快速準(zhǔn)確地標(biāo)記手性中心的構(gòu)型

楊雪梅 李小叁

摘要：利用Newman投影式的重疊式構(gòu)象為橋梁，將手性分子的球棍模型、楔形透視式、鋸架透視式和Newman投影式等不同表示方法，轉(zhuǎn)化為Fischer投影式，快速準(zhǔn)確地標(biāo)記手性中心的構(gòu)型。

關(guān)鍵詞：Newman投影式;Fischer投影式;重疊式;構(gòu)型標(biāo)記

凡涉及立體化學(xué)問題的有機反應(yīng)都是有機化學(xué)教學(xué)和學(xué)習(xí)中的重點和難點。手性分子的表示方法和構(gòu)型判斷是立體化學(xué)的最基礎(chǔ)問題，它不僅需要很好的空間想象力，而且時刻要將立體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為平面結(jié)構(gòu)，同時還要時刻把平面結(jié)構(gòu)想象成立體結(jié)構(gòu)。當(dāng)分子只含有一個手性中心時，學(xué)生們通過課本的學(xué)習(xí)，可以很好地掌握判斷手性中心構(gòu)型的方法[1-3]。不同層次的學(xué)生在空間的想象力水平上有較大的差異，當(dāng)面對含多個手性中心的手性分子的各種表示方法時，尤其是球棍模型、楔形透視式、鋸架透視式和Newman投影式，學(xué)生們在標(biāo)記其手性中心構(gòu)型時往往困難重重，而且容易出錯，甚至拿到題目不知從何入手。但是學(xué)生們對含多個手性中心的Fischer投影式的構(gòu)型標(biāo)記卻掌握的很好，因為Fischer投影式結(jié)構(gòu)比較直觀，根據(jù)其判斷規(guī)則進行構(gòu)型標(biāo)記，無需空間想象[4-8]。

本文結(jié)合筆者的教學(xué)實踐，主要介紹一套實用的快速準(zhǔn)確地標(biāo)記多手性中心構(gòu)型的方法。以Newman投影式的重疊式為橋梁，分三步來完成多手性中心構(gòu)型的標(biāo)記。第一步，將球棍模型、楔形透視式、鋸架透視式和Newman投影式的交叉式構(gòu)象轉(zhuǎn)化為Newman投影式的重疊式構(gòu)象;第二步，將Newman投影式的重疊式構(gòu)象像“釣魚”提線或“降落”下拉一樣轉(zhuǎn)化為Fischer投影式;第三步利用學(xué)生們擅長的Fischer投影式構(gòu)型的判斷來進行手性中心構(gòu)型的標(biāo)記，最終實現(xiàn)快速準(zhǔn)確地標(biāo)記手性中心構(gòu)型的目的。

下面就以3-甲基-2-溴戊烷為例加以說明，如圖1所示3-甲基-2-溴戊烷的球棍模型、楔形透視式、鋸架透視式和Newman投影式，它們表示的是同一化合物嗎？如果不是它們又是什么關(guān)系呢？

1.球棍模型

首先我們從球棍模型左邊沿C2-C3σ鍵觀察這個分子，畫出其Newman投影式的交叉式構(gòu)象。從圓圈中心伸出的三條線的交點表示離觀察者近的碳原子（即與溴相連的碳原子C2），三條線表示C2上的三個價鍵，按順時針方向排列依次為甲基、溴和氫原子，圓圈表示離觀察者遠的碳原子（即C3），從圓周向外伸出的三條線表示C3上的三個價鍵，在C2的甲基與溴原子之間的是乙基，C2的溴與氫原子之間的是氫原子，C2的氫原子與甲基之間的是甲基，得到該分子的Newman投影式的交叉式構(gòu)象。因為Fischer投影式描述的立體構(gòu)象對應(yīng)的是Newman投影式的重疊式構(gòu)象，所以須將Newman投影式的交叉式構(gòu)象圍繞C2-C3σ鍵旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為重疊式構(gòu)象。然后再將前面的碳原子所連的甲基像“釣魚”提線一樣，拉長碳鏈，直接轉(zhuǎn)化為Fischer投影式。需要注意的是Newman投影式的重疊式構(gòu)象中左邊的基團在Fischer投影式中就寫在左邊，右邊的基團就寫在右邊，與甲基重疊的乙基就隨著碳鏈的拉長跑到Fischer投影式的下面（如圖2）。最后根據(jù)Fischer投影式的構(gòu)型判斷方法對手性中心進行標(biāo)記。

Fischer投影式構(gòu)型判斷（R、S標(biāo)記法）[1]可簡單總結(jié)為“橫鍵相反豎鍵不變”。即按優(yōu)先次序規(guī)則排列與手性中心相連的四個基團，如果最小的基團在橫鍵，其余三個基團由大到小排列，順時針則為S構(gòu)型，逆時針則為R構(gòu)型;如果最小的基團在豎鍵，其余三個基團由大到小排列，順時針則為R構(gòu)型，逆時針則為S構(gòu)型。據(jù)此我們判斷出C2為S構(gòu)型，C3也為S構(gòu)型。

