第四章立體化學

4.1概述4.2對映異構4.3順反異構4.4動態立體化學4.5構象和構象分析4.6空間效應4.1概述

立體化學:從三維空間來研究分子結構及其性能。

構造(constitution)：具有一定分子式的化合物分子中各原子的成鍵順序。

構型(configuration)：具有一定構造的分子中原子在空間的分子的結構排列情況。分子內原子與原子團在空間“固定”的排列關系，如旋光異構、順反異構。

構象(conformation)：具有一定構型的分子中由于單鍵的旋轉使分子內原子與原子團在空間產生的不同的排列形式。同分異構體及同分異構現象：分子式相同的不同化合物叫同分異構體。異構體共同存在的現象稱為同分異構現象。

構造異構：分子中由于原子互相連接的方式和次序不同而產生的同分異構體。分為碳架異構(如正丁烷和異丁烷)、位置異構(如正丁醇和2-丁醇)和官能團異構(如乙醇和二甲醚)等。同分異構體立體異構：分子的構造相同，但由于分子中原子在空間的排列方式不同而引起的同分異構體。又可分為構象異構和構型異構。4.2對映異構

凡能使偏振光的偏振面發生旋轉的物質稱為旋光性物質，即光學活性物質。光學活性物質總是成對出現，一個使之右旋，另一個使之左旋。兩者是一對映體，它們互成鏡像關系，但不能重疊。一個物體和它的鏡像不能重疊的這種性質叫“手性”。一.分子的對稱因素和手性

對稱因素：對稱軸、對稱面、對稱中心、四重交替對稱軸。

對稱分子或非手性分子(symmetricmolecule)：具有對稱面、對稱中心或四重交替對稱軸的分子，它們都能與各自的鏡像重疊。

非對稱分子(dissymmetricmolecule)：只有對稱軸而無其它三種對稱因素的分子。

不對稱分子(asymmetricmolecule)：完全不具有任何對稱因素的分子。非對稱分子和不對稱分子都不能與其鏡像重疊，這二者都屬于手性分子。

構成手性分子的必要和充分條件：

分子中既無對稱面，又無對稱中心，也無四重交替對稱軸。在有機化合物中，只有四重交替對稱軸而無對稱面或對稱中心的分子是個別的。所以一般情況下，只要分子中既無對稱面也無對稱中心，就可以斷定它是手性分子，反之，就是非手性分子。一個分子的手性通常與分子中一個或多個特定的原子有關，這個特定的原子稱為手性中心。如連接著四個不同取代基的碳原子，不對稱碳原子就是一個手性中心。除了碳原子以外，其它原子如硅、氮、硫、磷、砷和硼等原子所形成的不對稱四面體(或三角錐體)化合物也有對映異構現象，這些原子也可以成為手性中心。1，6?二氧雜螺[4，4]壬烷反1，2?二氯環丙烷二重對稱軸二重對稱軸分子中具有對稱軸的手性分子：(R)-(?)-1,3-二甲基丙二烯(S)-(+)-1,3-二甲基丙二烯(R)-(+)-2,2’-二氨基-6,6’-二甲基聯苯(S)-(?)-2,2’-二氨基-6,6’-二甲基聯苯分子中具有手性軸的手性分子：分子中具有手性面的化合物：取代對苯二酚雙環醚衍生物，其手性面是包括氧原子并與苯環垂直的平面。二.前手性關系

