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1、物理有机化学,Introduction,Physical Organic Chemistry(美国称呼)Theoretical Organic Chemistry（欧洲大陆称呼）现在己明确，前者有实验，后者以理论计算为主。物理有机化学是用物理和物化的概念、理论和方法研究有机化合物的结构和反应机理等问题的一门基础学科，作为有机化学、高分子化学、生化的理论基础，一直是有机化学中最活跃的一个领域。目前物理有机化学的论文约占整个有机化学原始文的1/3；有专门的杂志报道其研究成果，如美国化学会的J.Physical Chemistry A;JCS Perkin Trans,物理有机化学萌芽于上世纪二十年
2、代，3040年代自成学科。物理有机的内容：结构和机理,结构：1、分子结构理论：价键法共振论 分子轨道法（M.O.）分子轨道对称守恒原理2、立体化学：构造、构型、构象和构象分析,3、结构与活性的关系：三十年代：电子效应 五十年代：空间效应 六十年代：溶剂效应 半经验方法如Hammett类型的方程，是定 量处理诱导效应和共扼效应的方法;又有诱导效应和共扼效应指数、同系线性 规律等计算结构与活性关系的半经验的关 系式 空间匹配效应（hostgust）,4、酸碱理论（酸碱催化、HSAB、超强酸等）反应机理：反应过渡态和活性中间体理论常用的定性模型静态、动态研究；T.S.的Hammond假设反应机理的研
3、究方法；各类反应机理的研究等,物有的作用：使有机化学从“手艺”上升为科学。Sir Robert Robinson:“Gone are the days when organic chemistry could be stigmatized as memory.”,参考书：Thomas H.Lowry Mechanism and Theory in Organic Chemistry叶秀林:立体化学,Chapter One Stereochemistry,1874年J.H.vant Hoff和J.A.Le Bel为了解释酒石酸的光学异构现象，提出了碳原子化合价的四面体学说，从而使得有机化学的研究
4、进入三维空间领域，开创了立体化学此后的一百多年时间里，立体化学不断地取得进展，使人们对自然界的认识不断深入,有机立体化学现在还在飞速发展，这主要是因为现在测定分子的立体结构和构象的手段可以说具备了，例如X衍射、电镜、核磁共振等。反过来，有机立体化学在理论及合成有机化学、生物、生化和医药研究中的作用也更大了。,一、Symmetry and Chirality化合物的对称性可以用有无对称元来加以确定。对称元又可以用一定的对称操作加以描述。,Sn：即绕某轴旋转360/n，然后对垂直于该轴的平面反射，得到一个和原来化合物相同的化合物，n=2，3，4，相应地称为n重更迭对称轴。,不具有上述任何一种对称元
5、素的化合物为不对称化合物1956年以前，人们常说化合物的不对称性(即不具有任何对称元素)是构成对映体的条件，但右旋或左旋酒石酸具有二重对称轴，却可以形成对映异构体，因此卡恩(Cahn)等引入了手性（chirality）这个概念。一个化合物像手一样，不能和它的镜像重叠，是构成对映异构体的条件。从对称元素来看，使一个化合物不能和它的镜像重叠的条件是没有对称面、对称中心和更迭对称轴实际上，对称面可以看作是一个一重更迭对称轴，而对称中心则是一个二重更迭对称轴从这个观点来说，没有更迭对称轴（包括n=l的一重更迭对称轴在内）的分子是手性分子，它和它的镜像不能重叠，两者构成了对映异构体至于有无对称轴则不是构
6、成手性的根本条件没有任何对称元素的分子是不对称分子，不对称分子一定是手性分子，而手性分子不一定全是不对称分子,Chirality or handedness is an inherent geometrical property of all objects that can not be superimposed on their mirror images.,下列化合物具有一个四重更迭对称轴:,一个手性分子可以有手性中心，也可以有手性轴或手性面。具有手性中心的分子可以有如下几类：,金刚烷类,可看成是放大的手性碳,9,AAAA型,实际合成了Cyclophane环芳烷,手性轴化合物有,手性面化
