方文彥，佟玲，李良玉，曾崇洋

（淮南師范學院 化學與材料工程學院，安徽 淮南232038）

有機化合物種類繁多，數(shù)目極其龐大，目前已達幾千萬種以上，且與時俱進［1］(P3)［2］(P2)；有機化合物的結(jié)構(gòu)復雜又精巧，同分異構(gòu)現(xiàn)象非常普遍。

圖1 有機化合物的同分異構(gòu)

如圖1所示，在立體異構(gòu)的構(gòu)型異構(gòu)中有一類對映異構(gòu)，其分子中原子(或基團)互相連接的次序及鍵合性質(zhì)均相同，但空間排列不同。1874年，荷蘭化學家范特霍夫(van’t Hoff J H)和法國化學家勒貝爾(LeBel J A)［1］(P133-134)提出：如果一個碳原子連接4個不同的原子(或基團)，則其具有兩種不同的四面體構(gòu)型，就像人的左右手的關(guān)系，它們互為實物與鏡像但不能重合，即具有手性。這種與四個不同原子(或基團)相連的碳原子稱為手性碳原子(chiral carbonatom)，通常用*標出(如C*)。而這種互為實物與鏡像，又不能重合的分子互稱為對映異構(gòu)體，簡稱對映體(enantiomer)。有機化合物分子的立體結(jié)構(gòu)常用楔形透視式、鋸架透視式及紐曼投影式等表示(見圖2)。

對映異構(gòu)體在手性環(huán)境中的性質(zhì)不同。生物體內(nèi)的酶和各種底物都是具有手性的，所以對映體的生理活性一般有很大差異。例如，一個對映體是生物受體的阻滯劑，因而降低了另一個對映體的藥物活性；更糟糕的是，其中一個對映體可能具有完全不同的活性，甚至有毒性。例如，1960年［3］鎮(zhèn)靜藥沙利度胺(thalidomide，反應停)以外消旋體形式進入歐洲市場，導致服用該藥物的孕婦產(chǎn)下數(shù)百萬形狀如海豹一樣的“海豹肢畸形兒”。研究表明：S構(gòu)型的對映體的代謝物具有致畸作用。又如，廣譜抗菌藥氯霉素(化學名為D-蘇式-(-)-N-［α-(羥基甲基)-β-羥基-對硝基苯乙基］-2,2-二氯乙酰胺)，其分子結(jié)構(gòu)中含兩個C*，有四個旋光異構(gòu)體，其中僅(1R,2R)-(-)-或D-(-)-蘇阿糖型(threo)有抗菌活性，為臨床使用的氯霉素。藥典規(guī)定：按干燥品計算，D-蘇式-(-)-N-［α-(羥基甲基)-β-羥基-對硝基苯乙基］-2,2-二氯乙酰胺的含量應為98.0%～102.0%［4］(P431)［5］(P1029)。 因此， 判斷C*的構(gòu)型非 常重要。為了區(qū)別因C*而引起的不同的立體結(jié)構(gòu)，稱其中一種立體結(jié)構(gòu)的C*為R構(gòu)型，而另一種立體結(jié)構(gòu)的C*為S構(gòu)型。

圖2 分子的棒球模型(a)、楔形透視式(b)、鋸架透視式(c)及紐曼投影式(d)

教科書中所規(guī)定的C*構(gòu)型判斷方法學生不易掌握，且教科書沒有闡述含有2個(或以上)C*及環(huán)狀含C*化合物的C*構(gòu)型如何判斷。針對這些問題，本文開發(fā)了一種C*R-S構(gòu)型判斷的新方法；補充了含有2個(或以上)C*的非環(huán)狀及環(huán)狀化合物的C*構(gòu)型判斷的內(nèi)容；并應用多種教學方法和現(xiàn)代教學技術(shù)，對C*的R-S構(gòu)型判斷進行了教學。

一、教科書上R-S構(gòu)型判斷方法簡介

（一）方向盤法

如圖3所示，方向盤法為：①根據(jù)“次序規(guī)則”將C*所連接的四個原子(或基團)由大到小排列；②最小的原子(或基團)放在離視線最遠處，其他三個原子(或基團)按由大到小的方向旋轉(zhuǎn)(如汽車方向盤)，若旋轉(zhuǎn)方向是順時針的，C*為R構(gòu)型(拉丁文rectus的字首)，若旋轉(zhuǎn)方向是逆時針的，C*為S構(gòu)型(拉丁文sinister的字首)［2］(P43)。因此圖3中a、b、c的C*分別為R、R、S構(gòu)型。

