快速准确地标记手性中心的构型

杨雪梅 李小叁

摘要：利用Newman投影式的重叠式构象为桥梁，将手性分子的球棍模型、楔形透视式、锯架透视式和Newman投影式等不同表示方法，转化为Fischer投影式，快速准确地标记手性中心的构型。

关键词：Newman投影式;Fischer投影式;重叠式;构型标记

凡涉及立体化学问题的有机反应都是有机化学教学和学习中的重点和难点。手性分子的表示方法和构型判断是立体化学的最基础问题，它不仅需要很好的空间想象力，而且时刻要将立体结构转换为平面结构，同时还要时刻把平面结构想象成立体结构。当分子只含有一个手性中心时，学生们通过课本的学习，可以很好地掌握判断手性中心构型的方法[1-3]。不同层次的学生在空间的想象力水平上有较大的差异，当面对含多个手性中心的手性分子的各种表示方法时，尤其是球棍模型、楔形透视式、锯架透视式和Newman投影式，学生们在标记其手性中心构型时往往困难重重，而且容易出错，甚至拿到题目不知从何入手。但是学生们对含多个手性中心的Fischer投影式的构型标记却掌握的很好，因为Fischer投影式结构比较直观，根据其判断规则进行构型标记，无需空间想象[4-8]。

本文结合笔者的教学实践，主要介绍一套实用的快速准确地标记多手性中心构型的方法。以Newman投影式的重叠式为桥梁，分三步来完成多手性中心构型的标记。第一步，将球棍模型、楔形透视式、锯架透视式和Newman投影式的交叉式构象转化为Newman投影式的重叠式构象;第二步，将Newman投影式的重叠式构象像“钓鱼”提线或“降落”下拉一样转化为Fischer投影式;第三步利用学生们擅长的Fischer投影式构型的判断来进行手性中心构型的标记，最终实现快速准确地标记手性中心构型的目的。

下面就以3-甲基-2-溴戊烷为例加以说明，如图1所示3-甲基-2-溴戊烷的球棍模型、楔形透视式、锯架透视式和Newman投影式，它们表示的是同一化合物吗？如果不是它们又是什么关系呢？

1.球棍模型

首先我们从球棍模型左边沿C2-C3σ键观察这个分子，画出其Newman投影式的交叉式构象。从圆圈中心伸出的三条线的交点表示离观察者近的碳原子（即与溴相连的碳原子C2），三条线表示C2上的三个价键，按顺时针方向排列依次为甲基、溴和氢原子，圆圈表示离观察者远的碳原子（即C3），从圆周向外伸出的三条线表示C3上的三个价键，在C2的甲基与溴原子之间的是乙基，C2的溴与氢原子之间的是氢原子，C2的氢原子与甲基之间的是甲基，得到该分子的Newman投影式的交叉式构象。因为Fischer投影式描述的立体构象对应的是Newman投影式的重叠式构象，所以须将Newman投影式的交叉式构象围绕C2-C3σ键旋转转换为重叠式构象。然后再将前面的碳原子所连的甲基像“钓鱼”提线一样，拉长碳链，直接转化为Fischer投影式。需要注意的是Newman投影式的重叠式构象中左边的基团在Fischer投影式中就写在左边，右边的基团就写在右边，与甲基重叠的乙基就随着碳链的拉长跑到Fischer投影式的下面（如图2）。最后根据Fischer投影式的构型判断方法对手性中心进行标记。

Fischer投影式构型判断（R、S标记法）[1]可简单总结为“横键相反竖键不变”。即按优先次序规则排列与手性中心相连的四个基团，如果最小的基团在横键，其余三个基团由大到小排列，顺时针则为S构型，逆时针则为R构型;如果最小的基团在竖键，其余三个基团由大到小排列，顺时针则为R构型，逆时针则为S构型。据此我们判断出C2为S构型，C3也为S构型。

