一種C*R-S構(gòu)型判斷新方法及構(gòu)型判斷教學(xué)

方文彥，佟玲，李良玉，曾崇洋

（淮南師范學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，安徽 淮南232038）

有機(jī)化合物種類繁多，數(shù)目極其龐大，目前已達(dá)幾千萬種以上，且與時(shí)俱進(jìn)［1］(P3)［2］(P2)；有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)復(fù)雜又精巧，同分異構(gòu)現(xiàn)象非常普遍。

圖1 有機(jī)化合物的同分異構(gòu)

如圖1所示，在立體異構(gòu)的構(gòu)型異構(gòu)中有一類對映異構(gòu)，其分子中原子(或基團(tuán))互相連接的次序及鍵合性質(zhì)均相同，但空間排列不同。1874年，荷蘭化學(xué)家范特霍夫(van’t Hoff J H)和法國化學(xué)家勒貝爾(LeBel J A)［1］(P133-134)提出：如果一個(gè)碳原子連接4個(gè)不同的原子(或基團(tuán))，則其具有兩種不同的四面體構(gòu)型，就像人的左右手的關(guān)系，它們互為實(shí)物與鏡像但不能重合，即具有手性。這種與四個(gè)不同原子(或基團(tuán))相連的碳原子稱為手性碳原子(chiral carbonatom)，通常用*標(biāo)出(如C*)。而這種互為實(shí)物與鏡像，又不能重合的分子互稱為對映異構(gòu)體，簡稱對映體(enantiomer)。有機(jī)化合物分子的立體結(jié)構(gòu)常用楔形透視式、鋸架透視式及紐曼投影式等表示(見圖2)。

對映異構(gòu)體在手性環(huán)境中的性質(zhì)不同。生物體內(nèi)的酶和各種底物都是具有手性的，所以對映體的生理活性一般有很大差異。例如，一個(gè)對映體是生物受體的阻滯劑，因而降低了另一個(gè)對映體的藥物活性；更糟糕的是，其中一個(gè)對映體可能具有完全不同的活性，甚至有毒性。例如，1960年［3］鎮(zhèn)靜藥沙利度胺(thalidomide，反應(yīng)停)以外消旋體形式進(jìn)入歐洲市場，導(dǎo)致服用該藥物的孕婦產(chǎn)下數(shù)百萬形狀如海豹一樣的“海豹肢畸形兒”。研究表明：S構(gòu)型的對映體的代謝物具有致畸作用。又如，廣譜抗菌藥氯霉素(化學(xué)名為D-蘇式-(-)-N-［α-(羥基甲基)-β-羥基-對硝基苯乙基］-2,2-二氯乙酰胺)，其分子結(jié)構(gòu)中含兩個(gè)C*，有四個(gè)旋光異構(gòu)體，其中僅(1R,2R)-(-)-或D-(-)-蘇阿糖型(threo)有抗菌活性，為臨床使用的氯霉素。藥典規(guī)定：按干燥品計(jì)算，D-蘇式-(-)-N-［α-(羥基甲基)-β-羥基-對硝基苯乙基］-2,2-二氯乙酰胺的含量應(yīng)為98.0%～102.0%［4］(P431)［5］(P1029)。 因此， 判斷C*的構(gòu)型非 常重要。為了區(qū)別因C*而引起的不同的立體結(jié)構(gòu)，稱其中一種立體結(jié)構(gòu)的C*為R構(gòu)型，而另一種立體結(jié)構(gòu)的C*為S構(gòu)型。

圖2 分子的棒球模型(a)、楔形透視式(b)、鋸架透視式(c)及紐曼投影式(d)

教科書中所規(guī)定的C*構(gòu)型判斷方法學(xué)生不易掌握，且教科書沒有闡述含有2個(gè)(或以上)C*及環(huán)狀含C*化合物的C*構(gòu)型如何判斷。針對這些問題，本文開發(fā)了一種C*R-S構(gòu)型判斷的新方法；補(bǔ)充了含有2個(gè)(或以上)C*的非環(huán)狀及環(huán)狀化合物的C*構(gòu)型判斷的內(nèi)容；并應(yīng)用多種教學(xué)方法和現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)，對C*的R-S構(gòu)型判斷進(jìn)行了教學(xué)。