前手性中心:對于非手性分子如CH3CH2CH3，其C-2上的任一氫原子被取代后所形成的兩個新分子是完全一樣的仍是一個非手性分子：

凡是一個原子連有兩對相同基團如CX2Y2這一類型的分子，相同基團都表現出完全相同的物理和化學特性，則兩個相同基團的這一關系稱為等位(homotopic)關系。

對于另一種非手性分子如丙酸來說，其C-2上的兩個氫原子分別被溴取代后，形成的是一對對映體：丙酸中的C-2原是一個非手性中心，經α?溴代后變成了一個手性中心。當一個碳原子連接著兩個相同基團和兩個不同基團如CX2YZ這一情況時，則該碳原子稱為前手性中心(prochiralcenter)。非手性分子CX2YZ稱為前手性分子。連在前手性中心的基團X，被一個不同于X、Y、Z的基團取代后形成的是對映體時(Y和Z不是手性中心)，則兩個相同基團(X)的這一關系稱為對映異位(enantio-topic)關系，這樣的兩個基團(X)就稱為對映異位基團。前手性涉及一個分子在合成過程中取得手性中心前的立體化學。三.旋光化合物的分類有手性碳原子的化合物分子中只有一個手性碳原子的分子具有旋光性。旋光度的大小依賴于四個基團的極化性差，極化性差越大旋光度越大。含有其它四價的手性原子的化合物分子中含有四個鍵指向正四面體的四個角的原子，若四個基團不同就有旋光性。如含有三價的手性原子的化合物棱錐結構的分子中，中心原子若與三個不同基團相連會產生旋光性，如合適取代的金剛烷在橋頭有四個不同取代基的金剛烷是手性的具有旋光性。如合適取代的八面體化合物許多金屬離子，如Cr(Ⅲ)、Pt(Ⅳ)等能形成六配位的八面體絡合物，若配位體差別很大，化合物就可能具有手性，如以下化合物已經被拆開為對映體。產生垂直雙雙對稱面限制的轉動沒有手性原子的某些化合物，若分子中存在著兩個垂直平面，且分子對任何一個平面都無對稱性，則分子是手性的。如下面的化合物都是手性的。螺旋形產生的手性由于分子的螺旋形結構，使得分子沒有任何對稱因素而產生手性，如其它類型限制轉動引起的手性由于分子的空間因素等的限制，使得分子不能自由轉動引起手性，如4.3順反異構無旋光性差異，物理化學性質差別

與對映異構體不同，順反異構體一般不呈現旋光性的差異（除非有時具備手性條件），然而順反異構體二者之間的物理和化學性質卻有明顯的差別，這是因為在它們的分子中，某些原子或基團之間的距離相差很大。由雙鍵引起的順反異構(一)含C=C的化合物

順反異構的構型標記有兩種方法。當W=Y時，化合物(A)叫順式，(B)叫反式。當四個基團全不相同時，則按順序規則排列。在雙鍵一側兩個基團的位次都高于相應的另兩個基團時，該異構體稱為Z型，另一個異構體稱為E型。例如：當雙鍵數目增多，W≠Y和Y≠Z時，其異構體數目也是增多的。設n為這類分子內雙鍵的數目，異構體數目一般為2n。若某些雙鍵碳原子上連有相同基團時，其異構體數目將減少。1-苯基-1，3-戊二烯有四個異構體：順反異構體的性質比較：順式異構體比相應反式異構體的內能高，較為活潑。

某些化合物的氫化熱性質CH3CH=CHCH3CH3CH=CHCH(CH3)3CH3CH=CHC(CH3)3(CH3)3CCH=CHC(CH3)3順式119.5114.2128.7151.5反式115.4110.3110.8112.3雙鍵碳原子上所連接烴基的體積越大，其順式異構體的內能越高，越不穩定，這與順位基團的空間排斥作用有關。例如，在加熱時，順-丁烯二酸變為反-丁烯二酸反式異構體所占空間體積較大，與此有關的性質如密度、折射率和沸點都比順式低。但反式異構體的對稱性較好，分子的排列更為緊密有序，故其熔點比順式高，而溶解度比順式低。如丁烯二酸的熔點為：順式130℃，反式286℃；在25℃時在水中的溶解度為：順式788g·L-1，反式7g·L-1。性質μ/10-30C·mb.p./℃/g·ml-1m.p./℃順式6.3460.31.28371.4490?80.5反式047.51.25651.4454?50.01,2-二氯乙烯順反異構體的物理性質(二)含C=N和N=N的化合物在這些化合物的分子中，同樣是由于鍵阻礙了雙鍵兩個原子的自由旋轉，而產生了順反異構現象。氮原子的三個價鍵有兩個用于形成雙鍵，另外一個價鍵所連接的基團與C=N鍵或N=N鍵不在一條直線上，如下所示：