7、合物有,m=n=2,光学活性是稳定的;m=3,n=4:可拆分,但温度高了消旋,反-环辛烯,此外还有螺旋化合物:,虽无手性中心手性轴或手性面,但有左或右螺旋,仅就螺旋方向而言恰恰是对映的.,二、结构和异构现象Structure and Isomerism,一个分子只有在它的构造,构型和构象全部确定后,它的结构才完全确定.,例如,(+)酒石酒与(-)酒石酸为对映异构,但它们与meso酒石酸之间为非对映异构.,概括地说,凡不属于对映异构都可以称为非对映异构.这样光学异构和几何异构的名称可以不用.按上述定义,酮-烯醇互变应属于构造异构.但如在室温下能迅速互变,不易分离,则常被称为互变异构tautome
8、rism.此外也有一些特殊的名称.例如蛋白质和核酸的左右螺旋结构称为螺旋立体异构体.cyclostereoisomers.套环类的化合物(catenanes)称为拓扑异构体(topologicalisomer).,而1与2或1与3是拓扑非对映异构体.,三、Sequence Rule,没有顺序规则前,立体异构体的构型用D、L来表示(现在氨基酸和碳水化合物也还是用D、L).1906年Rosanoff任意选择甘油醛为相对标准.,1951年Bijvoet用特殊的x射线衍射法研究了(+)-酒石酸铷钠,确定了(+)-酒石酸的绝对构型,证明原来任意定的相对构型是对的.,但DL这套方法对二个或二个以上手性原子
9、的化合物有困难,例如,从醛基端变化成酒石酸,则为D-型()酒石酸,从羟基端往下变成酒石酸,则成为(+)酒石酸,为方便使用,Cahn,Ingold,Prelog在1956年提出即顺序规则,到1964年得到接受和完整化,从此R,S表示法成为表示绝对构型的一个普遍而明确的体系.1.顺序按原子序数大小排列;2.原子序数相同按质量大小排列;3.有两个或二个以上的原子是相同的,则比较与它们相连的原子的大小,直到有差别为止.4关于双键:,孤对电子的序列最小,例如:,高价基团比低价基团占较高序列,例如,丙二烯型及受阻联苯型:把它们看作具手性轴的一个拉长的四面体,并按近端优先的原则处理.所谓远近，是指沿手性轴任
10、何一端看出去的远近例如27、28、29，从 X端往 y端看，X端为近端，X端的 a b，Y端的 c d a c或 ab，则顺序如 30所示，即 1 2 3 4按顺序规则使 4指向前面(最小在后面)，1 2 3是顺时针方向，所以是R型如果从Y端往 X端看，则 Y端是近端，大小顺序如 31所示，结果也是R型的所以，不论从X端往Y端看，还是从Y端往X端着，结果是相同的31、32都是R型的,对联苯类化合物,取两对相近而又不相同的基团,然后同样按拉长了的四面体的方法处理,例如下列化合物,Wrong,Spiranes(螺构化合物)与丙二烯类同样处理,手性面化合物:以左边与平面直接相连的亚甲基碳原子作为pi
11、lot atom,从这个原子来观察分子中的a,b,c途径,如O C C(Br)为顺时针方向,则为(R),反之为(S).用(pR),(pS)表示;p意为手性面为参比.,但是,RS构型表示与DL表示法之间没有内在联系.例如D-甘油醛是R-构型;但是别的化合物的R-构型不等于就是D-构型:不一定是D-构型.例如L-半胱氨酸扰为R-构型,但L-丝氨酸却是S-构型,实际上中心碳的构型没变,就是-OH换成了-SH.,又比如下列三种化合物，都是属于同一类型的甘油衍生物，但由于取代情况不同，第一个是R型的（35），第二个是 S型的（36），第三个又是 R型的（37）,又比如下列两个甾族化合物的C13,构型完全
12、相同,只是其中的取代基不同,绝对构型也就不同,所以，顺序规则的应用，并不排斥D、L、等表示方法,四、Prochirality,立体化学的另一个重要发展是，对于某一对相同的基团或原子，可以根据它们在整个分子中所处的环境加以区别 在某些化合物中，如CH2Cl2，两个氢是处在等同（equivalent）或等位（homotopic）情况，不论取代哪一个氢原子，都导致相同的产物,在另一些化合物中情况则不一定是这样取代不同的基则形成不同的产物，因此是处于异位（heterotopic）情况其中又可以分为构造异位（constitutionally heterotopic）和立体异位（stereoheterot
