快速準確地標記手性中心的構型

楊雪梅 李小叁

摘要：利用Newman投影式的重疊式構象為橋梁，將手性分子的球棍模型、楔形透視式、鋸架透視式和Newman投影式等不同表示方法，轉化為Fischer投影式，快速準確地標記手性中心的構型。

關鍵詞：Newman投影式;Fischer投影式;重疊式;構型標記

凡涉及立體化學問題的有機反應都是有機化學教學和學習中的重點和難點。手性分子的表示方法和構型判斷是立體化學的最基礎問題，它不僅需要很好的空間想象力，而且時刻要將立體結構轉換為平面結構，同時還要時刻把平面結構想象成立體結構。當分子只含有一個手性中心時，學生們通過課本的學習，可以很好地掌握判斷手性中心構型的方法[1-3]。不同層次的學生在空間的想象力水平上有較大的差異，當面對含多個手性中心的手性分子的各種表示方法時，尤其是球棍模型、楔形透視式、鋸架透視式和Newman投影式，學生們在標記其手性中心構型時往往困難重重，而且容易出錯，甚至拿到題目不知從何入手。但是學生們對含多個手性中心的Fischer投影式的構型標記卻掌握的很好，因為Fischer投影式結構比較直觀，根據其判斷規則進行構型標記，無需空間想象[4-8]。

本文結合筆者的教學實踐，主要介紹一套實用的快速準確地標記多手性中心構型的方法。以Newman投影式的重疊式為橋梁，分三步來完成多手性中心構型的標記。第一步，將球棍模型、楔形透視式、鋸架透視式和Newman投影式的交叉式構象轉化為Newman投影式的重疊式構象;第二步，將Newman投影式的重疊式構象像“釣魚”提線或“降落”下拉一樣轉化為Fischer投影式;第三步利用學生們擅長的Fischer投影式構型的判斷來進行手性中心構型的標記，最終實現快速準確地標記手性中心構型的目的。

下面就以3-甲基-2-溴戊烷為例加以說明，如圖1所示3-甲基-2-溴戊烷的球棍模型、楔形透視式、鋸架透視式和Newman投影式，它們表示的是同一化合物嗎？如果不是它們又是什么關系呢？

1.球棍模型

首先我們從球棍模型左邊沿C2-C3σ鍵觀察這個分子，畫出其Newman投影式的交叉式構象。從圓圈中心伸出的三條線的交點表示離觀察者近的碳原子（即與溴相連的碳原子C2），三條線表示C2上的三個價鍵，按順時針方向排列依次為甲基、溴和氫原子，圓圈表示離觀察者遠的碳原子（即C3），從圓周向外伸出的三條線表示C3上的三個價鍵，在C2的甲基與溴原子之間的是乙基，C2的溴與氫原子之間的是氫原子，C2的氫原子與甲基之間的是甲基，得到該分子的Newman投影式的交叉式構象。因為Fischer投影式描述的立體構象對應的是Newman投影式的重疊式構象，所以須將Newman投影式的交叉式構象圍繞C2-C3σ鍵旋轉轉換為重疊式構象。然后再將前面的碳原子所連的甲基像“釣魚”提線一樣，拉長碳鏈，直接轉化為Fischer投影式。需要注意的是Newman投影式的重疊式構象中左邊的基團在Fischer投影式中就寫在左邊，右邊的基團就寫在右邊，與甲基重疊的乙基就隨著碳鏈的拉長跑到Fischer投影式的下面（如圖2）。最后根據Fischer投影式的構型判斷方法對手性中心進行標記。

Fischer投影式構型判斷（R、S標記法）[1]可簡單總結為“橫鍵相反豎鍵不變”。即按優先次序規則排列與手性中心相連的四個基團，如果最小的基團在橫鍵，其余三個基團由大到小排列，順時針則為S構型，逆時針則為R構型;如果最小的基團在豎鍵，其余三個基團由大到小排列，順時針則為R構型，逆時針則為S構型。據此我們判斷出C2為S構型，C3也為S構型。