一、教科書上R-S構(gòu)型判斷方法簡介

（一）方向盤法

如圖3所示，方向盤法為：①根據(jù)“次序規(guī)則”將C*所連接的四個(gè)原子(或基團(tuán))由大到小排列；②最小的原子(或基團(tuán))放在離視線最遠(yuǎn)處，其他三個(gè)原子(或基團(tuán))按由大到小的方向旋轉(zhuǎn)(如汽車方向盤)，若旋轉(zhuǎn)方向是順時(shí)針的，C*為R構(gòu)型(拉丁文rectus的字首)，若旋轉(zhuǎn)方向是逆時(shí)針的，C*為S構(gòu)型(拉丁文sinister的字首)［2］(P43)。因此圖3中a、b、c的C*分別為R、R、S構(gòu)型。

圖3 方向盤法判斷C＊構(gòu)型示意圖

（二）手協(xié)助法

圖4 手協(xié)助法判斷C＊構(gòu)型示意圖［1］(P41)

如圖4所示，當(dāng)最小的原子(或基團(tuán))位于紙面的左前方時(shí)，可用左手協(xié)助判斷。即把該原子(或基團(tuán))置于左臂，食指和拇指分別表示紙面上方和右方的原子(或基團(tuán))，中指表示紙面后方的原子(或基團(tuán))，然后將3個(gè)手指對著自己，原子(或基團(tuán))由大到小順時(shí)針排序的為R構(gòu)型，逆時(shí)針排序的為S構(gòu)型；當(dāng)最小的原子(或基團(tuán))位于紙面的右前方時(shí)，可用右手按類似的方法協(xié)助判斷［1］(P41)。

（三）費(fèi)歇爾投影式法

圖5 構(gòu)型式轉(zhuǎn)換成費(fèi)歇爾投影式

將分子的立體構(gòu)型式轉(zhuǎn)換成費(fèi)歇爾投影式的投影規(guī)則為：①將與C*相連的兩個(gè)橫向鍵向前，兩個(gè)豎直鍵向后；②一般將含碳基團(tuán)放在豎直鍵上，將氧化態(tài)高的(或主要官能團(tuán)，或編號最小的基團(tuán))放在上方，然后投影，寫出投影式(如圖5所示)；③投影式橫、豎兩條直線的交叉點(diǎn)代表C*；④當(dāng)最小原子(或基團(tuán))處于投影式上方或下方時(shí)，其它3個(gè)原子(或基團(tuán))由大到小若順時(shí)針方向排列，為R構(gòu)型，反之為S構(gòu)型；⑤當(dāng)最小原子(或基團(tuán))處于投影式左面或右面時(shí)，其它3個(gè)原子(或基團(tuán))由大到小若順時(shí)針方向排列，為S構(gòu)型，反之為R構(gòu)型(如圖6所示)。

圖6 費(fèi)歇爾投影式C＊構(gòu)型判斷示意圖

二、一種新的R-S構(gòu)型判斷方法

由于一、（一）方向盤法需要學(xué)生有較好的空間想象力，特別是圖3(b)的構(gòu)型，按教科書規(guī)定的方法很容易判斷錯(cuò)誤，因此很多學(xué)生無法掌握該方法；而一、（二）手協(xié)助法，當(dāng)最小原子(或基團(tuán))位于紙平面的后方、上方或下方時(shí)就無法用手協(xié)助判斷；一、（三）費(fèi)歇爾投影式法，雖然利用費(fèi)歇爾投影式可以在平面上判斷構(gòu)型，但很多學(xué)生不會將分子的各種立體構(gòu)型轉(zhuǎn)化為費(fèi)歇爾投影式。因此，我們開發(fā)出一種新方法：把分子的楔形透視式、鋸架透視式及紐曼投影式等立體構(gòu)型轉(zhuǎn)換成平面的費(fèi)歇爾投影式，再判斷構(gòu)型，只要記住判斷規(guī)則就能準(zhǔn)確地判斷C*的構(gòu)型，正確地命名含C*的化合物。

