性质和反应特点。
立体化学的研究不仅深化了对有机化合物结构与性质之间关系的理解，也为合成有机化合物提供了重要的理论指导。
本文将从有机化学中的立体化学角度出发，探讨立体化学的基本概念、立体异构体的分类、手性分子的性质以及立体化学在药物合成和生物活性研究中的应用等方面展开阐述。
立体化学是研究有机分子空间构型的科学，它关注的是分子中不同原子或基团之间的空间排布关系。
在有机化学中，分子的立体构型对其化学性质和反应具有重要影响。
立体异构体是指分子结构相同但空间排布不同的异构体，主要包括构象异构体和对映异构体两种。
构象异构体是由于键的旋转或双键构型不同而导致分子整体结构不同的异构体，如环状分子的椅式和船式构象；而对映异构体则是镜像对称的立体异构体，它们在物理性质上几乎完全相同，但在化学性质和生物活性上却可能有着截然不同的表现。
手性分子是立体化学中一个重要的概念，它是指不能与其镜像重合的分子，即具有手性的分子。
手性分子由手性中心或手性轴引起，具有左右旋性质。
手性分子的对映异构体是非重叠的，它们在化学性质和生物活性上表现出截然不同的特点。
手性分子的研究不仅在有机合成领域有着广泛的应用，还在药物合成和生物活性研究中发挥着重要作用。
许多药物分子都是手性的，对映异构体可能具有不同的药理活性，因此在药物设计和合成过程中需要考虑手性对药效的影响。
立体化学在有机合成中有着重要的应用价值。
通过合理设计手性诱导剂或催化剂，可以有效地控制反应的立体选择性，实现对映选择性合成。
立体选择性合成不仅可以提高合成反应的产率和选择性，还可以减少废弃物的生成，具有重要的环境保护意义。
立体选择性合成在药物合成、天然产物合成以及材料化学等领域都有着广泛的应用，为有机合成化学提供了重要的理论基础和方法支持。
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1422.6
711.3 105.4
2091.2
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4636.7
662.4 26.0
与标准 的差值
燃烧热的数据表明， 五元和五元以上的环烷烃都是稳定的
44
环丙烷的结构
•这样的键与一般的 键不 一样,它的电子云没有轨道 轴对称,而是分布在一条曲 线上,故常称弯曲键.
交叉式构象和重叠式构象只是乙烷无数构象中的两种极 端的情况，其它构象都介于两者之间，称为扭曲式构象。
27
(1) 乙烷的球棒模型
乙烷的交 叉式构象
乙烷的重 叠式构象
28
为了便于观察和应用，常用透视式和纽曼式（ Newman) 投影式表示其构象。
(2)锯架透视式
重叠式构象
交叉式构象
(3)纽曼投影式
重叠式构象
Hoff 和Le Bel的工作(荷兰化学家-范特荷甫和法国化学家-勒贝尔分
别于 1874) ，他们认为碳原子形成的共价键具有四面体结构，这为 现代立体异构概念奠定了基础。
5
甲烷的结构 1. 甲烷的结构和sp3杂化轨道，1s22s22p2
甲烷的四面体结构6Βιβλιοθήκη 7◎sp3杂化轨道:
一个s轨道与三个p轨道形成四个sp3杂化轨道
交叉式构象
29
纽曼投影式
30
31
C2 C1
32
C1
C2
H H H
C2 H H
33
H
乙烷交叉、重叠纽曼投影式
34
重叠式、交叉式构象比较：
交叉式构象因两个碳原子上的氢原子距离最大，其 排斥力较小，分子内能最低，因而较稳定，为优势 构象。
35
乙烷不同构象的势能图
36
2.丁烷的构象
37
丁烷的构象
/cyberTao/archive/2008/10/02/1355365.aspx
• 成绩评定 平时成绩+考试成绩 • 要求 1、出勤 2、纪律 3、考核
3
立体化学基础 手性化合物（手性药物） 不对称合成
侧重点………
4
小到分子大到宏观世界，所有的一切都存在于三维世界里，没 有什么比三维空间对有机化学更重要，在三维空间中研究的化学叫 做立体化学。 1860 年 Pasteur 给出了他关于酒石酸结构的著名论述， 由此给这个领域以新的生命。立体化学迈出的重要一步是 van’t
42
张力学说的内容
当碳原子的键角偏离109°28′时，便会产生一种 恢复正常键角的力量。这种力就称为张力。键角偏离 正常键角越多，张力就越大。
偏转角度= N=3
109°28′
内角
2 4
9o44’
5
44’
6
-5o16’
7
-9o33’
偏转角度
24o44’
从偏转角度来看，五元环应最稳定，大于五元环或小于五 元环都将越来越不稳定。但实际上，五元，六元和更大的环型 43 化合物都是稳定的。这就说明张力学说存在缺陷。
张力能 = Enb(非键作用) + EI(键长) +
E(键角) + E(扭转角)
Enb > EI > E > E
46
环丙烷的结构和角张力（1885 Baeyer A 拜耳） • 烷烃是sp3杂化,键角109.5o, 环烷烃的碳也是sp3杂化, 但键角不一定一样. 键轨道的交盖 • C-C 键的形成
碳原子的p轨道又是相互平行的. ◎一个碳原子的两个p轨道和另一个碳原子对应的两 个p轨道,在侧面交盖形成两个碳碳键.
20
乙炔分子的 电子云
两个互相垂直的 键中电子云的分布位于
键轴的上下和前后部位，当轨道重叠后，其
电子云形成以C-C 键为对称轴的圆筒形状。
21
含氮原子的分子
N，1s22s22p3-----sp3杂化
环碳原子均不在同一个平面 环戊烷分子张力不大，化学性质比较稳定.