有時有些同學得到的Newman投影式的交叉式構象中前面碳原子的三個鍵中的豎鍵不是向上的（如圖2），而是向下的（如圖3），那么我們就不能像“釣魚”提線一樣拉長碳鏈得到Fischer投影式，而應該“降落”下拉來得到Fischer投影式。如圖3溴往下拉，Newman投影式的重疊式構象中左邊的基團在Fischer投影式中仍在左邊，右邊的基團仍在右邊，與溴重疊的氫原子隨著溴的下拉就跑到了上面。根據Fischer影式的構型判斷方法，我們也可以判斷出C2為S構型，C3也為S構型。

可見無論我們是“釣魚”提線還是“降落”下拉，我們所得到的結果都是一樣的，但是要特別注意“釣魚”提線適用于Newman投影式的重疊式豎鍵向上的構象，“降落”下拉適用于Newman投影式的重疊式豎鍵向下的構象，兩者不能混用。

2.楔形透視式

我們還是從（2）楔形透視式左邊沿C2-C3σ鍵觀察這個分子，利用和球棍模型相同的處理方法，畫出其Newman投影式的交叉式構象，接下來圍繞C2-C3σ鍵將C3順時針旋轉60°得到紐曼投影式的重疊式構象，然后“降落”下拉，即得到Fischer投影式，通過判斷可得C2為S構型，C3為R構型，見圖4。

3.鋸架透視式

我們來處理（3）鋸架透視式。它的處理方法和楔形透視式一樣。如圖5，沿C2-C3σ鍵觀察這個分子，畫出其Newman投影式的交叉式構象，接下來圍繞C2-C3σ鍵將C3順時針旋轉60°得到Newman投影式的重疊式構象，然后“釣魚”提線，即得到Fischer投影式，通過Fischer投影式判斷，可得C2為R構型，C3為S構型。

4.Newman投影式

我們來處理（4）Newman投影式的交叉式構象，直接圍繞C2-C3σ鍵將C3逆時針旋轉60°得到Newman投影式的重疊式構象，像“釣魚”提線一樣拉長碳鏈得到Fischer投影式，通過判斷可得C2為R構型，C3也為R構型，見圖6。

通過我們介紹的操作方法，無論3-甲基-2-溴戊烷以何種方法表示，我們都可以快速準確地標記出其手性中心的構型。從構型的標記，我們可以快速得出下列的結論：這四種表示方法所代表的化合物不是同一化合物，其中（1）球棍模型和（4）Newman投影式，（2）楔形透視式和（3）鋸架透視式互為對映異構體，（1）和（2），（1）和（3），（2）和（4），（3）和（4）互為非對映異構體。

這套標記手性中心構型的方法有一個非常重要的問題需要注意，那就是Newman投影式的前后兩個碳原子的位置不能隨意交換，必須從觀察者的角度去確定前后碳原子的位置，否則就會造成構型判斷的錯誤。例如：

文獻[4]就是將Newman投影式中前后兩個碳原子的位置隨意交換，所以造成構型判斷錯誤[6]。

綜上所述，以Newman投影式的重疊式構象為橋梁，將球棍模型、楔形透視式、鋸架透視式或Newman投影式表示的手性分子轉化為Fischer投影式，標記手性中心構型的方法簡單、實用、易掌握。

參考文獻：

[1]陸濤.有機化學[M].第8版.北京：人民衛生出版社，2016：117-122

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[5]代文彬，劉明成，安寧.簡單快速判斷手性碳原子R/S構型[J].德州學院學報.2003，19（4）：55-56

[6]周文俊，蔡玉瑤，王碧等.Newman投影式和Fischer投影式的轉換及應用[J].化學教育，2013，34（5）：81-83

[7]周文俊，蔡玉瑤，張霞忠等.楔形式、鋸架式向Fischer投影式的轉換及應用[J].化學教育，2013，34（5）：86-88

[8]龐韜，吳根華.有機立體化學構型判斷及互換[J].安慶師范學院學報（自然科學版），2015，21（2）：134-136

作者簡介：楊雪梅，理學博士，副教授，廣東醫科大學藥學院化學教研室。

通訊作者：李小叁。

廣東省“教學質量與教學改革工程”建設項目（《有機化學》精品視頻公開課）。