桥环化合物的开环次数与几何环数的不同

吴军 黄娟

(1重庆市黔江区人民中学 重庆黔江 409000;2重庆市黔江区新华中学 重庆黔江 409000)

桥环化合物的开环次数与几何环数的不同

吴军1黄娟2

(1重庆市黔江区人民中学 重庆黔江 409000;2重庆市黔江区新华中学 重庆黔江 409000)

桥环化合物系统命名法中的环数是指其形成开链骨架时开环的最少次数。在空间几何上将不全在同一条直线上的线段首尾相接围成的几何圈形称为环(几何环)。系统命名法中的环数与几何环数是不同的。

桥环化合物 开环次数 几何环数

近年来，有关桥环化合物及具有笼形结构的脂环化合物的报道很多，合成多种新型结构的多环有机物，给化学教学增添了新的内容，引起了广大师生的兴趣。许多专家、学者对封闭结构的多环有机物环数的计算总结了一些方法［1-7］，用这些方法计算出的结果都等于形成开链骨架时开环的最少次数。在空间几何上，若干条不全在同一条直线上的线段首尾相接，其中各条线段最多与另外两条线段相接，且另外线段的端点不在线段内部。由这样多条线段围成的几何圈形称为环。桥环化合物在空间结构上有多少个环，与系统命名法中的环数是不同的，在命名时要予以注意。

1 直接数

桥环化合物的几何环数比开环次数多1，故直接数出几何环数进行命名是错误的。例如图1所示的化合物切割两次环就可形成开链骨架，系统命名时称其为二环化合物［8］，但其几何环为三环。3个环分别为:12345、12376、345167。

图1 二环［2.2.1］庚烷

2 断键法

断键法认为:系统命名中的环数=转换成开链骨架所需要打断的最少键数。断键法对于桥环有机物的环数不存在模糊认识，是确定命名环数最实用的方法［9］。例如金刚烷打断3根键后即为开链骨架，系统命名时称其为三环化合物。实际上，打断封闭结构有机物的第一根键时开了两个环，因此几何环数比开环次数多1(图2)。若打断的第一根键是C9—C5键，开环为:123459、567819;若打断的第一根键是C2—C3键，开环为:123459、123078;若打断的第一根键是C3—C4键，开环为:123459、034567。

3 不饱和度计算法

不饱和度计算法认为:每成一个环就少2个氢原子，即增加一个不饱和度;每增加一个碳碳双键就少2个氢原子，不饱和度增加1;每增加一个碳碳三键就少4个氢原子，不饱和度增加2。据此，不饱和度=双键数+三键数×2+环数，等式变换后即:系统命名法中的环数=不饱和度－双键数－三键数×2;而几何环数=不饱和度－双键数－三键数×2+1。

图2 金刚烷及相应开链骨架

问题出在依结构分析桥环烃的不饱和度时［11］，应该指在成环过程中，每多一个环，即少2个氢原子，则增加一个不饱和度，而不是分子结构中有多少个环。由于笼状脂环化合物在成环过程中，第一次成笼状时增加一个不饱和度同时成了两个环，使得不饱和度比环数少1。以后每增加一个不饱和度，就将桥环有机物其中一个原有的环一分为二，即增加一个环。故立体环状烃的不饱和度与几何环数之间的关系为:不饱和度=几何环数－1(表1)。

表1 不饱和度与几何环数的关系

4 桥头碳原子法

桥头碳原子法是根据每多两个桥头碳原子就可以构成一个环的原则，推导出系统命名法中的计算式:开环次数=桥头碳原子数÷2+1。在桥环化合物中，每个桥头碳原子在环上的键数(双键或三键亦作为一个键)必然是3个或4个。如果是桥头碳原子，并且它的4个单键都位于桥环上，在确定桥头碳原子总数时将该碳原子重复计算一次。如图3中的C1、C5、C6、C8、C10都是桥头碳原子，其中C1的4个单键都在环上，计算桥头碳原子时应重复计算一次。这样总桥头碳原子数为6，开环次数=6÷2+1=4，系统命名时称其为四环化合物，但其几何环是5个。

