曾育才 劉小玲

(嘉應(yīng)學(xué)院化學(xué)與環(huán)境學(xué)院 廣東梅州 514015)

楔形透視式、鋸架透視式、紐曼投影式、費(fèi)歇爾投影式(以下簡(jiǎn)稱(chēng)楔形式、鋸架式、紐曼式、費(fèi)歇爾式)等4種立體結(jié)構(gòu)表達(dá)式常用于書(shū)面表達(dá)有機(jī)分子的空間立體結(jié)構(gòu)，掌握它們的書(shū)寫(xiě)特點(diǎn)及其相互轉(zhuǎn)換是有機(jī)立體化學(xué)的基礎(chǔ)。立體化學(xué)是基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)的重要組成部分，也是基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)教學(xué)的重難點(diǎn)之一。例如有機(jī)立體化學(xué)反應(yīng)物與產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)式書(shū)寫(xiě)及其轉(zhuǎn)換[1-3]，對(duì)初學(xué)者特別是空間形象思維較差的學(xué)生來(lái)說(shuō)是較難掌握的；另外，幾種立體結(jié)構(gòu)表達(dá)式互換的命題也常常在教材的習(xí)題中直接出現(xiàn)[1-2,4]，在本文所參考的幾本教材中,僅有倪沛洲主編的教材介紹了費(fèi)歇爾式與紐曼式的轉(zhuǎn)換方法[3]。關(guān)于這方面的問(wèn)題近幾年已有多篇文獻(xiàn)報(bào)道[5-9]，但都是從不同的角度和深度描述轉(zhuǎn)換方法或技巧，而沒(méi)有對(duì)所有12種轉(zhuǎn)換采用統(tǒng)一的方法。本文通過(guò)比較4種立體結(jié)構(gòu)表達(dá)式的書(shū)寫(xiě)特點(diǎn)，對(duì)含兩個(gè)不同手性碳的有機(jī)分子結(jié)構(gòu)式提出了主鍵和共平面的概念，并以主鍵和共平面為主線，用統(tǒng)一的方法簡(jiǎn)單有效地實(shí)現(xiàn)了4種立體結(jié)構(gòu)式之間的相互轉(zhuǎn)換。

1 4種常用立體結(jié)構(gòu)表達(dá)式的書(shū)寫(xiě)特點(diǎn)及其應(yīng)用

有機(jī)分子立體結(jié)構(gòu)的最直觀表達(dá)方式是球棒模型(圖1)，但書(shū)寫(xiě)起來(lái)非常不便，因此就有了4種常用的立體結(jié)構(gòu)表達(dá)式(楔形式、鋸架式、紐曼式、費(fèi)歇爾式)，它們有各自的書(shū)寫(xiě)特點(diǎn)及應(yīng)用范圍。

1.1 楔形式

楔形式(圖2)的書(shū)寫(xiě)特點(diǎn)是把分子的主鍵如C1—C2鍵書(shū)寫(xiě)成水平實(shí)線，在水平實(shí)線兩端連接向上或向下傾斜的斜實(shí)線并組成一個(gè)共平面表示在紙平面上，用楔形粗線表示伸向紙平面前方的鍵，楔形虛線表示伸向紙平面后方的鍵。楔形式能直觀地表達(dá)出分子的空間立體結(jié)構(gòu)形象，比較生動(dòng)，但書(shū)寫(xiě)不便，當(dāng)碳原子較多時(shí)很麻煩。

圖1 乙烷分子球棒模型

圖2 楔形式

1.2 鋸架式

鋸架式的書(shū)寫(xiě)特點(diǎn)是所有的鍵都用實(shí)線表示(圖3)。分子的主鍵(C1—C2)常常書(shū)寫(xiě)成傾向右上方的斜線，主鍵兩端連接豎鍵并組成鋸架式的共平面，主鍵兩端的另兩鍵與豎鍵互為120°角。鋸架式通常用于表示兩個(gè)或兩個(gè)以上碳原子的分子空間立體結(jié)構(gòu)，書(shū)寫(xiě)方便，空間立體形象比較直觀，在構(gòu)象分析中常常使用。

