第一节基本定义 Elemental definitions 构象异将体(conformer o听rotational isomer)☐ 同一化合物分子的不同构象，彼此互称为构 象异构体。 例：乙烧(ehae,,C用，)· 构复异构体中具有能量最低即最稳定的柏数 好学 挂意： ,构象异体之间在室温下即可通过单旋转而 相互转换并达到平衡。 。构象异物体在室温下一般不能分离。 。构型异构体之间必须通过化学键的断裂才有司 ”绕单健旋转会产生无数个构象异构体 能相互转换， 两面角(dihedral angle) 相邻的三个德（含4个原子）所在的二个平面 之间的夹角。 研究分子中优势构象的存在，以及构象对 物理和化学性质的影响。 “构象分析“的定义是由英 国化 为对立体 的研究提出的 获1969年度的Nobc化学奖
7 第一节 基 本 定 义 Elemental definitions Elemental definitions 8 构 象（conformation） 由于σ-单键旋转产生的分子中原子或基团在 空间的不同的排列。 构象异构体（conformer conformer or: rotational isomer） 同一化合物分子的不同构象，彼此互称为构 象异构体。 9 例：乙烷（ethane，CH3CH3 ）。 C H C H H H H H ☞ 绕单键旋转会产生无数个构象异构体！ 10 优势构象（preferred conformation） 构象异构体中具有能量最低即最稳定的构象。 ☞ 构象异构体之间在室温下即可通过单键旋转而 相互转换并达到平衡。 ☞ 构象异构体在室温下一般不能分离。 ☞ 构型异构体之间必须通过化学键的断裂才有可 能相互转换。 注 意： 11 两面角（dihedral angle） 相邻的三个键（含 4 个原子）所在的二个平面 之间的夹角。 C H C H H H H H H-C-C-H两面角 60o C H C H H H H H H-C-C-H两面角 0o 例： 12 构象分析（conformational analysis conformational analysis） 构象效应（conformational effects conformational effects） 研究分子中优势构象的存在，以及构象对 物理和化学性质的影响。 “构象分析”的定义是由英 国化学家 D.H. Barton 通过对甾 体化合物构型的研究提出的，其 因为对立体化学研究的贡献，荣 获1969年度的Nobel化学奖。 Derek H. Barton Imperial College of Science and Technology, Great Britain
本章目录 第一节蓄本定义 第二节无环体系的构象分析 第二节无环体系的构象分析 第三节环已烧系的构象分析 Conformational analysis of acyclic compounds 第四节四元、五元和七元系的构象分析 第五节十氢化养系的构隶分析 第六节用二面角分析环系构象 乙烷(ethane)的构象 乙烧物参的能量围 一按 eclipsed form staggered fom 两面角0 两面角6 正丁烷(m-butane)的构 正丁的构家异构相互特换示意
13 n 第一节 基本定义 n 第二节 无环体系的构象分析 n 第三节 环已烷系的构象分析 n 第四节 四元、五元和七元系的构象分析 n 第五节 十氢化萘系的构象分析 n 第六节 用二面角分析环系构象 本 章 目 录 14 第二节 无环体系的构象分析 Conformational analysis of acyclic compounds Conformational analysis of acyclic compounds 15 一、乙烷（ethane）的构象 H H H H H H H H H H H H eclipsed form staggered form 两面角 0o 两面角 60o 16 - - - - - - 0 60 120 180 240 300 360 E 旋转角度 能 量 12.6 kj.mol-1 乙烷构象的能量图 [copy] 17 二、正丁烷（n-butane）的构象 See next C C H CH3 H H3C H H 18 CH3 H H CH3 H H H CH3 H H3C H H H3C H H H3C H H CH3 H H CH3 H H CH3 H H CH3 H H CH3 H H CH3 H H 对位交叉式(ap) 不相似重叠式(ac) 邻位交叉式(sc) 相似重叠或全重叠式(sp) 邻位交叉式(sc) 不相似重叠式(ac) 正丁烷的构象异构体相互转换示意图
