1、有机反应机理7.3 手性、潜手性与不对称合成 7.3.1 手性的概念7.3.3 潜手性与不对称合成的选择性7.3.2 潜手性及其标记有机反应机理7.3.1 手性的概念手性的定义若一物体或分子与其镜像不能重叠，则称该物体或分子具有手性有机反应机理自然界与生活中的手性现象有机反应机理有机反应机理有机反应机理分子的手性源于碳原子和一些杂原子的四面体结构手性中心产生手性H2NOHONH2O(S)-天冬酰胺苦味NH2HOONH2O(R)-天冬酰胺甜味有机反应机理某些可能产生手性中心的杂原子NPSO不能翻转的氮中心手性膦中心亚砜S锍盐NP季铵盐季l 盐有机反应机理因单键旋转受限产生手性COOHClH3CO
2、2NHOOCClCH3NO2Axial chiralityCHOTMSFeOHCTMSFePlanar chirality有机反应机理刚性环状结构产生手性DABCBCDAClClHHHHClCl有机反应机理手性异构体的命名对映体（enantiomers)Stereoisomers related to each other as nonsuperimposable mirror images are referred to as enantiomers有机反应机理Examples of enantiomersCH3C(S)BrClHH3CC(R)BrClHC(R)ClHH3CC(R)BrCH3
3、HC(S)BrH3CHC(S)ClHch3有机反应机理Except for the sign of their specific rotation,enantiomers have identical physical properties(m.p.,b.p.,energy,and so forth)C(R)BrHH3CC(S)ClHch3C(R)ClHH3CC(S)BrHCH3有机反应机理非对映体（diastereomers)Stereoisomers that are not mirror images are referred toas diastereomers有机反应机理Exampl
4、es of diastereomersC(R)BrHH3CC(S)ClHch3C(R)ClHH3CC(R)BrCH3HC(S)BrH3CHC(S)ClHch3C(R)ClHH3CC(S)BrHCH3有机反应机理Diastereomers have different physical properties(m.p.,b.p.,energy,and so forth)有机反应机理外消旋体(racemate)和内消旋体(meso compounds)Examples of racemateCH3C(S)BrClHH3CC(R)BrClH有机反应机理Examples of racemateC(S)B
5、rH3CHC(S)BrHCH3C(R)BrHH3CC(R)BrCH3H有机反应机理Examples ofmeso compoundsC(R)BrHH3CC(S)BrHch3C(S)BrH3CHC(R)BrCH3HMeso compounds are superimposable and are present as a single stereoisomer有机反应机理药物的手性与生物活性生物体的酶和细胞表面受体都是手性的，对映异构体在体内将被区别对待有机反应机理手性药物与受体的结合CXCXenantiomersreceptorBindingNo binding有机反应机理外消旋体药物在体内可
6、能产生以下几种情况两种手性异构体都有药效一种有药效，另一种无效一种有效，另一种有副作用有机反应机理NNNOH3CFOOHOCH3H左氧氟沙星（levofloxacin)NNNOH3CFOOHOHCH3左氧氟沙星的抗菌活性是外消旋体的左氧氟沙星的抗菌活性是外消旋体的2倍倍有机反应机理HOHNHOOHHOHNHOOH(R)-albuterol(S)-albuterol沙丁胺醇沙丁胺醇,支气管扩张药支气管扩张药R异构体活性较异构体活性较S异构体高异构体高80倍倍有机反应机理HOHNOHOHHOHNOHOH(R)-terbutaline(S)-terbutaline特布他林特布他林,支气管扩张药支气管