1.3 紐曼式

圖3 鋸架式

圖4 紐曼式

1.4 費(fèi)歇爾式

費(fèi)歇爾式的書(shū)寫(xiě)特點(diǎn)是用平面的“十”字形表達(dá)分子的空間立體結(jié)構(gòu)，是費(fèi)歇爾發(fā)明的表達(dá)手性對(duì)映異構(gòu)體的簡(jiǎn)單方法。例如用球棒模型表示乳酸分子的一對(duì)對(duì)映異構(gòu)體非常直觀,但書(shū)寫(xiě)非常不便，而用費(fèi)歇爾式書(shū)寫(xiě)就方便了，如圖5 所示。用費(fèi)歇爾式描述含有兩個(gè)或兩個(gè)以上手性碳原子的異構(gòu)體是很方便的。從構(gòu)象上分析，費(fèi)歇爾式都是不穩(wěn)定的重疊式構(gòu)象，因此，在進(jìn)行構(gòu)象分析時(shí)不用費(fèi)歇爾式。對(duì)于含兩個(gè)相鄰手性碳的費(fèi)歇爾式，主鍵為兩手性碳之間的鍵，共平面為費(fèi)歇爾式的豎線；即主鍵和共平面都在同一豎線上并垂直于紙面。

圖5 球棒模型和費(fèi)歇爾式a、b為乳酸分子的球棒模型，a′、b′為a、b正面投影得到的費(fèi)歇爾式，c為含兩個(gè)手性碳的費(fèi)歇爾式

對(duì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)，費(fèi)歇爾式的空間伸展方向最容易混亂，因此在教學(xué)中一定要使學(xué)生明白其書(shū)寫(xiě)規(guī)則：(1) “橫前豎后” 規(guī)則是費(fèi)歇爾式最基本的硬性規(guī)定，即“十”字橫線上連接的原子或基團(tuán)朝向紙平面的前方，豎線上連接的原子或基團(tuán)朝向紙平面的后方，而“十”字交叉點(diǎn)即手性碳原子則處于紙平面上；(2) 對(duì)于含多個(gè)手性碳原子的分子，通常還規(guī)定“碳鏈放在豎線上”和“編號(hào)小的碳原子放在上面”。另外，使用或操作費(fèi)歇爾式時(shí)需要注意以下問(wèn)題：不能離開(kāi)紙面翻轉(zhuǎn)；不能在紙面上轉(zhuǎn)動(dòng)90°，但可轉(zhuǎn)動(dòng)180°。

2 4種立體結(jié)構(gòu)表達(dá)式的相互轉(zhuǎn)換

下面以含有兩個(gè)不相同手性碳原子的3-氯-2-戊醇為研究對(duì)象，討論4種立體結(jié)構(gòu)表達(dá)式之間相互轉(zhuǎn)換的書(shū)寫(xiě)步驟和方法。

2.1 轉(zhuǎn)換成楔形式

楔形式的主鍵在水平實(shí)線上，共平面由與主鍵連接的兩條斜實(shí)線組成并表示在紙平面上。若要將另外3種結(jié)構(gòu)式轉(zhuǎn)換成楔形式，首先要把原結(jié)構(gòu)式的主鍵轉(zhuǎn)換成楔形式的主鍵(即水平實(shí)線)，用斜實(shí)線連接水平線兩端，把原結(jié)構(gòu)式的共平面及其基團(tuán)同方向地轉(zhuǎn)換到楔形式的共平面(紙面)上，最后用楔形粗線或楔形虛線轉(zhuǎn)換原結(jié)構(gòu)式共平面兩邊的基團(tuán)或原子，轉(zhuǎn)換時(shí)應(yīng)注意各原子或基團(tuán)之間的重疊或交叉關(guān)系。

