有机分子的4种立体结构表达式及其相互转换

曾育才 刘小玲

(嘉应学院化学与环境学院 广东梅州 514015)

楔形透视式、锯架透视式、纽曼投影式、费歇尔投影式(以下简称楔形式、锯架式、纽曼式、费歇尔式)等4种立体结构表达式常用于书面表达有机分子的空间立体结构，掌握它们的书写特点及其相互转换是有机立体化学的基础。立体化学是基础有机化学的重要组成部分，也是基础有机化学教学的重难点之一。例如有机立体化学反应物与产物的结构式书写及其转换[1-3]，对初学者特别是空间形象思维较差的学生来说是较难掌握的；另外，几种立体结构表达式互换的命题也常常在教材的习题中直接出现[1-2,4]，在本文所参考的几本教材中,仅有倪沛洲主编的教材介绍了费歇尔式与纽曼式的转换方法[3]。关于这方面的问题近几年已有多篇文献报道[5-9]，但都是从不同的角度和深度描述转换方法或技巧，而没有对所有12种转换采用统一的方法。本文通过比较4种立体结构表达式的书写特点，对含两个不同手性碳的有机分子结构式提出了主键和共平面的概念，并以主键和共平面为主线，用统一的方法简单有效地实现了4种立体结构式之间的相互转换。

1 4种常用立体结构表达式的书写特点及其应用

有机分子立体结构的最直观表达方式是球棒模型(图1)，但书写起来非常不便，因此就有了4种常用的立体结构表达式(楔形式、锯架式、纽曼式、费歇尔式)，它们有各自的书写特点及应用范围。

1.1 楔形式

楔形式(图2)的书写特点是把分子的主键如C1—C2键书写成水平实线，在水平实线两端连接向上或向下倾斜的斜实线并组成一个共平面表示在纸平面上，用楔形粗线表示伸向纸平面前方的键，楔形虚线表示伸向纸平面后方的键。楔形式能直观地表达出分子的空间立体结构形象，比较生动，但书写不便，当碳原子较多时很麻烦。

图1 乙烷分子球棒模型

图2 楔形式

1.2 锯架式

锯架式的书写特点是所有的键都用实线表示(图3)。分子的主键(C1—C2)常常书写成倾向右上方的斜线，主键两端连接竖键并组成锯架式的共平面，主键两端的另两键与竖键互为120°角。锯架式通常用于表示两个或两个以上碳原子的分子空间立体结构，书写方便，空间立体形象比较直观，在构象分析中常常使用。

1.3 纽曼式

图3 锯架式

图4 纽曼式

1.4 费歇尔式

费歇尔式的书写特点是用平面的“十”字形表达分子的空间立体结构，是费歇尔发明的表达手性对映异构体的简单方法。例如用球棒模型表示乳酸分子的一对对映异构体非常直观,但书写非常不便，而用费歇尔式书写就方便了，如图5 所示。用费歇尔式描述含有两个或两个以上手性碳原子的异构体是很方便的。从构象上分析，费歇尔式都是不稳定的重叠式构象，因此，在进行构象分析时不用费歇尔式。对于含两个相邻手性碳的费歇尔式，主键为两手性碳之间的键，共平面为费歇尔式的竖线；即主键和共平面都在同一竖线上并垂直于纸面。

图5 球棒模型和费歇尔式a、b为乳酸分子的球棒模型，a′、b′为a、b正面投影得到的费歇尔式，c为含两个手性碳的费歇尔式

对初学者来说，费歇尔式的空间伸展方向最容易混乱，因此在教学中一定要使学生明白其书写规则：(1) “横前竖后” 规则是费歇尔式最基本的硬性规定，即“十”字横线上连接的原子或基团朝向纸平面的前方，竖线上连接的原子或基团朝向纸平面的后方，而“十”字交叉点即手性碳原子则处于纸平面上；(2) 对于含多个手性碳原子的分子，通常还规定“碳链放在竖线上”和“编号小的碳原子放在上面”。另外，使用或操作费歇尔式时需要注意以下问题：不能离开纸面翻转；不能在纸面上转动90°，但可转动180°。

2 4种立体结构表达式的相互转换

下面以含有两个不相同手性碳原子的3-氯-2-戊醇为研究对象，讨论4种立体结构表达式之间相互转换的书写步骤和方法。

2.1 转换成楔形式

楔形式的主键在水平实线上，共平面由与主键连接的两条斜实线组成并表示在纸平面上。若要将另外3种结构式转换成楔形式，首先要把原结构式的主键转换成楔形式的主键(即水平实线)，用斜实线连接水平线两端，把原结构式的共平面及其基团同方向地转换到楔形式的共平面(纸面)上，最后用楔形粗线或楔形虚线转换原结构式共平面两边的基团或原子，转换时应注意各原子或基团之间的重叠或交叉关系。

