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第六章第六章 构象与构象分析构象与构象分析狭义定义：通过狭义定义：通过单键旋转而互变的异构体。单键旋转而互变的异构体。广义定义：两立体异构体互变能小于广义定义：两立体异构体互变能小于 60 KJ/mol60 KJ/mol。(不能是构造异构体不能是构造异构体)第一节第一节 非环化合物的构象非环化合物的构象一、烷烃的构象一、烷烃的构象对于三碳以上直链烷烃，旋转异构发生在多个碳碳单键之间。对于三碳以上直链烷烃，旋转异构发生在多个碳碳单键之间。丙烷有以下三种极限构象：丙烷有以下三种极限构象：交叉-交叉(最稳定)交叉-重叠重叠-重叠（最不稳定 与与,与与互为镜象关系，互为镜象关系，互为构象对映体互为构象对映体 室温下,占约70%,和各占约15%正丁烷可看成二甲基乙烷，沿C2-C3旋转一周能量变化曲线：sa取代基在同侧用s表示(syn)取代基在异侧用a表示(anti)pccp叠位：p(perplarr)错位：c(clinar)：反叠 ap ：顺错 sc：反错 ac：顺叠 sp旋转能垒3.43.94.7n-戊烷是1,3-多取代丙烷的代表，它的四个C-C单键旋转产生无数构象。几种可能的全交叉型构象如下；I 对-对交叉(meso)II 对-邻交叉（）III邻-邻交叉（）IV 邻-邻交叉(meso)在在 中，中，C1-C2键和键和C4-C5键处于同一平面，键处于同一平面，C1 和和C5甲基重叠，称甲基重叠，称“五原子重叠五原子重叠”构象，能量高，为禁阻构象。构象，能量高，为禁阻构象。二、其它饱和链状化合物构象二、其它饱和链状化合物构象1,2二氯乙烷 32：=1.12D；270：=1.54D=0对位交叉式：气态：55%液态：70%固态：100%对称性越高，越易以固体存在=3.2D室温以对位交叉为主，高温以邻位交叉为主。8491%根据偶极矩、核磁共振和根据偶极矩、核磁共振和X-衍射研究，类似于衍射研究，类似于1,2-二取代乙烷的二取代乙烷的化合物，当取代基较大时，一般情况下这两个取代基倾向对位交化合物，当取代基较大时，一般情况下这两个取代基倾向对位交叉构象。叉构象。90%8088%7490%但当各个基团的体积相差较小时，尤其但当各个基团的体积相差较小时，尤其C1和和C2上基团可能形成氢上基团可能形成氢键时，两个较大基团处于邻位交叉也可成为优势构象。没有氢键键时，两个较大基团处于邻位交叉也可成为优势构象。没有氢键时，邻位交叉为主的原因不好解释。时，邻位交叉为主的原因不好解释。对赤式和苏式异构体，当相邻不对称碳原子上的取代基可能以氢键缔合时，构象稳定性分几种情况：X=F，OH，OR，NH2，Cl，COR等，即带有孤对电子。Y，Y1为烃基赤式构 象 拥 挤范德华力与氢键力竞争氢键能:5 6Kcal/mol，只有Y，Y1不过于拥挤，分子内氢键总是比较稳定。在苏式结构的优势构象中，X和Y,Y1之间的距离比在赤式中远，更稳定。苏式构象拥挤优势构象当Y，Y1体积很大时,无论赤式还是苏式都倾向以Y和Y1处于对位交叉为主。赤式优势构象，不形成氢键。苏式既克服了空间斥力，又有氢键作用。以上三种异构体可分离Ad =构象异构体一般难以分离，但不绝对。有文献报道1,2-二金刚烷基1,2-二叔丁基乙烷可分离到固体形式存在的构象异构体，因为取代基太大，旋转受阻。