第六章構象與構象分析狹義定義：通過σ單鍵旋轉而互變的異構體。廣義定義：兩立體異構體互變能小于60KJ/mol。(不能是構造異構體)第一節非環化合物的構象一、烷烴的構象對于三碳以上直鏈烷烴，旋轉異構發生在多個碳碳單鍵之間。丙烷有以下三種極限構象：交叉-交叉(最穩定)交叉-重疊重疊-重疊（最不穩定〕Ⅰ

ⅡⅢⅣⅤⅥⅠ

Ⅱ與Ⅵ,Ⅲ與Ⅴ互為鏡象關系，互為構象對映體

室溫下,Ⅰ占約70%,Ⅲ和Ⅴ各占約15%正丁烷可看成二甲基乙烷，沿C2-C3旋轉一周能量變化曲線：sa取代基在同側用s表示(syn)取代基在異側用a表示(anti)pccp疊位：p(perplarr)錯位：c(clinar)Ⅰ：反疊apⅢ：順錯scⅡ：反錯acⅣ：順疊sp二、其它飽和鏈狀化合物構象1,2—二氯乙烷32℃：μ=1.12D；270℃：μ=1.54Dμ=0對位交叉式：氣態：55%液態：70%固態：100%對稱性越高，越易以固體存在μ=3.2D室溫以對位交叉為主，高溫以鄰位交叉為主。84~91%根據偶極矩、核磁共振和X-衍射研究，類似于1,2-二取代乙烷的化合物，當取代基較大時，一般情況下這兩個取代基傾向對位交叉構象。90%80~88%74~90%但當各個基團的體積相差較小時，尤其C1和C2上基團可能形成氫鍵時，兩個較大基團處于鄰位交叉也可成為優勢構象。沒有氫鍵時，鄰位交叉為主的原因不好解釋。對赤式和蘇式異構體，當相鄰不對稱碳原子上的取代基可能以氫鍵締合時，構象穩定性分幾種情況：X=F，OH，OR，NH2，Cl，COR等，即帶有孤對電子。Y，Y1為烴基赤式構象擁擠范德華力與氫鍵力競爭氫鍵能:5~6Kcal/mol，只有Y，Y1不過于擁擠，分子內氫鍵總是比較穩定。在蘇式結構的優勢構象中，X和Y,Y1之間的距離比在赤式中遠，更穩定。蘇式構象擁擠優勢構象以上三種異構體可分離Ad

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構象異構體一般難以分離，但不絕對。有文獻報道1,2-二金剛烷基－1,2-二叔丁基乙烷可分離到固體形式存在的構象異構體，因為取代基太大，旋轉受阻。主，96%次,4%2、異戊二烯S-順式比S-反式穩定，因為，甲基與氫原子之間斥力比氫與氫之間斥力大。3、α,β－

不飽和醛酮例1:甲基乙烯基酮在甲基乙烯基酮分子中取代基之間不利的范德華斥力較小，主要以S-反式存在。在丙烯醛中，S-反式是唯一可以測出的構象。S-trans28%S-cis72%氫鍵和溶劑效應也對構象穩定性有影響。非極性溶液極性溶液主次主次偶極方向一致時有排斥，在極性溶劑中，由于溶劑化結果降低了氧－氧原子之間的偶極斥力，S-反式成優勢構象。S-transS-cis例二：4-甲基－3-戊烯－2-酮S-反式中甲基之間斥力大于甲基和羰基氧原子的斥力。苯86%73%第二節環狀化合物的構象環狀化合物張力：角張力，扭曲張力，非鍵作用三、四元環(小環)：角張力最大，最不穩定，反應活性最大。五、六、七元環(中等環，正常環)：無角張力，扭曲張力和非鍵作用均很小。八元以上環(大環)：扭曲張力和非鍵作用，分子內過度擁擠，非鍵合原子之間有斥力。在2-吡咯甲醛中，S-反式有氫鍵，為優勢構象。在非極性溶劑中S-反式比例更大，因極性溶劑中，溶劑化效應削弱了分子內氫鍵作用。三元環：三元環為平面，前體開鏈分子的兩端頭尾近，易成環。分子張力大，易開環，很活潑。形成環的難易取決于動力學因素而并非熱力學穩定性：四元環：較難形成，形成四元環的過渡態中所有氫原子均處于重疊構象，能量高。開環比三元環稍難。五、六元環：易形成，很穩定。大環：不易形成，環越大，開鏈前體頭尾碰到一起的幾率越小，穩定性不如五、六元環，但比三、四元環好。