2.1.1 纽曼式转换成楔形式

如图6所示，把纽曼式的旋转轴C2—C3(主键)转换成楔形式的主键(即水平实线,图6(2)或图6(6))，用斜实线连接水平线两端，把纽曼式共平面上的甲基和乙基按“前转左-后转右”转换成楔形式的共平面，在纸面上得到图6(3)或图6(7)；最后，在C2、C3上分别用楔形粗线或楔形虚线连接原结构式共平面两边的基团或原子，楔形粗线与纽曼式右边的基团及其倾斜方向相对应，楔形虚线与纽曼式左边的基团及其倾斜方向相对应，即按“左转虚线-右转粗线-前左-后右”方式转换，得到如图6(4)所示的楔形交叉式构象或图6(8)所示的楔形重叠式构象。

图6 纽曼重叠式转换成楔形式的书写过程

2.1.2 锯架式转换成楔形式

先画出水平线(图7(2))转换主键，用斜实线连接水平线两端,按“前左-后右”转换共平面上的甲基和乙基,得图7(3)，最后按“左虚线-右粗线-前左-后右”方式转换，即得到楔形式(图7(4))。详见图7，图8。

图7 锯架式(重叠式构象)转换成楔形式书写过程

图8 锯架式(交叉式构象)转换成楔形式书写过程

2.1.3 费歇尔式转换成楔形式

如图9所示，首先把图9(1)的主键(C2—C3竖线)转换为楔形式的水平线主键(图9(2))，然后把图9(1)的共平面(竖线上的甲基和乙基)按“下转左-上转右-宝盖形”方式转换成楔形式的共平面，得图9(3)，最后按“左虚线-右粗线-下左-上右”方式转换书写即得楔形式(图9(4))。当然，直接转换得到的楔形式首先是重叠式构象，要想得到稳定的交叉式构象，则对图9(4)的C2—C3主键轴旋转即可，但手性碳构型不会改变。

图9 费歇尔式转换成楔形式书写过程

2.2 转换成锯架式

首先把原结构式的主键转换成锯架式的主键即倾向右上角的斜线，用竖键连接斜线两端，即把原结构式的共平面转换成锯架式的共平面，最后转换共平面两边的原子或基团。

2.2.1 纽曼式转换成锯架式

如图10所示，首先画出一条斜线(图10(2))转换纽曼式的C2—C3(主键)，然后用竖键连接斜线两端，把纽曼式共平面上的甲基和乙基按“前转前-后转后”转换成锯架式的共平面，得到图10(3)，最后按“左转左-右转右-前前-后后”方式转换纽曼式共平面两边的原子(或基团)得锯架式(图10(4))。

图10 纽曼式转换成锯架式的书写过程

2.2.2 楔形式转换成锯架式

楔形式转换成锯架式是锯架式转换成楔形式的反过程。如图11，先把主键(C2—C3)由水平线转换成斜线(图11(2))，用竖键连接斜线两端,按“左转前-右转后”转换楔形式共平面上的甲基和乙基,得到图11(3)，最后按“虚线转左基团-粗线转右基团”方式转换楔形式共平面两边的基团，得锯架式(图11(4))。

图11 楔形式(交叉式构象)转换成锯架式书写过程

2.2.3 费歇尔式转换成锯架式

如图12所示,首先画出斜线(图12(2))转换费歇尔式主键(C2—C3)，用向下的竖键连接斜线两端，按“下前-上后-宝盖形”方式转换费歇尔式共平面上的甲基和乙基，得到锯架式的共平面(图12(3))，最后按“左转左-右转右-下前-上后”转换费歇尔式共平面两端的基团，得锯架式(图12(4))。显然，得到的锯架式是不稳定的重叠式构象。要想得到稳定的交叉式构象，应以主键(C2—C3)为轴进行旋转，得图12(5)或图12(6)，对应的手性碳原子构型不会改变。

图12 费歇尔式转换成锯架式的书写过程

2.3 转换成纽曼式

纽曼式的主键C2—C3在圆心上，因此，要将其他3种结构式转换成纽曼式，可先画一个圆，然后通过圆心或圆周边连接两条竖键转换原结构式的共平面及其原子(或基团)。此处应注意“后竖键”未连接到圆心。最后转换共平面两边的原子或基团。

2.3.1 楔形式转换成纽曼式

如图13所示，先画一个圆(图13(2))，然后书写两竖键,按“左前-右后”转换图13(1)共平面上的甲基和乙基，即得纽曼式“共平面”(图13(3))，最后按“虚线左基团-粗线右基团-左前-右后”方式转换楔形式共平面两边的基团(或原子)，即得纽曼式(图13(4))。

图13 楔形式转换成纽曼式的书写过程

2.3.2 锯架式转换成纽曼式

如图14，先画一个圆(图14(2))，然后通过圆心或圆周边书写两竖键,按“前前-后后”转换锯架式共平面上的甲基和乙基，得纽曼式共平面(图14(3))，最后按“左转左、右转右、前前-后后”方式转换共平面两边的基团(或原子)，得纽曼式(图14(4))。