若W=Y，(A)稱為順式，(B)稱為反式。同樣也可用Z、E標記法，氮上的未共用電子對在順序規則中位于氫之后，偶氮化合物(C)總是順式或Z型，不管W和Y是否相同，(D)則是反式或E型。反式，E型，熔點：35℃順式，Z型，熔點：130℃順式，Z型，熔點：71.4℃反式，E型，熔點：68℃μ=10×10?30C·mμ=0由環引起的順反異構對映體內消旋體反式異構體順式異構體1,2-環丙烷二羧酸的立體異構順式異構體反式異構體1,3-環丁烷二羧酸的立體異構

由兩個相同的環在相鄰原子間并聯的稠環化合物，有順反異構體，但無對映異構體。如十氫化萘的順反異構體可表示如下：反式順式在橋環體系中，當環上有取代基時，構型有“內型”(endo)和“外型”(exo)的區別，例如：外-2-降冰片內-2-降冰片內-7-甲基-2-降樟腦外-7-甲基-2-降樟腦

象2-降冰片這類化合物，外型是表示取代基（這里是OH）遠離兩個未取代橋中的長橋；內型則相反，表示取代基接近長橋。如果兩個橋中有一個橋含有官能團，則內型是指取代基接近于官能團的異構體。如內-7-甲基-2-降樟腦，它的甲基和羰基是接近的，外型則相反。4.4動態立體化學

涉及反應過程中的立體化學，如鍵的斷裂、生成、進攻試劑的方向和離去基團的去向，以及中間體和過渡態的空間關系等。主要研究空間結構對化學性質、反應速度、方向及歷程等產生的影響。一.立體選擇反應

立體選擇反應(stereoselectivereaction)是指同一反應物能夠生成兩種以上的立體異構體時，其中某一異構體較多地生成的反應。例如，2-碘丁烷脫碘化氫的反應，主要生成反-2-丁烯。二甲亞砜多~60%少~20%少~20%

這是因為在消除反應中一般為反式消除，在反應時各基團應處于空間的有利地位。在2-碘丁烷中，首先是I和H處于反向位置，其次是二個比H大的CH3處于A和D(或B和C)位，這時空間擁擠程度最小；它比兩個CH3處于A和C(或B和D)位要有利的多，因此，反式產物多。

又如2-苯基丙醛和甲基碘化鎂加成后水解生成赤型和蘇型的3-苯基-2-丁醇混合物，其中前者是后者的兩倍，這是受了反應物分子中原手性中心的影響。赤型67%蘇型33%(S)-2-苯基丙醛二.立體專一反應

立體專一反應(stereospecificreaction)是指一定立體異構的原料在某種條件下只取得一定構型產物的反應。例如單線態二溴卡賓(:CBr2)與2-丁烯的加成反應。OH

由順-丁二烯與二溴卡賓得到順式的環丙烷衍生物，而由反-2-丁烯得到反式環丙烷衍生物。因此，在立體專一反應過程中，對每一個反應都只得到一定的某種立體異構體，而不混雜有另一種立體異構體的產物。三.反應過程中的構型反轉

(?)-氯丁二酸分別與KOH、AgOH的反應如下：(?)-蘋果酸(左旋)(?)-氯丁二酸(+)-蘋果酸(右旋)

(?)-氯丁二酸與KOH反應，生成(+)-蘋果酸，該反應中手性碳原子C-2的空間構型發生了反轉；而(?)-氯丁二酸與AgOH反應，生成(?)-蘋果酸，反應中手性碳原子C-2的空間構型保持不變。前者稱為構型反轉，后者稱為構型保留。在構型反轉過程中有立體化學意義的原子的空間排列（即構型）在反應物和產物中是相反的。在構型保留過程中，有立體化學意義的原子的空間排列（即構型）在反應物和產物中是相同的。

