曾育才 劉小玲

(嘉應(yīng)學(xué)院化學(xué)與環(huán)境學(xué)院 廣東梅州 514015)

楔形透視式、鋸架透視式、紐曼投影式、費歇爾投影式(以下簡稱楔形式、鋸架式、紐曼式、費歇爾式)等4種立體結(jié)構(gòu)表達(dá)式常用于書面表達(dá)有機分子的空間立體結(jié)構(gòu)，掌握它們的書寫特點及其相互轉(zhuǎn)換是有機立體化學(xué)的基礎(chǔ)。立體化學(xué)是基礎(chǔ)有機化學(xué)的重要組成部分，也是基礎(chǔ)有機化學(xué)教學(xué)的重難點之一。例如有機立體化學(xué)反應(yīng)物與產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)式書寫及其轉(zhuǎn)換[1-3]，對初學(xué)者特別是空間形象思維較差的學(xué)生來說是較難掌握的；另外，幾種立體結(jié)構(gòu)表達(dá)式互換的命題也常常在教材的習(xí)題中直接出現(xiàn)[1-2,4]，在本文所參考的幾本教材中,僅有倪沛洲主編的教材介紹了費歇爾式與紐曼式的轉(zhuǎn)換方法[3]。關(guān)于這方面的問題近幾年已有多篇文獻(xiàn)報道[5-9]，但都是從不同的角度和深度描述轉(zhuǎn)換方法或技巧，而沒有對所有12種轉(zhuǎn)換采用統(tǒng)一的方法。本文通過比較4種立體結(jié)構(gòu)表達(dá)式的書寫特點，對含兩個不同手性碳的有機分子結(jié)構(gòu)式提出了主鍵和共平面的概念，并以主鍵和共平面為主線，用統(tǒng)一的方法簡單有效地實現(xiàn)了4種立體結(jié)構(gòu)式之間的相互轉(zhuǎn)換。

1 4種常用立體結(jié)構(gòu)表達(dá)式的書寫特點及其應(yīng)用

有機分子立體結(jié)構(gòu)的最直觀表達(dá)方式是球棒模型(圖1)，但書寫起來非常不便，因此就有了4種常用的立體結(jié)構(gòu)表達(dá)式(楔形式、鋸架式、紐曼式、費歇爾式)，它們有各自的書寫特點及應(yīng)用范圍。

1.1 楔形式

楔形式(圖2)的書寫特點是把分子的主鍵如C1—C2鍵書寫成水平實線，在水平實線兩端連接向上或向下傾斜的斜實線并組成一個共平面表示在紙平面上，用楔形粗線表示伸向紙平面前方的鍵，楔形虛線表示伸向紙平面后方的鍵。楔形式能直觀地表達(dá)出分子的空間立體結(jié)構(gòu)形象，比較生動，但書寫不便，當(dāng)碳原子較多時很麻煩。

圖1 乙烷分子球棒模型

圖2 楔形式

1.2 鋸架式

鋸架式的書寫特點是所有的鍵都用實線表示(圖3)。分子的主鍵(C1—C2)常常書寫成傾向右上方的斜線，主鍵兩端連接豎鍵并組成鋸架式的共平面，主鍵兩端的另兩鍵與豎鍵互為120°角。鋸架式通常用于表示兩個或兩個以上碳原子的分子空間立體結(jié)構(gòu)，書寫方便，空間立體形象比較直觀，在構(gòu)象分析中常常使用。

1.3 紐曼式

圖3 鋸架式

圖4 紐曼式

1.4 費歇爾式

費歇爾式的書寫特點是用平面的“十”字形表達(dá)分子的空間立體結(jié)構(gòu)，是費歇爾發(fā)明的表達(dá)手性對映異構(gòu)體的簡單方法。例如用球棒模型表示乳酸分子的一對對映異構(gòu)體非常直觀,但書寫非常不便，而用費歇爾式書寫就方便了，如圖5 所示。用費歇爾式描述含有兩個或兩個以上手性碳原子的異構(gòu)體是很方便的。從構(gòu)象上分析，費歇爾式都是不穩(wěn)定的重疊式構(gòu)象，因此，在進(jìn)行構(gòu)象分析時不用費歇爾式。對于含兩個相鄰手性碳的費歇爾式，主鍵為兩手性碳之間的鍵，共平面為費歇爾式的豎線；即主鍵和共平面都在同一豎線上并垂直于紙面。