图14 锯架式转换成纽曼式的书写过程

2.3.3 费歇尔式转换成纽曼式

如图15，先画一个圆(图15(2))，然后再书写两条向下竖键，按“下前-上后”转换图15(1)共平面上的甲基和乙基，得图15(3)，最后按“左转左、右转右、下前-上后”方式转换“共平面”两边的基团(或原子)得纽曼式(图15(4))。直接得到的是重叠式构象，要想得到稳定的交叉式构象，则可通过旋转图15(4)的C2—C3主键，得图15(5)或图15(6)。转换前后手性碳构型不变。

图15 费歇尔式转换成纽曼式的书写过程

2.4 转换成费歇尔式

除了费歇尔式的主键和共平面是在同一条竖线上外，通常还要求碳链在竖线上。另外,费歇尔式都是重叠式构象。因此，在其他3种立体结构式转换成费歇尔式时，为了与费歇尔式的“碳链在竖线上”的要求一致，首先把原结构式通过主键旋转成碳链在共平面的竖线或斜实线(对楔形式)都向下的标准重叠式构象(这种旋转操作不会改变手性碳构型)，然后把标准重叠式构象的共平面及其基团转换到费歇尔式的共平面(竖线)上，再把标准重叠式构象共平面两边的原子或基团转换到费歇尔式的横线上。

2.4.1 楔形式转换成费歇尔式

如图16(1)所示的楔形式属于交叉式构象，首先通过其主键(C2—C3)旋转成碳链在共平面的斜实线向下的标准重叠式构象(图16(2))，然后把标准重叠式构象的共平面及其基团按“左下-右上”方式转换到费歇尔式共平面的竖线上(图16 (3))，最后把标准重叠式构象共平面两边的基团按“虚线左基团-粗线右基团-左下-右上”方式转换到费歇尔式横线上(图16(4))。

图17(1)为重叠式构象，可先转换成碳链在共平面的斜实线向下的标准重叠式构象(图17(2))，再按上述方式转换成费歇尔式(图17(4))。

图16 楔形式(交叉式构象)转换成费歇尔式的书写过程

图17 楔形式(重叠式构象)转换成费歇尔式的书写过程

2.4.2 锯架式转换成费歇尔式

图18(1)为交叉式构象，可先将图18(1)的主键(C2—C3)旋转成标准重叠式构象(图18(2))，然后把标准重叠式构象共平面上的甲基和乙基按“前下-后上”转换到费歇尔式共平面的竖线上,得图18(3)，最后把图18(2)共平面两边的基团按“左转左-右转右”方式转换到费歇尔式的横线上，得图18(4)。这一转换与文献[6]的方法相似。

图18 锯架式(交叉式构象)转换成费歇尔式的书写过程

图19(1)为竖键向上的重叠式构象，可先转换成两竖线向下的标准重叠式构象(图19(2))，再按上述方式对标准重叠式构象进行转换，得图19(4)。

图19 锯架式(重叠式构象)转换成费歇尔式的书写过程

2.4.3 纽曼式转换成费歇尔式

图20 纽曼式(交叉式构象)转换成费歇尔式的书写过程

先将纽曼交叉式(图20(1))通过主键(C2—C3)旋转成碳链在共平面的两竖键都向下的标准重叠式构象(图20(2))，然后把图20(2)共平面上的甲基和乙基按“前下-后上”转换到费歇尔式共平面的竖线上，得图20(3)，最后把图20(2)共平面两边的基团按“左转左-右转右-前下-后上”方式转换到费歇尔式的横线上，得图20(4)。

图21(1)是竖键向上的纽曼重叠式构象，可先将其转换成标准重叠式构象(图21(2))，然后再按上述方式转换得费歇尔式(图21(4))。

图21 纽曼式(重叠式构象)转换成费歇尔式的书写过程

3 总结

综上所述，以含两个不相同手性碳原子的有机分子结构式为例，通过比较4种常用立体结构表达式的书写特点，归纳总结出它们的共同点,即主键和共平面;并以此为主线，得到了4种结构式之间相互转换书写方法的一般规律：先转换主键再转换共平面(或直接转换共平面)，最后转换共平面两边的基团。转换过程中基团的方向(或方位)保持一致即可，转换前后手性碳原子的构型不会改变。这一转换规律引入本科有机化学教学后，学生普遍感觉概念清晰，空间立体感明确，容易理解和记忆，有助于加深对空间立体结构的认识，并减少了书写空间立体结构式时的混乱现象，在立体有机化学的教学中获得了很好的教学效果。

[1] 曾昭琼.有机化学.第4版.北京:高等教育出版社,2004

[2] 袁履冰.有机化学.北京:高等教育出版社,1999

[3] 倪沛洲.有机化学.第6版.北京:人民卫生出版社,2007

[4] 高鸿宾.有机化学.第3版.北京:高等教育出版社,1999

[5] 邓祥,黄小梅.达县师范高等专科学校学报,2006,16(5):52

[6] 付蓉.铜仁学院学报,2007,1(1):103

[7] 徐晓萍,蔡敬杰,尹立辉,等.天津农学院学报,2008,15(3):43

[8] 苟如虎,王亚玲,卢新生,等.阴山学刊,2009,23(2):24

[9] 施小宁.化学教育,2009(8):69