图3 四环［6.3.16，10.0.1，5］十三烷

几何环数=桥头碳原子数÷2+1符合平面图式，但不符合笼状结构的多环有机物环数的计算。因为第一次成笼状时增加了2个桥头碳原子，同时成了2个环，以后每再增加2个桥头碳原子，就将桥环有机物其中的一个环一分为二，即增加一个环(表2)。

表2 桥头碳原子数与几何环数的关系

5 规则多面体面数法

规则多面体面数法认为桥环化合物环数等于多面体的面数减1。命名时称四面体烷是三环化合物，立方烷是五环化合物，金刚烷是三环化合物。几何上认为封闭多面体的面(含曲面，每个面内没有任何线条)是由环围成的，多面体的面数即环数。由于是用规则的几何图形确定命名时的环数，文献［1，7］在介绍这种方法确定命名中的环数时，没有说明系统命名中的环数与几何环数不同。这样会让初学者感到困惑，并导致命名出错(图4)。

图4 多面体的面由环围成

在图4给出的4种桥环化合物中，四面体烷的4个面分别由环124、123、134、234围成;立方烷的6个面分别由环1238、3874、4567、1256、2345、1678围成;篮烷的6个面分别由环123498、1678、4509、123456、5670、7890围成;金刚烷的4个面分别由环123459、123078、567819、034567围成。

6 块数法

块数法是将三维立体图式改为包在一个多边形内的平面图式，命名时数一下多边形被分成的块数，即为多环化合物命名中的环数。文献［1，7］在介绍这种方法时没有说明桥环化合物的几何环数与系统命名法中的环数不同，这样会导致命名出现错误。因为平面图式制作要有丰富的几何知识，会制作平面图式一定知道几何结构上少数了一个环，这个环是围成平面图式的多边形(表3)。四面体烷的平面图式被分成3块，几何环应包括围成平面图式的多边形124，共有(3+1)个环;立方烷的平面图式被分成5块，几何环应包括围成平面图式的多边形3478，共有(5+1)个环;篮烷的平面图式被分成5块，几何环应包括围成平面图式的多边形1678，应为(5+1)个环;金刚烷的平面图式被分成3块，几何环应包括围成平面图式的多边形123078，应为(3+1)个环。

表3 几何环数与被分成的块数的关系

7 欧拉公式法

封闭多面体结构的桥环化合物的环数可用欧拉定理计算［12］。不论什么形状的凸多面体，其顶点数V、棱数E、面数R之间总有关系V+R－E=2。即:V+F－E=2(顶点数为三级碳原子个数+四级碳原子个数)。等式变换得:F=E－V+2。若将几何公式算出的几何环数用于命名一定会出错(表4)。

表4 用欧拉公式算出的几何环数与开环次数

用断键法、不饱和度法、桥头碳原子法容易出错的根源是把成环或开环的次数与桥环化合物的几何环数混淆;而运用直接数、面数法、块数法、欧拉公式法容易出错的根源是将用几何方法得到的几何环数用于命名。分析表明，弄清桥环化合物的几何环数与开环次数不同是正确命名桥环化合物的基础。

［1］陈亚元.大学化学，1989，4(3):51

［2］陈忠云.大学化学，1991，6(2):57

［3］郑大贵.大学化学，1993，8(6):47

［4］李复兴.化学教育，2001，22(2):41

［5］李仲洪，李俊.卫生职业教育，2002，20(6):90

［6］高丽娟.大学化学，2002，17(5):48

［7］高锦章，陆泉芳.化学教育，2003，24(7-8):71

［8］谷亨杰，吴泳，丁金昌.有机化学.第2版.北京:高等教育出版社，2000

［9］魏荣宝.化学教育，2004，25(12):58

［10］吴军.化学教育，2004，25(1):56

［11］兰建祥.化学教育，2004，25(11):59

［12］薛玉梅.山西师范大学学报(自然科学版)，2009，23(z2):6