立体化学原理3.docx

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立体化学原理3

Chemistry,SectionE:

FundamentalsofStereochemistry”

图A2.12常见含不对称碳原子有机物的立体表示和符号

Cahn-Ingold-Prelog系统称为序列规则程序（SequenceRuleProcedure），把结构的手性（特别是不对称碳原子Ca,b,c,d与符号R和S联系了起来。

取代基指定优先次序，约定为（见图A2.13）：

1.四面体原子Xa,b,c,d的取代基按精确次序规则根据优先次序（称为precedence或priorityorder）排列。

如最先者为a，次之为b，然后为c，最后为d，则次序表示为a>b>c>d；

2.取代基这样排列：

三个最优先的a,b,c放在面对观察者的空间，次序最后者d置于前三个所成面的后面，远离观察者；

3.观察者从最优先基团a开始，经第二优先b至第三优先c，如为顺时针轨迹，则四面体不对称基团Xa,b,c,d的手性为R（源于拉丁语，rectus，右）相反情况为S（源于位丁语的sinister，左）。

现在解释一下顺序规则。

由许多细规则所组成，必须按严格的顺序直至得到确定的结果：

（1）基团的优先性由直接与手性碳原子直接相连的原子序数来确定：

原子序数较大者优先。

在1-溴-1-氯乙烷中优先次序为Br>Cl>CH3>H（见结构式50，图A2.13）。

（2）如果所涉及的两个或多个原子具相同原子序数，就考察这些原子上所连取代基，从而确定其优先次序。

图A2.13为一些简单例子：

优先次序的决定一般仅涉及两个取代基之间的选择；所用的方法和标准也可用于涉及三个或四个取代基的不确定情形。

正丁醇51中，OH>CH3，CH2CH3>H；甲基和乙基之间选择应该CH2CH3优先：

因为甲基碳原子有三个氢原子，C（H,H,H），而乙基中所要讨论的碳原子与一碳原子和两氢原子相连，C（C>H,H）。

同样的道理，1,2-丁二醇（52）中的优先次序为：

OH>C（O>H,H）>C（C>H,H）>H，对于1,2,3-三丁醇53中不对称C—2而言，在比较第二层次中C，C取代基后可推断OH>C（O>C>H>>）》C（O>H,H）。

因为第一优先次序上存在两个基团中有同一原子序数的原子（即氧原子）。

（3）当比较时涉及配位数小于4的原子时，比如具双键（sp2）或三键（sp）的碳原子，或者杂原子如N、O、S等，必须把配体数升至4：

（a）通过对多重键的复制（成对，如54→55，56→57；成三，如58→59，60→61）；（b）对杂原子通过加虚拟原子E，原子序数为0（见62→63）。

这些虚似原子（ghostatom）常相应于孤对电子，自然在优先次序中列入最末位置（见表A2.8）。

虚拟原子概念的引入使得对于手性中心，如Xa,b,c具锥体几何（X=C-,N,P,S等）的命名可采用R，S系统。

所以这些中心成为Xa,b,c,d,d=E。

上述优先原则使两甘油醛38a和39（也见64）以及戊-1-烯-3醇（65）可被指定。

（4）当缺乏第二级取代时（即取代基与手性中心X由双键所分离），则考虑第三级取代基，依次类推。

图A2.13给出了甘油单甲醚66和3-羟基-4-甲基-戊-1-烯67的例子，表A2.8以优先次序增加方式列出了有机分子中主要的基团。

图A2.13不对称四面体中心的R—S命名及序列规则的使用

图A2.13不对称四面体中心的R—S命名及序列规则的使用（续1）

图A2.13不对称四面体中心的R—S命名及序列规则的使用（续2）

表A2.8根据次序规则以优先增加的方式列出的有机分子中主要基团和原子

1.虚似原子

15.环己基

29.甲氧基

2.H

16.t–C4H9

30.苯氧基

3.D

17.异丙烯基

31.糖氧基

4.T

18.乙炔基

32.甲酰氧基

5.CH3

19.苯基

33.乙酰氧基

6.CH2CH3

20.甲醛基

34.苯甲酰氧基

7.n–C3H7

21.乙酰基

35.氟

8.n–C4H9

22.苯甲酰基

36.巯基（—SH）

9.iso–C4H9

23.羟基

37．甲硫基（CH3S—）

10.烯丙基

24.氨基

38．磺酰基（—SO3H）

11.苄基

25.甲氨基

39．氯

12.iso–C3H7

26.乙酰基

40．溴

13.乙烯基

27.二甲基氨基

41．碘

14.sec–C4H9

28.羟基

前面所述的仅涉及配体“组成”差异，配体还可因立体和同位素不同而不同。

（5）大质量同位素优先于小质量同位素。

此规则在生物合成研究中很重要，因为常使用氘和氚专一性标记的化合物（T>D>H，见图A2.13）。

对于立体差别的配体比较复杂，这里仅讨论X（+a）,（-a）,b,c体系，（+a）和（-a）为两对映基团（以分离的单元考虑时），（R）-a优先（S）-a，前缀（r）和（s）则用于假不对称X，而不使用前缀（R）和（S）。