三、共轭体系中碳碳单键的旋转异构1、1,3丁二烯丁二烯S-反式 96%S-顺式 4%S-反式比反式比S-顺式的能量低顺式的能量低16.4KJ/mol，S-顺式由于顺式由于C2-C3上氢上氢原子处于重叠式及原子处于重叠式及C1和和C4上氢之间的范德华斥力而不稳定。上氢之间的范德华斥力而不稳定。主，96%次,4%2、异戊二烯、异戊二烯S-顺式比顺式比S-反式稳定，因为，甲基与氢原子之间斥力比氢与氢之反式稳定，因为，甲基与氢原子之间斥力比氢与氢之间斥力大。间斥力大。3、,不饱和醛酮不饱和醛酮例例1:甲基乙烯基酮甲基乙烯基酮在甲基乙烯基酮分子中取代基之间不利的范德在甲基乙烯基酮分子中取代基之间不利的范德华斥力较小，主要以华斥力较小，主要以S-反式存在。反式存在。在丙烯醛中，在丙烯醛中，S-反式是唯一可以测出的构象。反式是唯一可以测出的构象。S-trans 73%S-cis 27%70%30%55%45%30%70%0 100%R=MeR=EtR=i-PrR=t-Bu唯一可测出构象当甲基被其它体积更大的烷基取代时，当甲基被其它体积更大的烷基取代时，S-顺所占比例会随取代基顺所占比例会随取代基体积增大而增加。因为大的体积增大而增加。因为大的R基团与基团与C=C重叠不利。重叠不利。S-trans 28%S-cis 72%氢键和溶剂效应也对氢键和溶剂效应也对构象稳定性有影响。构象稳定性有影响。非极性溶液极性溶液主次主次偶极方向一致时有排斥，在极性溶剂中，由于溶剂化结果偶极方向一致时有排斥，在极性溶剂中，由于溶剂化结果降低了氧氧原子之间的偶极斥力，降低了氧氧原子之间的偶极斥力，S-反式成优势构象。反式成优势构象。S-transS-cis例二：4-甲基甲基3-戊烯戊烯2-酮酮S-反式中甲基之间斥力大于甲基和羰基氧原子的斥力。反式中甲基之间斥力大于甲基和羰基氧原子的斥力。苯86%73%第二节第二节 环状化合物的构象环状化合物的构象环状化合物张力：角张力，扭曲张力，非键作用三、四元环(小环)：角张力最大，最不稳定，反应活性最大。五、六、七元环(中等环，正常环)：无角张力，扭曲张力和非键作用均很小。八元以上环(大环)：扭曲张力和非键作用，分子内过度拥挤，非键合原子之间有斥力。在在2-吡咯甲醛中，吡咯甲醛中，S-反式有氢键，为优势构象。在非极性溶剂中反式有氢键，为优势构象。在非极性溶剂中S-反式比例更大，因极性溶剂中，溶剂化效应削弱了分子内氢键作反式比例更大，因极性溶剂中，溶剂化效应削弱了分子内氢键作用。用。三元环：三元环为平面，前体开链分子的两端头尾近，易成三元环：三元环为平面，前体开链分子的两端头尾近，易成环。分子张力大，易开环，很活泼。环。分子张力大，易开环，很活泼。形成环的难易取决于动力学因素而并非热力学稳定性：形成环的难易取决于动力学因素而并非热力学稳定性：四元环：较难形成，形成四元环的过渡态中所有四元环：较难形成，形成四元环的过渡态中所有氢原子均处于重叠构象，能量高。开环比三元环氢原子均处于重叠构象，能量高。开环比三元环稍难。稍难。五、六元环：易形成，很稳定。五、六元环：易形成，很稳定。大环：不易形成，环越大，开链前体头尾碰到一起的几率越大环：不易形成，环越大，开链前体头尾碰到一起的几率越小，稳定性不如五、六元环，但比三、四元环好。小，稳定性不如五、六元环，但比三、四元环好。一、三元环到五元环的构象0.151nm0.109nm115.1。114o。