圖5 球棒模型和費歇爾式a、b為乳酸分子的球棒模型，a′、b′為a、b正面投影得到的費歇爾式，c為含兩個手性碳的費歇爾式

對初學(xué)者來說，費歇爾式的空間伸展方向最容易混亂，因此在教學(xué)中一定要使學(xué)生明白其書寫規(guī)則：(1) “橫前豎后” 規(guī)則是費歇爾式最基本的硬性規(guī)定，即“十”字橫線上連接的原子或基團朝向紙平面的前方，豎線上連接的原子或基團朝向紙平面的后方，而“十”字交叉點即手性碳原子則處于紙平面上；(2) 對于含多個手性碳原子的分子，通常還規(guī)定“碳鏈放在豎線上”和“編號小的碳原子放在上面”。另外，使用或操作費歇爾式時需要注意以下問題：不能離開紙面翻轉(zhuǎn)；不能在紙面上轉(zhuǎn)動90°，但可轉(zhuǎn)動180°。

2 4種立體結(jié)構(gòu)表達(dá)式的相互轉(zhuǎn)換

下面以含有兩個不相同手性碳原子的3-氯-2-戊醇為研究對象，討論4種立體結(jié)構(gòu)表達(dá)式之間相互轉(zhuǎn)換的書寫步驟和方法。

2.1 轉(zhuǎn)換成楔形式

楔形式的主鍵在水平實線上，共平面由與主鍵連接的兩條斜實線組成并表示在紙平面上。若要將另外3種結(jié)構(gòu)式轉(zhuǎn)換成楔形式，首先要把原結(jié)構(gòu)式的主鍵轉(zhuǎn)換成楔形式的主鍵(即水平實線)，用斜實線連接水平線兩端，把原結(jié)構(gòu)式的共平面及其基團同方向地轉(zhuǎn)換到楔形式的共平面(紙面)上，最后用楔形粗線或楔形虛線轉(zhuǎn)換原結(jié)構(gòu)式共平面兩邊的基團或原子，轉(zhuǎn)換時應(yīng)注意各原子或基團之間的重疊或交叉關(guān)系。

2.1.1 紐曼式轉(zhuǎn)換成楔形式

如圖6所示，把紐曼式的旋轉(zhuǎn)軸C2—C3(主鍵)轉(zhuǎn)換成楔形式的主鍵(即水平實線,圖6(2)或圖6(6))，用斜實線連接水平線兩端，把紐曼式共平面上的甲基和乙基按“前轉(zhuǎn)左-后轉(zhuǎn)右”轉(zhuǎn)換成楔形式的共平面，在紙面上得到圖6(3)或圖6(7)；最后，在C2、C3上分別用楔形粗線或楔形虛線連接原結(jié)構(gòu)式共平面兩邊的基團或原子，楔形粗線與紐曼式右邊的基團及其傾斜方向相對應(yīng)，楔形虛線與紐曼式左邊的基團及其傾斜方向相對應(yīng)，即按“左轉(zhuǎn)虛線-右轉(zhuǎn)粗線-前左-后右”方式轉(zhuǎn)換，得到如圖6(4)所示的楔形交叉式構(gòu)象或圖6(8)所示的楔形重疊式構(gòu)象。

圖6 紐曼重疊式轉(zhuǎn)換成楔形式的書寫過程

2.1.2 鋸架式轉(zhuǎn)換成楔形式

先畫出水平線(圖7(2))轉(zhuǎn)換主鍵，用斜實線連接水平線兩端,按“前左-后右”轉(zhuǎn)換共平面上的甲基和乙基,得圖7(3)，最后按“左虛線-右粗線-前左-后右”方式轉(zhuǎn)換，即得到楔形式(圖7(4))。詳見圖7，圖8。