某些含有手性中心或手性軸或手性面的化合物，由于結構上的特點，在一定條件下，容易發生構型部分轉化作用。例如含有手性中心的手性分子：

該反應達到平衡時對映體各占50%而不顯旋光性，這種過程稱為外消旋化作用。或(S)-(+)-仲丁基苯基酮(R)-(?)-仲丁基苯基酮

某些含有手性軸的手性分子，如1，1’-聯萘，能通過碳-碳單鍵的旋轉而發生外消旋化作用：

該外消旋化作用是圍繞1，1’-鍵的旋轉過程，其旋轉能壘為88~96KJ·mol-1。4.5構象和構象分析構象：在構造與構型相同時，由單鍵旋轉所形成的分子中基團在空間不同的排列的立體形象。極限狀態的構象：各取代基和電子云間相互作用能處于極小值和極大值的那些構象。立體化學已有的事實證明：

一個分子的能量直接與它的幾何形狀有關，任何一個分子都將盡可能采取能量最低的幾何形狀。當一個分子處于能量高的狀態時就呈現張力。張力的產生是由于非理想幾何形狀造成的。一.空間張力

分子沿單鍵旋轉并非完全自由的,可能受到一定程度的限制,這是因為鍵的旋轉要克服空間張力。分子空間張力的大小，取決于該分子的鍵長、鍵角、二面角等結構參數偏離它們理想值的程度。一般用相應的空間能(stericenergy)的概念來反映空間張力(stericstrain)及其有關組成部分的強弱。

分子的總空間能ES可表示為：E(θ)是鍵角張力，它表示鍵角偏離正常鍵角(一般是109.5°)所產生的能量變化，其大小與鍵角偏離值Δθ的平方成正比。E(Ф)為扭轉張力，是連接于相鄰兩原子上的非鍵基團所處的空間向位，相對于對位交叉構象的空間向位所產生的能量變化。它可以看作優勢構象的二面角改變所形成的張力。扭轉張力是扭轉角的正弦函數，當達到重疊式構象時，扭轉張力最大。扭轉張力也被稱為“鍵的反作用張力”，該張力主要不是范德華力的結果，而是由空間電子效應所引起的。E(r)是拉伸張力，表示鍵長偏離正常鍵長的能量變化，其大小與鍵長偏離值Δr的平方成正比。E(d)是非鍵張力，表示不成鍵的基團之間的吸引力和排斥力，包括范德華力、偶極(電荷)作用力、氫鍵作用力等。在多數情況下，非鍵張力常常是范德華力(它最主要組成部分是色散力)作用的結果。這種非鍵相互作用能和不成鍵的基團之間的距離有關。色散力與距離的六次方成反比，隨距離增大而急劇減小。當不成鍵的基團之間距離遠時，其相互作用能很小，但當它們之間的距離小于范德華半徑之和時則產生很強的排斥作用，隨著距離的減小，斥力比引力急劇增大。ES/KJ·mol-1~25~14~30正丁烷的構象：

全重疊部分重疊對位交叉鄰位交叉

這四種極限構象的穩定性大小順序為：對位交叉>鄰位交叉>部分重疊>全重疊在各種構象中，那些能量處于極小值的構象稱為構象異構體。因為他們是由單鍵旋轉引起的，又稱旋轉異構體。構象異構體之間的能量差稱為構象能。在丁烷的全部構象中，對位交叉是占優勢的，其次是鄰位交叉，在室溫下對位交叉和鄰位交叉之比為1.9:1。

并不是任何化合物都是對位交叉式構象所占的比例大于鄰位交叉構象。例如1-氯丙烷達平衡時，鄰位交叉構象就比對位交叉構象略占優勢。這是因為在1-氯丙烷的鄰位交叉構象中，甲基和氯之間的距離接近于它們的范德華半徑之和，這時甲基和氯之間產生吸引作用，這種吸引力使鄰位交叉構象的能量較對位交叉構象低(低2.5KJ·mol-1)，因而起著穩定作用。鄰位交叉對位交叉鄰位交叉對位交叉

能使鄰位交叉構象比對位交叉構象穩定的另一種因素，是分子內的氫鍵作用。例如乙二醇，由于鄰位交叉構象可以通過氫鍵形成五元環結構，這時鄰位交叉比對位交叉占優勢。二.鏈狀分子的構象(一)飽和烴及有關衍生物簡單烴類化合物構象的空間張力,一般也是：對位交叉<鄰位交叉<部分重疊<全重疊，而其穩定性則剛剛相反。

