分子構(gòu)型轉(zhuǎn)換方法的教學(xué)研究*

蘇 敏

(陽(yáng)泉師范高等?？茖W(xué)校，山西陽(yáng)泉045200)

分子的構(gòu)型是立體的，而在紙面上表示分子的構(gòu)型通常用球棒模型、楔形式、紐曼投影式和費(fèi)歇爾投影式，球棒模型、楔形式、紐曼投影式能夠較直觀地表示分子的立體形式，但用費(fèi)歇爾投影式來(lái)判斷分子的構(gòu)型較其他表達(dá)式更為簡(jiǎn)單，所以將分子構(gòu)型的其他表達(dá)式轉(zhuǎn)換為費(fèi)歇爾投影式后，再判斷其構(gòu)型是一個(gè)不錯(cuò)的方法.但是由于分子的立體性的特征及構(gòu)型表示形式的多樣性，學(xué)生在轉(zhuǎn)換過程中常常覺得有難度，因此，由其他構(gòu)型表達(dá)式向費(fèi)歇爾投影式進(jìn)行轉(zhuǎn)換成為判斷化合物構(gòu)型是R型還是S型的難點(diǎn)，為此，筆者就分子構(gòu)型的其他表達(dá)式向費(fèi)歇爾投影式轉(zhuǎn)換做一些探討.

費(fèi)歇爾投影式是采用投影的方法將分子的構(gòu)型表示在紙面上.投影的規(guī)則是，將與手性碳原子相連的四個(gè)鍵中的其中兩個(gè)指向自己，并使其位于水平方向，另外兩個(gè)相連的鍵則位于豎立方向并指向紙后，一般使含手性碳原子的主鏈位于豎向方向，把命時(shí)順序較高的碳原子放在上端，然后將這種方式擺放的分子模型投影在紙面上，在投影式中，兩條垂線的交點(diǎn)代表手性碳原子，橫向的兩個(gè)原子或基團(tuán)相當(dāng)于指向自己的基團(tuán)，豎向的兩個(gè)原子或基團(tuán)相當(dāng)于位于紙后的基團(tuán)［1］.

1 由楔形式向費(fèi)歇爾投影式轉(zhuǎn)換

含有單個(gè)手性碳原子的化合物沿一定方向旋轉(zhuǎn)一定角度，其構(gòu)型保持不變，同時(shí)由于任意兩個(gè)鍵之間的夾角約等于109°，小于180°，通過轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，使其中兩個(gè)鍵位于平面的上方，另外兩個(gè)鍵位于平面的下方，再按照費(fèi)歇爾投影式的投影規(guī)則進(jìn)行投影，且根據(jù)“橫小定相同，豎小定相反”的原則判斷其構(gòu)型.圖1給出了幾種不同楔形式向費(fèi)歇爾投影式轉(zhuǎn)換的方法.

2 將透視式和紐曼投影式轉(zhuǎn)換為費(fèi)歇爾投影式

兩個(gè)手性碳原子之間是sp3－sp3型σ鍵連接的，σ鍵可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)但并不改分子的構(gòu)型，因?yàn)橄鄬?duì)于任何一個(gè)手性碳原子來(lái)說，與其相連的三個(gè)基團(tuán)空間位置不變，另外一個(gè)基團(tuán)本身內(nèi)部的變化并不能導(dǎo)致分子構(gòu)型的變化，據(jù)此將一個(gè)手性碳原子固定，將另外一個(gè)手性碳原子旋轉(zhuǎn)，使其所連基團(tuán)與固定的手性碳原子所連的基團(tuán)重疊，使其構(gòu)象變?yōu)橹丿B位置的構(gòu)象，再直接轉(zhuǎn)換成費(fèi)歇爾投影式，然后根據(jù)費(fèi)歇爾投影式的構(gòu)型進(jìn)行構(gòu)型標(biāo)記.

如圖2所示，將a、b、c的不同構(gòu)型的透視式，按照上面所述方法，通過σ鍵的旋轉(zhuǎn)，先將交叉式構(gòu)象轉(zhuǎn)換為全重疊式，然后再轉(zhuǎn)換為費(fèi)歇爾投影式判斷其構(gòu)型，a與b為全異型，互為對(duì)映異構(gòu)體，a、b與c為半同半異型，為非對(duì)映異構(gòu)體［2］.

3 費(fèi)歇爾投影式不同書寫形式之間相互轉(zhuǎn)換的幾個(gè)規(guī)律

如果通過以上方法得來(lái)的構(gòu)型不符合投影規(guī)則中的規(guī)定，即含手性碳原子的主鏈不在豎向方向，編號(hào)最小的碳原子不在上端，可以通過以下轉(zhuǎn)換方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這一規(guī)定.