顺(优势产物)反准e键准a键20-25o四元环不是平面可用下面实验说明：3-甲基环丁酸酯在碱作用下顺反异构化平衡中，顺式为主。取代基在准e键比较稳定。信封式半椅式环戊烷一般存在两个构象环戊烷中各个碳原子并不处于平均平面的固定位置，构象翻转能垒17KJ/mol.二、环己烷构象1、椅式构象的特征平伏键均朝环外。其中3个斜向上，另外3个斜向下。CCC键角：111 05。环己烷的碳碳单键不能象开链烷烃那样自由转动环己烷的碳碳单键不能象开链烷烃那样自由转动360o,但可在一定范但可在一定范围内转动，并且不断从一个倚式转成另一个倚式。围内转动，并且不断从一个倚式转成另一个倚式。半椅式船式扭船式椅式IIIIVIIIVVIVIII与与VII相同相同II与与VI及及III与与V互为对应体，互为对应体，不重叠。半椅式内能最高，不重叠。半椅式内能最高，因因C1-C2-C3-C4在同一平面，在同一平面，有角张力。有角张力。环己烷椅式构象互变的两条途经：环己烷NMR1.44ppm-110 1.64ppm1.15ppm6e-H6a-H同碳偶合出双峰室温时，翻转快，仪器分辨不出，得的是平均值。2、一取代环己烷的构象分析室温95%5%取代基与环处于对位交叉取代基与环处于对位交叉,更稳定。更稳定。E=1.61.8Kcal/mol取代基与环处于邻位交叉取代基与环处于邻位交叉一取代环己烷取代基处于一取代环己烷取代基处于e键构象为优势构象。键构象为优势构象。e键构象：键构象：Me3CPh环己基环己基Me2CHMe2Nn-烷烃烷烃MeCH2CH33、1,2-二取代环己烷的构象(1)相同取代基顺-1,2-二取代meso构象转换aeea两个构象具有构象对映体关系,在极低温度下，化合物结晶一般是形成含等量构象对映体的晶体，而不是构象对映体各自形成晶体的混合物。AB反1,2-二取代.a,ae,eaaee构象异构对映异构反1,2-二取代环己烷有一对对映体，可以拆分。每个对映体有二个椅式构象：aa型和ee型。aa型和ee型不是对映体，不能使旋光性消失。aa和aa或 ee和ee为对映体，不能互相转变。ee和ee为稳定构象，常温下占绝大多数。顺式顺式ea型和反式型和反式ee型型5两取代基的二面角差别不大，所以顺式和两取代基的二面角差别不大，所以顺式和反式取代基之间斥力差异不大，但顺式取代中有反式取代基之间斥力差异不大，但顺式取代中有1,3作用。故总的作用。故总的来说，反式更稳定。来说，反式更稳定。顺式ea型反式ee型当当1,2-二取代环己烷的取代基为卤素时，情况与二烷基时相反，二取代环己烷的取代基为卤素时，情况与二烷基时相反，二卤素占直立键成为优势构象。且直立键的比例为二卤素占直立键成为优势构象。且直立键的比例为IBrCl,因为因为卤素有偶极之间的斥力。卤素有偶极之间的斥力。主次u 0无偶极斥力有偶极斥力1,2-二溴环己烷的构象比例与其状态及溶剂有关：a,a构象 ee构象液态 65 35气体 95 5在CCl4中 84 16在苯中 52 48在纯溶液中分子间作用加大，分子内斥力减小；在溶剂中，溶剂极性加大，增加分子与溶剂之间作用，减小自身偶极斥力，增加ee型结构稳定性。4、1,3二取代环己烷的构象mesoa,a mesoe,e meso优势构象对映异构将一个构象异构体将一个构象异构体上下翻身可见两者上下翻身可见两者为相同分子为相同分子相同分子相同分子5、顺反1,4-二取代环己烷同一结构稳定构象对1,2-和1,4-取代环己烷，最稳定的是反式ee构象，而对1,3-取代，最稳定是顺式ee构象。