7、扩张药R异构体活性较异构体活性较S异构体高异构体高200倍倍有机反应机理COOHHOHOHH2NCOOHHOHOHH2N(S)-dopa,治疗帕金森病(R)-dopa，有毒有机反应机理OHNHCOCCl2OHO2NOHNHCOCCl2OHO2N(R,R)抗菌 氯酶素 （S,S)无活性有机反应机理NHHNEtOHEtHHOHEtNHHNOHEtHHOH(S,S)抗结核 乙胺丁醇 (R,R)致盲有机反应机理(S)-timolol(R)-timololNSNNOONHHOHNSNNOONHHOH噻吗心安噻吗心安-阻断剂阻断剂治疗青光眼治疗青光眼有机反应机理H2NOHONH2O(S)-天冬酰胺苦味NH
8、2HOONH2O(R)-天冬酰胺甜味有机反应机理NNHNFOMeOCOOHNNHNFOMeOCOOHGatifloxacin(盖替沙星），两种异构体活性相当盖替沙星），两种异构体活性相当有机反应机理7.3.2 潜（准）手性（Prochirality)及其标记一些分子本身无手性，但若将分子中非手性中心上看起来完全相同的两个原子或基团用一个新的原子或基团取代，就会使非手性中心转变为手性中心称这样的非手性中心为潜手性中心，这样的非手性分子为潜手性分子有机反应机理例如丙酸亚甲基上的两个氢CO2HCH3HaHb取代HbCO2HCH3HaHO(S)-(+)-乳酸取代HaCO2HCH3OHHb(R)-(-)
9、-乳酸准手性Hb：Pro-SHa：Pro-R有机反应机理对映异位和非对映异位潜手性中心上的两个原子或基团称为异位的原子或基团异位又分对映异位（enantiotopic)非对映异位（diasterotopic)有机反应机理对映异位的实例CO2HCH3HaHb取代HbCO2HCH3HaHO(S)-(+)-乳酸取代HaCO2HCH3OHHb(R)-(-)-乳酸对映体对映异位有机反应机理非对映异位的实例CH3CH3HbBrHaH取代HbCH3CH3ClBrHaHR，S取代HaCH3CH3HbBrClHR，R非对映体非对映异位有机反应机理平面分子的两个面也可能是异位的由羰基加成产生手性中心的实例，分子的
10、正面和背面是对映异位的OHCH3HCNFrontadd.HCH3OHNCRHCNRearadd.HCH3OHNCS对映体对映异位有机反应机理HCSMLOHCNFrontadd.HCOHNCSMLRHCNRearadd.SHCOHNCSML非对映体非对映异位有机反应机理异位面的标记OHCH3SiRe按三个原子或基团的优先次序顺时针排列为Re面，逆时针排列为Si面有机反应机理丙二酸衍生物在手性化合物二甲马钱子碱(Brucine）的作用下脱羧，生成一对互为对映体的产物，含量分别为55%和45%，说明这两个羧基是有区别的对映异位？非对映异位？CCO2HC2H5CO2HCH3Brucine-CO2CHH
11、3CCO2HC2H5+CCO2HC2H5H3CH(S)-(+)-55%(R)-(-)-45%有机反应机理7.3.3 潜手性与不对称合成的对映选择性根据潜手性的概念，可把不对称合成反应定义为不对称合成反应指的是一个潜手性化合物通过它的潜手性部分转变为手性，得到含有不等量的手性立体异构体混合物的反应有机反应机理不对称合成的选择性%100SRSRee对映体过量（ee%)有机反应机理实现不对称合成的条件由潜手性底物生成不同手性立体异构体的反应是平行反应TSRTSSPRPSRkRkS有机反应机理动力学控制条件下，产物的比例取决于生成不同手性立体异构体的速率常数之比RSPPRSkk有机反应机理若TSR和T
12、SS是对映体，则其自由能相同，由此生成的产物PR和PS量相等，反应没有选择性即经由对映异构过渡态的平行反应没有立体选择性 G q R PR+PS G TSR，TSS 有机反应机理例如，对映异位的乙醛与HCN的加成生成不同手性立体异构体的过渡态是对映体，无对映选择性OHCH3HCNLeftadd.HCH3ONCHCNRightadd.HCH3ONC对映体HCH3OHNCRHCH3OHNCS有机反应机理非对映异位的醛与HCN的加成生成不同手性立体异构体的过渡态则是非对映体，有对映选择性OHCSMLHCNLeftadd.HCONCSMLHCNRightadd.HCONCSML非对映体HCOHNCSM
13、LRHCOHNCSMLS有机反应机理天冬酰胺叔丁酯分子中3位碳上的两上氢在核磁共振谱图上化学位移不同，裂分成八重峰，为什么？321OCCHNNH2OOHHHH有机反应机理ONNH2OOHH2.26;2.373.481.401.401.407.386.851233.32(与水交换)有机反应机理结论对映异位底物在通常条件下反应不存在对映选择性实现对映异位底物的不对称合成需要提供手性环境，使生成不同立体异构体的过渡态成为非对映体非对映异位底物因分子中存在手性中心，生成不同立体异构体的过渡态为非对映体，在任何条件下反应都可能存在对映选择性有机反应机理手性环境包括手性底物（非对映异位底物）手性试剂或手性