（一）含C*非環(huán)狀化合物分子構(gòu)型式轉(zhuǎn)換成費(fèi)歇爾投影式

以楔形透視式轉(zhuǎn)換成費(fèi)歇爾投影式為例，我們利用自己的身體，設(shè)想頭向后仰、腳向后伸、兩只手向前伸的跳舞姿勢，再將楔形透視式在平面上的實(shí)線所連的原子(或基團(tuán))看成頭和腳是向后伸的，楔形實(shí)線和虛線所連的原子(或基團(tuán))看成兩只手是向前伸的，我們與楔形式面對面手拉手跳舞，然后畫兩條垂直交叉的豎線和橫線，把自己的頭和腳對映的原子(或基團(tuán))分別寫在豎線的上端和下端，把左手拉的原子(或基團(tuán))寫在橫線的左端，右手拉的原子(或基團(tuán))寫在橫線的右端，這樣即可完成從楔形透視式到費(fèi)歇爾投影式的轉(zhuǎn)換(如圖7所示)。

圖7 含一個(gè)C＊的楔形透視式轉(zhuǎn)換成費(fèi)歇爾投影式

用同樣的方法可將含兩個(gè)C*的楔形透視式轉(zhuǎn)換成費(fèi)歇爾投影式。如圖8-9所示，畫2條平行的橫線與一條豎線垂直交叉，交叉點(diǎn)代表C*，將楔形透視式中的實(shí)線所連的原子(或基團(tuán))寫在豎鍵上，然后用“面對面手拉手”的方法將楔形實(shí)線和楔形虛線所連的原子(或基團(tuán))分別寫在左右兩側(cè)，即可畫出費(fèi)歇爾投影式。

圖8 含兩個(gè)C*的楔形透視式(交叉式)轉(zhuǎn)換成費(fèi)歇爾投影式

圖9 含兩個(gè)C*的楔形透視式(重疊式)轉(zhuǎn)換成費(fèi)歇爾投影式

我們也可將交叉式先轉(zhuǎn)換成重疊式，再利用寵物狗的方法轉(zhuǎn)換成費(fèi)歇爾投影式。

交叉式轉(zhuǎn)重疊式的方法是旋轉(zhuǎn)C*—C*單鍵，即固定一個(gè)C*，旋轉(zhuǎn)另一個(gè)C*，使其所連的三個(gè)原子(或基團(tuán))依次按順時(shí)針或逆時(shí)針交換位置(如圖10所示)。

含兩個(gè)C*分子的楔形透視式立體構(gòu)型是重疊式時(shí)，可以把它看成是側(cè)面對著我們的寵物狗，狗的頭、身體和尾巴代表豎鍵，狗的四肢代表橫鍵，狗頭朝上立起來時(shí)，左面狗腿對映的原子(或基團(tuán))寫在左面，右面狗腿對映的原子(或基團(tuán))寫在右面，即可完成分子立體構(gòu)型式到費(fèi)歇爾投影式的轉(zhuǎn)換；按照同樣的方法，可方便地將重疊式的鋸架透視式和紐曼投影式轉(zhuǎn)換成費(fèi)歇爾投影式(如圖10所示)。

圖10 通過重疊式轉(zhuǎn)換成費(fèi)歇爾投影式

（二）含C*環(huán)狀化合物分子構(gòu)型式轉(zhuǎn)換成費(fèi)歇爾投影式

如圖11所示，把環(huán)狀化合物C*豎鍵上連接的原子(或基團(tuán))當(dāng)成頭和腳向后伸，形成環(huán)的兩個(gè)橫鍵上連的原子(或基團(tuán))看成兩只手向前伸，我們站在環(huán)內(nèi)與C*連的原子(或基團(tuán))面對面手拉手，即可按二、（一）的方法寫出費(fèi)歇爾投影式。設(shè)a、b、c、d、a′、b′、c′、d′分別代表不同的原子(或基團(tuán))，a＞b＞c＞d，a′＞b′＞c′＞d′，若d、d′在豎鍵上，a→b→c或a′→b′→c′順時(shí)針排列為R構(gòu)型，反之為S構(gòu)型；若d、d′在橫鍵上，a→b→c或a′→b′→c′順時(shí)針排列為S構(gòu)型，反之為R構(gòu)型。由此可得出*C1和*C3均為S構(gòu)型。