一、三元環到五元環的構象0.151nm0.109nm115.1。114o。順(優勢產物)反準e鍵準a鍵20-25o四元環不是平面可用下面實驗說明：3-甲基環丁酸酯在堿作用下順反異構化平衡中，順式為主。取代基在準e鍵比較穩定。信封式半椅式環戊烷一般存在兩個構象環戊烷中各個碳原子并不處于平均平面的固定位置，構象翻轉能壘17KJ/mol.環己烷的碳碳單鍵不能象開鏈烷烴那樣自由轉動360o,但可在一定范圍內轉動，并且不斷從一個倚式轉成另一個倚式。半椅式船式扭船式椅式IIIIVIIIVVIVIII與VII相同II與VI及III與V互為對應體，不重疊。半椅式內能最高，因C1-C2-C3-C4在同一平面，有角張力。環己烷椅式構象互變的兩條途經：環己烷NMR1.44ppm-110℃1.64ppm1.15ppm6e-H6a-H同碳偶合出雙峰室溫時，翻轉快，儀器分辨不出，得的是平均值。3、1,2-二取代環己烷的構象(1)相同取代基順-1,2-二取代meso構象轉換aeea兩個構象具有構象對映體關系,在極低溫度下，化合物結晶一般是形成含等量構象對映體的晶體，而不是構象對映體各自形成晶體的混合物。AB反－1,2-二取代………………….a,ae,ea’a’e’e構象異構對映異構反－1,2-二取代環己烷有一對對映體，可以拆分。每個對映體有二個椅式構象：aa型和ee型。aa型和ee型不是對映體，不能使旋光性消失。aa和a’a’或ee和e’e’為對映體，不能互相轉變。ee和e’e’為穩定構象，常溫下占絕大多數。主次u0無偶極斥力有偶極斥力1,2-二溴環己烷的構象比例與其狀態及溶劑有關：a,a構象ee構象液態6535氣體955在CCl4中8416在苯中5248在純溶液中分子間作用加大，分子內斥力減小；在溶劑中，溶劑極性加大，增加分子與溶劑之間作用，減小自身偶極斥力，增加ee型結構穩定性。4、1,3－二取代環己烷的構象mesoa,amesoe,emeso優勢構象…………對映異構將一個構象異構體上下翻身可見兩者為相同分子相同分子5、順反－1,4-二取代環己烷同一結構穩定構象對1,2-和1,4-取代環己烷，最穩定的是反式ee構象，而對1,3-取代，最穩定是順式ee構象。7、其它因素參與的取代環己烷構象環己烷椅式構象中任何一個碳原子上e鍵和相鄰e鍵或a鍵距離基本相等，能形成氫鍵的構象則成為優勢構象。1,2-ae1,2-ee1,3-aa均為優勢構象樟腦順1,2－二叔丁基環己烷由于一個叔丁基必須處于a鍵，使椅式構象張力很大，低溫NMR表明其以椅式和扭船式的平衡混合物存在。由于橋連或氫鍵使下列化合物的船式構象能穩定存在。順－1,4-環己二醇4-羥基－1,2,2,6,6-五甲基－4-苯基哌啶三、環己酮構象在沒有其它因素存在下，環己酮幾乎完全以椅式構象存在，25oC時，99%.另1%為扭船式。角張力和扭曲張力使環己酮比環己烷內能更高，化學反應中更活潑．＋HCN＋HCNk1k2k1/k2=702-位e－H與C=O幾乎平行（二面角＝4.3o)第一個反應快的原因有二方面：1〕環己酮比環己烷內能高。2〕環己酮比開鏈十三酮空阻小。v1＋NaBH4v2v1/v2=355第一個反應快的主要原因是環己酮比環己烷內能高。＋NaBH42-烷基和3-烷基效應