化合物名称前使用前缀可以明确表明化合物本身的立体化学。

对于含不对称碳原子的化合物，用（+）和（-）表明光学活性，前缀如2R，3S，5R之类来分别表明C—2、C—3、和C—5的绝对构型。

消旋体常用前缀（±）表示，比过去使用的d,l要好些。

如果由两已知构型的对映体组成的化合物，比如其中一个为2R，3S，5R，则习惯以符号2RS，3SR，5RS来表示此混合物。

上面讨论了含有不对称碳原子的构型的命名及符号，然而化合物咳由于其它因素成为手性分子，如轴手性（axialchirality）。

在丙二烯型化合物中，沿两双键方向的轴称为手性轴（chiralityaxis）。

这类化合物的手性命名是这样进行的：

这种化合物可以当成拉长了的四面体（从轴方向观察），上面两个取代基放在纸的平面上，下面两取代基垂直于纸平面，氢原子向前，我们以图中左边的化合物为例，为了简化去掉双键，从H到H和H到Cl的实线为四面体面向读者的四面体棱，虚线为另外的棱，先确定观察方向1两原子的优先次序，按CIP规则，下方后面的Cl优先，即Cl>H（a>b），剩余两配体同样按CIP规则，右边的Cl优先左边的H，即Cl>h（c>d）。

我们从最小优先的配体d反方向即观察方向2来观察，我们面对的三角形面中a>b>c，从而为顺时针方向，所以此化合物为（Ra）-1，3-二氯丙二烯，下标a表示轴手性。

我们是从轴的下方观察的，如果从上方观察，此结果并不改变，也就是观察方向1从上或从下并不影响指定结果。

联苯和联萘也可能存在轴手性，如果联接两芳环键旁各环上取代基不相同时，这是由于这两芳环不处于同一平面，而绕联接两芳环的单键的旋转受阻所造成的。

这种由于绕单键旋转手阻造成的立体异构体称为阻转异构体（atropisomers），其手性符号的指定与丙二烯有相似之处。

这里讨论的构型和结构式中所表明的为绝对构型，它们相应于所考察的分子中原子的真实指向。

这里产生了一个怎样由实验数据来确定绝对构象的问题。

如果为几何异构，如（E）或（Z）烯烃，可通过测量偶极矩和NMR谱信息来确定。

当涉及含不对称中心的非对映异构体并指定单个对映体时就很困难。

对这些情况可以使用X—单晶衍射或化学关联方法，或者化学和波谱相结合的一些经验方法。

X—单晶衍射方法通常给出结构参数（核间距，核间角和二面角），这些结构参数对于分子的三维表征是必须的，这使得从可能性中选择一对对映体（比如26a和28a而不是27a和29a）成为可能，然而并不能确切指定所研究化合物就是其中的某一个。

换句话说，一旦一个不对称中心的构型已被任意地固定（如48中C—5），则其他中心（C—2、C—3和C—4）就确定下来。

任意固定下来的构型和所有其他与其相依赖的构型则为相对的。

常规非-不对称（non-asymmetric）X-单晶衍射仅确定化合物中不对称中心的相对构型（当然当分子中有至少一个已知绝对构型时，其他的不对称中心也可确定）。

如果采用一定的技术（如J.M.Bijovet方法），可获得绝对构型。

第一个通过X-单晶衍射确定绝对构型的例子发生在1951年，Bijovet证明了（+）–酒石酸相当于结构式41，从而解决了两对映形式40和41之间的困惑。

两不对称基团之间的关联是经过一系列化学反应一个向另一个的转化或者两者转化为第三者；一旦知道其中之一，则其他的可明确指定。

当化学反应中手性中心碳原子和配体之间无键断裂时，原来的构型将保持，也可以说初始化合物、最终化合物及所有中间体具有同样构型（但并不一定是具有同样构型符号R或S，见图A2.14a）。

但当反应中不对称碳原子上的σ键有断裂和形成的话，反应就必须是立体专一性的，并且知道其立体专一性（也就是要么完全转化，要么完全保持（见图A2.14b,c）。

通过化学关联所获得的不对称中心的构型依其对所关联化合物绝对构型的了解情况可以是绝对构型也可以为相对构型。

有许多经验性的方法，CD，ORD为典型代表。

另外对于仲醇则有Horean方法，Mosher方法等可用于测定绝对构型。

Mosher方法中采用Mosher试剂，（+）-和（-）-α-甲氧基-α-三氟甲基苯乙酰氯与待测仲醇生成酯，然后作出两个酯的NMR谱，通过计算仲羟基邻近质子在两酯中的化学位移差，确定仲醇的绝对构型.

