巧用雙手模型，強(qiáng)化有機(jī)化學(xué)中幾種構(gòu)型表示法的學(xué)習(xí)

姚文華 劉莉

摘 要：表示構(gòu)型異構(gòu)的方法主要有楔形透視式、鋸架透視式、費歇爾投影式和紐曼投影式。如何正確地進(jìn)行這幾種結(jié)構(gòu)式的書寫和轉(zhuǎn)換是有機(jī)化學(xué)教學(xué)中的一個重點和難點。對分子中手性碳原子的R、S構(gòu)型的標(biāo)記是進(jìn)行轉(zhuǎn)換的核心內(nèi)容。我們巧用左手和右手來確定手性碳原子的構(gòu)型，進(jìn)而正確地書寫這幾種結(jié)構(gòu)，幫助學(xué)生理解有機(jī)化合物的立體結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：構(gòu)型異構(gòu)；R、S構(gòu)型；構(gòu)型轉(zhuǎn)換；手模型

立體化學(xué)是從三維空間來研究分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的科學(xué)，是近代有機(jī)化學(xué)的重要組成部分。立體化學(xué)研究的重要內(nèi)容是立體異構(gòu)，立體異構(gòu)是研究有機(jī)化合物中分子間的連接次序相同，但空間排列不相同的異構(gòu)體，主要包括構(gòu)型異構(gòu)和構(gòu)象異構(gòu)。構(gòu)型異構(gòu)的表達(dá)方式主要有楔形透視式、鋸架透視式、費歇爾投影式和紐曼投影式[1]。由于學(xué)習(xí)構(gòu)型異構(gòu)要求學(xué)生要有很強(qiáng)的空間想象力，在頭腦中要建立微觀分子，因而教學(xué)難度較大?？紤]到初學(xué)者在學(xué)習(xí)過程中可能遇到的問題，我們總結(jié)出了一套教學(xué)法，即利用我們的左手和右手建立分子的立體模型，幫助學(xué)生確定分子中手性碳原子上的四個不同的基團(tuán)在空間的位置關(guān)系，使學(xué)生更易接受，從而快速掌握相關(guān)內(nèi)容。該教學(xué)法不受時間和空間限制，便于實施和操作，是非常有用的。

1 含有一個手性碳原子化合物的楔形透視式和費歇爾投影式的轉(zhuǎn)換

眾所周知，乳酸是含有一個手性碳原子的光學(xué)活性物質(zhì)，有兩個光學(xué)異構(gòu)體A和B，其中A是右旋的，[α]D20=+3.82；B是左旋的，[α]D20=-3.82。它們組成一對對映異構(gòu)體[2]。

當(dāng)用R、S構(gòu)型來對這兩個光學(xué)異構(gòu)體進(jìn)行標(biāo)注的時候，我們首先要確定手性碳原子上的基團(tuán)大小，按照基團(tuán)的優(yōu)先次序規(guī)則，這四個基團(tuán)的次序排列為：-OH > -COOH >CH3 > -H；然后將優(yōu)先次序中排在最后的-H放在距離視線最遠(yuǎn)的地方；觀察余下的三個基團(tuán)由大到小的排列順序，如果按照順時針排列，為R構(gòu)型，如果按逆時針排列，則為S構(gòu)型[2，3，4，5]。

掌握了R、S構(gòu)型的判別規(guī)則后，我們開始巧用左手和右手來判斷手性碳原子的構(gòu)型。在用左、右手來標(biāo)注楔形透視式的R、S構(gòu)型的時候，依照我們的經(jīng)驗，首先根據(jù)平面上的兩個基團(tuán)來確定平面是關(guān)鍵，平面確定后，平面前方和后方的基團(tuán)的位置關(guān)系就很好確定了。以化合物A手性碳原子構(gòu)型確定為例，首先用食指和拇指來表示在平面上的兩個基團(tuán)，拇指代表-OH，食指代表-COOH，然后用向后方伸出的中指代表-H，偏向前方的手臂代表甲基，這時，代表-H的中指是離視線最遠(yuǎn)的，而拇指到食指再到手臂的走向是逆時針方向，所以化合物A的構(gòu)型為S構(gòu)型。同樣，我們用右手也可以快速地判定化合物B的構(gòu)型為R構(gòu)型。具體操作如圖1示：