2.1.1 紐曼式轉(zhuǎn)換成楔形式

如圖6所示，把紐曼式的旋轉(zhuǎn)軸C2—C3(主鍵)轉(zhuǎn)換成楔形式的主鍵(即水平實(shí)線,圖6(2)或圖6(6))，用斜實(shí)線連接水平線兩端，把紐曼式共平面上的甲基和乙基按“前轉(zhuǎn)左-后轉(zhuǎn)右”轉(zhuǎn)換成楔形式的共平面，在紙面上得到圖6(3)或圖6(7)；最后，在C2、C3上分別用楔形粗線或楔形虛線連接原結(jié)構(gòu)式共平面兩邊的基團(tuán)或原子，楔形粗線與紐曼式右邊的基團(tuán)及其傾斜方向相對(duì)應(yīng)，楔形虛線與紐曼式左邊的基團(tuán)及其傾斜方向相對(duì)應(yīng)，即按“左轉(zhuǎn)虛線-右轉(zhuǎn)粗線-前左-后右”方式轉(zhuǎn)換，得到如圖6(4)所示的楔形交叉式構(gòu)象或圖6(8)所示的楔形重疊式構(gòu)象。

圖6 紐曼重疊式轉(zhuǎn)換成楔形式的書(shū)寫(xiě)過(guò)程

2.1.2 鋸架式轉(zhuǎn)換成楔形式

先畫(huà)出水平線(圖7(2))轉(zhuǎn)換主鍵，用斜實(shí)線連接水平線兩端,按“前左-后右”轉(zhuǎn)換共平面上的甲基和乙基,得圖7(3)，最后按“左虛線-右粗線-前左-后右”方式轉(zhuǎn)換，即得到楔形式(圖7(4))。詳見(jiàn)圖7，圖8。

圖7 鋸架式(重疊式構(gòu)象)轉(zhuǎn)換成楔形式書(shū)寫(xiě)過(guò)程

圖8 鋸架式(交叉式構(gòu)象)轉(zhuǎn)換成楔形式書(shū)寫(xiě)過(guò)程

2.1.3 費(fèi)歇爾式轉(zhuǎn)換成楔形式

如圖9所示，首先把圖9(1)的主鍵(C2—C3豎線)轉(zhuǎn)換為楔形式的水平線主鍵(圖9(2))，然后把圖9(1)的共平面(豎線上的甲基和乙基)按“下轉(zhuǎn)左-上轉(zhuǎn)右-寶蓋形”方式轉(zhuǎn)換成楔形式的共平面，得圖9(3)，最后按“左虛線-右粗線-下左-上右”方式轉(zhuǎn)換書(shū)寫(xiě)即得楔形式(圖9(4))。當(dāng)然，直接轉(zhuǎn)換得到的楔形式首先是重疊式構(gòu)象，要想得到穩(wěn)定的交叉式構(gòu)象，則對(duì)圖9(4)的C2—C3主鍵軸旋轉(zhuǎn)即可，但手性碳構(gòu)型不會(huì)改變。

圖9 費(fèi)歇爾式轉(zhuǎn)換成楔形式書(shū)寫(xiě)過(guò)程

2.2 轉(zhuǎn)換成鋸架式

首先把原結(jié)構(gòu)式的主鍵轉(zhuǎn)換成鋸架式的主鍵即傾向右上角的斜線，用豎鍵連接斜線兩端，即把原結(jié)構(gòu)式的共平面轉(zhuǎn)換成鋸架式的共平面，最后轉(zhuǎn)換共平面兩邊的原子或基團(tuán)。

2.2.1 紐曼式轉(zhuǎn)換成鋸架式

如圖10所示，首先畫(huà)出一條斜線(圖10(2))轉(zhuǎn)換紐曼式的C2—C3(主鍵)，然后用豎鍵連接斜線兩端，把紐曼式共平面上的甲基和乙基按“前轉(zhuǎn)前-后轉(zhuǎn)后”轉(zhuǎn)換成鋸架式的共平面，得到圖10(3)，最后按“左轉(zhuǎn)左-右轉(zhuǎn)右-前前-后后”方式轉(zhuǎn)換紐曼式共平面兩邊的原子(或基團(tuán))得鋸架式(圖10(4))。