49
乙烷交叉、重叠纽曼投影式
50
环己烷及其衍生物的构象
1890年，H. Sachse 沙赫斯对拜尔张力学说提出异议。 1918年，E. Mohr 莫尔提出非平面、无张力环学说。指出用碳 的四面体模型可以组成两种环己烷模型。获1969Nobel奖 (1) 环己烷椅型构象
环烷烃的燃烧热
• 1930年，用热力学方法研究张力能。 • 燃烧热：1mol纯烷烃完全燃烧生成CO2和水时放出的热。 • 每个 –CH2-的燃烧热应该是相同的，约为658.6KJ· mol-1。 环烷烃燃烧热的实测数据
(CH2)n n = 2烯烃 n=3 n=4 n=5 n=6 n=7
分子的 燃烧热
有机立体化学
1
基本信息
课程名称：有机立体化学 课程性质：专业任意性选修课程
学
学
时： 30
分： 2
授 课 人： 孙文彬，博士，副教授 硕士研究生导师（有机化学） 院 系：化学化工与材料学院
专
业：有机化学
办 公 室：化学实验楼513 Email：wenbinsun@
2
• 主要参考书 《立体化学》，叶秀林 2001，北京大学出版社 《有机立体化学导论》，宋毛平等译，化学工业出版社2007 《有机立体化学》第二版，陈宏博，袁云程编著，大连理工大 学出版社
C N
、偶氮 —N=N— 等含有双键
63
的化合物以及碳环化合物等.
64
若环上有不同取代基,则体积大的取代基连在 e键上的 构象最稳定.
60
烯烃的顺反异构现象(立体异构现象)
由于双键不能自由旋转 ,当双键的两个碳原子各连接不 同的原子或基团时, 会产生顺反异构。顺反异构又称为
几何异构，是立体异构的一种。
61
（1）顺反异构体的命名
顺反异构体命名时，常把两个双键碳原子上所连接的 两个相同或近似的基团在双键同一侧称为顺式，在双 键异侧称为反式。命名时在化合物的名称前加一顺 (cis-)或反(trans-)字表示.如：
26
1.乙烷的构象
乙烷分子中的碳碳单键可以自由旋转。在旋转过程中， 由于两个甲基上的氢原子的相对位置不断发生变化，可得到 无数种不同的构象。
但其中典型的构象有两种：一种是交叉式构象，在这种 构象中一个甲基上的氢原子正好处在另一个甲基的两个氢原 子之间的中线上；一种是重叠式构象，在这种构象中碳原子 上的氢彼此处于相互对映的位置。
内角60°
•弯曲键比一般的 键弱,并且具有较高的能量.
•这种因键角偏离正常键角而引起的张力叫角张力. •由于构象是重叠式而引起的张力叫扭转张力.
45
张力能
从现在的角度看，三员环的张力能是由以下几种因素造成的： 1 由于二个氢原子之间的距离小于范德华半径之和，所以产生 非键作用(non-bonding interaction)，造成内能升高； 2 轨道没有按轴向重迭，导致键长伸长或缩短，电子云重叠减少， 造成内能升高； 3 E是由于键角偏离平衡值引起的张力能（即角张力）。 4 E是由扭转角变化(全重叠构象)引起的（扭转张力）。
38
39
丁烷(C2-C3)不同构象的势能图
40
锯架透视式
纽曼投影式
41
张力学说 strain theory
1880年以前，只知道有五元环，六元环。 1883年，佩金 W.H.Perkin合成了三元环，四元环。 1885年，拜尔 A.Baeyer提出了张力学说。
张力学说提出的基础
•所有的碳都应有正四面体结构。 •碳原子成环后，所有成环的碳原子都处在同一平面上 （当环碳原子大于4时，这一点是不正确的）。
C C
109.5 。
C
105.5 。
C C
丙 烷 环丙烷
C
交盖较好
交盖较差
47
。 109.5 。 60 。 24 44'
随着环的扩大，张力
实际105o30’
90°
108°
环丁烷
环戊烷
基本上无张力
48
环的扭转张力
•构象是重叠式而引起的张力叫扭转张力.
环碳原子在同一个平面 扭转张力大
―蝴蝶”式构象
―信封式”构象
H 3C H CH 3 C C H H 3C H C C CH 3 反 -2-丁烯
H 顺-2-丁烯
★只要任何一个 双键碳原子 所连接的两个取代基是 相同的，就不存在顺反异构体。
62
如下列结构没有顺反异构
CH3CH2 H H H H CH3CH2 H H
顺反异构体，因几何形状（结构）不同，物 理性质不同。 ★具有顺反异构现象的除了烯烃外,常见的还包 括亚胺
H H 1 H H 2 3 6 H 5 H H 4 H
1
3 2 5 6 4
H H
透视式
直立键（a键）： 平伏键（e键）： 6个（3上、3下） 6个（3上、3下）
纽曼投影式 椅型构象无张力环51
(2) 环己烷船型构象
HH
1 2 3
4
1 H H 2 3 6 5 4 H H
6
5
HH HH
透视式
纽曼投影式
58
(2) 1,2-二甲基环己烷的构象
A、
CH3
CH3
顺, a,e
CH3
B、
CH3
反.a,a
C、
CH3 CH3
反.e,e
稳定性：C > A > B
59 若有多个取代基,往往是 e 键取代基最多的构象最稳定 .
(3) 顺-4-叔丁基环己醇构象
叔丁基在 e 键上的构象比在 a 键上的另一种构象 要稳定的多.