13、opic）两类立体异位又可进一步分为对映异位（enantiotopic）和非对映异位（diastereotopic）这些都是所谓“地位异构”(topism).,在以上几种位置中，等位的基团或原子可以通过Cn易位对映异位的可以通过Sn（更迭对称操作）易位，而构造异位和非对映异位则不能被任何对称操作易位 一个ZAABC型分子，两个A不论是对映异位还是非对映异位的，当被另外一个原子或基因取代后，即产生一个新的手性中心因此，这类分子具有一个前手性中心。CH3CH2OH、CH3CH2COOH、HOOCCH2CHOHCOOH等都是前手性分子和手性轴相对应，某些分子也可以具有前手性轴,这个prochiral
14、ity的概念是1966年由Hanson首先提出来的.,前手性化合物中两个立体异位的基，也可以利用顺序规则加以区别如果用序列号较高的基取代某一个立体异位基（如以D取代H）导致形成R型异构体，则这个立体异位基为前(潜)R型，以proR或 LR表示；如果导致形成S型异构体，则为前S型，以proS或LS表示潜手性的概念运用到sp2杂化的碳原子上(平面分子),则有前手性面，,平面上所连的三个基团按序列大小顺时针排列的为re-面,反之为si-面.(from rectus;from sinister),也有非对映异位面:,对碳碳双键也同样,总之,地位异构中可分为:同种原子或基团在分子中处于不同的构造环境,称
15、为构造异位;若处于不同的立体异构环境,则是立体异位;其中当分别被同种原子取代后生成一对对映体的,它们为对映异位,而产生一对非对映体的,则为非对映异位.,立体异位和前手性的概念，在生物化学中非常重要生物化学反应是借酶的催化去完成的，而酶本身是一类手性试剂，有高度的立体选择性它能区别立体异位（包括对映异位和非对映异位）基，也能区别立体异位（同样包括对映异位和非对映异位）面.生物化学家首先认识到 结构中二个a基团的不等同;在四十年代,已发现柠檬酸(citric acid)中的二个-CH2COOH基团,具有不同的生物来源;它们降解时也不一样,在它们组成代谢(anabolism)和分解代谢(catabo
16、lism)时,由所涉及的酶来区别.,酵母醇脱氢酶催化的乙醇氧化反应,要求(NAD+)作为辅酶,乙醇是潜手性分子,在氧化成乙醛的过程中,包含失去pro-R氢而转移给辅酶的过程,一个具有ZAABC型的化合物，并不一定都是前手性的如果B和C是两个互成对映异构的基，则一个A被其他基取代后只是形成一个假不对称中心（pseudo asymmetric center），不是手性分子，下列两个化合物就是如此,假不对称中心用小写的r或s表示它们的构型同样，化合物也可以有假不对称轴和假不对称面，下面就是两个具体的例子,另一方面,非对映异位基团的一个重要性质是:它们对于手性试剂和非手性试剂,化学上都是不等当的,并能
17、用NMR法区别;生物有机反应机理往往也是利用同位素标记的底物在非对映异位基团之间作出区别而来进行测定的.例如苯丙氨酸用苯丙氨酸氨解酶催化转化为反-肉桂酸的反应是经过氨基和3-pro-s质子反式消去的过程,非对映异位基团的环境在拓扑学上是不同的,其结果是遭受不同的屏蔽效应,所以在NMR中具有不同的化学位移.,五、旋光色散和圆二色性,利用偏振光研究分子结构历来巳久.用钠光测定旋光度早己成为常规方法.但更有意义的问题是:有没有可能从化合物旋光性的测定中推知不对称中心的构型?这个命题现在巳有少许的答案.Djerassi研究含有手性环己酮的天然产物及甾族化合物的分子构型构象与旋光现象间的关系,得到了“八
18、区规则”等有意义的结果.要用八区规则来判断环已酮类衍生物的构象,首先得了解旋光色散现象和旋光谱以及圆二色性等.,1、Optical Rotatory Dispersion(ORD)and Circular Dichoism(CD),一个手性化合物,具有光学活性,就是对平面偏振光的偏振面具有旋转能力,常以比旋光度 或mol比旋光度 表示:,一般用钠光D线,波长=589nm,为什么规定波长呢?因为物质的旋光度与波长是个函数关系:,式中nL和nR是被测物对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的折射率.可见比旋光度与波长成反比,越短,则越大.,但是要制造一台可以用不同波长连续测定旋光度的仪器比较困难,直到上一世