圖10 紐曼式轉(zhuǎn)換成鋸架式的書(shū)寫(xiě)過(guò)程

2.2.2 楔形式轉(zhuǎn)換成鋸架式

楔形式轉(zhuǎn)換成鋸架式是鋸架式轉(zhuǎn)換成楔形式的反過(guò)程。如圖11，先把主鍵(C2—C3)由水平線轉(zhuǎn)換成斜線(圖11(2))，用豎鍵連接斜線兩端,按“左轉(zhuǎn)前-右轉(zhuǎn)后”轉(zhuǎn)換楔形式共平面上的甲基和乙基,得到圖11(3)，最后按“虛線轉(zhuǎn)左基團(tuán)-粗線轉(zhuǎn)右基團(tuán)”方式轉(zhuǎn)換楔形式共平面兩邊的基團(tuán)，得鋸架式(圖11(4))。

圖11 楔形式(交叉式構(gòu)象)轉(zhuǎn)換成鋸架式書(shū)寫(xiě)過(guò)程

2.2.3 費(fèi)歇爾式轉(zhuǎn)換成鋸架式

如圖12所示,首先畫(huà)出斜線(圖12(2))轉(zhuǎn)換費(fèi)歇爾式主鍵(C2—C3)，用向下的豎鍵連接斜線兩端，按“下前-上后-寶蓋形”方式轉(zhuǎn)換費(fèi)歇爾式共平面上的甲基和乙基，得到鋸架式的共平面(圖12(3))，最后按“左轉(zhuǎn)左-右轉(zhuǎn)右-下前-上后”轉(zhuǎn)換費(fèi)歇爾式共平面兩端的基團(tuán)，得鋸架式(圖12(4))。顯然，得到的鋸架式是不穩(wěn)定的重疊式構(gòu)象。要想得到穩(wěn)定的交叉式構(gòu)象，應(yīng)以主鍵(C2—C3)為軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，得圖12(5)或圖12(6)，對(duì)應(yīng)的手性碳原子構(gòu)型不會(huì)改變。

圖12 費(fèi)歇爾式轉(zhuǎn)換成鋸架式的書(shū)寫(xiě)過(guò)程

2.3 轉(zhuǎn)換成紐曼式

紐曼式的主鍵C2—C3在圓心上，因此，要將其他3種結(jié)構(gòu)式轉(zhuǎn)換成紐曼式，可先畫(huà)一個(gè)圓，然后通過(guò)圓心或圓周邊連接兩條豎鍵轉(zhuǎn)換原結(jié)構(gòu)式的共平面及其原子(或基團(tuán))。此處應(yīng)注意“后豎鍵”未連接到圓心。最后轉(zhuǎn)換共平面兩邊的原子或基團(tuán)。

2.3.1 楔形式轉(zhuǎn)換成紐曼式

如圖13所示，先畫(huà)一個(gè)圓(圖13(2))，然后書(shū)寫(xiě)兩豎鍵,按“左前-右后”轉(zhuǎn)換圖13(1)共平面上的甲基和乙基，即得紐曼式“共平面”(圖13(3))，最后按“虛線左基團(tuán)-粗線右基團(tuán)-左前-右后”方式轉(zhuǎn)換楔形式共平面兩邊的基團(tuán)(或原子)，即得紐曼式(圖13(4))。

圖13 楔形式轉(zhuǎn)換成紐曼式的書(shū)寫(xiě)過(guò)程

2.3.2 鋸架式轉(zhuǎn)換成紐曼式

如圖14，先畫(huà)一個(gè)圓(圖14(2))，然后通過(guò)圓心或圓周邊書(shū)寫(xiě)兩豎鍵,按“前前-后后”轉(zhuǎn)換鋸架式共平面上的甲基和乙基，得紐曼式共平面(圖14(3))，最后按“左轉(zhuǎn)左、右轉(zhuǎn)右、前前-后后”方式轉(zhuǎn)換共平面兩邊的基團(tuán)(或原子)，得紐曼式(圖14(4))。