图A2.14手性中心化学关联的例子：

（a）不对称中心无改变；

（b）不对称中心转化；（c）构型保持

隐形立体化学（cryptostereochemistry）

上面讨论了立体异构分子（对映体和非对映体）之间的几何差别。

然而由单个原子或相互结合的一组原子（基团）组成的同一分子的不同部分间的空间关系也应考察，这些分子的部分以“取代基”（G）表示。

将要考察的基团就是那些当与分子其余部分隔离开来以相等（同质，homomorphic）或对映（对映形式，enantiomorphic）出现的基团。

两个或更多同质（或两对映）基团如果它们处于不同环境中将具不同的物理——化学性质。

当两个或多个基团与分子其余部分通过不同原子或通过具不同配体的同样原子相联结时（见硝基苯83的氢原子，图A2.15），两个或多个基团的环境间差别为组成性的；如果所考察基团与同一原子键合，（见80、81、84、86、87）或者与有同样配体的同样元素相结合时（见85的氢原子）也可能存在纯粹的空间差别。

当环境差别为组成性的，基团的物理——化学差别通常较显著，容易明了。

当环境仅为空间性的则是另外的一回事，这些基团（立体异位基团，stereoheterotopic）较难区分，以通常研究方法如合成的非手性试剂，低分辨NMR波谱常不能区分。

它们可通过使用特殊技术（如NMR波谱）或者通过与手性和立体专一性试剂（如酶）的反应，并使用同位素立体异位专一性标记的底物来区分。

围绕这些分子反应中心的环境几何不等价产生明显的化学效应（选择性、专一性等）。

这些效应在至今所考察的酶促反应中均有发现，这些反应中涉及了立体异位基团。

酶的立体专一性知识对于阐明酶反应机理和酶-底物复合物的结构具有相当的重要性（第二章），这就是研究生物催化反应中为何隐形立体化学如此重要的原因。

图A2.15总结了同一分子基团之间的可能空间关系。

将要讨论的是（a）当环境具有同样组成时，怎样识别立体局部（stereotopic）关系；（b）每一相互关系有什么样的实际效果。

至少有两独立的标准用以评价立体局部关系的类型;其一是基于对称操作，其二是分别以“试验”基团G’分别取代所考察分子中各相联系的基团G，然后比较所得结构。

第二种标准（取代标准）使用较简单些，我们采用这种标准来进行分析（图A2.15）。

第一种情况：

含有G’（不管是手性还是非手性）而不是各G的结构是相等的（也就是可迭合的，相等标准）。

基团G称为homotopic（或等价的，equivalent），实验上不可区分。

比如用G’取代84中任一甲基得到同样分子；

第二种情况：

含有G’（非手性）的结构为对映体（如G’为手性，则它们为非对映体），G基团称为对映的（enantiotopic），仅能通过与手性试剂反应（酶，或NMR谱在手性溶剂中记录；见立体化学基本原理的讨论）才能区分。

对映基团在线性或手性分子中不能存在；

第三种情况：

含有G’（手性或非手性）的结构为非对映体。

G基团称为非对映的（diastereotopic）。

可以通过具有足够化学专一性（酶）或特殊技术（如基于其磁不等价性质，如NMR谱）来区分。

非对映基团在手性分子中存在，在线性分子中不存在。

在具生物学意义的有机分子中常涉及的立体异位（stereoheterotopic）基团（对映的或非对映的）相应于在sp3碳原子上带一对相等或homomorphic取代基，如Ca,b,G,G‘。

根据现在的定义，这些碳原子是潜手性（或称前手性，prochiral）中心（图A2.16）。

如果以新的取代基取代某中心的取代基之一或向其配体范围添加一新的配体（如sp2碳→sp3碳），此中心成为不对称中心的话，则此中心为潜手性中心。

因此每个带有两个对映基团的原子是潜手性的，反之也然（但是原子带两非对映基团也可以是非潜手性的，见86和87）。

潜手性一词比早期化学家所使用的meso碳原子名称有更为广泛的意义。

事实上，潜手性碳可以是C（+a）,（-a）,G,G型，（+a）和（-a）为两对映配体。

后一种情况，以G’取代G，碳原子变成假不对称，如90。

图A2.15分子内基团间的空间关系

下面的习惯方法用来对碳原子各立体异位配体命名：

a）配体G以试验基团G’取代，