14、辅助剂手性催化剂（不对称催化）有机反应机理不对称催化的重要性和发展趋势不对称催化是效率最高的不对称合成反应早期的不对称催化主要应用过渡金属配合物催化剂手性有机小分子催化剂是今后的发展方向有机反应机理7.4.1 旋光性与分子构型 旋光性是手性分子所具有的典型特征一定波长的一束平面偏振光通过手性化合物时，偏振面就会发生旋转，以旋光率或摩尔旋光度M表示旋转的程度7.4 手性分子构型与实验方法有机反应机理手性分子具有旋光性的原因至今还不十分清楚长期以来，化学家们总结出了一些结构与旋光性关系的经验规则如Vant Hoff旋光性叠加规则(1893)Freudenberg衍生物旋光性位移规则(1930年)等
15、Brewster规则有机反应机理Brewster规则 Brewster提出了由原子和基团的极化度或折射率来预测分子旋光性的规则利用这一规则，不仅可由分子的结构预测其旋光性，也可由实验测定的旋光性来判断分子的构型有机反应机理CADCB*根据Brewster规则，对于开链的手性化合物可按以下步骤判断其旋光性有机反应机理(1)找出极化度小的基团(设其为D)(2)从基团D的背面，沿*CD的方向观察分子，如果从极化度最大的基团至最小的基团为顺时针，则分子为右旋，否则为左旋有机反应机理(3)A，B，C，D四个基团极化度之差越大，摩尔旋光度就越大若A、B、C、D四个基团中有一个或几个在紫外区有吸收，则由于电
16、子从束缚较大的HOMO跃迁到束缚较小的LUMO，极化度之差变大，旋光度绝对值增加有机反应机理(4)计算极化度大小时，可用原子折射值(RD)代替一些原子和基团的原子折射值顺序为：I Br HgBr HgCl SH Cl CCR CN CH=CR2 C6H5 CHO COOH COR CH3 CH2R NH2 OH H D F有机反应机理例：判断下列化合物的旋光方向 C6H5ClCO2HH42极化度最小的基团为H，从远离H的方向观察分子时，基团极化度减小的顺序和变化的方向如下Cl C6H5 CO2H，顺时针方向，故为右旋，实验值D=327(苯)有机反应机理HC6H5COC2H5CH343C6H5
17、COC2H5 CH3，顺时针方向，故为右旋，实验值D=1220o(甲苯)有机反应机理C6H5COCH3HCH344C6H5 COCH3 CH3，顺时针方向，故为右旋，实验值D=1360o(甲苯)有机反应机理C6H5 COCH3 CH2CH3，顺时针方向，故为右旋，实验值D=1160o(甲苯)C6H5COCH3HC2H545有机反应机理应用Brewster规则时的注意事项如果手性碳原子上有可以形成氢键的基团，由于氢键的缔合作用形成环状结构，实际的旋光方向与判别的可能相反含两个手性碳原子的化合物，也可用Brewster规则预测旋光性,把极化度差别大的手性碳称为优势手性碳,分子的旋光方向由优势手性碳
18、的旋光方向决定有机反应机理7.4.2 旋光谱和圆二色光谱 LRnn手性化合物具有旋光性是因为组成平面偏振光的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光在由手性化合物组成的介质中传播时，折射率不同有机反应机理由此造成左旋圆偏振光和右旋圆振光传播速度不同，导致平面偏振光的偏振面发生旋转旋转的程度可用下式计算式中为旋转角；为平面偏振光的波长；nL和nR为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的折射率()LRnn有机反应机理由上式可见，旋转角不仅与折射率差有关，还与平面偏振光的波长有关折射率差越大，波长越短，旋转角的绝对值越大有机反应机理测定不同波长时的旋转角，以旋光率或摩尔旋光度M为纵坐标，以波长为横坐标作图，可以得到一条实验
19、曲线，即为旋光谱的谱线旋光谱也称旋光色散(Optical Rotatory Dispersion)，简称ORD有机反应机理C8H17C8H17C8H1751（胆甾-4-烯）52（胆甾-5-烯）53（胆甾-6-烯）由于手性化合物的结构各不相同，旋光谱的谱线形状也不相同一般说来，如果手性化合物为简单的烃类，没有可产生紫外吸收的官能团，将得到平坦的旋光谱线。例如化合物51、52和53的旋光谱线有机反应机理 3 2 1 0-1-2-3-4-5 300 400 500 600 700/nm 有机反应机理51的旋光谱线由长波向短波的方向呈上升趋势，称为正性谱线52、53的旋光谱线由长波向短波方向呈下降趋势
