高中化學競賽參考 第十六講 立體化學課件.ppt

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高中化學競賽 第十六講立體化學 競賽基本要求 1 有機立體化學基本概念 2 構型與構象 3 順反異構 trans cis 和Z E 構型 4 手性異構 5 endo 和exo 6 D L構型 知識點擊 從三維空間結構研究分子的立體結構 及其立體結構對其物理性質和化學性質的影響的科學叫立體化學 一 異構體的分類同分異構現(xiàn)象分為兩大類 一類是由于分子中原子或原子團的連接次序不同而產生的異構 稱為構造異構 構造異構包括碳鏈異構 官能團異構 位置異構及互變異構等 另一類是由于分子中原子或原子團在空間的排列位置不同而引起的異構 稱為立體異構 立體異構包括順反異構 對映異構和構象異構 二 立體異構 一 順反異構分子中存在雙鍵或環(huán)等限制旋轉的因素 使分子中某些原子或基團在空間位置不同 產生順反異構現(xiàn)象 雙鍵可以是C C C N N N 雙鍵產生順反異構體的條件是雙鍵兩端每個原子所連二基團或原子不同 但順反異構體的兩個雙鍵碳原子上沒有兩個相同的取代基用這種命名法就無能為力 系統(tǒng)命名法規(guī)定將雙鍵碳鏈上連接的取代基按次序規(guī)則的順序比較 高序位基在雙鍵同側的稱Z型 反之稱E型 如上化合物按此規(guī)定應為E型 命名為E 4 甲基 3 已基 2 戊烯 所謂 次序規(guī)則 就是把各種取代基按先后次序排列的規(guī)則 1 原子序數大的優(yōu)先 如I Br Cl S P F O N C H 未共用電子對為最小 2 同位素質量數大的優(yōu)先 如D H 3 二個基團中第一個原子相同時 依次比較第二 第三個原子 4 重鍵 如 分別可看作 5 當取代基的結構完全相同 只是構型不同時 則R S Z E 常見基團排序如下 I Br Cl SO2R SOR SR SH F RCOO OR OH NO2 NR2 NHCOR NHR NH2 CCl3 COCl COOR COOH RCO CHO CR2OH CHROH CH2OH C6H5 C CH CR3 CH CH2 CHR2 CH2R CH3 D H 未公用電子對按次序規(guī)則可以對下列化合物進行標記 2Z 4E 庚二烯 對于環(huán)狀化合物 由于環(huán)的存在阻止了碳碳單鍵的自由旋轉 所以也有順反異構體 二 對映異構1 分子的對稱性 手性與旋光性 1 分子對稱因素 對稱因素可是一個點 一個軸或一個面 對稱面 把分子分成互為實物和鏡像關系兩半的假想平面 稱為對稱面 對稱中心 分子中任意原子或原子團與P點連線的延長線上等距離處 仍是相同的原子或原子團時 P點就稱為對稱中心 凡具有對稱面或對稱中心任何一種對稱因素的分子 稱為對稱分子 凡不具有任何對稱因素的分子 稱為不對稱分子 2 分子的手性和旋光性 判斷一個化合物是不是手性分子 一般可考查它是否有對稱面或對稱中心等對稱因素 而判斷一個化合物是否有旋光性 則要看該化合物是否是手性分子 如果是手性分子 則該化合物一定有旋光性 如果是非手性分子 則沒有旋光性 所以化合物分子的手性是產生旋光性的充分和必要的條件 2 含一個手性碳原子的化合物 1 對映異構體當分子中只含一個手性碳原子時 這個分子就一定有手性 如乳酸分子 其第二個碳原子上連有 OH COOH CH3和 H四個不相同原子或原子團 即含有手性碳原子 一般用C 表示 故乳酸有手性 其分子模型可表示如下 像乳酸分子這樣存在構造相同 但構型不同 彼此互為實物和鏡像關系 相互對映而不能完全重合的現(xiàn)象 叫做對映異構體 乳酸和 乳酸是互為鏡像關系的異構體 