中英对照名河： 正丁的能图 邻位交叉gauche 不相似重叠unlike eclipsed 部分重叠 partially eclipse (相似重叠 like eclipsed ,全重叠fully eclipsed copy. 三、取代的正丁烧体系的构象 Gauche教应： 一般情况下，当分子中除立体因素外，不 含有电负性大而原子半径小的原子（如： 存在其它相互作用的因素（如：偶极作用、氢 0、F等)时，邻位交叉式(g式)最稳定，这 种现象称为Gauche效应。 德等)时，对位交叉是最稳定的构象。 例：GCH.C.G类型的化合物。 。若存在偶极作用、氢健等其它因素时，可 0-0C0k. 能出现例外。 电负性器、 红德增加丁邻位交又式的稳定性。 例：以下化合物g式最稳定！ 例：下化合物g式最稳定。 Cu-CME 艾g 一攻 相检空置 对位交式 生形感分子内氨装维加了每位安又式的德定 。可能是偶授作用使邻位交叉式比对位交叉式 要稳定一些
19 邻 位 交 叉 gauche 不相似重叠 unlike eclipsed 部 分 重 叠 partially eclipsed 相似重叠 like eclipsed 全 重 叠 fully eclipsed 中英文对照名词： 20 - - - - - 0 60 120 180 240 300 360 E 旋转角度 能量 18.8 kj.mol -1 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 H3C H H CH3 H CH3 H CH3 H3C CH3 H3C CH3 15.9 3.7 正丁烷构象的能量图 [copy] 21 一般情况下，当分子中除立体因素外，不 存在其它相互作用的因素（如：偶极作用、氢 键等）时，对位交叉是最稳定的构象。 三、取代的正丁烷体系的构象 ☞ 若存在偶极作用、氢键等其它因素时，可 能出现例外。 22 含有电负性大而原子半径小的原子（如： O、F 等）时，邻位交叉式（g 式）最稳定，这 种现象称为 Gauche 效应。 Gauche 效应： 例：G-CH2-CH2-G` 类型的化合物。 ☞ G、G` = -F，-OH，-OR，-O-CO-R，-NH2， -SH，等 ☞ 电负性强、半径小、含未公用电子对等都可能 产生 Gauche 效应。 ☞ 形成分子内氢键增加了邻位交叉式的稳定性。 23 例：以下化合物 g 式最稳定。 FCH2CH2F FCH2CH2OH HOCH2CH2OH ☞ 形成分子内氢键增加了邻位交叉式的稳定 性，产生 Gauche 效应。 。 24 C Br Br H Br Br 1,1,2,2-tetrabromoethane H C Br Br H H Br Br 邻位交叉式 对位交叉式 ☞ 可能是偶极作用使邻位交叉式比对位交叉式 要稳定一些。 例：下化合物 g 式最稳定
例：以下化合物g式最稳定。 四、不饱和体系(unsaturation moleculars) 构象异构体的稳定性 粥 R-2-R-9 全量叠式部分置曼式对位交又式邻位交又式 例：丙醛(propylaldehyde,.CH,CH,CHO), 例：1-丁烯(1-butene,CH,CH,CH-CH,)。 -《- - 优劳构象 设 次稳定构。 若必 例： 丁明(butanone, CHCH,dcH)。 对于SP严.SP单键旋转产生的构象： 优势构象 顺式重童 侵器
25 N H H H H hydrazine O H H hydrogen peroxide C Cl H Cl H Cl 1,1,2,2-tetrachloroethane Cl C H H OCH3 H H 1,2-dimethoxythane OCH3 例：以下化合物 g 式最稳定。 26 四、不饱和体系（unsaturation moleculars） X= S，O，N R CH2 C Y Y= H， -OR，-R X R H H X Y H R H X Y R H H X Y H R H X Y 全重叠式 部分重叠式 对位交叉式 邻位交叉式 构象异构体的稳定性： 27 例：丙醛（propylaldehyde，CH3CH2CHO）。 优势构象 H3C H H O H H H3C H O H H H H3C O H 28 例：1-丁烯（ 1-butene，CH3CH2CH=CH2）。 优势构象 次稳定构象 H H3C H CH2 H H3C H H CH2 H 29 例：丁酮（butanone，CH3CH2CCH3）。 优势构象 =O O H3C H H H H H 30 对于 SP2-SP2 单键旋转产生的构象： 顺式重叠 反式重叠 （优式构象） 此单键非简 C C 单 的 单 键 C C C C C C