6、不同基团的二取代环己烷、不同基团的二取代环己烷I与II 为构象异构，不对映，不重叠。III与IV 为构象异构，不对映，不重叠。较大基团在e键上为稳定构象7、其它因素参与的取代环己烷构象环己烷椅式构象中任何一个碳原子上e键和相邻e键或a键距离基本相等，能形成氢键的构象则成为优势构象。1,2-ae1,2-ee1,3-aa均为优势构象樟脑顺1,2二叔丁基环己烷由于一个叔丁基必须处于a键，使椅式构象张力很大，低温NMR表明其以椅式和扭船式的平衡混合物存在。由于桥连或氢键使下列化合物的船式构象能稳定存在。顺1,4-环己二醇4-羟基1,2,2,6,6-五甲基4-苯基哌啶三、环己酮构象三、环己酮构象在没有其它因素存在下，环己酮几乎完全以椅式构象存在，在没有其它因素存在下，环己酮几乎完全以椅式构象存在，25oC时，时，99%.另另1%为扭船式。为扭船式。角张力和扭曲张力使环己酮比环己烷内能更高，化学反应中更活泼角张力和扭曲张力使环己酮比环己烷内能更高，化学反应中更活泼 HCN HCNk1k2k1/k2=702-位位eH与与C=O几乎平行几乎平行（二面角（二面角4.3o)第一个反应快的原因有二方面：1环己酮比环己烷内能高。2环己酮比开链十三酮空阻小。v1 NaBH4v2v1/v2=355第一个反应快的主要原因是环己酮比环己烷内能高。NaBH4(1)2-烷基和3-烷基效应 在环己酮中，在环己酮中，C2和和C6 e键氢与羰基部分重叠，如键氢与羰基部分重叠，如2-位或位或6-位被烷位被烷基取代，则烷基与羰基氧之间的作用将降低基取代，则烷基与羰基氧之间的作用将降低e烷基构象的稳定烷基构象的稳定性，使性，使e烷基构象和烷基构象和a-烷基构象之间的能量差比相应的环己烷烷基构象之间的能量差比相应的环己烷构象差小，这称为构象差小，这称为2-烷基酮效应。烷基酮效应。它可由环己烷构象转换能与环它可由环己烷构象转换能与环己酮构象转化能之差己酮构象转化能之差 GoR 来测量。来测量。2位位e取代基环己酮构象与取代基环己酮构象与2-e取代环己烷构象相比，稳定性下降，取代环己烷构象相比，稳定性下降，即即2-烷基效应烷基效应薄荷酮和香芹薄荷酮在酸或碱催化下异构化平衡时产物比例：顺反异构化顺反异构化3-烷基酮效应：在烷基酮效应：在3-烷基环己酮中，由于缺乏烷基环己酮中，由于缺乏1,3-作用，作用，a-键型构键型构象也比环己烷象也比环己烷a-键型稳定，这称为键型稳定，这称为3-烷基酮效应。烷基酮效应。R与羟基有1,3作用R无1,3作用薄荷酮由于2-异丙基效应和3-甲基效应，使其在低极性溶剂中，a,a键占主要。构象异构构象异构(2)2-卤代环己酮卤代环己酮环己酮环己酮2-位有一个极性基团（如卤素位有一个极性基团（如卤素取代基和羰基部分重叠引起的空间斥力取代基和羰基部分重叠引起的空间斥力几乎平行的几乎平行的C-X和和C=O之间的偶极作用之间的偶极作用e-键型构象稳定性减低键型构象稳定性减低偶极作用与溶剂极性有关偶极作用与溶剂极性有关构象的比例也与溶剂有关。构象的比例也与溶剂有关。2-溴环己酮在酸或碱催化下异构化，极性溶剂中a-键型构象比例减少。溶剂极性大，将削弱分子内偶极作用。顺反异构化顺反异构化如果如果2,6-位或位或2,4-位有两个顺式取代基，二者处双直立键有较强位有两个顺式取代基，二者处双直立键有较强的的1,3-斥力，类似与斥力，类似与“五原子重叠构象五原子重叠构象”。