圖14 鋸架式轉(zhuǎn)換成紐曼式的書(shū)寫(xiě)過(guò)程

2.3.3 費(fèi)歇爾式轉(zhuǎn)換成紐曼式

如圖15，先畫(huà)一個(gè)圓(圖15(2))，然后再書(shū)寫(xiě)兩條向下豎鍵，按“下前-上后”轉(zhuǎn)換圖15(1)共平面上的甲基和乙基，得圖15(3)，最后按“左轉(zhuǎn)左、右轉(zhuǎn)右、下前-上后”方式轉(zhuǎn)換“共平面”兩邊的基團(tuán)(或原子)得紐曼式(圖15(4))。直接得到的是重疊式構(gòu)象，要想得到穩(wěn)定的交叉式構(gòu)象，則可通過(guò)旋轉(zhuǎn)圖15(4)的C2—C3主鍵，得圖15(5)或圖15(6)。轉(zhuǎn)換前后手性碳構(gòu)型不變。

圖15 費(fèi)歇爾式轉(zhuǎn)換成紐曼式的書(shū)寫(xiě)過(guò)程

2.4 轉(zhuǎn)換成費(fèi)歇爾式

除了費(fèi)歇爾式的主鍵和共平面是在同一條豎線上外，通常還要求碳鏈在豎線上。另外,費(fèi)歇爾式都是重疊式構(gòu)象。因此，在其他3種立體結(jié)構(gòu)式轉(zhuǎn)換成費(fèi)歇爾式時(shí)，為了與費(fèi)歇爾式的“碳鏈在豎線上”的要求一致，首先把原結(jié)構(gòu)式通過(guò)主鍵旋轉(zhuǎn)成碳鏈在共平面的豎線或斜實(shí)線(對(duì)楔形式)都向下的標(biāo)準(zhǔn)重疊式構(gòu)象(這種旋轉(zhuǎn)操作不會(huì)改變手性碳構(gòu)型)，然后把標(biāo)準(zhǔn)重疊式構(gòu)象的共平面及其基團(tuán)轉(zhuǎn)換到費(fèi)歇爾式的共平面(豎線)上，再把標(biāo)準(zhǔn)重疊式構(gòu)象共平面兩邊的原子或基團(tuán)轉(zhuǎn)換到費(fèi)歇爾式的橫線上。

2.4.1 楔形式轉(zhuǎn)換成費(fèi)歇爾式

如圖16(1)所示的楔形式屬于交叉式構(gòu)象，首先通過(guò)其主鍵(C2—C3)旋轉(zhuǎn)成碳鏈在共平面的斜實(shí)線向下的標(biāo)準(zhǔn)重疊式構(gòu)象(圖16(2))，然后把標(biāo)準(zhǔn)重疊式構(gòu)象的共平面及其基團(tuán)按“左下-右上”方式轉(zhuǎn)換到費(fèi)歇爾式共平面的豎線上(圖16 (3))，最后把標(biāo)準(zhǔn)重疊式構(gòu)象共平面兩邊的基團(tuán)按“虛線左基團(tuán)-粗線右基團(tuán)-左下-右上”方式轉(zhuǎn)換到費(fèi)歇爾式橫線上(圖16(4))。

圖17(1)為重疊式構(gòu)象，可先轉(zhuǎn)換成碳鏈在共平面的斜實(shí)線向下的標(biāo)準(zhǔn)重疊式構(gòu)象(圖17(2))，再按上述方式轉(zhuǎn)換成費(fèi)歇爾式(圖17(4))。