例：1,3丁二烯(1,3-butadiene). 本章目录 第一节基本定义 第二节无环体系的构象分析 。第三节环已烧系的构象分析 法罗 第四节四元、五元和七元系的构象分析 第五节十氢化荣暴的构象分析 第六节用二面角分析环系构象 第三节环已烷系的构象分析 Conformational analysis of cyclohexanes 是最稳定的构象，在环 对优 环已貌的椅武尚家 环巴院的简式南家了 简称e
31 例：1,3-丁二烯（1,3-butadiene）。 优势构象 （本节完） C H C H C H H C H H C H C H H C H C H H 32 n 第一节 基本定义 n 第二节 无环体系的构象分析 n 第三节 环已烷系的构象分析 n 第四节 四元、五元和七元系的构象分析 n 第五节 十氢化萘系的构象分析 n 第六节 用二面角分析环系构象 本 章 目 录 33 第三节 环已烷系的构象分析 Conformational analysis of cyclohexanes Conformational analysis of cyclohexanes 34 一、环已烷（cyclohexane）的构象 实验证明： ☞ 椅式构象的张力最小，是最稳定的构象，在环 已烷中椅式构象占绝对优势。 ☞ 1,000 个分子中仅一个是船式，其余都是椅式。 ☞ 室温下各构象体之间的转换达 104~105 次/秒。 椅式 （优势构象） 扭船式 真船式 椅式 （优势构象） 扭船式 半椅式 半椅式 35 [copy] 环已烷的椅式构象 36 环已烷的椅式构象-1 ☞ 6个H与分子的中心轴（C3轴）平行，称轴向 键（axial bond），简称 a 键； ☞ 另 6 个 H 与中心轴成 109o 28` 夹角，即与分 子平面成 19o 28` 夹角，称平伏键（equatorial bond），简称 e 键。 H 1 2 3 4 5 6 H H H H H H H H H 1 2 3 4 5 6
环已完的将式构象2 环已烷的将式构象3 $一$ 中一 原子在另 平面，两个 面间隔约0.056 ,这种转环作用在室温下 环已烧的船式南原 环已皖的船式岗拿习 斗常 平代个卖荣者澳的货中斋 键（船式轴向德） 二、取代环已烷的构象 背 斑女 的称为斜枪键(bowsprit bond) 时 款到
37 ☞ 椅式构象中，6 个 C 原子实际上成 2 个平面， 即相互间隔的 3 个 C 原子在同一平面，另外 3 个 C 原子在另一平面，两个平面间隔约 0.056 nm。 a e a e 环已烷的椅式构象-2 38 ☞ C 原子的热振动可使两个平面彼此互换位置 （不发生化学键的断裂），即环已烷的转环作 用，在此过程中构型不发生变化，但 e 键 H 变成 a 键、 a 键 H 变成 e 键。这种转环作用在室温下 是很快的（104~105次/秒）。 a e a e 环已烷的椅式构象-3 39 [copy] 环已烷的船式构象 40 环已烷的船式构象-1 ☞ 4 个 H 类似椅式中的 e 键，称 beq 键（船式 平伏键），另 4 个 H 类似椅式中的 a 键，称 bax 键（船式轴向键） bax bax bax bax beq beq f f b b beq beq 41 环已烷的船式构象-2 ☞ 处在船头上的 4 个 H 原子，两个向上并向内 的称旗杆键（flagpole bond），另两个平斜向外 的称为斜桅键（bowsprit bond）. bax bax bax bax beq beq f f b b beq beq 42 二、取代环已烷的构象 R 2 3 4 6 R 1 2 3 5 ☞ R 在 a 键时，成两个邻 位交叉式构象，R 与相邻两 个 C 上的 H 距离较小，所 受斥力较大。 ☞ R 在 e 键时，成两个对 位交叉式构象，R 与相邻两 个 C 上的 H 距离较远，所 受斥力较小。 R R 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1-substituting-cyclohexane
规算门 女两条有关则 。尽可能以椅式构象存在。 Hassel规则：带有相同基团的多取代环己烷， ”非极性基团如烷基尽可能在©能上，基团 如果没有其它因素的参与，那末在两个构象异 越大，e式构象越占明显优势。 构体之间，总是有较多取代基取•健向位的构 象为优势构象。 Barton规则：带有不同基团的多取代环己烷， 如果没有其它因素的参与，则其优势构象总是 。构象还要受化合物的状态、温度、溶剂等 因素的影响。 趋向于使作用最强和较强的基团尽可能多地取 :键的向位。 例：甲基环已烷的构象平衡。 95% 家)因发展了立体化学 的理论而获得了1969年度的 Nobel化学奖. 例：c-l,4 -butyl-cyclohexane. 三、环已&亚甲基环已烧的构象 含有一个sp杂化碳原子的化合物是环己 刚和亚甲基环已烧。 扭船式（优势构象） 在取登婪有丰大肉位色 ”叔丁基的存在，可阻得环已烷的转环作用。 ★对研究取代环已烷的理化性质很有帮助。 。但与环已烷相比，其椅式构象略显平展