圖11 含C*環(huán)狀化合物分子構(gòu)型式轉(zhuǎn)換成費(fèi)歇爾投影式

三、C*構(gòu)型判斷教學(xué)

（一）次序規(guī)則

次序規(guī)則是決定有關(guān)原子(或基團(tuán))排列次序的規(guī)則，它是各類有機(jī)化合物命名的基礎(chǔ)和關(guān)鍵所在。首先復(fù)習(xí)在第二章烷烴中學(xué)過的次序規(guī)則，然后指出學(xué)生在排列原子(或基團(tuán))順序時(shí)常犯的錯(cuò)誤，最后再強(qiáng)調(diào)次序規(guī)則。次序規(guī)則規(guī)定：①單原子取代基按原子序數(shù)大小排列，大者為“較優(yōu)”基團(tuán)。若為同位素，質(zhì)量大的為“較優(yōu)”基團(tuán)；②多原子取代基，先比較第一個(gè)原子，若相同，再依次比較與第一個(gè)原子相連的其它原子；③含有雙鍵或三鍵的基團(tuán)，可認(rèn)為連有兩個(gè)或三個(gè)相同的原子［1］(P25)。學(xué)生在排列原子(或基團(tuán))順序時(shí)常犯的錯(cuò)誤是：①看取代基的體積大?。虎诳慈〈脑觽€(gè)數(shù)多少。因此，要特別強(qiáng)調(diào)：取代基的排列順序既不按取代基的體積大小也不按取代基的原子個(gè)數(shù)多少，而是按原子序數(shù)大小逐個(gè)向后比較的。例如，圖12(a)中對于*C2，它所連接的4個(gè)原子的排列順序是O＞C1=C3＞H，C1連的原子為O、O、O，C3連的原子為C1、C4、H，因?yàn)镃1的原子序數(shù)比O的大，所以C3＞C1，因此*C2連接的4個(gè)原子的排列順序是O＞C3＞C1＞H，3個(gè)較優(yōu)基團(tuán)按由大到小O→C3→C1排列方向是順時(shí)針的，小基團(tuán)在橫鍵上，所以*C2為S構(gòu)型；對于*C3，它所連接的4個(gè)原子(或基團(tuán))的排列順序是C1＞C2=C4＞H，C2連的原子為O、C、H，C4連的原子為O、O、O，先比較C2和C4連的第一個(gè)原子，它們都是O相同，再比較C2和C4連接的第二個(gè)原子，因?yàn)镺的原子序數(shù)比C大，所以C4＞C2，因此*C3連接的4個(gè)原子的排列順序是C1＞C4＞C2＞H，3個(gè)較優(yōu)基團(tuán)按由大到小C1→C4→C2排列方向是順時(shí)針的，小基團(tuán)在橫鍵上，所以*C3也為S構(gòu)型。

這里學(xué)生最容易犯的錯(cuò)誤如圖12(b)和12(c)所示，將*C2所連的原子(或基團(tuán))排序?yàn)椋杭t＞COOH＞OH＞H或COOH＞OH＞綠＞H，將*C3所連的原子(或基團(tuán))排序?yàn)椋狐S＞COOH＞Cl＞H或COOH＞C1＞粉＞H。

圖12 費(fèi)歇爾投影式判斷C*R-S構(gòu)型a正確，b和c錯(cuò)誤

（二）費(fèi)歇爾投影式的立體含義

讓學(xué)生明白，費(fèi)歇爾投影式雖然是平面的，但它表達(dá)的是含有C*的分子的立體構(gòu)型，即橫線代表向前伸的鍵，豎線代表向后伸的鍵，兩線的交叉點(diǎn)代表C*。用我們兩手向前、頭和腳向后跳舞的姿勢(如圖13所示)，即可記住“橫前豎后”費(fèi)歇爾投影式中原子(或基團(tuán))的空間真實(shí)排列。

圖13 “橫前豎后”示意圖

（三）轉(zhuǎn)換注意事項(xiàng)