这时，。这时，e-键构象有利。键构象有利。四、十氢化萘及其衍生物反式反式顺式顺式反式反式(中心对称，无手性中心对称，无手性)顺式顺式(手性手性)e,e 键稠合的反十氢化萘不存在环己烷椅式构象的相互转换，即不键稠合的反十氢化萘不存在环己烷椅式构象的相互转换，即不可能转换成可能转换成a,a键稠合，分子是刚性的。键稠合，分子是刚性的。而e,a键稠合的顺十氢化萘存在椅式构象的互换，即ea与ae互变。翻身使翻身使II与与II重合重合分子向分子向上抬起上抬起使使I与与I重合重合I与与II对映，对映，I与与II对映对映顺-2-十氢化萘酚反-2-十氢化萘酚反-2-十氢化萘酚e键取代醇和a键取代醇不能互换，e键取代醇稳定，a键取代有1,3作用。第三节第三节 构象对反应活性及立体选择性的影响构象对反应活性及立体选择性的影响例1:D-A加成S顺一、开链化合物构象与反应活性及立体选择性一、开链化合物构象与反应活性及立体选择性IIIIIIIVII 比比IV更不稳定，更不稳定，II 在在I与与II平衡中的比平衡中的比例比例比IV 在在III 与与IV平平衡中的含量更少。衡中的含量更少。反应速度127D-A反应双烯体都需从S反转变为S顺HFHF苏式赤式例2:2,3-二苯1,2-二氢1-萘酮2-苯3-苄基1-茚酮苏式赤式最优构象最优构象苏式原料优势构象中羧基与苄基距离近，付氏反应发生在苄基苯苏式原料优势构象中羧基与苄基距离近，付氏反应发生在苄基苯环上。环上。赤式原料优势构象中羧基与苯基距离近，付氏反应发生在苯基苯环赤式原料优势构象中羧基与苯基距离近，付氏反应发生在苯基苯环上。上。二、环己烷衍生物构象与反应活性及立体选择性1、E2消除1,2消除要求反式共平面消除要求反式共平面由稳定构象转为不由稳定构象转为不稳定构象需能量高，稳定构象需能量高，反应慢。反应慢。E1E1 消除生成碳正离子中间体，消除生成碳正离子中间体，a键和键和e键型反应物生成碳正离子时键型反应物生成碳正离子时过渡态能量基本相等，但过渡态能量基本相等，但a键型反应物内能比键型反应物内能比e键型反应物高。所键型反应物高。所以以a键型反应物与过渡态之间的能垒小，键型反应物与过渡态之间的能垒小，a键型反应物更易发生键型反应物更易发生E1反应。反应。、水解及酯化、水解及酯化例3a键酯中间体从键酯中间体从sp2变为变为sp3，1,3斥力比原料更大，活化能更高。斥力比原料更大，活化能更高。羰基离环远一个原子，空间斥力影响比例3小。例4例5Ke Ka由于角甲基的空阻使a键酯水解更慢，可用水解反应分离a，e两种异构体例6aa*ee*a键型酯水解中间体氢键比原料氢键更强，过渡态能量低，反应活化能比e键型酯小，水解速度快。薄荷醇新薄荷醇酯化反应相对速率16.51酯化反应和水解相同，一般情况下e键羟基易酯化。EtOHor AcOHor HCOOH溶剂解SN1，形成C+1:相对速率2.3-4.03、亲核取代反应(1)SN14-t-丁基环己烷对甲苯磺酸酯的溶剂解反应 K cis/K trans 2.3-4.0,因为aTsO取代原料基态能量比eTsO基态高(2)SN2假设Nu体积大于Le-构型基态能量低过渡态能量高a-构型基态能量高过渡态能量低慢慢快快V相1:604、环己醇的氧化用铬酸(H2CrO3)氧化环己醇，a键醇比e键醇活泼，因a键醇能量高，而氧化后碳由sp3转变成sp2后，直立键的1,3-作用减小了.H2CrO3V相3.21:5、环己酮及衍生物的还原(1)催化氢化+H2+Pt动力学控制产物热力学稳定产物催化氢化时，催化剂从位阻小的一面吸附双键，即e键方向，并从此面转移氢。