19、纪五十年代才做到,因此这方面的研究也只能从那个时候开始.,一单色的平面偏振光，它的电场以正弦曲线的形式振动，同时以一定的频率向某个方向传递,如果我们站在t处看光源，则可看到E矢量在一个平面上作振动,Fresnal认为一个平面偏振光可看作是两组圆偏振光的组合,即等波长等强度的左右旋圆偏振光矢量合成的结果:,但如果左、右旋偏振光通过介质的速度不同，则通过介质后的左、右旋圆偏振光仍然组成一个平面偏振光，但它的偏振面却不在中心，而是旋转了一定的角度a,如果在各种不同波长条件下测量比旋光度或摩尔比旋光度，则波长越短其值愈大，形成了旋光色散曲线或旋光光谱,这是化合物在测量使用的波长范围内无吸收（吸收光带远
20、在测定范围之外）的情况，即所谓平整(正常)旋光色散曲线ORDI是右旋，也称正旋光色散曲线；是左旋，也称负旋光色散曲线,如果在测量范围内有吸收带，则左、右旋圆偏振光不但通过介质的速度不同,而且吸收也不同,如果以波长对比旋光度作图,对在测定的波长区域(250700nm)有紫外或可见光吸收的样品,得到的曲线不是平滑的而是有峰和谷,就称之为反常(异常)旋光色散曲线(Anomalous ORD),也称呈现Cotton效应);,这是因为当平面偏振光在一个旋光性的物体中传播时，通常它的两个圆偏振光不但速度不同，而且这两个圆偏振光被吸收的程度也不相等。这后一性质被称为“圆二色性”(Circular Dichr
21、oism,CD)，并可以用吸收系数差 表示。因为透射出具有圆二色性的旋光性物体的两个圆偏振光的强度已不再相等，所以由它们再组合成的，已不可能是一个平面偏振光，而是一个右旋或左旋椭圆偏振光。例如，在某一具有圆二色性的旋光性物体中，右旋圆偏振光被吸收的程度小于左旋圆偏振光，但传播的速度较大，于是透射出此物体的是一个右旋椭圆偏振光。,这可以用图解表示。其中，OR表示被吸收后的右旋圆偏振光的振幅，OL表示被吸收后的左旋圆偏振光的振幅，OE是OR和OL的向量和。是椭圆偏振光的椭圆度。在通常的情况下，因为吸收系数差的值很小，所以角也很小，即这样产生的椭圆偏振光所呈现的椭圆都非常扁长。,假如以对波长作图,得
22、到的曲线就称为圆二色光谱CD,CD曲线的形状象相应的电子跃迁,即有一个max.,这样,ORD和CD两种图的定义都已讲到.可以看出,CD是一种吸收现象,ORD是一种色散现象.两者都反映偏振光与手性分子之间相互作用的结果,所以从CD和ORD应该可能得到一些立体化学结构方面的信息.CD和ORD都称之为Cotton效应.在介绍Cotton效应的应用之前,还必须了解一下ORD和CD曲线的特征.,这些谱线中，1，4，6，7是正性谱线，2，3，5是负性谱线。所谓正性，是指谱线由长波向短波处上升；而负性谱线由长波向短波处下降。ORD谱线实际上是不同波长的左右旋偏振光通过被测旋光性物质时传播速度不同的反映;而C
23、D是不同波长的左右旋偏振光通过被测旋光性物质时不同吸收的反映.因此,在一定的波长范围内（250700 um），如果样品没有特征吸收，就得不到具有特征的圆二色光谱，只能给出一条近似水平的直线，也就没有什么意义。当样品化合物具有特征的吸收带时，在旋光谱中出现Cotton效应的谱形，那末在接近波长K 处的的绝对值将变得比较大，于是将给出具有特征性的圆二色光谱。,因为，所以的值也有正值和负值。这决定了圆二色光谱也像ORD那样，可以分成正性谱线和负性谱线，即呈现峰的为正性圆二色光谱的谱线；呈现谷的为负性谱线。关于谱线的正性和负性，旋光谱和圆二色光谱是一致的，即给出正性旋光谱的化合物也给出正性的圆二色光谱