圖3 方向盤法判斷C＊構(gòu)型示意圖

（二）手協(xié)助法

圖4 手協(xié)助法判斷C＊構(gòu)型示意圖［1］(P41)

如圖4所示，當最小的原子(或基團)位于紙面的左前方時，可用左手協(xié)助判斷。即把該原子(或基團)置于左臂，食指和拇指分別表示紙面上方和右方的原子(或基團)，中指表示紙面后方的原子(或基團)，然后將3個手指對著自己，原子(或基團)由大到小順時針排序的為R構(gòu)型，逆時針排序的為S構(gòu)型；當最小的原子(或基團)位于紙面的右前方時，可用右手按類似的方法協(xié)助判斷［1］(P41)。

（三）費歇爾投影式法

圖5 構(gòu)型式轉(zhuǎn)換成費歇爾投影式

將分子的立體構(gòu)型式轉(zhuǎn)換成費歇爾投影式的投影規(guī)則為：①將與C*相連的兩個橫向鍵向前，兩個豎直鍵向后；②一般將含碳基團放在豎直鍵上，將氧化態(tài)高的(或主要官能團，或編號最小的基團)放在上方，然后投影，寫出投影式(如圖5所示)；③投影式橫、豎兩條直線的交叉點代表C*；④當最小原子(或基團)處于投影式上方或下方時，其它3個原子(或基團)由大到小若順時針方向排列，為R構(gòu)型，反之為S構(gòu)型；⑤當最小原子(或基團)處于投影式左面或右面時，其它3個原子(或基團)由大到小若順時針方向排列，為S構(gòu)型，反之為R構(gòu)型(如圖6所示)。

圖6 費歇爾投影式C＊構(gòu)型判斷示意圖

二、一種新的R-S構(gòu)型判斷方法

由于一、（一）方向盤法需要學生有較好的空間想象力，特別是圖3(b)的構(gòu)型，按教科書規(guī)定的方法很容易判斷錯誤，因此很多學生無法掌握該方法；而一、（二）手協(xié)助法，當最小原子(或基團)位于紙平面的后方、上方或下方時就無法用手協(xié)助判斷；一、（三）費歇爾投影式法，雖然利用費歇爾投影式可以在平面上判斷構(gòu)型，但很多學生不會將分子的各種立體構(gòu)型轉(zhuǎn)化為費歇爾投影式。因此，我們開發(fā)出一種新方法：把分子的楔形透視式、鋸架透視式及紐曼投影式等立體構(gòu)型轉(zhuǎn)換成平面的費歇爾投影式，再判斷構(gòu)型，只要記住判斷規(guī)則就能準確地判斷C*的構(gòu)型，正確地命名含C*的化合物。

（一）含C*非環(huán)狀化合物分子構(gòu)型式轉(zhuǎn)換成費歇爾投影式

以楔形透視式轉(zhuǎn)換成費歇爾投影式為例，我們利用自己的身體，設(shè)想頭向后仰、腳向后伸、兩只手向前伸的跳舞姿勢，再將楔形透視式在平面上的實線所連的原子(或基團)看成頭和腳是向后伸的，楔形實線和虛線所連的原子(或基團)看成兩只手是向前伸的，我們與楔形式面對面手拉手跳舞，然后畫兩條垂直交叉的豎線和橫線，把自己的頭和腳對映的原子(或基團)分別寫在豎線的上端和下端，把左手拉的原子(或基團)寫在橫線的左端，右手拉的原子(或基團)寫在橫線的右端，這樣即可完成從楔形透視式到費歇爾投影式的轉(zhuǎn)換(如圖7所示)。

圖7 含一個C＊的楔形透視式轉(zhuǎn)換成費歇爾投影式

用同樣的方法可將含兩個C*的楔形透視式轉(zhuǎn)換成費歇爾投影式。如圖8-9所示，畫2條平行的橫線與一條豎線垂直交叉，交叉點代表C*，將楔形透視式中的實線所連的原子(或基團)寫在豎鍵上，然后用“面對面手拉手”的方法將楔形實線和楔形虛線所連的原子(或基團)分別寫在左右兩側(cè)，即可畫出費歇爾投影式。

