環(huán)己烷衍生物立體化學教學研究

劉伯渠 茍如虎 王亞玲

摘 要：分析環(huán)己烷衍生物的R/S構型標記、順反異構、對映異構及構象異構的現(xiàn)象，總結出簡單易行的判斷方法.

關鍵詞：環(huán)己烷衍生物；構象異構；構型異構

[中圖分類號]G642 [文獻標志碼]A

文章編號：1003-6180（2018）02-0078-03

Abstract：In this paper， the R/S configuration markers of cyclohexane derivatives， cis-isomerization， enantiotopic and conformational isomerization were analyzed， and a simple and easy method was summarized.

Key words：cyclohexane derivatives， conformational isomerism， configurational isomerism

環(huán)己烷衍生物立體化學教學中，涉及環(huán)己烷衍生物R/S構型的標記、順反異構、對映異構、環(huán)己烷的構象異構現(xiàn)象以及取代基相同與不同的問題，是教學的難點.本文針對這個教學難點問題，以二取代環(huán)己烷為例分析其學習規(guī)律，總結出簡單易行的判斷方法，并舉例說明.

1 具有手性碳原子環(huán)己烷衍生物構

型的標記方法

環(huán)己烷取代物中具有手性碳原子時，根據(jù)《基礎有機化學》教材中R/S標記法對手性碳原子的構型進行標記存在一定的難度，且容易出錯.若將立體空間結構轉化為平面的費歇爾投影式，就可形成“橫小定相反，豎小定相同”的判斷規(guī)則，則手性碳原子的構型判斷更為方便.環(huán)己烷分子按上述規(guī)則投影，碳環(huán)結構在橫向鍵時存在立體空間結構理解的困難，為此，將碳環(huán)結構投影在橫向鍵上，取代基投影在豎向鍵上，手性碳原子在距離觀察者最近的位置，見圖1.可以得出以下結論：“當最小基團在橫向鍵時，其余基團順時針旋轉為R型，而逆時針旋轉為S型；當最小基團在豎向鍵時，其余基團順時針旋轉為S型，而逆時針旋轉為R型.”簡言之，“橫小定相同、豎小定相反”規(guī)則，與教材中“橫前豎后”的投影規(guī)則剛好相反，與“橫小定相反，豎小定相同”的判斷規(guī)則也剛好相反，但利用該規(guī)則判斷環(huán)己烷的R/S構型簡單易行，迅速準確.

2 二元取代環(huán)己烷的立體異構分析

分子立體異構包括順反異構、對映異構和構象異構.環(huán)己烷分子立體異構具有以下特點：分子取代基的優(yōu)先基團在環(huán)平面同側為順式（兩上或兩下），不同側為反式（一上一下）；分子既不具有對稱面，又不具有對稱中心的分子具有手性，分子具有旋光性，實物和鏡像互為對映異構體；分子中σ鍵“自由”旋轉，使分子中的原子或基團在空間產生不同的排列而產生的異構體稱為構象異構體，且大基團在e鍵的構象相對穩(wěn)定.

二元取代環(huán)己烷分子存在取代基相同、取代基不同時的順和反1，2-二取代環(huán)己烷分子（簡稱順和反1，2-分子）、順和反1，3-二取代環(huán)己烷分子（簡稱順和反1，3-分子）、順和反1，4-二取代環(huán)己烷分子（簡稱順和反1，4-分子）共十二種情況.要準確掌握二元取代環(huán)己烷分子在常溫時是構型異構還是構象異構，能否拆分，只分析平面結構式，無法得到全面的解釋，需要從分子真實的立體構象式出發(fā)分析.

筆者提出二元取代環(huán)己烷“ABCD比較分析法”，該方法能夠準確迅速解決環(huán)己烷衍生的立體異構問題.

2.1 二元取代環(huán)己烷“ABCD比較分析法”

ABCD比較分析法：從環(huán)己烷某一平面分子出發(fā)，先寫出相應的一種構象式A，后由A轉換為另一種構象式C，再分別寫出構象式A和C的鏡像B和D，最后分析A，B，C，D四者之間的 關系，見圖1.若四種結構均不同，A和C、B和D為構象異構，A和B、C和D為對映異構；若其中具有相同的結構，立體異構的數(shù)目減少，甚至只有一種結構.

1，2-二取代的環(huán)己烷立體異構分析

1，2-分子無論取代相同或不同，順式或反式，均沒有對稱面和對稱中心，應具有對映異構.

如圖2所示，取代基相同的順1，2-分子中，A的構象式C與A的對映體B結構式相同，實際上A與B的對映異構為構象異構.取代基相同的反-1，2-分子、取代基不同的順1，2-分子、取代基不同的反1，2-分子，A和B、C和D為對映異構體，A和C、B和D為構象異構體.

1，3-二取代的環(huán)己烷立體異構分析 如圖3所示，取代基相同的順-1，3-分子，過2號和4號位碳原子所在的平面對稱，沒有對映異構，只存在結構A和結構C的構象異構.如圖4所示，取代基相同的反-1，3-分子，構象式C沿2號和4號碳原子所在的軸翻轉180°為構象式A，所以A和C為同一結構，只有A和B一對對映異構體；取代基不同的反-1，3-分子、順1，3-分子，A和B、C和D為對映異構體，A和C、B和D為構象異構體.

1，4-二取代的環(huán)己烷立體異構分析 如圖5所示，1，4-分子中，過1號和4號位碳原子所在的平面對稱，取代基在對稱面上，所以取代基相同或不同的順式和反式都具有對稱面，均無對映異構，C，D結構不存在，只分析A和B的關系.

如圖6所示，取代基相同的順-1，4-分子構象式A旋轉180°即為構象式C，A和C為同一種結構，取代基相同的順-1，4-分子的立體結構只有一種；取代基相同的反-1，4-分子、取代基不同的順-1，4-分子、取代基不同的反-1，4-分子構象式A和C互為構象異構體.

2.2 應用舉例

順-1，3-二甲基環(huán)己烷為取代基相同的順-1，3-分子，結構存在對稱面，無對應異構體而只有構象異構.見圖7.順-1-甲基-2-乙基環(huán)己烷為取代基不同的順-1，2-分子具有一對構象異構體和一對對應異構體.見圖8.

分析環(huán)己烯與Br2的加成產物 環(huán)己烯與Br2的加成為反式加成，產物為反-1，2-分子，該分子具有一對構象異構體和一對對應異構體.環(huán)己烯與堿性KMnO4氧化為順式加成，產物為順-1，2-分子，該分子僅具有一對構象異構體.見圖9.

3 結論

在二元取代環(huán)己烷分子教學中發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：

（1）取代基相同的順-1，3-分子和1，4-分子無對應異構體，有構象異構（分子結構存在對稱面）；

（2）取代基相同的ae型構象式較為特殊，其中順-1，2-分子僅具有一對構象異構體，反-1，3-分子僅具有一對對應異構體，順-1，4-分子的立體結構僅有一個；

（3）其余分子具有一對構象異構體和一對對應異構體.

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編輯：琳莉