24、，而给出负性旋光谱的化合物相应地给出负性的圆二色光谱。旋光谱和圆二色光谱的关系和比较：至此，已经可以明显地看出，折射率（nL和nR）、旋光谱、吸收系数（L和R）、圆二色光谱和紫外光谱之间的相互关系了。下面是一个假想化合物的UV吸收光谱、CD光谱和ORD光谱，将它们画在一起以便更进一步地表现它们之间的关系.,从这些谱线可以看出：（1）一个复杂的化合物，并不一定其所有的吸收带都相应地呈现光学活性的负担。在此，吸收带实际上是没有活性的。（2）CD谱线能很明确地表现出吸收带的正性圆二色性和吸收带的负性圆二色性。（3）ORD谱线虽然也表现出了吸收带I的正性Cotton效应和吸收带的负性 Cotton效应
25、，但由于旋光性的叠加，不如 CD谱线表现得那样清楚。（4）在没有光学活性的波段，ORD有可能提供某些信息，而从CD则得不到任何信息。（5）旋光色散曲线S形弯曲的节点恰好是max 的波长。总而言之，ORD和CD是分子非对称性对光的作用，而显示出有关光学活性的两种表现。于是，从旋光谱和圆二色光谱的特征，应当可以得出相同的立体化学结论。,但是，钟形的CD谱线比较简单，比S形的ORD谱线容易分析。特别是当分子的UV光谱呈现有较多的吸收带，ORD谱线具有复合Cotton效应时，往往比较难予分析。在这种情况下，CD谱线往往能分辨相应于每个吸收带的max（或K）和Cotton效应的正负性，从而可以推断各个“
26、生色团”所处的立体化学环境.,2、应用ORD and CD推断手性中心的构型,旋光谱和圆二色光谱，像其他的光谱那样，在有机化学中也主要地是用来测定分子的结构。由于这两种光谱都与光学活性有关，所以从这两种图谱中有可能推导出立体化学结构与这两种图谱之间的关系,从而反过来,在测得手性化合物的ORD和CD光谱后推断出手性化合物的立体构型。目前巳找到较明确关系的是饱和环酮的八区律。除此之外，还找到了一些其他化合物的规律，如Klyne的内酯扇形区规律、共轭双烯和共轭不饱和酮的螺旋规律，以及，不饱和酮的八区律等等。,1.用已知构型的化合物作对照饱和的环酮，特别是环已酮类和甾族的酮类，是用ORD和CD研究得最
27、多的对象。甾族化合物的碳架具有刚性，没有构象转换的干扰，其紫外吸收光谱的资料也大部分是已知的，也便于检验所获得的研究结果,所以环已酮类和甾酮类的结构（包括构型和构象）是研究得比较清楚的。例如,反-10-甲基-2-萘烷酮在接近300nm处出现一个峰,而顺式异构体为一个谷,所以前者显示(+)cotton效应,后者呈(-)cotton效应.,而顺-10-甲基十氢萘酮-2可以有二种可能的构象:,从50年代以来,甾族化合物的构型很多都是巳知的,也巳用ORD仪器测定研究过,有关甾体的构象与ORD曲线形状的关系己经是已知的,例如5-雄甾烷-17-醇-3-酮中由于B/C为反式的构型,固定了A/B具有()的构象
28、,因此称为甾体构象.由于顺-10-甲基十氢萘酮-2的ORD曲线与5-雄甾烷-17-醇-3-酮非常相似,因此可以确定它具有()的构象.,但是如果没有已知构型的ORD曲线作比较,怎么根据被测试样的ORD曲线来确定被测物的构象呢?对于环己酮衍生物,已有所谓的八区规律可以用来预测化合物ORD曲线的正负.,2.八区律：羰基具有两个相互垂直的对称平面（a和b平面），应当不具有光学活性。但是，当它存在于非对称的分子中时，其对称的电子分布受到分子内的不对称因素的干扰，在被激发而跃迁的情况下，就要显示出明显的光学活性特征。因为羰基氧原子非共用电子对n*跃迁（270310 nm；：50200），2pyn-电子跃迁
29、到*反键轨道，*轨道比2py轨道扩展，与邻近不对称环境的相互作用变大，使羰基的对称性受到破坏，诱发成为一个不对称中心，而呈现光学活性，导致谱线在 270310 nm的范围内出现Cotton效应的转折。Cotton效应的符号和谱形则决定于羰基所处的不对称环境。因此，在非对称分子内，离羰基越近的不对称中心，其效应越显著。当这些不对称中心的构型、构象发生变化时，谱形也随之发生明显的变化，甚至引起符号的改变。距离较远的不对称中心，则随距离的增大，这种效应越衰微。,现在如果垂直于平面 a和b，在分割羰基 的位置上作一个平面 c，即可以将羰基周围的空间划分为八个区。如果这个羰基是某个非对称分子的一个组成，