(1)費(fèi)歇爾投影式在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)180°不改變分子的構(gòu)型.若要判斷兩個(gè)投影式是否為同一化合物，可以通過在紙面上轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)加以比較，而且只有轉(zhuǎn)動(dòng)180°，才不改變基團(tuán)的前后關(guān)系.但不能在紙面上轉(zhuǎn)動(dòng)90°，因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)后投影已經(jīng)不同了.如圖3所示.

(2)在費(fèi)歇爾投影式中如果一個(gè)基團(tuán)保持固定，而把另外三個(gè)基團(tuán)順時(shí)針或逆時(shí)針地調(diào)換位置，不會(huì)改變?cè)衔锏臉?gòu)型.如圖4 所示［3］.

(3)手性碳原子四個(gè)基團(tuán)中任意兩個(gè)基團(tuán)互換偶數(shù)次時(shí)，不改變分子的構(gòu)型.含一個(gè)手性碳原子化合物，其手性碳原子所連四個(gè)基團(tuán)，其中任意兩個(gè)基團(tuán)位置進(jìn)行交換，若進(jìn)行交換的次數(shù)為奇數(shù)次，所得到的為原化合物的對(duì)映異構(gòu)體;若進(jìn)行交換的次數(shù)為偶數(shù)次，得到的為原化合物，只是表示形式不同.如圖5所示.

圖1 不同楔形式向費(fèi)歇爾投影式轉(zhuǎn)換的方法

圖2 透視式和紐曼投影式轉(zhuǎn)換為費(fèi)歇爾投影式的方法

手性碳原子中所連四個(gè)基團(tuán)a＞b＞c＞d，共12種形式，全部為S型.

根據(jù)以上由含一個(gè)手性碳原子化合物得來(lái)的規(guī)律，判斷含兩個(gè)手性碳原子化合物的不同費(fèi)歇爾投式之間的關(guān)系便顯得尤為簡(jiǎn)單，兩個(gè)手性碳原子上四個(gè)基團(tuán)中任意兩個(gè)基團(tuán)位置交換偶數(shù)次得到同一化合物;兩個(gè)手性碳原子上四個(gè)基團(tuán)中任意兩個(gè)基團(tuán)位置交換奇數(shù)次得到的化合物為原化合物的對(duì)映異構(gòu)體;其中一個(gè)手性碳原子上四個(gè)基團(tuán)中任意兩個(gè)基團(tuán)位置交換偶數(shù)次，另一個(gè)手性碳原子上四個(gè)基團(tuán)中任意兩個(gè)基團(tuán)位置交換奇數(shù)次，得到的化合物與原化合物為非對(duì)映異構(gòu)體.

故可將上述方法概括為:“偶偶者同(同一分子)，奇奇者異(對(duì)映異構(gòu)體)，半奇半偶非對(duì)映(非對(duì)映異構(gòu)體)”.

圖3 費(fèi)歇爾投影式在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)180°和90°的結(jié)果

圖4 投影式中一個(gè)基團(tuán)保持固定，另外三個(gè)基團(tuán)順時(shí)針或逆時(shí)針地調(diào)換位置

圖5 手性碳原子四個(gè)基團(tuán)中任意兩個(gè)基團(tuán)互換偶數(shù)次的結(jié)果

圖6 含兩個(gè)手性碳原子的化合物每一個(gè)手性碳原子中基團(tuán)互換奇偶次的結(jié)果

4 小結(jié)

通過上述內(nèi)容的講解，幫助同學(xué)們將不同表示形式楔形式、透視式和紐曼投影式與分子的空間立體形式有效地結(jié)合起來(lái)，并按照費(fèi)歇爾投影式投影規(guī)則得到分子的構(gòu)型式，同時(shí)根據(jù)費(fèi)歇爾投影式不同書寫形式之間的相互轉(zhuǎn)換的幾個(gè)規(guī)律，可以幫助同學(xué)們有效地判斷兩個(gè)化合物是同一化合物，還是對(duì)映體異構(gòu)體或非對(duì)映異構(gòu)體.

［1］高職高?；瘜W(xué)教材編寫組.有機(jī)化學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2008.

［2］劉伯渠.構(gòu)型異構(gòu)的判斷方法及其應(yīng)用［J］.安慶師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，(4):92 －93.

［3］曾昭瓊.有機(jī)化學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，1993.