酸性条件下，产物很快从催化剂表面脱离 为主产物。在中性介质中，延长了产物与催化剂表面的接触时间，热力学稳定产物 为主。快速还原时快速还原时80%长时间反应，选择性降低。长时间反应，选择性降低。內侧进攻受內侧进攻受3,5-位位a-H位阻，动力位阻，动力学不利，但学不利，但H-很小，无取代环己很小，无取代环己酮用酮用NaBH4或或LiAlH4还原以內侧还原以內侧为主，热力学产物为主产物。为主，热力学产物为主产物。LiAlH49193%內侧外侧有取代基时，不同位置、不同构象、不同体积取代基，还原产物不同。有取代基时，不同位置、不同构象、不同体积取代基，还原产物不同。4-e取代，产物以取代，产物以e键型为主，因取代基对羰基的位阻很小。键型为主，因取代基对羰基的位阻很小。2-e键取代对內侧进攻影响不大，因键取代对內侧进攻影响不大，因2e键与键与C=O接近共平面。而接近共平面。而2a键取代对外侧进攻不利，所以，键取代对外侧进攻不利，所以，2-位取代均以內侧进攻为主。位取代均以內侧进攻为主。82%(2)H负离子 还原剂LiAlH492%3(5)位位e键取代对內侧位阻不大，产物以键取代对內侧位阻不大，产物以e键为主。键为主。89%89%3(5)位位a键取代对內侧位阻增大，不利于內侧进攻，取代基越大，键取代对內侧位阻增大，不利于內侧进攻，取代基越大，外侧进攻产物越多。外侧进攻产物越多。4甲基环己酮3甲基环己酮2甲基环己酮4t-Bu环己酮薄荷酮3,3,5三甲基环己酮位阻小e键醇反式81%顺式88%反式70%反式90%3-OH 91%45%位阻大产物Barton规则：用规则：用LiAlH4(NaAlH4)还原空间位阻小的环己酮衍生还原空间位阻小的环己酮衍生物，主要得到稳定的物，主要得到稳定的e键醇。还原位阻大的环己酮衍生物，键醇。还原位阻大的环己酮衍生物，a键醇键醇较多。较多。e键产物4叔丁基环己酮 79%4甲基环己酮 70%3,3,5三甲基环己酮 94%樟脑71此反应为平衡反应，延长反应时间有利于热力学稳定的此反应为平衡反应，延长反应时间有利于热力学稳定的e键醇产物。键醇产物。(3)MeerweinPonndorfVerly还原+还原氧化热力学控制如短时间反应和用过量的烷基铝还原剂，则增加动力学控制产物如短时间反应和用过量的烷基铝还原剂，则增加动力学控制产物a键醇产率。键醇产率。1953年年Barton根据构象概念，分析了烷基环己酮还原反应中的根据构象概念，分析了烷基环己酮还原反应中的空间状况，总结了以下规则：空间状况，总结了以下规则：在中性介质中在中性介质中(慢反应慢反应)，空阻大的酮主要生成，空阻大的酮主要生成a键醇；空阻小的键醇；空阻小的酮主要生成酮主要生成e键醇键醇酸性介质中，催化氧化优先生成酸性介质中，催化氧化优先生成a键醇键醇用用LiAlH4还原，同还原，同(1)用异丙醇铝还原环己酮衍生物，长时间反应时，以用异丙醇铝还原环己酮衍生物，长时间反应时，以e键醇为主；键醇为主；如短时间反应和用过量的烷基铝还原剂，则动力学控制产物如短时间反应和用过量的烷基铝还原剂，则动力学控制产物a键键醇成优势。醇成优势。