30、那末相对于这个羰基，分子的其他部分便被非均等地分布在这八个区之内，从而可以研究这个羰基在分子内所处的不对称环境的情况，这就是所以称之为“八区律”的梗概。八区律是一个半经验的规律，结合实验数据的总结，任何一给定原子在P点(x,y,z)对反常ORD所构成的贡献的符号(+或)是由它的简单的乘积所决定的,即,即羰基以外的原子和基团处在：前上右、前下左、后上左、后下右，四个区为正性Cotton效应区。前下右、前上左、后下左、后上右，四个区为负性Cotton效应区。而处在三个平面交界处的基团的作用为零.,因为已经规定羰基在“八区”中按照上述的方式据有位置，所以在一般情况下，分子的其他部分主要分布在后四区。
31、因此，在分析羰基的不对称环境时，都首先考虑后四区。例如，环已酮的六个碳原子的分布就只与后四区有关系，而可以被表示为下图：,具体环己酮各个碳上a-键和e-键所连之基团对正负号所作的贡献如下图所示:,O和C1、C2、C6在同一平面内(P3平面),连在各个碳上的基团对Cotton效应正负的贡献:1、取代基连在6e、2e、4a和4e对 无贡献(因它们处在P3 和P2平面内)2、取代基连在3a、3e、6a上:对 为负贡献(使Cotton效应 为负)3、处在2a、5a、5e上:对 贡献为正(使Cotton效应为正),应用例子:例如前述的顺-10-甲基-2-萘烷酮,用八分规则来看应为负Cotton效应,实测
32、(见前)确实是负Cotton效应.,而反-10-甲基-2-萘烷酮应为(+)-Cotton效应,实测确实是正.,R-(+)-3-甲基环己酮可以有两种构象:,实测ORD曲线为正,说明甲基在e-键上的构象为优势构象.,对于5甾烷2一酮和5甾烷3酮，根据八区规则，它们的后四部分的投影如下所示，前者应显示强的正考顿效应后者的构象式要翻转过来才合乎规则要求所以，它的后四个部分投影如图l15（f）所示，应显示较弱的正考顿效应实际测定的结果如下图所示，与该规则所分析的结果相符,5甾烷2一酮,5甾烷3酮,5甾烷2一酮,5甾烷3酮,5甾烷3酮应该有不很强的正Cotton效应,测定结果确实如此.,樟脑的构型的确定：
33、天然的（十）樟脑的绝对构型，虽然可以借助于其他测定构型的方法予以测定，但是通过ORD和CD光谱的研究仍然有益于矫正 WHuckel在1941年人为地指定的构型的差错。（十）樟脑的两个可能的构型：,A Fredga等人确定的构型才是正确的。指出这一点是有重大意义的，因为我国盛产的（十）樟脑是一大类双环单萜的代表化合物，过去一直沿用Hckel的式子来表示它的立体结构，致使一系列与之有关的化合物，无论是莰类还是蒎类、葑类等等，都被表示为它们各自的镜影的构型，成为一种不明的误解。,其实，除了饱和环酮的八区律之外，还找到了一些其他化合物的规律，如Klyne的内酯扇形区规律、共轭双烯和共轭不饱和酮的螺旋规
34、律，以及,-不饱和酮的八区律等等。3.内酯和Klyne内酯八区一扇形区律：羧基功能团，包括羧基、酯基、内酯基和酰胺基等，在 210220 nm波长范围内有一个弱吸收带，这其实是n*跃迁。因此，非对称的羧酸和酯等的ORD谱线常在 225nrn附近给出 Cotton效应的最大绝对值，即谱线的峰或谷。一般的羧酸和酯等的羧基具有自由旋转的能力，所以很难对它们的光学活性与结构的关系进行研究,或者有可能它们确实没有固定的关系但是，如果是内酯,那末由于具有比较稳定的构象，而变成便于研究的对象了。,WKlyne等人研究了大量饱和的多环内酯化合物的旋光谱与结构的关系，在1964年提出一个半经验的、现在常冠以他的
35、姓氏的内酯扇形区律。该区律的内容是要求从两个指定的方向分别对内酯分子进行观察，并按分子的各基团和原子的分布情况，推测被研究内酯的旋光谱呈现的Cotton效应的性质，或者反过来从ORD谱线推断内酯的结构。观察程序如下：根据X-射线的研究，可将内酯基 的几个原子大致地看成是处于同一平面上。从OCO键角平分线的正前方观察内酯分子的各个部分在“八区”中的分布情况，类似于按饱和环酮的八区律观察饱和环酮分子的各个部分的分布情况那样，但是各区对旋光谱的 Cotton效应的作用，根据实验测定结果,在符号上刚好相反,.按在中的分子构象，从内酯环面的上方观察分子的各个部分，并按下图的方式对纸面作投影图。,因为内酯