一個碳原子上的氫被甲基取代后，旋轉能壘有規則地增大。如CH3―CH3、CH3―CH2CH3、CH3―CH(CH3)2和CH3―C(CH3)3的旋轉能壘分別為：12.0、14.2、16.3和19.7KJ·mol-1。在鹵乙烷中，其旋轉能壘在13.4~15.5KJ·mol-1，這與鹵原子具有較大的范德華半徑有關。此外，C―N鍵和C―O鍵的鍵長比C―C鍵的短，使得范德華排斥作用增加，因此C―O鍵和C―N鍵的旋轉要困難些。

(二)含C=C和C=O鍵的化合物1.sp2―sp3鍵的旋轉異構1-丁烯分子的極限構象有：

其構象異構體有兩類，(A)和(B)中是雙鍵與單鍵重疊，可稱為重疊式；而(C)和(D)中雙鍵與單鍵處于交叉位置，稱為交叉式。與sp3―sp3鍵的構象異構不同，重疊式構象(A)和(B)比交叉式構象穩定。而且氫原子與雙鍵重疊的(B)比甲基與雙鍵重疊的(A)穩定。其能差為0.63KJ·mol-1。

和1-丁烯類似，羰基化合物的優勢構象也是重疊式而不是交叉式，例如丙醛分子的甲基與羰基的重疊式比氫原子與羰基的重疊式要穩定3.8KJ·mol-1，比交叉式更穩定些。只有當α―碳上連有大體積的叔丁基，才使氫重疊式構象變得比較穩定。

酮與醛類似,也是重疊式構象穩定些,并且取代基與羰基重疊的構象比氫原子與羰基重疊的構象穩定,這種相對的穩定性酮類比醛類還要明顯。這些不飽和官能團的偶極矩是酮中C=O基偶極矩大于醛中C=O基偶極矩，而C=C鍵偶極矩最小。故可能的解釋是，取代基和官能團偶極的一端有一定的吸引力，且隨不飽和官能團偶極矩增大而增大，所以相應重疊構象的穩定性增加。較穩定較不穩定sp2―sp2鍵的旋轉異構1,3-丁二烯的兩種共平面構象為s-順式（s指由于單鍵所引起的不同構象）和s-反式：s-反式s-順式

s-反式構象是1,3-丁二烯最穩定構象。在1,3-丁二烯的s-順式構象中，由于C-2和C-3上的C-H鍵處于重疊式而存在扭轉張力，而且C-1和C-4的兩個氫原子之間還有范德華排斥作用力，因此s-順式構象內能較高而不穩定，在一般條件下s-順式僅占2.5%左右。三.環狀分子的構象(一)環烷烴及其衍生物1.小環

環丙烷有最大的角張力，其次是扭轉張力。環丙烷的三個碳原子在一個平面上，碳原子雜化軌道用于成環的鍵，其∠CCC的鍵角為104°，偏離正常鍵角109.5°較大，也與碳原子核連線所成的角度60°相差很遠，因此雜化軌道之間達不到最大重疊而形成彎鍵。同時環丙烷的碳環在一個平面上，所有的―CH2―都處于重疊位置而有相當大的扭轉張力。故環丙烷易于發生開環反應。

環丁烷的平面構象存在角張力，同時所有的―CH2―都處于重疊位置，所產生的扭轉張力能把環從平面構象扭轉成皺折式構象，后者是環丁烷的優勢構象。1，3-二取代環丁烷的順式比反式更穩定些。反式順式皺折式環丁烷2.普通環和環己烷衍生物

環戊烷的平面構象幾乎沒有角張力，但由于所有的CH2都處于重疊位置，其扭轉張力高達63KJ·mol-1

,所以不是穩定構象。在非平面構象中,信封型和半椅型的構象較為穩定，是優勢構象。但因相鄰的四個或三個碳原子在一個平面上，使得部分CH2處于重疊位置，有較大的扭轉張力，達27KJ·mol-1。此外，也有一定的非鍵張力。