20、，称为负性谱线有机反应机理Cotton效应 含有羰基等在紫外区有吸收的官能团的手性化合物称此为Cotton效应对应于紫外吸收的波长处，电子将从束缚大的HOMO轨道(非键轨道n)跃迁到束缚小的LUMO轨道(轨道)使基团之间的极化度之差变大，旋光率急剧增加，旋光谱线出现陡峭上升或下降的区段有机反应机理C8H17OHC8H17OAcOH5455下图是化合物54(5-胆甾烷-3-酮)和55(3-乙酰氧基-5-胆甾烷-7-酮)的旋光谱，前者呈现正的Cotton效应，后者呈现负的Cotton效应有机反应机理 54 55 6 4 2 0-2-4-6-8-10 300 400 500 600 /nm 8 10
21、 有机反应机理圆二色光谱 LR组成平面偏振光的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过手性化合物时，不仅传播速度不同，吸收系数也不相等其差记作，称为吸收系数差有机反应机理这种现象称作圆二色性(circular dichroism)，简称CD。如果以为横坐标，以 为纵坐标，将得到一条谱线，称作圆二色光谱有机反应机理如果样品化合物在所研究的波长范围(250nm700nm)内没有特征吸收,的变化就比较小，圆二色光谱的谱线为一条水平的直线，对结构鉴定意义不大如果样品化合物在所研究的波长范围内有特征吸收，在旋光谱中出现Cotton效应的谱形，在相应波长处 的绝对值将会有较大的变化，给出有特征性的圆二色光谱，由此也
22、可识别是否存在Cotton效应有机反应机理 水中 异辛烷中 0 210 300/nm 下图是(一)薄荷酮在水和异辛烷中的圆二色光谱图由图可见，在极性的水溶液中呈现正的Cotton效应，而在非极性的异辛烷中则呈现负的Cotton效应有机反应机理OO56a56b不同的Cotton效应对应于(一)薄荷酮的两种构象在水中56a为优势构象，因而呈现正的Cotton效应，异辛烷中，56b为优势构象，因而呈现负的Cotton效应(见7.4.3节)有机反应机理7.4.3 ORD谱和CD谱在饱和环酮结构分析中的应用 研究ORD谱和CD谱也和其它谱波方法一样，是通过一系列化合物的研究，比较谱线的形状，特别是Cot
23、ton效应的正负号，从中总结出规律，用于鉴定化合物的空间结构有机反应机理八区律 通过对环酮（特别是甾酮）Cotton效应的研究，发现了很多重要的规律。例如：对映体的Cotteon效应互相对映，不对称中心离发色团越近，影响越大等在这些规律中，最著名的是“八区律”，根据这一规律，可以由实验测定的谱线推测样品的结构，也可由化合物的结构推测Cotton效应的正负号有机反应机理OACB123456八区律用三个平面将环己酮衍生物分成八个区，如图18所示有机反应机理图中平面A是通过C1和C4且与羰基平面垂直的平面，将分子分成左右两部分平面B是与羰基平面重合且通过C2和C6的平面，将分子分成上下两部分平面C是
24、垂直于平面A并分割羰基的平面，将分子分成前后两部分有机反应机理环己酮衍生物Cotton效应的符号与分子中取代基所处的区域有关，具体判别的规则如下后四区AB前四区ABCOACB123456有机反应机理规则说明位于平面A和平面B内的取代基对Cotton效应的影响很小，可以忽略不计，包括C4上的所有取代基和C2及C6上平伏式取代基由于羰基碳原子为sp2杂化，键角为120，呈平面结构，所以环己酮衍生物分子中的基团一般都处在后四区，判断环己酮衍生物Cotton效应的符号时，一般只需考虑位于后四区内的基团有机反应机理思考题OO56a56b根据八区律判断(一)薄荷酮两种构象Cotton效应的符号有机反应机理
25、分析CH3OCH(CH3)2BA4325656a甲基位于左上区，正Cotton效应O1234561有机反应机理654321OA4325656b基团位于右上区和左下区，负Cotton效应CH3BO1CH(CH3)2有机反应机理习题99.1 判断下列化合物的旋光方向CO2HC6H5BrHNCC6H5OHHHCH2CH2CH3C6H5CH2OH有机反应机理9.2 环庚酮有船式和椅式两种构象。实验发现，(+)-3-甲基环庚酮呈现负的Cotton效应。试推测环庚酮的优势构象。OH3CHOCH3H椅式船式有机反应机理9.3 预测下列化合物Cotton效应的符号OHOHCH3CH3OCH3O1234有机反应机理9.4 估算下列构象转化反应的平衡常数H3CCH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3