36、基团的两个CO键被认为都具有一定程度的双键性质，并且可以粗略地看作是等同的，所以必需制作两个相应的图（a和b），并将它们叠加在一起成为ab,图a和b中的正性和负性 Cotton效应区是将CO和CO+一都看成酮羰基，并分别地按饱和环酮八区律的后四区规定的。a和b相互重叠成为ab，使所示的 A，C，D，F各扇形区的作用在很大的程度上彼此抵消，而B和E区的作用却得到增强，结果是B区为负性Cotton效应区，E区为正性Cotton效应区。其实，A，C区邻近B区的界线处仍具有部分的负性Cotton效应。而D，F区邻近E区的界线处也具有部分的正性Cotton效应。总而言之，两种观察分子的方式和作图，其推导
37、出的结果应当是一致的。Klyne等人报道说，他们对饱和的多环内酯进行的研究，按上述的扇形区律从结构推测ORD谱线的Cotton效应的性质，有95的例子是令人满意的。,例：多环内酯17一羟基-4-氧杂-5-雄烷-3-酮和4，4，14-三甲基-18-去甲-17-氧杂-D-高-5-雄烷-17-酮,1968年，AFBeecham在许多研究者的工作基础上，找出了简便得多的推测-内酯和-内酯的ORD和CD的Cotton效应的规则。他指出，如果将倾向于呈共平面构象的内酯基团按所示的向位排布，那末-内酯的环内-碳原子就应当处于该平面之上或之下，在上的呈正性Cotton效应，在下的呈负性Cotton效应。如图,
38、A和B呈互为对映体的关系.,如果是-内酯，那末内酯环系可能呈半椅型或船型两种构象，同样是-碳原子在内酯基平面之上的呈正性Cotton效应，在之下的呈负性Cotton,C和D，E和F互为对映体.,从上面涉及的-和-内酯可以看出，这些化合物呈现的Cotton效应与所取的优势构象有密切的关系。因此，从ORD或CD谱线推测一个化合物的结构，反过来推测也一样，正确的构象分析是至为重要的。桥环内酯7-氧杂-二环-32l-辛-6-酮既是-内酯又是-内酯，其内酯基团处于平面状态可能存在的两种构型,在这种情况下，应当以七员环的-内酯为观察的对象，即C4在内酯基团平面之上的呈正Cotton效应，在之下的呈负性Co
39、tton效应。G和H为对映体的关系。,不含“生色团”的化合物：例如，羟基和单烯这些功能团的吸收光谱均在200nrn以下，以至只呈现出平坦型的旋光谱，并且不给出能说明问题的圆二色光谱。对于这些不含“生色团”的化合物结构的测定，通常有两种方法可以运用。一是与具有已知结构的同系物进行旋光谱的对比；二是将这些化合物制备成含有“生色团”的衍生物，再分析它们的旋光谱或圆二色光谱。,4.螺旋结构的分析方法 Cahn等人认为：一个螺旋是由螺旋方向、螺旋轴和螺距决定的。Meurer等人提出分析分子中含有的螺旋的方法为从最靠近观察者的原子开始由近及远地顺着观察者的目光环绕到最远处的原子，如果环绕是顺时针的，即为右
40、手螺旋；反之，则为左手螺旋。但是，我们认为更合理的螺旋分析方法是沿着分子中的价键走向，从离观察者最近的原子由近及远环绕到最远的原子。当环绕的方向为顺时针时，此螺为右手螺旋；反之，则为左手螺旋。大多数光学活性的分子都含有右手和左手螺旋，并且它们的光学活性是可以叠加的，叠加的结果称为净值螺旋性。当净值螺旋性为正或负时，分子的旋光方向即分别为右旋或左旋。而对于Cotton效应则只与含发色团的分子片段的螺旋性有关。,单倍体（化合物14和9）的螺旋结构分析：根据构象分析和分子力学计算结果，化合物l4和9均呈A型构象，也就是它们的优势构象。先讨论化合物la和2a及3和4的螺旋结构：,所谓A型和B型构象,是
41、这样:根据Brewster的研究，分子的光学活性主要决定于优势构象.对五员环的二氧戊环体系,由于刚性的缘故，两个手性碳在稠合之后，将主要取A和B两种构象存在:,对上面提到的酯环,含有一个右手螺旋（O4C5C6C7C8O9）和一个左手螺旋（O4C3C2C1C10O9），但是由于C=O的可极化性较大，使右手螺旋对旋光的贡献比左手螺旋大。虽然二氧戊环含的是一个左手螺旋（O13C12O11C1C2），但因为构成此环的原子几乎是共平面的，所以它对旋光的贡献可以忽略。酯基和其相邻的原子形成两个左手螺旋（C3O4C5O14C2和O15C8O9C10），但是由于它们的螺距很短，所以对旋光的贡献也很小。根据以上
