例题及解析
例题1 麻黄素又称麻黄碱，是我国特产的中药材麻黄中所含的一种生物碱。天然麻黄素是一种左旋体，经我国学者确定，其结构如下：
麻黄素的合成路线为：
试问：（1）用Fischer投影式分别写出化合物A、B、C、D的旋光异构体。
（2）按此路线合成出的产物D是否具有旋光性？简述理由。
（3）指出化合物D的各种旋光异构体间的关系（对映体、非对映体）。
（4）写出化合物C的各种旋光异构体的最稳定构象（Newman式表示）。
解析： 先沿着化学反应的程序写出每步反应的产物结构。
原料无光学活性，以上几步均无手性因素参与，因此最终产物D也不会有旋光活性。若用手性条件将产物B、C、D分别进行拆分，即可分出有旋光活性的异构体。
化合物B和C分别含一个手性碳原子，因此它们各有一对对映异构体。化合物D含2个手性碳原子，因此它应该有2对对映异构体，即共有四个旋光异构体：d1、d2、d3、d4。其中d1与d4、d2与d3互为对映异构体；d1与d2、d1与d3、d2与d4、d3与d4互为非对映异构关系。化合物C的稳定构象的Newman投影式为：
例题2 Aldol（羟醛）缩合反应是有机合成中形成碳碳键的一类重要反应。1957年，美国西北大学的Zimmerman和Traxler首先提出了著名的椅式构象的六元环过渡态模型，即后人常称的Zimmerman-Traxler模型。该模型首次从立体化学的角度对Aldol缩合反应进行了剖析，指出烯醇盐构型与产物立体化学之间的对应关系，较好地解释了产物的立体化学特征。随后Dubois、Heathcock、Evans等先后对Aldol缩合反应的立体化学进行了更加深入细致的研究，进一步完善了Aldol缩合反应的立体化学控制技术，实现了高度非对映选择性合成Aldol缩合产物。试基于Zimmerman-Traxler模型说明Aldol缩合反应的立体化学控制方法。
解析： Aldol（羟醛）缩合反应中，碳碳形成中的立体化学与加成反应中的椅式环己烷过渡态构象有关。过渡态的构象决定于负碳离子共振结构中烯醇离子的Z、E式结构与金属离子配位的结果，以及反应属动力学控制还是热力学控制。最后可得到苏式或赤式占优势的产物。
Zimmerman-Traxler模型如图2-1所示（能量相等的对映体的过渡态未在图中显示）。当烯醇盐与羰基进行亲核加成时，羰基从垂直角度接近烯醇盐，与烯醇氧键合的金属M（M为碱带入的金属离子）与羰基氧配位，于是两个化合物形成了椅式六元环结构的过渡态。若将过渡态中的羰基碳标记为1，烯醇盐的两个碳标记为2和3，则烯醇盐的氧在4位，M在5位，羰基氧在6位；图2-1中2、3之间原为烯醇盐碳碳双键，1、6间原为碳氧双键。在此过渡态中，有空阻作用的取代基应尽可能采取平伏键状态，这样有利于碳碳键的生成。
图2-1 Aldol缩合反应的Zimmerman-Traxler模型
在碱作用下形成的烯醇盐有Z、E两种不同构型，Z型烯醇盐上的R1和R2同时处于六元环过渡态中的竖键，而E型烯醇盐上的R1和R2则是一个位于竖键、一个位于平伏键；对羰基而言，其R可以在竖键上或在平伏键上。在形成的4种环状过渡态中［图2-1（1）～（4）］，过渡态（2）和（4）由于R1和R之间存在着较强的1，3-竖键相互作用，能量较高，不稳定；相比较而言，过渡态（1）和（3）能量较低，容易形成，从而导致相应立体构型的产物占优势。即E型烯醇盐倾向于生成反式产物，而Z型烯醇盐倾向于生成顺式产物，也就是说烯醇盐的几何构型决定了Aldol缩合产物的立体选择性。
例如：低温时，2，2-二甲基-3-戊酮在动力学控制条件下主要形成Z型烯醇盐。因此它与苯甲醛加成时得顺式syn-加成产物。
羰基化合物中取代基越大，这种立体选择性越强。
上述反应如在室温条件下进行，反应产物则可由较大比例的syn-异构体转化为anti-异构体。因为E型烯醇离子加成时环状过渡态甲基处于平伏键，稳定增大，在热力学控制条件下就转化成更稳定的产物。
碱的体积也影响Z/E的比率。
为了改善Aldol缩合反应的立体选择性，可由两个方面入手：加强碳负离子形成时的立体选择性，改善加成反应过程中的立体选择性。选用硼化物代替其他金属离子时，由于硼化合物的烯醇盐（酯）中氧硼键结合比烯醇锂盐更具共价键特征，过渡态的结构比较紧密，这种立体效应使得加成选择性增加。在对许多乙基酮化合物的研究中，发现酮类化合物与二烃基硼的三氟甲磺酸酯在叔胺存在下主要形成Z型烯醇硼酸酯，它与醛进一步加成，得syn-加成物。
当α-重氮酮与三烃基硼烷反应可得到E型烯醇硼酸酯，进一步与醛加成主要得anti-加成物。同时，催化量弱碱如酚盐可将上述E型烯醇硼酸酯转化成Z型。