稱對映異構體 簡稱對映體 因其對映體的旋光性不同 因此又稱旋光性異構體或光學異構體 在實驗室合成乳酸時 得到的是等量的左旋體和右旋體混合物 這種由等量的對映體所組成的混合物稱為外消旋體 因這兩種組分比旋光度相同 旋光方向相反 所以旋光性正好互相抵消不顯旋光性 2 費歇爾投影式因對映異構屬于構型異構 分子的構型最好用分子模型或立體結構式表示 但書寫時相當不方便 一般用費歇爾投影式表示 其投影規(guī)則如下 一般將分子中含有碳原子的基團放在豎線相連的位置上 把命名時編號最小的碳原子放在上端 然后把這樣固定下來的分子模型投影到紙平面上 這樣將手性碳原子投影到紙面上 把分子模型中指向平面前方的兩個原子或原子團投影到橫線上 把指向平面后方的兩個原子或原子團投影到豎線上 有時手性碳原子可略去不寫 例如 由此可見 含一個手性碳原子的分子的費歇爾投影式是一個十字交叉的平面式 它所代表的分子構型是 十字交叉點處是手性碳原子 在紙面上 以豎線和手性碳原子相連的上 下兩個原子或原子團位于紙平面的后方 以橫線和手性碳原子相連的左右兩個基團位于紙平面的前方 但是 由于同一個分子模型擺放位置可以是多種多樣 所以投影后得到的費歇爾投影式也有多個 費歇爾投影式必須遵守下述規(guī)律 才能保持構型不變 投影式中手性碳原子上任何兩個原子或原子團的位置 經過兩次或偶數次交換后構型不變 如投影式不離開紙平面旋轉180度 則構型不變 投影式中一個基團不動 其余三個按順時針或逆時針方向旋轉 構型不變 反之 如基團隨意變動位置 則構型可能發(fā)生變化 3 構型的標示方法兩種不同的構型的對映異構體 可用分子模型 立體結構式或費歇爾投影式來表示 這些表示法只能一個代表左旋體 一個代表右旋體 不能確定兩個構型中哪個是左旋體 哪個是右旋體 因旋光儀只能測定旋光度和旋光方向 不能確定手性碳原子上所連接基團在空間的真實排列情況 下面介紹兩種構型的標示方法 D L標示法該法是一種相對構型表示法 是人為規(guī)定的 該法選擇甘油醛作為標準 規(guī)定 甘油醛為D構型 其對映體 甘油醛為L構型 D 甘油醛L 甘油醛 然后將其它分子的對映異構體與標準甘油醛通過各種直接或間接的方式相聯(lián)系 來確定其構型 例如下列化合物都是D構型 D 甘油酸D 異絲氨酸D 乳酸 D L構型標示法有一定的局限性 它一般只能標示含一個手性碳原子的構型 由于長期習慣 糖類和氨基酸類化合物 目前仍沿用D L構型的標示方法 R S標示法R S構型標示的方法 是1970年由國際純粹和應用化學聯(lián)合會建議采用的 它是基于手性碳原子的實際構型進行標示 因此是絕對構型 其方法是 按次序規(guī)則 對手性碳原子上連接的四個不同原子或原子團 按優(yōu)先次序由大到小排列為a b c d 然后將最小的d擺在離觀察者最遠的位置 最后繞a b c劃圓 如果為順時針方向 則該手性碳原子為R構型 如果為逆時針方向 則該手性碳原子為S構型 對于費歇爾投影式 直接按照a b c劃圓方向標示R S構型的規(guī)律是 當最小的基團在橫線上時 如果a b c劃圓方向是順時針 為S構型 是逆時針為R構型 當最小基團在豎線上時 如果a b c劃圓方向是順時針 為R構型 是逆時針 為S構型 R 甘油醛R 乳酸S 2 氯丁烷 S 2 氨基苯乙酸S 2 氨基 3 巰基丙酸R 2 氯 1 丙醇 值得注意的是 D L構型和R S構型之間并沒有必然的對應關系 例如D 甘油醛和D 2 溴甘油醛 如用R S標示法 前者為R構型 后者卻為S構型 此外 化合物的構型和旋光方向也沒有內在的聯(lián)系 例如D 甘油醛和D 乳酸 因構型和旋光方向是兩個不同的概念 構型是表示手性碳原子上四個不同的原子或原子團在空間的排列方式 