圖8 含兩個C*的楔形透視式(交叉式)轉(zhuǎn)換成費歇爾投影式

圖9 含兩個C*的楔形透視式(重疊式)轉(zhuǎn)換成費歇爾投影式

我們也可將交叉式先轉(zhuǎn)換成重疊式，再利用寵物狗的方法轉(zhuǎn)換成費歇爾投影式。

交叉式轉(zhuǎn)重疊式的方法是旋轉(zhuǎn)C*—C*單鍵，即固定一個C*，旋轉(zhuǎn)另一個C*，使其所連的三個原子(或基團)依次按順時針或逆時針交換位置(如圖10所示)。

含兩個C*分子的楔形透視式立體構(gòu)型是重疊式時，可以把它看成是側(cè)面對著我們的寵物狗，狗的頭、身體和尾巴代表豎鍵，狗的四肢代表橫鍵，狗頭朝上立起來時，左面狗腿對映的原子(或基團)寫在左面，右面狗腿對映的原子(或基團)寫在右面，即可完成分子立體構(gòu)型式到費歇爾投影式的轉(zhuǎn)換；按照同樣的方法，可方便地將重疊式的鋸架透視式和紐曼投影式轉(zhuǎn)換成費歇爾投影式(如圖10所示)。

圖10 通過重疊式轉(zhuǎn)換成費歇爾投影式

（二）含C*環(huán)狀化合物分子構(gòu)型式轉(zhuǎn)換成費歇爾投影式

如圖11所示，把環(huán)狀化合物C*豎鍵上連接的原子(或基團)當成頭和腳向后伸，形成環(huán)的兩個橫鍵上連的原子(或基團)看成兩只手向前伸，我們站在環(huán)內(nèi)與C*連的原子(或基團)面對面手拉手，即可按二、（一）的方法寫出費歇爾投影式。設(shè)a、b、c、d、a′、b′、c′、d′分別代表不同的原子(或基團)，a＞b＞c＞d，a′＞b′＞c′＞d′，若d、d′在豎鍵上，a→b→c或a′→b′→c′順時針排列為R構(gòu)型，反之為S構(gòu)型；若d、d′在橫鍵上，a→b→c或a′→b′→c′順時針排列為S構(gòu)型，反之為R構(gòu)型。由此可得出*C1和*C3均為S構(gòu)型。

圖11 含C*環(huán)狀化合物分子構(gòu)型式轉(zhuǎn)換成費歇爾投影式

三、C*構(gòu)型判斷教學

（一）次序規(guī)則

次序規(guī)則是決定有關(guān)原子(或基團)排列次序的規(guī)則，它是各類有機化合物命名的基礎(chǔ)和關(guān)鍵所在。首先復習在第二章烷烴中學過的次序規(guī)則，然后指出學生在排列原子(或基團)順序時常犯的錯誤，最后再強調(diào)次序規(guī)則。次序規(guī)則規(guī)定：①單原子取代基按原子序數(shù)大小排列，大者為“較優(yōu)”基團。若為同位素，質(zhì)量大的為“較優(yōu)”基團；②多原子取代基，先比較第一個原子，若相同，再依次比較與第一個原子相連的其它原子；③含有雙鍵或三鍵的基團，可認為連有兩個或三個相同的原子［1］(P25)。學生在排列原子(或基團)順序時常犯的錯誤是：①看取代基的體積大??；②看取代基的原子個數(shù)多少。因此，要特別強調(diào)：取代基的排列順序既不按取代基的體積大小也不按取代基的原子個數(shù)多少，而是按原子序數(shù)大小逐個向后比較的。例如，圖12(a)中對于*C2，它所連接的4個原子的排列順序是O＞C1=C3＞H，C1連的原子為O、O、O，C3連的原子為C1、C4、H，因為C1的原子序數(shù)比O的大，所以C3＞C1，因此*C2連接的4個原子的排列順序是O＞C3＞C1＞H，3個較優(yōu)基團按由大到小O→C3→C1排列方向是順時針的，小基團在橫鍵上，所以*C2為S構(gòu)型；對于*C3，它所連接的4個原子(或基團)的排列順序是C1＞C2=C4＞H，C2連的原子為O、C、H，C4連的原子為O、O、O，先比較C2和C4連的第一個原子，它們都是O相同，再比較C2和C4連接的第二個原子，因為O的原子序數(shù)比C大，所以C4＞C2，因此*C3連接的4個原子的排列順序是C1＞C4＞C2＞H，3個較優(yōu)基團按由大到小C1→C4→C2排列方向是順時針的，小基團在橫鍵上，所以*C3也為S構(gòu)型。

這里學生最容易犯的錯誤如圖12(b)和12(c)所示，將*C2所連的原子(或基團)排序為：紅＞COOH＞OH＞H或COOH＞OH＞綠＞H，將*C3所連的原子(或基團)排序為：黃＞COOH＞Cl＞H或COOH＞C1＞粉＞H。