43 规 律 ☞ 尽可能以椅式构象存在。 ☞ 非极性基团如烷基尽可能在 e 键上，基团 越大，e 式构象越占明显优势。 ☞ 极性基团占 e 键比 a 键略微稳定，但要考 虑多种因素影响。 ☞ 构象还要受化合物的状态、温度、溶剂等 因素的影响。 44 ★ 两 条 有 关 规 则 Hassel规则：带有相同基团的多取代环己烷， 如果没有其它因素的参与，那末在两个构象异 构体之间，总是有较多取代基取 e 键向位的构 象为优势构象。 Barton规则：带有不同基团的多取代环己烷， 如果没有其它因素的参与，则其优势构象总是 趋向于使作用最强和较强的基团尽可能多地取 e 键的向位。 45 Barton（英国化学家）和 Hassel（挪威化学 家）因发展了立体化学的理论而获得了1969 年度的 Nobel 化学奖。 Derek H. Barton Derek H. Barton Imperial College of Science and Imperial College of Science and Technology, Great Britain Odd Hassel Oslo University, Norway 46 5% 95% H3C CH3 例：甲基环已烷的构象平衡。 例： O H O H t But t But _ _ cis-1,3-dihydroxylcyclohexane O O H H 47 扭船式（优势构象） 例：cis-1,4-t-butyl-cyclohexane。 ☞ 叔丁基是非常大的基团，有非常大的倾向使它 在取代环已烷中处于 e 键。 ☞ 叔丁基的存在，可阻碍环已烷的转环作用。 ★ 对研究取代环已烷的理化性质很有帮助。 48 三、环已酮 & 亚甲基环已烷的构象 ☞ 此两个分子的优势构象仍是椅式构象，因为仅 一个 C 由 sp3 转化成 sp2，不影响分子总体构型。 ☞ 但与环已烷相比，其椅式构象略显平展。 O cyclohexanone CH2 methenecyclohexane 含有一个 sp2 杂化碳原子的化合物是环已 酮和亚甲基环已烷
耥象分新：☐ 鹅象分新： 学 。C2-C1-C6夹角为116. 。0-C1.C2H、0-C1-Ce的两面角均仅为 。亚甲基环已烷处于类似 的状况 ★类似环己丽的构象。 例：2-methylcyclohexanon( 力，因此 差要小于相应甲基环已烧两个构象的能差值。 2卤代环已酮 例：2-卤代环已酮， eit-2om 数，特别是在极性小的溶剂中。 即其优势构象仍为卤素
49 ☞ C2-C1-C6 夹角为 116o。 ☞ O-C1-C2-He、O-C1-C6-He 的两面角均仅为 4o，几乎处于重叠状况，具有一定张力，这种张力 的存在是环已酮加成反应比相应链酮要快的原因。 ☞ 亚甲基环已烷处于类似的状况。 构 象 分 析： O H H H H 1 2 6 e a e a 50 CH2 H H H H 1 2 6 e a e a 构 象 分 析： ★ 类似环已酮的构象。 51 例：2-methylcyclohexanone。 ☞ 当甲基处于 e 键时，增加了与羰基的排斥 力，因此 2-e-甲基环已酮与 2-a-甲基环已酮的能 差要小于相应甲基环已烷两个构象的能差值。 O O CH3 CH3 2 2 2e-CH3 2a-CH3 52 例：1-isoallyl-2-methylcyclohexanone。 ☞ 处于 e 键的甲基与双键间的相互作用较大，使 构象平衡向 a 键甲基方向移动。 C CH3 CH3 CH3 C CH3 CH3 CH3 53 例：2-卤代环已酮。 ☞ 在 2-卤代环已酮类分子中，还存在着偶极作 用，所以在构象平衡体中处于 a 键的构象略占多 数，特别是在极性小的溶剂中。 O O Cl Cl 48% 52% O O Br Br 24% 76% 54 ☞ 在 2-卤代环已酮中，若环上还有其它取代基， 可能处于 a 键上的基团相互作用要超过偶极作用， 即其优势构象仍为 e-卤素。 2-bromo-4,4-dimethylcyclohexanone O Br CH3 H3C O Br CH3 H3C cis-2,6-dibromocyclohexanone O Br Br O Br Br 例：2-卤代环已酮
