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立体电子效应,重要理论有机化学概念之一。立体电子效应是综合了立体效应电子效应的结果,但不是简单的两种效应加合的结果。由于共价键具有方向性,即具有特定的空间取向,这导致了电子效应对分子不同部位的影响存在差异。这就是立体电子效应最根本的立足点。

立体电子效应可以解释很多其他效应解释不了的现象。比如二氯甲烷的惰性问题,内酯活泼的问题,环醚比活泼的问题等等。下面举例说明立体电子效应的应用和意义。 立体电子效应这个术语是E.J.Corey于60年代发明的。

二氯甲烷的惰性问题编辑

二氯甲烷作为卤代烃,显示出相当的惰性。由于其良好广谱的溶解能力,在许多有机反应中被广泛用作反应溶剂。甚至有些单卤代烷反应参与的反应,比如胺的烷基化,也可以二氯甲烷做溶剂,显示出了其显著的稳定性。分析二氯甲烷的结构可以发现,由于单键可以自由旋转,氯Cl1上的孤对电子有机会跟另一个C-Cl2键对准,形成所谓的共面反平行结构。如图所示:

 

在这种结构中孤对电子跟C-Cl2键共面而又在Cl1-C键的两侧。分析C-Cl2键的分子轨道可以发现,成键轨道的大头在远离Cl1的地方,而反键轨道的大头却在靠近Cl1的地方。这样,Cl1的孤对电子就有机会向C-Cl2键的反键轨道发生离域。离域的结果是使电荷向C偏移,产生了相反的诱导极化方向,部分抵消了发生在Cl1-Cσ键上的极化,增强了Cl-C键的共价性。由于分子存在对称,于是两个C-Cl键都得到了增强。宏观上的表现就是降低了二氯甲烷的活性。

 

所以根据此分析,有机合成上当需要用到二氯甲烷做试剂的场合,常常用反应活性高的溴氯甲烷(CH2ClBr)代替。后者不同于前者的原因是溴原子半径比较大,这样它的孤对电子与碳氯键反键轨道的尺寸匹配变差,前沿轨道相互作用变弱,所以它活泼。

类似的情况也出现在很多其他化合物中。以二甲氧基甲烷为例,为了使两个氧原子的孤对电子可以离域到C-O的σ*,孤对电子需要与C-O键形成反叠(anti-periplanar)关系,使得分子采取邻交叉构象。这个现象称为邻位交叉效应。如果发生在吡喃衍生物中,由于整个分子为椅型构象,氧的两对孤对电子占据一个平键,一个直键,因此结果是氧邻位的基团倾向于占据位阻较大的直键,使氧的孤对电子与直键的反键轨道呈反叠关系。这也就是所谓端基异构效应(也称异头效应)。

内酯比酯活泼的问题编辑

中的单键氧原子用一对孤对电子与羰基的π*重叠,为sp2杂化,因此酯与酰胺一样,有s-ciss-trans两种异构体。s-cis异构体更加稳定。在s-cis异构体中,羰基与另外一个基团处于C-O的同侧,单键氧的另外一对孤对电子与C-O(羰基)反键轨道中C的一头平行,可以发生离域,增加了稳定性。s-trans异构体则无法发生以上稳定作用。

在小环内酯中,环将酯基固定为较不稳定的s-trans结构。因此与酯相比,内酯更为活泼,性质与更加类似。比如,普通的酯不能被硼氢化钠还原,但许多小环内酯就可以。

环醚比醚活泼的问题编辑

SN2反应的立体专一性问题编辑

SN2反应中,亲核试剂Nu垂直进攻C-X(X=离去基团)反键轨道在C的一头,电子逐渐流入σ*。由于亲核试剂与离去基团对C呈180°时,轨道重叠最大,故SN2反应后得到构型翻转的产物。

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