圖12 費歇爾投影式判斷C*R-S構(gòu)型a正確，b和c錯誤

（二）費歇爾投影式的立體含義

讓學生明白，費歇爾投影式雖然是平面的，但它表達的是含有C*的分子的立體構(gòu)型，即橫線代表向前伸的鍵，豎線代表向后伸的鍵，兩線的交叉點代表C*。用我們兩手向前、頭和腳向后跳舞的姿勢(如圖13所示)，即可記住“橫前豎后”費歇爾投影式中原子(或基團)的空間真實排列。

圖13 “橫前豎后”示意圖

（三）轉(zhuǎn)換注意事項

在將含有2個或以上C*的立體構(gòu)型轉(zhuǎn)換成費歇爾投影式時，設(shè)定了頭和腳的方向后，判斷每個C*的構(gòu)型時方向要一致。如圖14所示，設(shè)楔形式從左到右為費歇爾投影式豎線從上到下的方向，判斷*C2的構(gòu)型時，C1為頭C3為腳，判斷*C3的構(gòu)型時，C2為頭C4為腳。因此，圖14中a正確，b錯誤。

圖14 轉(zhuǎn)換方法a正確，b錯誤

（四）構(gòu)型判斷規(guī)則

當人們聽到贊美的話時感到很順耳(順R)；如圖15所示，人的耳朵是豎向的，耳垂(小的原子(或基團)在豎向的位置，即可在上方也可在下方)，因此引出“豎順耳”，即“若小的原子(或基團)在豎線上，較大的三個原子(或基團)按順時針方向排列，為R構(gòu)型，反之為S構(gòu)型”。從而使學生記住費歇爾投影式的構(gòu)型判斷規(guī)則“豎順耳”。若小的原子(或基團)在橫線上，則構(gòu)型與前面的規(guī)定相反，即“若小的原子(或基團)在橫線上，較大的三個原子(或基團)按順時針方向排列，為S構(gòu)型，反之為R構(gòu)型”，也就是“橫變豎不變”。因此，我們在用費歇爾投影式判斷構(gòu)型時記住“豎順耳”和“橫變豎不變”就行了。

圖15 “豎順耳”示意圖

（五）靈活應用

我們應靈活應用各種判斷構(gòu)型的方法。①一、（一）方向盤法中圖3(b)，如果按照教科書規(guī)定的把小的原子(或基團)放在離我們最遠處，也就是從下方看其余三個原子(或基團)的排列方向，很容易判斷錯誤。我們可以把小的原子(或基團)離自己最近，從上向下看其余3個原子(或基團)的排列方向，然后寫出相反的構(gòu)型即可得到正確的結(jié)果；②在將分子立體構(gòu)型轉(zhuǎn)換成費歇爾投影式時，如不方便面對面手拉手，也可以從背后拉手，然后把右手拉的原子(或基團)寫在左面，左手拉的寫在右面即可完成轉(zhuǎn)換。③如果只是為了判斷C*構(gòu)型而將分子的楔形透視式、鋸架透視式及紐曼投影式轉(zhuǎn)換成費歇爾投影式，不必按照教科書規(guī)定的費歇爾投影式畫法(將含碳基團放在豎直鍵上，將氧化態(tài)高的放在上方)，費歇爾投影式可橫著畫，原子(或基團)按實際的位置畫在上、下、左、右，只要C*構(gòu)型判斷正確即可(如圖11所示)。④學生可選用自己認為掌握的最好的一種方法判斷C*構(gòu)型，再用另一種方法對判斷結(jié)果進行驗證。

四、結(jié)論

把教科書上判斷C*構(gòu)型的方法歸納為方向盤法、手協(xié)助法和費歇爾投影式法進行教學，另外補充了一種立體構(gòu)型轉(zhuǎn)換成費歇爾投影式判斷C*構(gòu)型的新方法，供空間感不強的學生運用；詳細講解了含有2個C*的非環(huán)狀及環(huán)狀分子構(gòu)型轉(zhuǎn)換成費歇爾投影式的方法。通過采用多種教學方法和現(xiàn)代教學技術(shù)對C*R-S構(gòu)型判斷進行教學，解決了學生空間感不強，不會判斷C*R-S構(gòu)型的問題，使學生能快速、準確地判斷C*R-S的構(gòu)型，正確地命名含C*的化合物，為學好立體化學打下了良好的基礎(chǔ)。