圖7 鋸架式(重疊式構(gòu)象)轉(zhuǎn)換成楔形式書寫過程

圖8 鋸架式(交叉式構(gòu)象)轉(zhuǎn)換成楔形式書寫過程

2.1.3 費歇爾式轉(zhuǎn)換成楔形式

如圖9所示，首先把圖9(1)的主鍵(C2—C3豎線)轉(zhuǎn)換為楔形式的水平線主鍵(圖9(2))，然后把圖9(1)的共平面(豎線上的甲基和乙基)按“下轉(zhuǎn)左-上轉(zhuǎn)右-寶蓋形”方式轉(zhuǎn)換成楔形式的共平面，得圖9(3)，最后按“左虛線-右粗線-下左-上右”方式轉(zhuǎn)換書寫即得楔形式(圖9(4))。當(dāng)然，直接轉(zhuǎn)換得到的楔形式首先是重疊式構(gòu)象，要想得到穩(wěn)定的交叉式構(gòu)象，則對圖9(4)的C2—C3主鍵軸旋轉(zhuǎn)即可，但手性碳構(gòu)型不會改變。

圖9 費歇爾式轉(zhuǎn)換成楔形式書寫過程

2.2 轉(zhuǎn)換成鋸架式

首先把原結(jié)構(gòu)式的主鍵轉(zhuǎn)換成鋸架式的主鍵即傾向右上角的斜線，用豎鍵連接斜線兩端，即把原結(jié)構(gòu)式的共平面轉(zhuǎn)換成鋸架式的共平面，最后轉(zhuǎn)換共平面兩邊的原子或基團。

2.2.1 紐曼式轉(zhuǎn)換成鋸架式

如圖10所示，首先畫出一條斜線(圖10(2))轉(zhuǎn)換紐曼式的C2—C3(主鍵)，然后用豎鍵連接斜線兩端，把紐曼式共平面上的甲基和乙基按“前轉(zhuǎn)前-后轉(zhuǎn)后”轉(zhuǎn)換成鋸架式的共平面，得到圖10(3)，最后按“左轉(zhuǎn)左-右轉(zhuǎn)右-前前-后后”方式轉(zhuǎn)換紐曼式共平面兩邊的原子(或基團)得鋸架式(圖10(4))。

圖10 紐曼式轉(zhuǎn)換成鋸架式的書寫過程

2.2.2 楔形式轉(zhuǎn)換成鋸架式

楔形式轉(zhuǎn)換成鋸架式是鋸架式轉(zhuǎn)換成楔形式的反過程。如圖11，先把主鍵(C2—C3)由水平線轉(zhuǎn)換成斜線(圖11(2))，用豎鍵連接斜線兩端,按“左轉(zhuǎn)前-右轉(zhuǎn)后”轉(zhuǎn)換楔形式共平面上的甲基和乙基,得到圖11(3)，最后按“虛線轉(zhuǎn)左基團-粗線轉(zhuǎn)右基團”方式轉(zhuǎn)換楔形式共平面兩邊的基團，得鋸架式(圖11(4))。

圖11 楔形式(交叉式構(gòu)象)轉(zhuǎn)換成鋸架式書寫過程

2.2.3 費歇爾式轉(zhuǎn)換成鋸架式

如圖12所示,首先畫出斜線(圖12(2))轉(zhuǎn)換費歇爾式主鍵(C2—C3)，用向下的豎鍵連接斜線兩端，按“下前-上后-寶蓋形”方式轉(zhuǎn)換費歇爾式共平面上的甲基和乙基，得到鋸架式的共平面(圖12(3))，最后按“左轉(zhuǎn)左-右轉(zhuǎn)右-下前-上后”轉(zhuǎn)換費歇爾式共平面兩端的基團，得鋸架式(圖12(4))。顯然，得到的鋸架式是不穩(wěn)定的重疊式構(gòu)象。要想得到穩(wěn)定的交叉式構(gòu)象，應(yīng)以主鍵(C2—C3)為軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，得圖12(5)或圖12(6)，對應(yīng)的手性碳原子構(gòu)型不會改變。

圖12 費歇爾式轉(zhuǎn)換成鋸架式的書寫過程

2.3 轉(zhuǎn)換成紐曼式

紐曼式的主鍵C2—C3在圓心上，因此，要將其他3種結(jié)構(gòu)式轉(zhuǎn)換成紐曼式，可先畫一個圓，然后通過圓心或圓周邊連接兩條豎鍵轉(zhuǎn)換原結(jié)構(gòu)式的共平面及其原子(或基團)。此處應(yīng)注意“后豎鍵”未連接到圓心。最后轉(zhuǎn)換共平面兩邊的原子或基團。

