巧用双手模型，强化有机化学中几种构型表示法的学习

姚文华 刘莉

摘 要：表示构型异构的方法主要有楔形透视式、锯架透视式、费歇尔投影式和纽曼投影式。如何正确地进行这几种结构式的书写和转换是有机化学教学中的一个重点和难点。对分子中手性碳原子的R、S构型的标记是进行转换的核心内容。我们巧用左手和右手来确定手性碳原子的构型，进而正确地书写这几种结构，帮助学生理解有机化合物的立体结构。

关键词：构型异构；R、S构型；构型转换；手模型

立体化学是从三维空间来研究分子的结构和性质的科学，是近代有机化学的重要组成部分。立体化学研究的重要内容是立体异构，立体异构是研究有机化合物中分子间的连接次序相同，但空间排列不相同的异构体，主要包括构型异构和构象异构。构型异构的表达方式主要有楔形透视式、锯架透视式、费歇尔投影式和纽曼投影式[1]。由于学习构型异构要求学生要有很强的空间想象力，在头脑中要建立微观分子，因而教学难度较大。考虑到初学者在学习过程中可能遇到的问题，我们总结出了一套教学法，即利用我们的左手和右手建立分子的立体模型，帮助学生确定分子中手性碳原子上的四个不同的基团在空间的位置关系，使学生更易接受，从而快速掌握相关内容。该教学法不受时间和空间限制，便于实施和操作，是非常有用的。

1 含有一个手性碳原子化合物的楔形透视式和费歇尔投影式的转换

众所周知，乳酸是含有一个手性碳原子的光学活性物质，有两个光学异构体A和B，其中A是右旋的，[α]D20=+3.82；B是左旋的，[α]D20=-3.82。它们组成一对对映异构体[2]。

当用R、S构型来对这两个光学异构体进行标注的时候，我们首先要确定手性碳原子上的基团大小，按照基团的优先次序规则，这四个基团的次序排列为：-OH > -COOH >CH3 > -H；然后将优先次序中排在最后的-H放在距离视线最远的地方；观察余下的三个基团由大到小的排列顺序，如果按照顺时针排列，为R构型，如果按逆时针排列，则为S构型[2，3，4，5]。

掌握了R、S构型的判别规则后，我们开始巧用左手和右手来判断手性碳原子的构型。在用左、右手来标注楔形透视式的R、S构型的时候，依照我们的经验，首先根据平面上的两个基团来确定平面是关键，平面确定后，平面前方和后方的基团的位置关系就很好确定了。以化合物A手性碳原子构型确定为例，首先用食指和拇指来表示在平面上的两个基团，拇指代表-OH，食指代表-COOH，然后用向后方伸出的中指代表-H，偏向前方的手臂代表甲基，这时，代表-H的中指是离视线最远的，而拇指到食指再到手臂的走向是逆时针方向，所以化合物A的构型为S构型。同样，我们用右手也可以快速地判定化合物B的构型为R构型。具体操作如图1示：

得到了上述两种乳酸分子的构型以后，如何转换为费歇尔投影式。乳酸的费歇尔投影式的书写方法是：将乳酸的碳链放在竖直方向上，氧化态高的在上方；“+”交叉点为手性碳原子；横线上的基团表示在前方，竖线上的基团表示在后方。因此乳酸A费歇尔投影式的书写是：

首先画“+”，然后将-COOH放在上方，甲基放在下方，

；横线的两端放-OH和-H。如果将-OH放在左端，-H放

在右端，，则三个大基团的走向从大到小是按照顺时针

排列的，由于-H在前方，离视线近（观察点与R、S判别法的相反），所以该费歇尔投影式是S构型的，与化合物A的构型是吻合的。从上面的例子也可以看出，当用费歇尔投影式表示分子的构型时，如果最小基团放在竖线上，则三个大基团的走向从大到小按顺时针方向时，则为R构型，按逆时针方向时，则为S构型；如果最小的基团放在横线上，则三个大基团的走向从大到小按顺时针方向时，则为S构型，按逆时针方向时，则为R构型。同理，我们可以正确地绘制出乳酸B的费歇尔投影式（见图1）。

2 含有两个手性碳原子化合物的构型转换

2.1、从楔形透视式转化为费歇尔投影式

以化合物C为例，我们用左手和右手为模型，分别确定分子中手性碳原子2和手性碳原子3上的四个不同基团之间的位置关系，如图2所示。手性碳原子2上连接的四个基团的大小次序为：-Cl> -CHClC2H5>CH3 > -H，这四个基团在空间的位置关系我们已经用左手为模型确定出来，即拇指代表平面上的-CHClC2H5，食指代表平面上的- CH3，手臂代表前方的-H，中指代表后方的-Cl，从右往左看，由-Cl→-CHClC2H5>→CH3 的排列是按顺时针的，所以是R构型。同样，我们用右手为模型确定了手性碳原子3的三个优先基团-Cl→CH3CHCl-→C2H5是按逆时针排列的，所以它的构型是S构型。根据费歇尔投影式的书写规则，我们绘制了化合物C对应的投影式，如图2所示。从费歇尔投影式可以看出，手性碳原子2上-Cl→ -CHClCH3→CH3是按逆时针排列的，但因为-H在横线上，表示该基团在前方，所以手性碳2的构型是R构型，与楔形透视式是吻合的。同理，我们依照同样的方式判断出费歇尔投影式中手性碳原子3的构型和楔形透视式的是吻合的。