在將含有2個(gè)或以上C*的立體構(gòu)型轉(zhuǎn)換成費(fèi)歇爾投影式時(shí)，設(shè)定了頭和腳的方向后，判斷每個(gè)C*的構(gòu)型時(shí)方向要一致。如圖14所示，設(shè)楔形式從左到右為費(fèi)歇爾投影式豎線從上到下的方向，判斷*C2的構(gòu)型時(shí)，C1為頭C3為腳，判斷*C3的構(gòu)型時(shí)，C2為頭C4為腳。因此，圖14中a正確，b錯(cuò)誤。

圖14 轉(zhuǎn)換方法a正確，b錯(cuò)誤

（四）構(gòu)型判斷規(guī)則

當(dāng)人們聽到贊美的話時(shí)感到很順耳(順R)；如圖15所示，人的耳朵是豎向的，耳垂(小的原子(或基團(tuán))在豎向的位置，即可在上方也可在下方)，因此引出“豎順耳”，即“若小的原子(或基團(tuán))在豎線上，較大的三個(gè)原子(或基團(tuán))按順時(shí)針方向排列，為R構(gòu)型，反之為S構(gòu)型”。從而使學(xué)生記住費(fèi)歇爾投影式的構(gòu)型判斷規(guī)則“豎順耳”。若小的原子(或基團(tuán))在橫線上，則構(gòu)型與前面的規(guī)定相反，即“若小的原子(或基團(tuán))在橫線上，較大的三個(gè)原子(或基團(tuán))按順時(shí)針方向排列，為S構(gòu)型，反之為R構(gòu)型”，也就是“橫變豎不變”。因此，我們在用費(fèi)歇爾投影式判斷構(gòu)型時(shí)記住“豎順耳”和“橫變豎不變”就行了。

圖15 “豎順耳”示意圖

（五）靈活應(yīng)用

我們應(yīng)靈活應(yīng)用各種判斷構(gòu)型的方法。①一、（一）方向盤法中圖3(b)，如果按照教科書規(guī)定的把小的原子(或基團(tuán))放在離我們最遠(yuǎn)處，也就是從下方看其余三個(gè)原子(或基團(tuán))的排列方向，很容易判斷錯(cuò)誤。我們可以把小的原子(或基團(tuán))離自己最近，從上向下看其余3個(gè)原子(或基團(tuán))的排列方向，然后寫出相反的構(gòu)型即可得到正確的結(jié)果；②在將分子立體構(gòu)型轉(zhuǎn)換成費(fèi)歇爾投影式時(shí)，如不方便面對面手拉手，也可以從背后拉手，然后把右手拉的原子(或基團(tuán))寫在左面，左手拉的寫在右面即可完成轉(zhuǎn)換。③如果只是為了判斷C*構(gòu)型而將分子的楔形透視式、鋸架透視式及紐曼投影式轉(zhuǎn)換成費(fèi)歇爾投影式，不必按照教科書規(guī)定的費(fèi)歇爾投影式畫法(將含碳基團(tuán)放在豎直鍵上，將氧化態(tài)高的放在上方)，費(fèi)歇爾投影式可橫著畫，原子(或基團(tuán))按實(shí)際的位置畫在上、下、左、右，只要C*構(gòu)型判斷正確即可(如圖11所示)。④學(xué)生可選用自己認(rèn)為掌握的最好的一種方法判斷C*構(gòu)型，再用另一種方法對判斷結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

四、結(jié)論

把教科書上判斷C*構(gòu)型的方法歸納為方向盤法、手協(xié)助法和費(fèi)歇爾投影式法進(jìn)行教學(xué)，另外補(bǔ)充了一種立體構(gòu)型轉(zhuǎn)換成費(fèi)歇爾投影式判斷C*構(gòu)型的新方法，供空間感不強(qiáng)的學(xué)生運(yùn)用；詳細(xì)講解了含有2個(gè)C*的非環(huán)狀及環(huán)狀分子構(gòu)型轉(zhuǎn)換成費(fèi)歇爾投影式的方法。通過采用多種教學(xué)方法和現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)對C*R-S構(gòu)型判斷進(jìn)行教學(xué)，解決了學(xué)生空間感不強(qiáng)，不會判斷C*R-S構(gòu)型的問題，使學(xué)生能快速、準(zhǔn)確地判斷C*R-S的構(gòu)型，正確地命名含C*的化合物，為學(xué)好立體化學(xué)打下了良好的基礎(chǔ)。