2.3.1 楔形式轉(zhuǎn)換成紐曼式

如圖13所示，先畫一個圓(圖13(2))，然后書寫兩豎鍵,按“左前-右后”轉(zhuǎn)換圖13(1)共平面上的甲基和乙基，即得紐曼式“共平面”(圖13(3))，最后按“虛線左基團-粗線右基團-左前-右后”方式轉(zhuǎn)換楔形式共平面兩邊的基團(或原子)，即得紐曼式(圖13(4))。

圖13 楔形式轉(zhuǎn)換成紐曼式的書寫過程

2.3.2 鋸架式轉(zhuǎn)換成紐曼式

如圖14，先畫一個圓(圖14(2))，然后通過圓心或圓周邊書寫兩豎鍵,按“前前-后后”轉(zhuǎn)換鋸架式共平面上的甲基和乙基，得紐曼式共平面(圖14(3))，最后按“左轉(zhuǎn)左、右轉(zhuǎn)右、前前-后后”方式轉(zhuǎn)換共平面兩邊的基團(或原子)，得紐曼式(圖14(4))。

圖14 鋸架式轉(zhuǎn)換成紐曼式的書寫過程

2.3.3 費歇爾式轉(zhuǎn)換成紐曼式

如圖15，先畫一個圓(圖15(2))，然后再書寫兩條向下豎鍵，按“下前-上后”轉(zhuǎn)換圖15(1)共平面上的甲基和乙基，得圖15(3)，最后按“左轉(zhuǎn)左、右轉(zhuǎn)右、下前-上后”方式轉(zhuǎn)換“共平面”兩邊的基團(或原子)得紐曼式(圖15(4))。直接得到的是重疊式構(gòu)象，要想得到穩(wěn)定的交叉式構(gòu)象，則可通過旋轉(zhuǎn)圖15(4)的C2—C3主鍵，得圖15(5)或圖15(6)。轉(zhuǎn)換前后手性碳構(gòu)型不變。

圖15 費歇爾式轉(zhuǎn)換成紐曼式的書寫過程

2.4 轉(zhuǎn)換成費歇爾式

除了費歇爾式的主鍵和共平面是在同一條豎線上外，通常還要求碳鏈在豎線上。另外,費歇爾式都是重疊式構(gòu)象。因此，在其他3種立體結(jié)構(gòu)式轉(zhuǎn)換成費歇爾式時，為了與費歇爾式的“碳鏈在豎線上”的要求一致，首先把原結(jié)構(gòu)式通過主鍵旋轉(zhuǎn)成碳鏈在共平面的豎線或斜實線(對楔形式)都向下的標(biāo)準(zhǔn)重疊式構(gòu)象(這種旋轉(zhuǎn)操作不會改變手性碳構(gòu)型)，然后把標(biāo)準(zhǔn)重疊式構(gòu)象的共平面及其基團轉(zhuǎn)換到費歇爾式的共平面(豎線)上，再把標(biāo)準(zhǔn)重疊式構(gòu)象共平面兩邊的原子或基團轉(zhuǎn)換到費歇爾式的橫線上。

2.4.1 楔形式轉(zhuǎn)換成費歇爾式

如圖16(1)所示的楔形式屬于交叉式構(gòu)象，首先通過其主鍵(C2—C3)旋轉(zhuǎn)成碳鏈在共平面的斜實線向下的標(biāo)準(zhǔn)重疊式構(gòu)象(圖16(2))，然后把標(biāo)準(zhǔn)重疊式構(gòu)象的共平面及其基團按“左下-右上”方式轉(zhuǎn)換到費歇爾式共平面的豎線上(圖16 (3))，最后把標(biāo)準(zhǔn)重疊式構(gòu)象共平面兩邊的基團按“虛線左基團-粗線右基團-左下-右上”方式轉(zhuǎn)換到費歇爾式橫線上(圖16(4))。