2.2、从锯架式转化为费歇尔投影式

我们以化合物D为例，用手为模型，确定分子中手性碳原子2和手性碳原子3上的四个不同基團之间的位置关系，如图3所示。手性碳原子2上连接的四个基团的大小次序为：-Cl> -CHBrCH3>CH3 > -H，这四个基团在空间的位置关系我们已经用左手为模型确定出来，即拇指代表右后方的- Cl，食指代表正后方的- CH3，中指代表左后方的H，手臂代表-CHBrCH3，从右往左看，由-Cl→ -CHBrCH3→CH3 的排列是按顺时针的，所以是R构型。同样，我们也可以通过手模型确定手性碳原子3的三个优先基团-Br→-CHClCH3→CH3是按顺时针排列的，所以它的构型是R构型。根据费歇尔投影式的书写规则，化合物D对应的费歇尔投影式如图3所示。从费歇尔投影式可以看出，手性碳原子2上-Cl→ -CHBrCH3→CH3是按逆时针排列的，但因为-H在横线上，表示该基团在前方，所以手性碳2的构型是R构型，与锯架式是吻合的。同理，手性碳原子3的构型和锯架式的是吻合的。

2.3 从纽曼投影式转化为费歇尔投影式

我们以化合物E为例，以左手和右手为模型，分别确定分子中前方手性碳原子和后方手性碳原子上的四个不同基团之间的位置关系，如图4所示。前方手性碳原子上连接的四个基团的大小次序为：-Cl> -CHOHCH3>CH3 > -H，这四个基团在空间的位置关系我们已经用左手为模型确定出来，即拇指代表左前方的- Cl，食指代表正前方的- CH3，中指代表右前方的H，手臂代表-CHOHCH3，从左下方看，由-Cl→ -CHOHCH3→CH3 的排列是按顺时针的，所以是R构型。同样，我们也可以通过右手模型确定后方手性碳原子的三个优先基团-OH→-CHClCH3→CH3是按逆时针排列的，所以它的构型是S构型。根据费歇尔投影式的书写规则，化合物E对应的投影式如图4所示。从费歇尔投影式可以看出，前方手性碳原子上-Cl→ -CHOHCH3→CH3是按逆时针排列的，所以前方手性碳原子的构型是R构型，与纽曼投影式是吻合的。同理，后方手性碳原子的构型和纽曼投影式的是吻合的。

3 环状化合物中手性碳原子R、S构型的标注

在确定环状化合物手性碳原子的R、S构型的时候，找环平面是关键，当把环平面确定以后，平面上方和下方基团的位置就好确定了。我们以三元环化合物F为例来确定环状化合物的构型。该化合物是一个顺式结构，编号为1和2的碳原子是手性碳。对于编号为1的手性碳原子，四个基团之间的连接次序是：-COOH> -CH（COOH）CH2->CH2CH（COOH）-> -H，如图5所示。以左手的中指和拇指確定环平面，中指代表-CH（COOH）CH2-，拇指代表CH2CH（COOH）-，食指代表平面上方的-COOH，无名指代表平面下方的-H，从平面上方观察，从-COOH→ -CH（COOH）CH2-→CH2CH（COOH）-是按顺时针方向的，所以是R构型。同理，可以用右手确定出手性碳原子2的构型为S构型。

4 结论

通过上面的演示和结构转换图，可以看出用手作为模型来学习有机化合物的构型是非常有用的，主要表现在以下几个方面：（1）形象、直观，学生能根据手指的指向，大致判断手性碳原子上的基团在空间的位置关系；（2）简单、易学；（3）不受时间和空间限制，便于实施和操作，是一个非常有用的教学方法，值得借鉴和推广。

参考文献

[1]李景宁.有机化学（第5版）[M].北京：高等教育出版社，2011.

[2]邢其毅，裴伟伟，徐瑞秋，裴坚.有机化学（第3版）[M].北京：高等教育出版社，2005.

[3]郑敏燕.有机立体化学教学中手模型的设计与应用[J].大学化学，2011，6（4）：9-31.

[4]杨明惠，刘满红. 有机立体化学概念教学中手模型的应用[J].云南民族学院学报（自然科学版），2000，3：161-163.

[5]李光熹.对用手作模型确定构型的方法的改进[J].化学通报，1984，12：42-44.

作者简介：

姚文华（1972-），女，云南玉溪人，副教授，主要从事有机化学的教学，无机金属催化剂的制备及其催化性能的研究。