在環己酮中，C2和C6e鍵氫與羰基部分重疊，如2-位或6-位被烷基取代，則烷基與羰基氧之間的作用將降低e－烷基構象的穩定性，使e－烷基構象和a-烷基構象之間的能量差比相應的環己烷構象差小，這稱為2-烷基酮效應。它可由環己烷構象轉換能與環己酮構象轉化能之差–ΔGoR來測量。2位e取代基環己酮構象與2-e取代環己烷構象相比，穩定性下降，即2-烷基效應薄荷酮和香芹薄荷酮在酸或堿催化下異構化平衡時產物比例：順反異構化3-烷基酮效應：在3-烷基環己酮中，由于缺乏1,3-作用，a-鍵型構象也比環己烷a-鍵型穩定，這稱為3-烷基酮效應。R與羥基有1,3作用R無1,3作用薄荷酮由于2-異丙基效應和3-甲基效應，使其在低極性溶劑中，a,a鍵占主要。構象異構(2)2-鹵代環己酮環己酮2-位有一個極性基團（如鹵素〕取代基和羰基部分重疊引起的空間斥力幾乎平行的C-X和C=O之間的偶極作用e-鍵型構象穩定性減低偶極作用與溶劑極性有關構象的比例也與溶劑有關。2-溴環己酮在酸或堿催化下異構化，極性溶劑中a-鍵型構象比例減少。溶劑極性大，將削弱分子內偶極作用。順反異構化如果2,6-位或2,4-位有兩個順式取代基，二者處雙直立鍵有較強的1,3-斥力，類似與“五原子重疊構象”。這時，e-鍵構象有利。四、十氫化萘及其衍生物反式順式反式(中心對稱，無手性)順式(手性)e,e鍵稠合的反十氫化萘不存在環己烷椅式構象的相互轉換，即不可能轉換成a,a鍵稠合，分子是剛性的。而e,a鍵稠合的順十氫化萘存在椅式構象的互換，即ea與ae互變。翻身使II’與II重合分子向上抬起使I’與I重合I’與II對映，I與II對映順-2-十氫化萘酚反-2-十氫化萘酚反-2-十氫化萘酚e鍵取代醇和a鍵取代醇不能互換，e鍵取代醇穩定，a鍵取代有1,3作用。第三節構象對反應活性及立體選擇性的影響例1:D-A加成＋S－順一、開鏈化合物構象與反應活性及立體選擇性IIIIIIIVII比IV更不穩定，II在I與II平衡中的比例比IV在III與IV平衡中的含量更少。＋＋反應速度127D-A反應雙烯體都需從S－反轉變為S－順HFHF蘇式赤式例2:2,3-二苯－1,2-二氫－1-萘酮2-苯－3-芐基－1-茚酮蘇式赤式最優構象最優構象蘇式原料優勢構象中羧基與芐基距離近，付氏反應發生在芐基苯環上。赤式原料優勢構象中羧基與苯基距離近，付氏反應發生在苯基苯環上。二、環己烷衍生物構象與反應活性及立體選擇性1、E2消除1,2消除要求反式共平面由穩定構象轉為不穩定構象需能量高，反應慢。E1E1消除生成碳正離子中間體，a鍵和e鍵型反應物生成碳正離子時過渡態能量基本相等，但a鍵型反應物內能比e鍵型反應物高。所以a鍵型反應物與過渡態之間的能壘小，a鍵型反應物更易發生E1反應。２、水解及酯化例3a鍵酯中間體從sp2變為sp3，1,3－斥力比原料更大，活化能更高。羰基離環遠一個原子，空間斥力影響比例3小。例4例5Ke>>Ka由于角甲基的空阻使a鍵酯水解更慢，可用水解反應分離a，e兩種異構體例6aa*ee*a鍵型酯水解中間體氫鍵比原料氫鍵更強，過渡態能量低，反應活化能比e鍵型酯小，水解速度快。薄荷醇新薄荷醇酯化反應相對速率16.51酯化反應和水解相同，一般情況下e鍵羥基易酯化。EtOHorAcOHorHCOOH溶劑解SN1，形成C+1:相對速率2.3-4.03、親核取代反應SN14-t-丁基環己烷對甲苯磺酸酯的溶劑解反應Kcis/Ktrans~2.3-4.0,因為a－TsO取代原料基態能量比e－TsO基態高(2)SN2假設Nu體積大于Le-構型基態能量低過渡態能量高a-構型基態能量高過渡態能量低慢快V相1:604、環己醇的氧化用鉻酸(H2CrO3)氧化環己醇，a鍵醇比e鍵醇活潑，因a鍵醇能量高，而氧化后碳由sp3轉變成sp2后，直立鍵的1,3-作用減小了.H2CrO3V相3.21:5、環己酮及衍生物的還原(1)催化氫化+H2+Pt動力學控制產物Ⅰ熱力學穩定產物Ⅱ催化氫化時，催化劑從位阻小的一面吸附雙鍵，即e鍵方向，并從此面轉移氫。酸性條件下，產物很快從催化劑表面脫離Ⅰ為主產物。在中性介質中，延長了產物與催化劑表面的接觸時間，熱力學穩定產物Ⅱ為主。快速還原時80%長時間反應，選擇性降低。內側進攻受3,5-位a-H位阻，動力學不利，但H-很小，無取代環己酮用NaBH4或LiAlH4還原以內側為主，熱力學產物為主產物。LiAlH491~93%內側外側有取代基時，不同位置、不同構象、不同體積取代基，還原產物不同。4-e取代，產物以e鍵型為主，因取代基對羰基的位阻很小。2-e鍵取代對內側進攻影響不大，因2e鍵與C=O接近共平面。而2a鍵取代對外側進攻不利，所以，2-位取代均以內側進攻為主。82%(2)H負離子還原劑LiAlH492%3(5)位e鍵取代對內側位阻不大，產物以e鍵為主。89%