得到了上述兩種乳酸分子的構(gòu)型以后，如何轉(zhuǎn)換為費歇爾投影式。乳酸的費歇爾投影式的書寫方法是：將乳酸的碳鏈放在豎直方向上，氧化態(tài)高的在上方；“+”交叉點為手性碳原子；橫線上的基團(tuán)表示在前方，豎線上的基團(tuán)表示在后方。因此乳酸A費歇爾投影式的書寫是：

首先畫“+”，然后將-COOH放在上方，甲基放在下方，

；橫線的兩端放-OH和-H。如果將-OH放在左端，-H放

在右端，，則三個大基團(tuán)的走向從大到小是按照順時針

排列的，由于-H在前方，離視線近（觀察點與R、S判別法的相反），所以該費歇爾投影式是S構(gòu)型的，與化合物A的構(gòu)型是吻合的。從上面的例子也可以看出，當(dāng)用費歇爾投影式表示分子的構(gòu)型時，如果最小基團(tuán)放在豎線上，則三個大基團(tuán)的走向從大到小按順時針方向時，則為R構(gòu)型，按逆時針方向時，則為S構(gòu)型；如果最小的基團(tuán)放在橫線上，則三個大基團(tuán)的走向從大到小按順時針方向時，則為S構(gòu)型，按逆時針方向時，則為R構(gòu)型。同理，我們可以正確地繪制出乳酸B的費歇爾投影式（見圖1）。

2 含有兩個手性碳原子化合物的構(gòu)型轉(zhuǎn)換

2.1、從楔形透視式轉(zhuǎn)化為費歇爾投影式

以化合物C為例，我們用左手和右手為模型，分別確定分子中手性碳原子2和手性碳原子3上的四個不同基團(tuán)之間的位置關(guān)系，如圖2所示。手性碳原子2上連接的四個基團(tuán)的大小次序為：-Cl> -CHClC2H5>CH3 > -H，這四個基團(tuán)在空間的位置關(guān)系我們已經(jīng)用左手為模型確定出來，即拇指代表平面上的-CHClC2H5，食指代表平面上的- CH3，手臂代表前方的-H，中指代表后方的-Cl，從右往左看，由-Cl→-CHClC2H5>→CH3 的排列是按順時針的，所以是R構(gòu)型。同樣，我們用右手為模型確定了手性碳原子3的三個優(yōu)先基團(tuán)-Cl→CH3CHCl-→C2H5是按逆時針排列的，所以它的構(gòu)型是S構(gòu)型。根據(jù)費歇爾投影式的書寫規(guī)則，我們繪制了化合物C對應(yīng)的投影式，如圖2所示。從費歇爾投影式可以看出，手性碳原子2上-Cl→ -CHClCH3→CH3是按逆時針排列的，但因為-H在橫線上，表示該基團(tuán)在前方，所以手性碳2的構(gòu)型是R構(gòu)型，與楔形透視式是吻合的。同理，我們依照同樣的方式判斷出費歇爾投影式中手性碳原子3的構(gòu)型和楔形透視式的是吻合的。

2.2、從鋸架式轉(zhuǎn)化為費歇爾投影式

我們以化合物D為例，用手為模型，確定分子中手性碳原子2和手性碳原子3上的四個不同基團(tuán)之間的位置關(guān)系，如圖3所示。手性碳原子2上連接的四個基團(tuán)的大小次序為：-Cl> -CHBrCH3>CH3 > -H，這四個基團(tuán)在空間的位置關(guān)系我們已經(jīng)用左手為模型確定出來，即拇指代表右后方的- Cl，食指代表正后方的- CH3，中指代表左后方的H，手臂代表-CHBrCH3，從右往左看，由-Cl→ -CHBrCH3→CH3 的排列是按順時針的，所以是R構(gòu)型。同樣，我們也可以通過手模型確定手性碳原子3的三個優(yōu)先基團(tuán)-Br→-CHClCH3→CH3是按順時針排列的，所以它的構(gòu)型是R構(gòu)型。根據(jù)費歇爾投影式的書寫規(guī)則，化合物D對應(yīng)的費歇爾投影式如圖3所示。從費歇爾投影式可以看出，手性碳原子2上-Cl→ -CHBrCH3→CH3是按逆時針排列的，但因為-H在橫線上，表示該基團(tuán)在前方，所以手性碳2的構(gòu)型是R構(gòu)型，與鋸架式是吻合的。同理，手性碳原子3的構(gòu)型和鋸架式的是吻合的。