有时有些同学得到的Newman投影式的交叉式构象中前面碳原子的三个键中的竖键不是向上的（如图2），而是向下的（如图3），那么我们就不能像“钓鱼”提线一样拉长碳链得到Fischer投影式，而应该“降落”下拉来得到Fischer投影式。如图3溴往下拉，Newman投影式的重叠式构象中左边的基团在Fischer投影式中仍在左边，右边的基团仍在右边，与溴重叠的氢原子随着溴的下拉就跑到了上面。根据Fischer影式的构型判断方法，我们也可以判断出C2为S构型，C3也为S构型。

可见无论我们是“钓鱼”提线还是“降落”下拉，我们所得到的结果都是一样的，但是要特别注意“钓鱼”提线适用于Newman投影式的重叠式竖键向上的构象，“降落”下拉适用于Newman投影式的重叠式竖键向下的构象，两者不能混用。

2.楔形透视式

我们还是从（2）楔形透视式左边沿C2-C3σ键观察这个分子，利用和球棍模型相同的处理方法，画出其Newman投影式的交叉式构象，接下来围绕C2-C3σ键将C3顺时针旋转60°得到纽曼投影式的重叠式构象，然后“降落”下拉，即得到Fischer投影式，通过判断可得C2为S构型，C3为R构型，见图4。

3.锯架透视式

我们来处理（3）锯架透视式。它的处理方法和楔形透视式一样。如图5，沿C2-C3σ键观察这个分子，画出其Newman投影式的交叉式构象，接下来围绕C2-C3σ键将C3顺时针旋转60°得到Newman投影式的重叠式构象，然后“钓鱼”提线，即得到Fischer投影式，通过Fischer投影式判断，可得C2为R构型，C3为S构型。

4.Newman投影式

我们来处理（4）Newman投影式的交叉式构象，直接围绕C2-C3σ键将C3逆时针旋转60°得到Newman投影式的重叠式构象，像“钓鱼”提线一样拉长碳链得到Fischer投影式，通过判断可得C2为R构型，C3也为R构型，见图6。

通过我们介绍的操作方法，无论3-甲基-2-溴戊烷以何种方法表示，我们都可以快速准确地标记出其手性中心的构型。从构型的标记，我们可以快速得出下列的结论：这四种表示方法所代表的化合物不是同一化合物，其中（1）球棍模型和（4）Newman投影式，（2）楔形透视式和（3）鋸架透视式互为对映异构体，（1）和（2），（1）和（3），（2）和（4），（3）和（4）互为非对映异构体。

这套标记手性中心构型的方法有一个非常重要的问题需要注意，那就是Newman投影式的前后两个碳原子的位置不能随意交换，必须从观察者的角度去确定前后碳原子的位置，否则就会造成构型判断的错误。例如：

文献[4]就是将Newman投影式中前后两个碳原子的位置随意交换，所以造成构型判断错误[6]。

综上所述，以Newman投影式的重叠式构象为桥梁，将球棍模型、楔形透视式、锯架透视式或Newman投影式表示的手性分子转化为Fischer投影式，标记手性中心构型的方法简单、实用、易掌握。

参考文献：

[1]陆涛.有机化学[M].第8版.北京：人民卫生出版社，2016：117-122

[2]胡宏纹.有机化学（上册）[M].第2版.北京：高等教育出版社，1990：23-25

[3]刑其毅，徐瑞秋，周政等.基础有机化学（上册）[M].第3版.北京：高等教育出版社，2005：81-85

[4]黄艳仙.Fischer投影式和Newman投影式的互换方法及其应用[J].化学教学，2009，31（7）：72-74

[5]代文彬，刘明成，安宁.简单快速判断手性碳原子R/S构型[J].德州学院学报.2003，19（4）：55-56

[6]周文俊，蔡玉瑶，王碧等.Newman投影式和Fischer投影式的转换及应用[J].化学教育，2013，34（5）：81-83

[7]周文俊，蔡玉瑶，张霞忠等.楔形式、锯架式向Fischer投影式的转换及应用[J].化学教育，2013，34（5）：86-88

[8]庞韬，吴根华.有机立体化学构型判断及互换[J].安庆师范学院学报（自然科学版），2015，21（2）：134-136

作者简介：杨雪梅，理学博士，副教授，广东医科大学药学院化学教研室。

通讯作者：李小叁。

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