42、的分析，整个分子净值螺旋性应为右旋。化合物1b，1c和2b，2c的螺旋性与la和2c的相似。有关的八个单倍体的旋光值和CD曲线示于表512和图582。,对比这些单倍体的螺旋结构分析结果和实验数据，可以明显看出：当分子的净值螺旋性为右手螺旋时，其旋光性呈正值。在化合物l和2中，由于发色团含于左手螺旋片段中，故可以观察到负的Cotton效应（220 nrn），但是对于化合物 3和 4，其邻位取代苯基含于右手螺旋中，故它们显示出正的Cotton效应（245nrn）。同时，由于苯环的高可极化性，使化合物3和4的旋光值比其他单倍体的大。,单倍体9a和9b两个含螺旋结构的冠醚化合物，其螺旋结构的特征类同于
43、化合物14，但是这两个单倍体不具有14那样的发色团。冠醚9含有一个左手螺旋（O4C3C2C1C14O13）和一个右手螺旋（O4C5C6O7C8C9O10C11C12O13），右螺旋比左螺旋多含两个链中间的氧原子O7和O10。因而右螺旋的可极化性和对旋光的贡献大于左螺旋，分子的净值螺旋性为右旋，但不呈现Cotton效应（图583）。,5.结构和光学活性的一般关系,手性分子具有光学活性的原因，至今还不能认为是很清楚的。但是，在很早的时候，由于测定旋光性的实验资料的积累，化学家们就总结出了一些经验性的结构和旋光性的关系规则。如，vant Hoff的旋光性叠加规则（1893年），的同系物摩尔旋光度趋于
44、恒定规则（1898年），Freudenberg的衍生物旋光性位移规则（1930年），以及后来Brewster的不对称碳原子的构型和旋光方向的关系规则，非对称构象与旋光方向和数值的关系规则（1959年）等。尽管这些规则时常不是那样精确，但使得人们有可能从结构有关的化合物旋光性的测定和对比中，推导出未知的不对称中心的构型，为在缺乏其他方面的资料的情况下测定构型提供巨大的方便。近四五十年发展起来的旋光谱和圆二色光谱，在近紫外和可见光范围内测定手性化合物的光学活性，已成为研究立体结构的最有用手段之一，是光学活性应用于立体化学的大进展。,其中,Brewster的不对称碳原子的构型和旋光方向的关系规则好象
45、更为根本.他试图从构型推测旋光的方向和反过来从旋光的方向推断构型。从某种意义上讲，这可以被认为是对构型与旋光性之间的关系的初步阐明。,（A）不对称碳原子取代基的原子不对称性规则：开链的非对称化合物Cabcd，具有如左所示的构型（Fischer投影式）。当其中的a，b，c，d均为在构象上对称的基团（如甲基和苯基等）或原子，并且它们的可极化性abcd(顺时针)时，则此化合物即具有右旋光性。因为这种可极化性是根据与不对称中心直接相连的原子的原子折射推导而得的，所以不对称碳原子的这样的不对称性即称为“原子的不对称性”。,列于下表(1)的是一些取代基的原子折射值（RD）和构象旋光能力.。其中C-C叁键和
46、C=C的原子折射值只为这些基团的折射值的一半。乙烯基和苯基位于羧基之前，因为键的折射值CC大于C=O，虽然结合于不对称中心的原子具有相等的原子折射值。,*括弧中的数字为整个不饱和基团的折射值。*据弧中的数字为整个不饱和基团的构象族光能力的计算值。,列于下表的18个化合物，它们的a，b，c，d四个取代基结合于不对称中心的构型符合于可极化性（即RD）abcd的顺序，所以都是右旋光性的。表中所列的化合物是比较简单的，各化合物的a，b，c，d四个基团之间不存在相互作用（如形成氢键）。如果存在两个基团之间的相互作用，则还必须相互作用的情况，予以分别考虑。,化合物的构型还是如右图所示:,（B）不对称碳原子
47、取代基团的构象不对称性规则：在3-甲基己烷分子中，有三个取代基以相同的三个（碳）原子结合于不对称碳原子，于是具有相同的可极化性，应当不具有“原子的不对称性”。但是，（十）-3-甲基己烷却显示可观的旋光性：MD=十9.9，这是由于烷基中的CC单键的可转动性导致了不对称碳原子的构象不对称性引起的。根据Brewster提出的构象分析条例：“只有相应于最低能量的非对称构象，才有足够的优势产生有影响量的旋光性。”因此，对于开链的化合物，通常只有邻位交叉的非对称构象才是起作用的和必须予以考虑的。于是，最简单的四原子“直链北合物的“有效”非对称构象和旋光性可以表示为：,其中k是一个常数，当 A=烷基，A=其他原子或基团 X时，则M=士k（CH）（XH）。在这种情况下，M的值等于在上一段表1中列出的“构象旋光能力”项内的各相应值。,