2.3 從紐曼投影式轉(zhuǎn)化為費歇爾投影式

我們以化合物E為例，以左手和右手為模型，分別確定分子中前方手性碳原子和后方手性碳原子上的四個不同基團(tuán)之間的位置關(guān)系，如圖4所示。前方手性碳原子上連接的四個基團(tuán)的大小次序為：-Cl> -CHOHCH3>CH3 > -H，這四個基團(tuán)在空間的位置關(guān)系我們已經(jīng)用左手為模型確定出來，即拇指代表左前方的- Cl，食指代表正前方的- CH3，中指代表右前方的H，手臂代表-CHOHCH3，從左下方看，由-Cl→ -CHOHCH3→CH3 的排列是按順時針的，所以是R構(gòu)型。同樣，我們也可以通過右手模型確定后方手性碳原子的三個優(yōu)先基團(tuán)-OH→-CHClCH3→CH3是按逆時針排列的，所以它的構(gòu)型是S構(gòu)型。根據(jù)費歇爾投影式的書寫規(guī)則，化合物E對應(yīng)的投影式如圖4所示。從費歇爾投影式可以看出，前方手性碳原子上-Cl→ -CHOHCH3→CH3是按逆時針排列的，所以前方手性碳原子的構(gòu)型是R構(gòu)型，與紐曼投影式是吻合的。同理，后方手性碳原子的構(gòu)型和紐曼投影式的是吻合的。

3 環(huán)狀化合物中手性碳原子R、S構(gòu)型的標(biāo)注

在確定環(huán)狀化合物手性碳原子的R、S構(gòu)型的時候，找環(huán)平面是關(guān)鍵，當(dāng)把環(huán)平面確定以后，平面上方和下方基團(tuán)的位置就好確定了。我們以三元環(huán)化合物F為例來確定環(huán)狀化合物的構(gòu)型。該化合物是一個順式結(jié)構(gòu)，編號為1和2的碳原子是手性碳。對于編號為1的手性碳原子，四個基團(tuán)之間的連接次序是：-COOH> -CH（COOH）CH2->CH2CH（COOH）-> -H，如圖5所示。以左手的中指和拇指確定環(huán)平面，中指代表-CH（COOH）CH2-，拇指代表CH2CH（COOH）-，食指代表平面上方的-COOH，無名指代表平面下方的-H，從平面上方觀察，從-COOH→ -CH（COOH）CH2-→CH2CH（COOH）-是按順時針方向的，所以是R構(gòu)型。同理，可以用右手確定出手性碳原子2的構(gòu)型為S構(gòu)型。

4 結(jié)論

通過上面的演示和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換圖，可以看出用手作為模型來學(xué)習(xí)有機(jī)化合物的構(gòu)型是非常有用的，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）形象、直觀，學(xué)生能根據(jù)手指的指向，大致判斷手性碳原子上的基團(tuán)在空間的位置關(guān)系；（2）簡單、易學(xué)；（3）不受時間和空間限制，便于實施和操作，是一個非常有用的教學(xué)方法，值得借鑒和推廣。

參考文獻(xiàn)

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[2]邢其毅，裴偉偉，徐瑞秋，裴堅.有機(jī)化學(xué)（第3版）[M].北京：高等教育出版社，2005.

[3]鄭敏燕.有機(jī)立體化學(xué)教學(xué)中手模型的設(shè)計與應(yīng)用[J].大學(xué)化學(xué)，2011，6（4）：9-31.

[4]楊明惠，劉滿紅. 有機(jī)立體化學(xué)概念教學(xué)中手模型的應(yīng)用[J].云南民族學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2000，3：161-163.

[5]李光熹.對用手作模型確定構(gòu)型的方法的改進(jìn)[J].化學(xué)通報，1984，12：42-44.

作者簡介：

姚文華（1972-），女，云南玉溪人，副教授，主要從事有機(jī)化學(xué)的教學(xué)，無機(jī)金屬催化劑的制備及其催化性能的研究。