信封型半椅型

環己烷的最穩定構象是椅型，其∠CCC的鍵角為111°，每兩個相鄰碳原子都相當于一個丁烷的鄰位交叉構象，故其各種張力減小到了最低限度。其船型構象比椅型的不穩定，一方面是由于船型構象比椅型構象多兩個丁烷的全重疊構象，增加了扭轉張力；另一方面船型構象中船頭和船尾兩個氫原子的距離(0.183nm)比范德華半徑之和(0.24nm)小得多，產生很大的非鍵張力。據測定，船型構象比椅型構象能量約高63KJ·mol-1。在室溫下，環己烷的船型構象約占千分之一，它主要以椅型存在。椅型船型

環己烷椅型構象中每個碳原子上有兩種鍵：直立鍵(a鍵)和平伏鍵(e鍵)。一般取代基在平伏鍵上比在直立鍵上的穩定。由于環己烷中的碳-碳單鍵可在一定范圍內旋轉，一種椅式構象通過成環鍵的轉動，很容易反轉為另一種椅型構象，這叫做構象反轉(conformationalinversion)。在椅式環己烷及其取代衍生物的反轉過程中，原來的a鍵變為e鍵，而原來的e鍵則變為a鍵。例如甲基環己烷存在下列平衡：在常溫下甲基環己烷的平伏型構象占95%，而直立型構象占5%，如果取代基增大，則a鍵取代的構象所占的比例更少。如果取代基為叔丁基，則叔丁基在a鍵上的構象為零，即叔丁基以100%在e鍵上的構象存在。

2-烷基環己酮是烷基在e鍵上的構象較穩定。這一方面是因為e鍵上的烷基與羰基重疊，相當于鏈狀醛酮較穩定的構象；另一方面是六元環中的烷基在e鍵可降低非鍵張力。

較不穩定較穩定

分子內氫鍵的存在對構象產生強烈影響。例如，順-1，3-環己二醇由于存在氫鍵，使處在a鍵的構象占優勢。氫鍵的形成可降低內能20~26KJ·mol-1。

綜上所述，在取代環己烷衍生物中，六元環一般是趨于椅型構象；各個取代基特別是大的取代基盡可能占據e鍵的位置。但分子內有偶極作用或存在著分子內氫鍵時，則優勢構象取決于各種作用力的相對強弱。較穩定較不穩定3.中環和大環從環辛烷到環十一烷，張力都比環己烷大一些，但彼此間相差不大。其原因是，構成這些環的碳原子，都不在一個平面上，鍵角接近于109.5°,故角張力極小,主要是非鍵張力在起作用。因為某些不直接相連的原子間距離可能小于它們的范德華半徑之和。在更大的環狀化合物中各種張力減少到很小，所以大環化合物的穩定性與開鏈烴接近。4.稠環

順式十氫化萘的兩個氫(在并聯碳上)相對位置接近，反式十氫化萘的兩個氫相對遠一些。此外，順式還多三個鄰位交叉作用，故非鍵張力較大，因此順式較不穩定。經測定，順式的內能比反式高11.24KJ·mol-1。較為穩定的反式十氫化萘的兩個環是通過兩個平伏鍵相互稠合的，不能發生環反轉作用。而順式十氫化萘可發生環反轉作用。順式十氫化萘反式十氫化萘(二)環烯

環丙烯和環丁烯由于有一個雙鍵，都是平面型的，張力很大，它們的穩定性比相同碳原子數的環丙烷和環丁烷更小。環丙烯只有在很低的溫度下才能存在。環戊烯也是接近平面型的，而環己烯是半椅型的。

較小的環上（六元環以下）雙鍵使環中碳原子處于順式位置。七元環的反式環庚烯極不穩定。這可以認為是C-1和C-5上環內氫原子之間有強的非鍵張力（即是一種跨環張力），迫使它變為順式。隨著環的增大，這種非鍵張力隨原子間距離增大而減小。從環辛烯到環癸烯，它們的反式異構體都可以分離出來，但都比順式環烯略為不穩定。環十一烯和環十二烯，則反式異構體比順式的穩定，這與開鏈烯烴類似。反式環庚烯