而旋光方向是指旋光物質使偏振光振動方向旋轉的方向 3 含兩個手性碳原子的化合物 1 含兩個不相同手性碳原子的化合物2 3 4 三羥基丁醛 分子中具有兩個不相同的手性碳原子 2號位手性碳原子連接的4個原子或基團分別是 OH CHO CH OH CH2OH H 而3號位手性碳原子連接的4個原子或基團分別是 OH CH OH CHO CH2OH H 這是兩個不同的手性碳原子 由于每一個手性碳原子有兩種構型 因此該化合物應有4種構型 它們的4個光學異構體的費歇爾投影式表示如下 D 赤蘚糖L 赤蘚糖D 蘇阿糖L 蘇阿糖 2R 3R 赤蘚糖 2S 3S 赤蘚糖 2S 3R 蘇阿糖 2R 3S 蘇阿糖 由上可知 含一個手性碳原子的化合物 有兩個光學異構體 含兩個不相同手性碳原子的化合物 有4個光學異構體 依此類推 含有n個不相同手性碳原子化合物的光學異構體的數目應為2n個 組成對映體的數目則有2n 1對 含兩個手性碳原子的光學異構的構型 通常是用R S構型標示方法 分別表示出手性碳原子的構型 對于費歇爾投影式 可直接按a b c劃圓方向 標示手性碳原子的R S構型 例如 2R 3S2S 3R2S 3S2R 3R 2 含兩個相同手性碳原子的化合物2 3 二羥基丁二酸 灑石酸 因第三碳原子和第二碳原子上連接的4個原子或基團 都是 OH COOH CH OH COOH H 所以灑石酸是含兩個相同手性碳原子的化合物 它和含兩個不相同手性碳原子的四碳糖不同 只有三種構型 因其中赤型特征的分子 有對稱面和對稱中心 這兩個手性碳原子所連接基團相同 但構型正好相反 因而它們引起的旋光度大小相等 方向相反 恰好在分子內部抵消 所以不顯旋光性 D 酒石酸L 酒石酸meso 酒石酸2S 3S2R 3R2R 3S 像這種分子中雖有手性碳原子 但因有對稱因素而使旋光性在內部抵消 成為不旋光的物質 稱為內消旋體 內消旋體和對映體的純左旋體或右旋體互為非對映體 所以內消旋體和左旋體或右旋體 除旋光性不同外 其它物理性質和化學性質都不相同 由此可見 分子中有無手性碳原子不是判斷分子有無旋光性的絕對依據 分子有旋光性的絕對依據是其具有手性 有些化合物 雖然不含有手性碳原子 但由于它有手性 也可以是光學活性物質 內消旋體和外消旋體是兩個不同的概念 雖然兩者都不顯旋光性 但前者是純凈化合物 后者是等量對映體的混合物 它可以用化學方法或其它方法分離成純凈的左旋體和右旋體 三 構象異構由于原子或基團繞鍵軸旋轉 引起碳原子上所結合的不同原子或基團的相對位置發(fā)生改變而產生若干種不同的空間排列方式 稱為構象 描述構象 一般用紐曼投影式表示 它是選取分子中兩個相連的原子 通過其連線對分子進行投影所得的 如乙烷的典型構象有 正丁烷分子中 有三個C C 鍵可以旋轉 若選擇C2 C3單鍵旋轉 可產生四個極限構象 四種極限構象的穩(wěn)定性次序為 全交叉式 斜交叉式 部分交叉式 全重疊式 但它們之間的位能相差不大 常溫時可以相互轉變 達到動態(tài)平衡 環(huán)已烷也存在椅式和船式兩種構象 在環(huán)已烷的構象中 最穩(wěn)定的構象是椅式構象 在椅式構象中 所有鍵角都接近正四面體鍵角 所有相鄰兩個碳原子上所連接的氫原子都處于交叉式構象 環(huán)已烷的船式構象比椅式構象能量高 因為在船式構象中存在著全重疊式構象 氫原子之間斥力比較大 另外船式構象中船頭兩個氫原子相距較近 約183pm 小于它們的范德華半徑之和240pm 所以非鍵斥力較大 造成船式能量高 在環(huán)已烷的椅式構象中 12個碳氫鍵分為兩種情況 一種是6個碳氫鍵與環(huán)已烷分子的對稱軸平行 稱為直鍵 簡稱a鍵 另一種是6個碳氫鍵與對稱軸成109度的夾角 