例：3卤代环已酮. 四、环已烯(cyclohexene)的构象 州 环已烯的优势构象为半椅式构象。 在半精式构象中，在C4、C5位上的H是真正：德和 、C6位上的健分别称为假平伏德(：)和假轴 25 ★此现象称为3轻基制效应”。 式构象同的转环作用约需2.6m0l。 取代环已烯中，取代基在e键比在a键要稳定 五、大元杂环的的构象 列 为其优劳 :N-methylpiperidine 子相 碳上的含氧基团， 相互作用，在 位量要建定瑞基效应， 90% 例：2-methoxy-tetrahydropyran &一心h
55 ☞ 在 3-甲基环已酮中，甲基在 a 键时仅受到 C5- Ha 的相互作用，与甲基环已烷相比，其张力约小 2.5 kj/mol。 ★ 此现象称为“ 3-烃基酮效应”。 例：3-卤代环已酮。 O CH3 H CH3 H H 张力较小 张力较大 56 四、环已烯（cyclohexene）的构象 ☞ 在半椅式构象中，在C4、C5位上的H是真正 a 键和 e 键。 ☞ 在C3、C6位上的键分别称为假平伏键（e`）和假轴 向键（a`）。 ☞ 环已烯半椅式构象间的转环作用约需 22.6kj/mol。 环已烯的优势构象为半椅式构象。 H H H H H H H H 1 2 3 4 5 6 a e a e a` e` a` e` half-chair form 57 取代环已烯中，取代基在 e 键比在 a 键要稳定。 例： a`,e e`,e a,e e,e H COOH COOH H H COOH H COOH Base H COOH COOCH3 H H COOH H H3COOC 58 五、六元杂环的的构象 含有1~2个杂原子（N、O）的六元环的构象与 环已烷的构象类似，椅式构象亦为其优势构象。 N H O hexahydropyridine tetrahydropyrane 59 例：N-methylpiperidine。 N CH3 N CH3 90% 10% 例：1,4-dimethylpiperazine。 N N CH3 H3C N N CH3 CH3 60 例：2-methoxy-tetrahydropyran。 连在氧杂原子相邻碳上的含氧基团，由于偶极 相互作用，在非极性溶剂中，a 取代位置比 e 取代 位置要稳定（端基效应，anomeric effect）。 O OCH3 O CH3O
本章目录] 一节蓄本定义 第二节无环体系的构象分析 。第三节环已统系的构象分析 第四节四元、五元和七元系的构象分析 第五节十氢化养系的构象分析 第六节用二面角分新环系构象 影响脆环经构橡脆定性的主婴因素： 第四节四、五、七元环系的构象分析 。键角张力。 (onformational analysis of other 环的扭曲张力。 一、环丁梳（cyclobutane)的构象 methyl 3-methylcyclobutanecarboxylate 其构象仅在某些特殊情况下是平面的，大 多数情况下呈不同程度的折叠形状。 平面◇一一 。折叠可减轻张力。 能量上是有利的 此构象中存在假平伏链(e)和假轴向(a)
61 Normal form (N式或 4C1 ) 较稳定 优势构象 Alternative form (A式或 1C4) 不稳定 a-D-Glucose b-D-Glucose 63.6% 例： O CH2OH OH H OH OH OH O CH2OH H OH OH OH OH CHO H OH HO H H OH H OH CH2OH 36.4% O OH HO HO OH OH O OH OH HO HO OH O OH HO HO OH OH O OH OH HO HO OH 62 n 第一节 基本定义 n 第二节 无环体系的构象分析 n 第三节 环已烷系的构象分析 n 第四节 四元、五元和七元系的构象分析 n 第五节 十氢化萘系的构象分析 n 第六节 用二面角分析环系构象 本 章 目 录 63 第四节 四、五、七元环系的构象分析 Conformational analysis of other cycloalkanes Conformational analysis of other cycloalkanes 64 影响脂环烃构象稳定性的主要因素： ☞ 键角张力。 ☞ 环的扭曲张力。 ☞ 取代基的极性效应。 （如：非键原子或基团之间的排斥、吸引， 弱键的形成等）。 65 皱折式（蝶式） （优势构象） 平面式 一、环丁烷（cyclobutane）的构象 ☞ 折叠可减轻张力，在能量上是有利的。 ☞ 此构象中存在假平伏健（e`）和假轴向键（a`）。 其构象仅在某些特殊情况下是平面的，大 多数情况下呈不同程度的折叠形状。 H H H e` H a` e` a` 66 例：methyl 3-methylcyclobutanecarboxylate. 例：cis-1,3-dibromocyclobutane. H3C COOCH3 H3C COOCH3 C2H5OH / C2H5OBr Br Br Br 3% 97% trans cis