在橋頭位置有雙鍵的橋環化合物也受到限制。如雙環[２,2,1]庚-1-烯不能制得,但雙環[２,2,1]庚-2-烯卻很易制得。雙環[２,2,1]庚-2-醇只能按下式脫水：產物不存在如果組成橋環的碳原子在七個以下，雙鍵是不能連在橋頭碳原子上的。但當具有烯鍵的最大環含有八個或更多碳原子時，這種環比較大而柔韌的橋頭烯，由于張力降低，可以存在。如：雙環[5,2,1]癸-1-烯雙環[3,3,1]壬-1-烯四.構象分析

一個分子的總能量與它的幾何形狀有關。在一個化學反應中，分子的基態、過渡態和產物有不同的幾何形狀，從而導致其能量的不同，由此影響一個分子的穩定性及反應的活性。通過研究分子的構象來分析分子的物理和化學性質，稱為構象分析。在環己烷體系中，取代基在a鍵與在e鍵的能量差，稱為該取代基在環己烷中的構象能。構象能越大，表示a-取代基的構象越不穩定，從而容易通過環的反轉變成e-取代基的構象。環己烷取代基的構象能

取代基E/KJ·mol-1取代基E/KJ·mol-1CH37.1Cl,Br,I2.1CH2CH37.5OH,OR2.9CH(CH3)28.8COOR(H)4.6C(CH3)3>18.8CN0.8C6H513.0NO24.6

利用此表可以估計取代環己烷的優勢構象。例如：構象(A)有兩個a–取代基，其構象之和E=7.1+2.1=9.2KJ·mol-1；而構象(B)之E=2.9KJ·mol-1能量低為優勢構象。試比較以下化合物的穩定性：

為了比較這對同分異構體的穩定性，首先寫出相應的優勢構象(A’)和(B’)。

(A’)的構象能之和E=7.1KJ·mol-1，而(B’)的E=2.9KJ·mol-1，所以(A)穩定。

但要注意某些特殊情況，如鄰位原子所連基團的偶極排斥作用對構象有很大影響。例如在CCl4中，2-溴環己酮是溴在a鍵上的構象比在e鍵上的占優勢，二者之比為3：1。

其原因是Cδ+―Brδ?和Cδ+=Oδ?都是強極性基團，若Br處于e鍵位置，則二者排斥作用大，使2-溴環己酮的平伏型構象不穩定。較穩定較不穩定

構象對物理性質的影響，可用二溴芪C6H5CHBrCHBrC6H5為例說明。該分子有一個內消旋體和一對對映體。其占優勢的構象是兩個苯基處于對位交叉位置。

從紐曼投影式看出，在(A)中兩個溴原子處于反式位置，只有兩個鄰位交叉作用；而在(B)中溴原子相互處于順式位置有三個鄰位交叉作用。因此(A)穩定性較好，對稱性較好，其熔點(237℃)比(B)(114℃)高；(A)在乙醚中的溶解度(1:10.25)比(B)的(1:37)小。

內消旋體(A)旋光體(B)

構象不同，化學性質也有所不同。仍以二溴芪為例。它在KI-丙酮中脫溴，(A)的反應速度比(B)的大約100倍。因為脫溴是E2反式消除，(A)的兩個溴原子的反式構象有利于消除反應的進行。而(B)則要吸收一定的能量來克服能壘，旋轉到兩個溴原子處于反式位置時才能發生反應，這時大體積的苯基處于鄰位交叉，形成過渡態的活化能較高，故反應速度較低。

構象對反應活性的影響，還與其反應機理密切相關。如4-叔丁基環己醇的順反兩種異構體，其化學反應速度是不相同的。順4-叔丁基環己醇的氧化反應速度是其反式異構體的3.2倍；而反4-叔丁基環己醇的酰化反應速度是其順式異構體的3.7倍。4-叔丁基環己醇的構象可表示如下：