稱為平鍵 簡稱e鍵 環(huán)已烷的6個a鍵中 3個向上3個向下交替排列 6個e鍵中 3個向上斜伸 3個向下斜伸交替排列 在環(huán)已烷分子中 每個碳原子上都有一個a鍵和一個e鍵 兩個環(huán)已烷椅式構象相互轉變時 a鍵和e鍵也同時轉變 即a鍵變?yōu)閑鍵 e鍵變?yōu)閍鍵 環(huán)已烷的一元取代物有兩種可能構象 取代a鍵或是取代e鍵 由于取代a鍵所引起的非鍵斥力較大 分子內能較高 所以取代e鍵比較穩(wěn)定 甲基環(huán)已烷的優(yōu)勢構象為 當環(huán)已烷分子中有兩個或兩個以上氫原子被取代時 在進行構象分析時 還要考慮順反構型問題 但就能量而言 不論兩個取代基相對位置如何 1 2位 1 3位或1 4位 取代基連在e鍵上總是能量最低 二元取代物有反 1 2 順 1 3 和反1 4 三種具有穩(wěn)定構象的順 反異構體 二甲基環(huán)已烷優(yōu)勢構象 根據構象分析得知 當環(huán)上有不同取代基時 基團最大的取代基連在e鍵上最穩(wěn)定 這種構象屬于優(yōu)勢構象 對多取代基的環(huán)已烷 e鍵上連的取代基越多越穩(wěn)定 所以e鍵上取代基最多的構象是它的優(yōu)勢構象 特別提醒 例題1 指出下列化合物哪些具有旋光性 分析 分子的手性特征是其具有旋光性的充分和必要條件 此題主要是判斷分子是否具有手性 1 含有一個C 含有一個C 的化合物一定具有旋光性 3 盡管不含C 但每個苯環(huán)的鄰位上有兩個體積較大的基團存在 因而阻礙了連接兩個苯環(huán)的單鍵的自由旋轉 使整個分子沒有對稱面和對稱中心 故是一個手性分子 具有旋光性 5 6 中兩個雙鍵 或兩個環(huán) 所在平面相互垂直 整個分子沒有對稱面和對稱中心 因此是手性分子 具有旋光性 解析 1 3 5 6 具有旋光性 例題2 寫出下列化合物的立體異構 并指出異構體之間的關系 順反異構 對映異構 非對映異構 1 1 3 二甲基環(huán)已烷 2 1 4 二甲基環(huán)已烷 3 3 氯 1 戊烯 4 4 氯 2 戊烯 分析 先寫出順反異構體 再判斷各異構體是否具有手性 有手性的分子存在對映體 解析 1 因順式結構中存在對稱面 所以分子不具有手性 而反式異構體不存在對稱面或對稱中心 所以具有手性 故它存在對映異構體 所以共可寫出三個立體異構 其中 與 是順反異構 與 是對映異構 2 與 是順反異構 順 反異構體都存在對稱面 故分子無手性 不存在對映體 3 與 是對映異構 4 與 與 是對映異構 與 與 是順反異構 與 與 是非對映異構 例題3 確定下面化合物的名稱 分析 C2部分優(yōu)先次序 C3部分 解析 2S 3R 2 羥基 3 甲基丁二酸 C3部分優(yōu)先次序 例題4 寫出1 2 二甲基環(huán)乙烯與HBr反應的產物 并標出分子中手性碳原子的構型 分析 環(huán)狀烯烴由于環(huán)的限制 雙鍵上的兩個甲基只能以順式與之相連 因此這就規(guī)定了反應物的構型 因而也就限定了產物 解析 產物互為對應異構 并組成一組外消旋體 例題5 試分析為什么1 2一二甲基環(huán)己烷較穩(wěn)定的異構體為反式 1 3一二甲基環(huán)己烷較穩(wěn)定的構象為順式 1 4一二甲基環(huán)己烷較穩(wěn)定的構象為反式 解析 環(huán)己烷的構象 椅式 可知無論是1 2 二甲基環(huán)己烷 1 3 二甲基環(huán)己烷還是1 4 二甲基環(huán)己烷 均有順 反式兩種不同的結構 很明顯 反 1 2 順 1 3 和反 1 4 異構體的構象為aa型 環(huán)翻轉之后變?yōu)閑e型 