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有机化学第三章立体化学基础

CONTENTS

立体化学基本概念

手性分子与手性中心

对称性与对称操作

立体异构体分类与命名

立体化学在有机合成中应用

立体化学在药物设计中的重要性

立体化学基本概念

01

具有相同的分子式、相同的连接顺序，但在三维空间中具有不同的排列方式的化合物。

根据异构体之间在三维空间中的差异，可分为构型异构和构象异构。

立体异构体在生物活性、药物设计、材料科学等领域具有广泛的应用。

立体异构体的定义

立体异构体的分类

立体异构现象的重要性

一个物体不能通过旋转和平移操作与其镜像完全重合的性质。

一个物体可以通过旋转和平移操作与其镜像完全重合的性质。

手性是对称性的一个特例，即没有对称中心或对称面的物体具有手性。

手性化合物在生命体系中具有重要的作用，如氨基酸、糖类等。

手性的定义

对称性的定义

手性与对称性的关系

手性在化学中的应用

分子中原子或基团在空间的相对位置关系。

构型的定义

分子中原子或基团围绕单键旋转而产生的不同空间排列方式。

构象的定义

构型是分子中原子或基团的固定排列方式，而构象是分子在不同条件下的动态变化。

构型与构象的关系

不同的构型和构象会影响化学反应的速率和选择性。

构型与构象在化学反应中的应用

手性分子与手性中心

02

具有旋光性

手性分子特点

手性分子定义：不能与其镜像重合的分子称为手性分子。

存在手性中心

对映异构体具有不同的物理和化学性质

01

03

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02

04

01

手性中心定义：连接四个不同基团或原子的碳原子称为手性中心。

手性中心判断方法

使用Cahn-Ingold-Prelog规则（CIP规则）进行判断。

03

观察碳原子连接的四个基团或原子是否相同，若不相同则为手性中心。

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03

Newman投影式

沿碳-碳键的键轴方向观察，将碳原子和与之相连的基团放在纸平面上，其他基团则竖立在纸平面上。

01

Fischer投影式

将碳链竖直表示，横前竖后，横向基团朝右，纵向基团朝上。

02

透视式

将碳链放平，基团朝向观察者方向。

对称性与对称操作

03

对称中心（C）

对称面（σ）

对称轴（i）

旋转反演轴（Sₙ）

一个点，通过该点的任意直线两端等距离处，有相同但不重合的两个点或图形。

一条直线，分子绕此轴旋转180°后与原分子重合。

一个平面，将分子分为互为镜像的两个部分。

一条直线和一个点，分子绕此轴旋转360°/n后，再通过该点进行反演，所得分子与原分子重合。

具有对称面或对称中心的分子是非手性的，而不具有这些对称元素的分子可能是手性的。

判断分子的手性

预测分子的物理和化学性质

分析分子的构型和构象

推导反应机理

对称性可以影响分子的偶极矩、极化率、光谱性质等物理性质，以及反应活性、选择性等化学性质。

通过对称性可以判断分子的构型和构象是否稳定，以及不同构型和构象之间的能量差异。

对称性可以帮助推导某些反应的机理，例如周环反应中的对称性允许和对称性禁阻规则。

立体异构体分类与命名

04

由于原子或基团在空间排列方式不同而产生的异构现象。包括顺反异构、对映异构等。

构型异构

构象异构

光学异构

由于单键旋转而产生的不同空间排列的异构现象。如乙烷的交叉式与重叠式构象。

具有旋光性的手性分子，由于与其镜像不能重合而产生的异构现象。如对映异构体。

03

02

01

1.（Z）-2-丁烯

表示2-丁烯的顺式异构体，其中两个甲基位于双键的同侧。

2.（E）-2-丁烯

表示2-丁烯的反式异构体，其中两个甲基位于双键的异侧。

3.（R）-2-羟基丙酸

表示2-羟基丙酸的右旋对映异构体，其中羟基、羧基和甲基按照CIP规则确定的优先顺序排列。

4.（S）-2-羟基丙酸

表示2-羟基丙酸的左旋对映异构体，其中羟基、羧基和甲基按照CIP规则确定的优先顺序排列。

立体化学在有机合成中应用

05

通过引入手性辅剂，在反应中形成手性环境，从而控制产物的立体构型。

利用手性催化剂，在反应中实现对底物的不对称活化，进而控制产物的立体构型。

通过动力学拆分外消旋体，得到单一构型的产物。

利用手性辅剂

利用不对称催化

利用动力学拆分

立体专一性反应定义

立体专一性反应是指在反应过程中，底物的立体构型在产物中得到保持的反应。

立体专一性反应原理

立体专一性反应通常涉及到底物中特定官能团的空间排列，这种排列在反应过程中保持不变，从而保证了产物的立体构型。

立体专一性反应应用

立体专一性反应在有机合成中具有广泛的应用，如烯烃的顺反异构化、羰基化合物的还原等。

实例一

烯烃的顺反异构化。在烯烃的顺反异构化反应中，通过控制反应条件，可以选择性地得到顺式或反式产物。例如，利用特定的催化剂和溶剂，可以实现烯烃的高效顺反异构化。

实例二

羰基化合物的还原。在羰基化合物的还原反应中