圖16 楔形式(交叉式構(gòu)象)轉(zhuǎn)換成費(fèi)歇爾式的書(shū)寫(xiě)過(guò)程

圖17 楔形式(重疊式構(gòu)象)轉(zhuǎn)換成費(fèi)歇爾式的書(shū)寫(xiě)過(guò)程

2.4.2 鋸架式轉(zhuǎn)換成費(fèi)歇爾式

圖18(1)為交叉式構(gòu)象，可先將圖18(1)的主鍵(C2—C3)旋轉(zhuǎn)成標(biāo)準(zhǔn)重疊式構(gòu)象(圖18(2))，然后把標(biāo)準(zhǔn)重疊式構(gòu)象共平面上的甲基和乙基按“前下-后上”轉(zhuǎn)換到費(fèi)歇爾式共平面的豎線上,得圖18(3)，最后把圖18(2)共平面兩邊的基團(tuán)按“左轉(zhuǎn)左-右轉(zhuǎn)右”方式轉(zhuǎn)換到費(fèi)歇爾式的橫線上，得圖18(4)。這一轉(zhuǎn)換與文獻(xiàn)[6]的方法相似。

圖18 鋸架式(交叉式構(gòu)象)轉(zhuǎn)換成費(fèi)歇爾式的書(shū)寫(xiě)過(guò)程

圖19(1)為豎鍵向上的重疊式構(gòu)象，可先轉(zhuǎn)換成兩豎線向下的標(biāo)準(zhǔn)重疊式構(gòu)象(圖19(2))，再按上述方式對(duì)標(biāo)準(zhǔn)重疊式構(gòu)象進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得圖19(4)。

圖19 鋸架式(重疊式構(gòu)象)轉(zhuǎn)換成費(fèi)歇爾式的書(shū)寫(xiě)過(guò)程

2.4.3 紐曼式轉(zhuǎn)換成費(fèi)歇爾式

圖20 紐曼式(交叉式構(gòu)象)轉(zhuǎn)換成費(fèi)歇爾式的書(shū)寫(xiě)過(guò)程

先將紐曼交叉式(圖20(1))通過(guò)主鍵(C2—C3)旋轉(zhuǎn)成碳鏈在共平面的兩豎鍵都向下的標(biāo)準(zhǔn)重疊式構(gòu)象(圖20(2))，然后把圖20(2)共平面上的甲基和乙基按“前下-后上”轉(zhuǎn)換到費(fèi)歇爾式共平面的豎線上，得圖20(3)，最后把圖20(2)共平面兩邊的基團(tuán)按“左轉(zhuǎn)左-右轉(zhuǎn)右-前下-后上”方式轉(zhuǎn)換到費(fèi)歇爾式的橫線上，得圖20(4)。

圖21(1)是豎鍵向上的紐曼重疊式構(gòu)象，可先將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)重疊式構(gòu)象(圖21(2))，然后再按上述方式轉(zhuǎn)換得費(fèi)歇爾式(圖21(4))。

圖21 紐曼式(重疊式構(gòu)象)轉(zhuǎn)換成費(fèi)歇爾式的書(shū)寫(xiě)過(guò)程

3 總結(jié)

綜上所述，以含兩個(gè)不相同手性碳原子的有機(jī)分子結(jié)構(gòu)式為例，通過(guò)比較4種常用立體結(jié)構(gòu)表達(dá)式的書(shū)寫(xiě)特點(diǎn)，歸納總結(jié)出它們的共同點(diǎn),即主鍵和共平面;并以此為主線，得到了4種結(jié)構(gòu)式之間相互轉(zhuǎn)換書(shū)寫(xiě)方法的一般規(guī)律：先轉(zhuǎn)換主鍵再轉(zhuǎn)換共平面(或直接轉(zhuǎn)換共平面)，最后轉(zhuǎn)換共平面兩邊的基團(tuán)。轉(zhuǎn)換過(guò)程中基團(tuán)的方向(或方位)保持一致即可，轉(zhuǎn)換前后手性碳原子的構(gòu)型不會(huì)改變。這一轉(zhuǎn)換規(guī)律引入本科有機(jī)化學(xué)教學(xué)后，學(xué)生普遍感覺(jué)概念清晰，空間立體感明確，容易理解和記憶，有助于加深對(duì)空間立體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，并減少了書(shū)寫(xiě)空間立體結(jié)構(gòu)式時(shí)的混亂現(xiàn)象，在立體有機(jī)化學(xué)的教學(xué)中獲得了很好的教學(xué)效果。

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