因此是它們各自的穩(wěn)定構象 例題6 化合物A 分子式為C8H12 有旋光性 催化加氫后得B 分子式為C8H18 旋光性消失 A在液氨與金屬鈉的作用下生成C 分子式為C8H14 在Lindlar催化劑作用下氫化 生成D 分子式亦為C8H14 請給出A B C D的結構式及各步反應 分析 由A和B的分子式及氫化前后旋光性的變化 可推知A分子中必然有 C碳且兩個基團的飽和性不同 而碳架相同 因此 A的可能結構有 但由于A分別在不同情況下部分氫化將得到兩種產物的實驗事實說明 其結構不可能是A2和A3 因為它們?yōu)槎巳?部分氫化后無順 反之區(qū)別 因而也不可能出現(xiàn)C和D兩種產物 因此 A的可能結構為A1 解析 例題7 1964年Eaton和Cole報道了一種稱為立方烷的化合物 它的分子式為C8H8 核磁共振譜表明其中的碳原子和氫原子的化學環(huán)境均無差別 若用四個重氫 氘 原子取代氫原子而保持碳架不變 則得到的四氘立方烷C8H4D4有異構體 1 用簡圖畫C8H4D4的所有立體異構體 并用編號法表明是如何得出這些異構體的 給出異構體的總數 2 常見的烷的異構體通常有幾種類型 畫出的異構體是否都屬于同種類型 3 用五個氘原子取代立方烷分子里的氫原子得到五氘立方烷C8H3D5 其異構體有多少個 分析 根據立方烷的分子式C8H8及核磁共振譜 表明碳原子和氫原子的化學環(huán)境是相同的 若用四個重氫 氘 原子取代氫原子 則其結構構造的結果 有7種異構體 同理 C8H3D5有3種異構體 解析 1 C8H4D4有7個異構體 如圖1 2 有構造異構體 構型異構體 烷只有對映體而無順反異構體 和構象異構體 其中 屬對映異構體 其余均屬非對映異構體 3 C8H3D5有3個異構體 如圖2 其中 有對映異構體 例題8 薄荷醇是一種香料 結構如右圖 它具有特殊的香氣和口含有涼爽之感 廣泛用于化妝品工業(yè) 食品工業(yè)和醫(yī)藥工業(yè)中 該結構有立體異構 異構體之間在香氣強度 類型和涼爽作用上存在差別 因此 對其異構體的研究在理論上和實踐上均有重要意義 1 用構型式表示具有上述結構的所有可能的立體異構體的構型 2 這些構型式中哪些互為對映體 寫出這些對映體中左旋體 右旋體 外消旋體以及內消旋體的數目 3 寫出各個構型式中手性碳原子的R S構型 4 選用船型或椅型構象式表示各個順反異構體的穩(wěn)定構象 5 在第 4 問中 最穩(wěn)定的構象是哪一個 它的脫水產物是單一產物還是混合物 試用構象式說明這個變化過程 產物不要求寫出構象式 只寫結構式即可 分析 1 薄荷醇有3個手性碳原子 有23 8 種 立體異構體 2 有4對對映體 實物和鏡像部不能完全重疊的2個立體異構體 互為對映異構體 每對對映體中 有1個左旋體 1個右旋體 等量左旋體和右旋體混合就組成外消旋體 如分子內含有相同的手性碳原子 分子的兩個半部互為物體和鏡像關系 即為內消旋體 3 標記構型的方法可用R S來標識 根據 次序規(guī)則 比較與手性碳原子相連的4個基團的大小進行判斷 4 在構象異構體中 通常椅式比船式穩(wěn)定 而在椅式構象中 e 取代基最多的構象為穩(wěn)定構象 有不同的取代基時 大的取代基在e鍵的構象最穩(wěn)定 在椅式構象中發(fā)生消去反應時 一般是處在反式共平面 a a鍵 的兩個基團易被消去 故最穩(wěn)定構象的脫水反應產物是單一的 解析 1 8種立體異構體的構型式 2 互為對映體的是 與 與 與 與 4個左旋 4個右旋 4個外消旋體 無內消旋體 3 以羥基 異丙基 甲基的順序寫R S構型如下 SRS RSR SRR RSS RRS SSR RRR SSS 4 5 構象 最穩(wěn)定