分子構型轉換方法的教學研究*

蘇 敏

(陽泉師范高等專科學校，山西陽泉045200)

分子的構型是立體的，而在紙面上表示分子的構型通常用球棒模型、楔形式、紐曼投影式和費歇爾投影式，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，但用費歇爾投影式來判斷分子的構型較其他表達式更為簡單，所以將分子構型的其他表達式轉換為費歇爾投影式后，再判斷其構型是一個不錯的方法.但是由于分子的立體性的特征及構型表示形式的多樣性，學生在轉換過程中常常覺得有難度，因此，由其他構型表達式向費歇爾投影式進行轉換成為判斷化合物構型是R型還是S型的難點，為此，筆者就分子構型的其他表達式向費歇爾投影式轉換做一些探討.

費歇爾投影式是采用投影的方法將分子的構型表示在紙面上.投影的規則是，將與手性碳原子相連的四個鍵中的其中兩個指向自己，并使其位于水平方向，另外兩個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，兩條垂線的交點代表手性碳原子，橫向的兩個原子或基團相當于指向自己的基團，豎向的兩個原子或基團相當于位于紙后的基團［1］.

1 由楔形式向費歇爾投影式轉換

含有單個手性碳原子的化合物沿一定方向旋轉一定角度，其構型保持不變，同時由于任意兩個鍵之間的夾角約等于109°，小于180°，通過轉動一定角度，使其中兩個鍵位于平面的上方，另外兩個鍵位于平面的下方，再按照費歇爾投影式的投影規則進行投影，且根據“橫小定相同，豎小定相反”的原則判斷其構型.圖1給出了幾種不同楔形式向費歇爾投影式轉換的方法.

2 將透視式和紐曼投影式轉換為費歇爾投影式

兩個手性碳原子之間是sp3－sp3型σ鍵連接的，σ鍵可以自由轉動但并不改分子的構型，因為相對于任何一個手性碳原子來說，與其相連的三個基團空間位置不變，另外一個基團本身內部的變化并不能導致分子構型的變化，據此將一個手性碳原子固定，將另外一個手性碳原子旋轉，使其所連基團與固定的手性碳原子所連的基團重疊，使其構象變為重疊位置的構象，再直接轉換成費歇爾投影式，然后根據費歇爾投影式的構型進行構型標記.

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

3 費歇爾投影式不同書寫形式之間相互轉換的幾個規律

如果通過以上方法得來的構型不符合投影規則中的規定，即含手性碳原子的主鏈不在豎向方向，編號最小的碳原子不在上端，可以通過以下轉換方法來實現這一規定.

(1)費歇爾投影式在平面內轉動180°不改變分子的構型.若要判斷兩個投影式是否為同一化合物，可以通過在紙面上轉動來加以比較，而且只有轉動180°，才不改變基團的前后關系.但不能在紙面上轉動90°，因為轉動后投影已經不同了.如圖3所示.

(2)在費歇爾投影式中如果一個基團保持固定，而把另外三個基團順時針或逆時針地調換位置，不會改變原化合物的構型.如圖4 所示［3］.

(3)手性碳原子四個基團中任意兩個基團互換偶數次時，不改變分子的構型.含一個手性碳原子化合物，其手性碳原子所連四個基團，其中任意兩個基團位置進行交換，若進行交換的次數為奇數次，所得到的為原化合物的對映異構體;若進行交換的次數為偶數次，得到的為原化合物，只是表示形式不同.如圖5所示.

圖1 不同楔形式向費歇爾投影式轉換的方法

圖2 透視式和紐曼投影式轉換為費歇爾投影式的方法

手性碳原子中所連四個基團a＞b＞c＞d，共12種形式，全部為S型.

根據以上由含一個手性碳原子化合物得來的規律，判斷含兩個手性碳原子化合物的不同費歇爾投式之間的關系便顯得尤為簡單，兩個手性碳原子上四個基團中任意兩個基團位置交換偶數次得到同一化合物;兩個手性碳原子上四個基團中任意兩個基團位置交換奇數次得到的化合物為原化合物的對映異構體;其中一個手性碳原子上四個基團中任意兩個基團位置交換偶數次，另一個手性碳原子上四個基團中任意兩個基團位置交換奇數次，得到的化合物與原化合物為非對映異構體.

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

圖3 費歇爾投影式在平面內轉動180°和90°的結果

圖4 投影式中一個基團保持固定，另外三個基團順時針或逆時針地調換位置

圖5 手性碳原子四個基團中任意兩個基團互換偶數次的結果

圖6 含兩個手性碳原子的化合物每一個手性碳原子中基團互換奇偶次的結果

4 小結

通過上述內容的講解，幫助同學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合起來，并按照費歇爾投影式投影規則得到分子的構型式，同時根據費歇爾投影式不同書寫形式之間的相互轉換的幾個規律，可以幫助同學們有效地判斷兩個化合物是同一化合物，還是對映體異構體或非對映異構體.

［1］高職高專化學教材編寫組.有機化學［M］.北京:高等教育出版社，2008.

［2］劉伯渠.構型異構的判斷方法及其應用［J］.安慶師范學院學報(自然科學版)，2008，(4):92 －93.

［3］曾昭瓊.有機化學［M］.北京:高等教育出版社，1993.