有時有些同學(xué)得到的Newman投影式的交叉式構(gòu)象中前面碳原子的三個鍵中的豎鍵不是向上的（如圖2），而是向下的（如圖3），那么我們就不能像“釣魚”提線一樣拉長碳鏈得到Fischer投影式，而應(yīng)該“降落”下拉來得到Fischer投影式。如圖3溴往下拉，Newman投影式的重疊式構(gòu)象中左邊的基團在Fischer投影式中仍在左邊，右邊的基團仍在右邊，與溴重疊的氫原子隨著溴的下拉就跑到了上面。根據(jù)Fischer影式的構(gòu)型判斷方法，我們也可以判斷出C2為S構(gòu)型，C3也為S構(gòu)型。

可見無論我們是“釣魚”提線還是“降落”下拉，我們所得到的結(jié)果都是一樣的，但是要特別注意“釣魚”提線適用于Newman投影式的重疊式豎鍵向上的構(gòu)象，“降落”下拉適用于Newman投影式的重疊式豎鍵向下的構(gòu)象，兩者不能混用。

2.楔形透視式

我們還是從（2）楔形透視式左邊沿C2-C3σ鍵觀察這個分子，利用和球棍模型相同的處理方法，畫出其Newman投影式的交叉式構(gòu)象，接下來圍繞C2-C3σ鍵將C3順時針旋轉(zhuǎn)60°得到紐曼投影式的重疊式構(gòu)象，然后“降落”下拉，即得到Fischer投影式，通過判斷可得C2為S構(gòu)型，C3為R構(gòu)型，見圖4。

3.鋸架透視式

我們來處理（3）鋸架透視式。它的處理方法和楔形透視式一樣。如圖5，沿C2-C3σ鍵觀察這個分子，畫出其Newman投影式的交叉式構(gòu)象，接下來圍繞C2-C3σ鍵將C3順時針旋轉(zhuǎn)60°得到Newman投影式的重疊式構(gòu)象，然后“釣魚”提線，即得到Fischer投影式，通過Fischer投影式判斷，可得C2為R構(gòu)型，C3為S構(gòu)型。

4.Newman投影式

我們來處理（4）Newman投影式的交叉式構(gòu)象，直接圍繞C2-C3σ鍵將C3逆時針旋轉(zhuǎn)60°得到Newman投影式的重疊式構(gòu)象，像“釣魚”提線一樣拉長碳鏈得到Fischer投影式，通過判斷可得C2為R構(gòu)型，C3也為R構(gòu)型，見圖6。

通過我們介紹的操作方法，無論3-甲基-2-溴戊烷以何種方法表示，我們都可以快速準(zhǔn)確地標(biāo)記出其手性中心的構(gòu)型。從構(gòu)型的標(biāo)記，我們可以快速得出下列的結(jié)論：這四種表示方法所代表的化合物不是同一化合物，其中（1）球棍模型和（4）Newman投影式，（2）楔形透視式和（3）鋸架透視式互為對映異構(gòu)體，（1）和（2），（1）和（3），（2）和（4），（3）和（4）互為非對映異構(gòu)體。

這套標(biāo)記手性中心構(gòu)型的方法有一個非常重要的問題需要注意，那就是Newman投影式的前后兩個碳原子的位置不能隨意交換，必須從觀察者的角度去確定前后碳原子的位置，否則就會造成構(gòu)型判斷的錯誤。例如：

文獻[4]就是將Newman投影式中前后兩個碳原子的位置隨意交換，所以造成構(gòu)型判斷錯誤[6]。

綜上所述，以Newman投影式的重疊式構(gòu)象為橋梁，將球棍模型、楔形透視式、鋸架透視式或Newman投影式表示的手性分子轉(zhuǎn)化為Fischer投影式，標(biāo)記手性中心構(gòu)型的方法簡單、實用、易掌握。

參考文獻：

[1]陸濤.有機化學(xué)[M].第8版.北京：人民衛(wèi)生出版社，2016：117-122

[2]胡宏紋.有機化學(xué)（上冊）[M].第2版.北京：高等教育出版社，1990：23-25

[3]刑其毅，徐瑞秋，周政等.基礎(chǔ)有機化學(xué)（上冊）[M].第3版.北京：高等教育出版社，2005：81-85

[4]黃艷仙.Fischer投影式和Newman投影式的互換方法及其應(yīng)用[J].化學(xué)教學(xué)，2009，31（7）：72-74

[5]代文彬，劉明成，安寧.簡單快速判斷手性碳原子R/S構(gòu)型[J].德州學(xué)院學(xué)報.2003，19（4）：55-56

[6]周文俊，蔡玉瑤，王碧等.Newman投影式和Fischer投影式的轉(zhuǎn)換及應(yīng)用[J].化學(xué)教育，2013，34（5）：81-83

[7]周文俊，蔡玉瑤，張霞忠等.楔形式、鋸架式向Fischer投影式的轉(zhuǎn)換及應(yīng)用[J].化學(xué)教育，2013，34（5）：86-88

[8]龐韜，吳根華.有機立體化學(xué)構(gòu)型判斷及互換[J].安慶師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，21（2）：134-136

作者簡介：楊雪梅，理學(xué)博士，副教授，廣東醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院化學(xué)教研室。

通訊作者：李小叁。

廣東省“教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程”建設(shè)項目（《有機化學(xué)》精品視頻公開課）。