順式醇快順式醇慢順式反式氧化乙酰化

對于鉻酸氧化反應來說，所形成的鉻酸酯中間體進行消除反應是決定反應速度的一步。在氧化反應過渡態中包括C―H鍵的斷裂和鉻的離去。反應物順式醇具有直立型羥基，其能量比反式高2.9KJ·mol-1。而當反應進行到被氧化的碳原子要發生sp2雜化時，隨著a鍵和e鍵的消失，兩個立體異構的過渡態之間的能量差比起始物的能量差要小，所以能量高的順式醇進行反應所需活化能較小，故反應速度快。也可理解為：在鉻酸酯中間體中，順式a鍵有大的基團CrO3H，空間張力很大，只有迅速離去，才能解除其過大的張力。

順式反式

對于乙酰化反應，形成一個類似于四面體中間體的過渡態是決定反應速度的一步。當酰化劑逐漸與羥基成鍵時，取代基的有效體積變大了，在過渡態中處于a鍵順式能量要比處于e鍵的反式能量增加的多一些，其差值大于起始物的2.9KJ·mol-1。因此，順式的活化能要大于反式的活化能，故順式的乙酰化反應速度慢。或者從產物來看，順式醇的乙酸酯，其CH3CO是連在a鍵上，空間張力大，比反式醇的乙酸酯連在e鍵上要困難。順式反式

構象對化學平衡的影響，一般都是以得到較穩定的異構體占優勢。例如，4-叔丁基環己烷羧酸乙酯與乙醇鈉加熱反應，產生了順反異構體。在所得到的平衡混合物中，比較穩定的反式異構體(A)占84%。

(A)反式ee構象(B)順式ea構象4.6空間效應

分子內各基團之間，或兩分子相互接近時不同分子的基團之間，通過空間相互作用所引起的取代基效應，稱為空間效應。這種效應的大小與相互作用基團的大小和形狀密切相關。它揭示了取代基的空間相互作用及其對分子性能(如物理性能)、反應平衡、反應速度和反應部位等的影響。

位阻對分子間相互作用的影響：這是由原子或基團處在它們的范德華半徑所不許可的范圍內時所發生的一種相斥作用。例如四苯基乙烯(C6H5)2C=C(C6H5)2和四-α-萘基乙烯(C10H7)2C=C(C10H7)2中的雙鍵都可以催化加氫，但只有前者可以加氯，兩者都不能加溴。至于四-9-菲基乙烯(C14H9)2C=C(C14H9)2則不能加氫。

位阻還會改變電子效應的大小。例如苯環鄰位取代基的位阻作用，可能迫使某些基團偏離苯環平面，從而削弱苯環與該基團的共軛效應。

以上兩個化合物的pKa值是(A)比(B)小，其中(A)的兩個甲基在酚羥基鄰位，甲基是給電子基，(A)的酸性應該較低；而(B)的兩個甲基遠離羥基，給電子影響減弱，(B)的酸性應大于(A)。但事實正相反，(B)中體積較大的硝基受相鄰兩個甲基的擁擠而偏離了苯環平面，使硝基上的氮-氧雙鍵的p軌道與苯環上的p軌道不能完全平行，二者重疊程度降低，使整個大π鍵的離域程度減小，從而削弱了硝基的吸電子能力，致使(B)的酸性比(A)弱。

在研究空間效應對反應活性的影響時，必須考慮過渡態或中間體的立體化學，并看決定反應速度的是哪一步。對環己烷衍生物來說，如果在反應過程中，反應基團所連的鍵繼續保留，由于e鍵的位阻小，在e鍵反應比a鍵容易(如環己醇的酰化)。如果在反應過程中，反應基團所連的鍵發生變化，則情況常常相反(如環己醇的氧化)。因為a鍵的消除能顯著地解除空間擁擠狀態，對反應起著“空間加速”的作用。

角張力對反應活性有很大影響。小環具有很大的角張力，其分子基態能量高，很容易發生開環反應。例如直鏈烷烴在黑暗中對溴是惰性的，但環丙烷卻能迅速生成開環產物。這時鍵