对于环己酮，其烯醇盐由于成环的因素只可能为E构型，所以当其与苯甲醛发生Aldol缩合时，得到的主要产物为反式产物。
例题3 三元环承受很大的张力，因为60°偏离四面体的夹角甚远。环氧乙烷十分活泼，许多试剂可使它的环打开，这与其他的醚形成强烈的对照。这自然是由于开环可以消除张力。有一种环醚，叫做（R）-环氧丙烷，它的两处可以受到攻击，从而生成两种同分异构体，如下所示：
回答如下问题：
（1）给出与上述事实一致的详尽的反应机理。
（2）画出（R）-1-乙氧基-2-丙醇的立体结构式。
解析： （1）环氧丙烷中两个C—O键都有可能断裂。在酸性介质中，氧原子先得到质子，再断裂碳氧键，优先生成较稳定的碳正离子，然后接受乙醇分子的进攻，这是SN1机理。由于碳正离子是平面型的，乙醇分子可以从该平面的上方或下方攻击，机会相等，所以得到的是外消旋体，即R-和S-型异构体各半。
在碱性介质中，乙醇分子首先丢掉质子，成为乙氧基负离子，它再进攻环氧丙烷的碳原子。进攻环氧丙烷的哪一个碳原子呢？应该进攻位阻较小的碳原子，即CH2的碳原子。进攻时同时断裂环氧上的C—O键，生成产物。此时，原来的手性碳原子（即次甲基CH上的碳原子）始终没有受到进攻，因此保持手性构型不变，产物是唯一的，保型结构。即若原料是R-型的，产物仍是R-型的。
（2）（R）-1-乙氧基-2-丙醇的立体结构式可以用下面任何一种方式表达：
例题4 以下两种生物碱可以在室温下相互转化，在达到平衡态时，两者的比例为3∶2。画出它们互相转化时中间体A的立体结构简式。
解析： 两种化学式相同的生物碱可以互相转化。观察两个分子的结构可知：右侧的六元并环结构没有变化，而左侧的五元环与六元环发生可逆转化。该环系中没有特殊的活泼碳碳键，在室温下很难发生碳碳单键可逆断裂的反应，故碳原子的连接顺序没有变化，据此可将该分子左侧环系如下图编号进行分析：
观察编号可知：反应中发生了C4—N和C5—Cl键的形成，同时该反应具有立体选择性。由于该分子自身即可发生互变，所以反应是分子内的。该分子含有一个三级胺结构的氮原子，具有一定的亲核性；氯原子可作为一个离去基团。故该分子可发生分子内SN2反应，结合对断键和成键的分析容易看出，氮原子的孤对电子进攻与Cl相连的C5，同时形成C5—N键：
然后，再考虑C4—N键的断键和C4—Cl键的形成两步反应，这里SN2反应再次发生：Cl-对C4亲核进攻，同时—R3N+离去，三元环开环释放张力：
最后可验证该反应的机理的确与立体选择性相符。该反应与α-卤代胺的邻基参与效应类似，C—X键邻位的氨基可以发生动力学上有优势的分子内亲核取代反应，生成氮杂环丙烷结构的中间体A。A可发生Cl-对C4和C5的竞争性进攻，得到两种生物碱的混合物。
例题5 什么是端基效应？举例说明端基效应控制产物的立体化学。
解析： 基础有机化学一般认为取代环己烷的优势构象是较大基团在e键上，以尽量减小空间位阻的影响，但当有电负性较大的元素存在时，情况有所不同。如反-1，2-二氯环己烷的稳定构象是aa键，而不是ee键。
特别是当环上有O、N、S等杂原子时，如吡喃糖的C1上有取代基X（F，Cl，Br）、烷氧基、酰氧基等吸电子基团时，它们倾向于处于a键上，从纽曼式中可以看出，取代基处于e键时，大基团是对位交叉构象，而处于a键时是邻位交叉构象，尽管存在空间的不利因素，还是直立键比平伏键占优势。1995年Edward首次在吡喃糖中发现这种效应，由于涉及端基位（C1位），人们将这种效应称为端基效应（anomeric effect）。
D-甘露糖是D-葡萄糖的C2差向异构体，当它形成吡喃环时，人们发现α-D-吡喃甘露糖比β-D-吡喃甘露糖稳定，尽管α-D-吡喃甘露糖中有两个羟基占据直立键，而β-D-吡喃甘露糖只有一个，但α-D-吡喃甘露糖还是占68%，为优势构象（图2-2）。这一现象称为糖的端基效应。
图2-2 α-D-吡喃甘露糖和β-D-吡喃甘露糖构象
并非只有D-吡喃甘露糖具有端基效应。当人们用醇和质子酸处理β-D-吡喃葡萄糖时，得到两种吡喃葡萄糖苷，即α-D-甲基吡喃葡萄糖苷和β-D-甲基吡喃葡萄糖苷（图2-3）。其中α-D-甲基吡喃葡萄糖苷占66%，而β-D-甲基吡喃葡萄糖苷占33%。用醇和质子酸处理α-D-吡喃葡萄糖时得到相同结果。
图2-3 D-甲基吡喃葡萄糖苷的形成
端基效应控制着产物的立体化学。例如：芳醛可与二烯发生氧杂Diels-Alder反应，生成的环己烯基硅醚分别在碱性和酸性条件下失去三甲基硅基，得到两种不同的端基异构体产物。在碱性条件下，甲氧基亲核进攻硅，离去的烯醇负离子发生质子交换生成产物，端基碳原子的手性保持不变。在酸性条件下，当烯基硅醚醇解时，缩醛通过开链转化成更稳定的有端基效应的缩醛。