圖17(1)為重疊式構(gòu)象，可先轉(zhuǎn)換成碳鏈在共平面的斜實線向下的標(biāo)準(zhǔn)重疊式構(gòu)象(圖17(2))，再按上述方式轉(zhuǎn)換成費歇爾式(圖17(4))。

圖16 楔形式(交叉式構(gòu)象)轉(zhuǎn)換成費歇爾式的書寫過程

圖17 楔形式(重疊式構(gòu)象)轉(zhuǎn)換成費歇爾式的書寫過程

2.4.2 鋸架式轉(zhuǎn)換成費歇爾式

圖18(1)為交叉式構(gòu)象，可先將圖18(1)的主鍵(C2—C3)旋轉(zhuǎn)成標(biāo)準(zhǔn)重疊式構(gòu)象(圖18(2))，然后把標(biāo)準(zhǔn)重疊式構(gòu)象共平面上的甲基和乙基按“前下-后上”轉(zhuǎn)換到費歇爾式共平面的豎線上,得圖18(3)，最后把圖18(2)共平面兩邊的基團按“左轉(zhuǎn)左-右轉(zhuǎn)右”方式轉(zhuǎn)換到費歇爾式的橫線上，得圖18(4)。這一轉(zhuǎn)換與文獻(xiàn)[6]的方法相似。

圖18 鋸架式(交叉式構(gòu)象)轉(zhuǎn)換成費歇爾式的書寫過程

圖19(1)為豎鍵向上的重疊式構(gòu)象，可先轉(zhuǎn)換成兩豎線向下的標(biāo)準(zhǔn)重疊式構(gòu)象(圖19(2))，再按上述方式對標(biāo)準(zhǔn)重疊式構(gòu)象進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得圖19(4)。

圖19 鋸架式(重疊式構(gòu)象)轉(zhuǎn)換成費歇爾式的書寫過程

2.4.3 紐曼式轉(zhuǎn)換成費歇爾式

圖20 紐曼式(交叉式構(gòu)象)轉(zhuǎn)換成費歇爾式的書寫過程

先將紐曼交叉式(圖20(1))通過主鍵(C2—C3)旋轉(zhuǎn)成碳鏈在共平面的兩豎鍵都向下的標(biāo)準(zhǔn)重疊式構(gòu)象(圖20(2))，然后把圖20(2)共平面上的甲基和乙基按“前下-后上”轉(zhuǎn)換到費歇爾式共平面的豎線上，得圖20(3)，最后把圖20(2)共平面兩邊的基團按“左轉(zhuǎn)左-右轉(zhuǎn)右-前下-后上”方式轉(zhuǎn)換到費歇爾式的橫線上，得圖20(4)。

圖21(1)是豎鍵向上的紐曼重疊式構(gòu)象，可先將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)重疊式構(gòu)象(圖21(2))，然后再按上述方式轉(zhuǎn)換得費歇爾式(圖21(4))。

圖21 紐曼式(重疊式構(gòu)象)轉(zhuǎn)換成費歇爾式的書寫過程

3 總結(jié)

綜上所述，以含兩個不相同手性碳原子的有機分子結(jié)構(gòu)式為例，通過比較4種常用立體結(jié)構(gòu)表達(dá)式的書寫特點，歸納總結(jié)出它們的共同點,即主鍵和共平面;并以此為主線，得到了4種結(jié)構(gòu)式之間相互轉(zhuǎn)換書寫方法的一般規(guī)律：先轉(zhuǎn)換主鍵再轉(zhuǎn)換共平面(或直接轉(zhuǎn)換共平面)，最后轉(zhuǎn)換共平面兩邊的基團。轉(zhuǎn)換過程中基團的方向(或方位)保持一致即可，轉(zhuǎn)換前后手性碳原子的構(gòu)型不會改變。這一轉(zhuǎn)換規(guī)律引入本科有機化學(xué)教學(xué)后，學(xué)生普遍感覺概念清晰，空間立體感明確，容易理解和記憶，有助于加深對空間立體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，并減少了書寫空間立體結(jié)構(gòu)式時的混亂現(xiàn)象，在立體有機化學(xué)的教學(xué)中獲得了很好的教學(xué)效果。

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