一种C*R-S构型判断新方法及构型判断教学

方文彦，佟玲，李良玉，曾崇洋

（淮南师范学院 化学与材料工程学院，安徽 淮南232038）

有机化合物种类繁多，数目极其庞大，目前已达几千万种以上，且与时俱进［1］(P3)［2］(P2)；有机化合物的结构复杂又精巧，同分异构现象非常普遍。

图1 有机化合物的同分异构

如图1所示，在立体异构的构型异构中有一类对映异构，其分子中原子(或基团)互相连接的次序及键合性质均相同，但空间排列不同。1874年，荷兰化学家范特霍夫(van’t Hoff J H)和法国化学家勒贝尔(LeBel J A)［1］(P133-134)提出：如果一个碳原子连接4个不同的原子(或基团)，则其具有两种不同的四面体构型，就像人的左右手的关系，它们互为实物与镜像但不能重合，即具有手性。这种与四个不同原子(或基团)相连的碳原子称为手性碳原子(chiral carbonatom)，通常用*标出(如C*)。而这种互为实物与镜像，又不能重合的分子互称为对映异构体，简称对映体(enantiomer)。有机化合物分子的立体结构常用楔形透视式、锯架透视式及纽曼投影式等表示(见图2)。

对映异构体在手性环境中的性质不同。生物体内的酶和各种底物都是具有手性的，所以对映体的生理活性一般有很大差异。例如，一个对映体是生物受体的阻滞剂，因而降低了另一个对映体的药物活性；更糟糕的是，其中一个对映体可能具有完全不同的活性，甚至有毒性。例如，1960年［3］镇静药沙利度胺(thalidomide，反应停)以外消旋体形式进入欧洲市场，导致服用该药物的孕妇产下数百万形状如海豹一样的“海豹肢畸形儿”。研究表明：S构型的对映体的代谢物具有致畸作用。又如，广谱抗菌药氯霉素(化学名为D-苏式-(-)-N-［α-(羟基甲基)-β-羟基-对硝基苯乙基］-2,2-二氯乙酰胺)，其分子结构中含两个C*，有四个旋光异构体，其中仅(1R,2R)-(-)-或D-(-)-苏阿糖型(threo)有抗菌活性，为临床使用的氯霉素。药典规定：按干燥品计算，D-苏式-(-)-N-［α-(羟基甲基)-β-羟基-对硝基苯乙基］-2,2-二氯乙酰胺的含量应为98.0%～102.0%［4］(P431)［5］(P1029)。 因此， 判断C*的构型非 常重要。为了区别因C*而引起的不同的立体结构，称其中一种立体结构的C*为R构型，而另一种立体结构的C*为S构型。

图2 分子的棒球模型(a)、楔形透视式(b)、锯架透视式(c)及纽曼投影式(d)

教科书中所规定的C*构型判断方法学生不易掌握，且教科书没有阐述含有2个(或以上)C*及环状含C*化合物的C*构型如何判断。针对这些问题，本文开发了一种C*R-S构型判断的新方法；补充了含有2个(或以上)C*的非环状及环状化合物的C*构型判断的内容；并应用多种教学方法和现代教学技术，对C*的R-S构型判断进行了教学。

一、教科书上R-S构型判断方法简介

（一）方向盘法

如图3所示，方向盘法为：①根据“次序规则”将C*所连接的四个原子(或基团)由大到小排列；②最小的原子(或基团)放在离视线最远处，其他三个原子(或基团)按由大到小的方向旋转(如汽车方向盘)，若旋转方向是顺时针的，C*为R构型(拉丁文rectus的字首)，若旋转方向是逆时针的，C*为S构型(拉丁文sinister的字首)［2］(P43)。因此图3中a、b、c的C*分别为R、R、S构型。

图3 方向盘法判断C＊构型示意图

（二）手协助法

图4 手协助法判断C＊构型示意图［1］(P41)

如图4所示，当最小的原子(或基团)位于纸面的左前方时，可用左手协助判断。即把该原子(或基团)置于左臂，食指和拇指分别表示纸面上方和右方的原子(或基团)，中指表示纸面后方的原子(或基团)，然后将3个手指对着自己，原子(或基团)由大到小顺时针排序的为R构型，逆时针排序的为S构型；当最小的原子(或基团)位于纸面的右前方时，可用右手按类似的方法协助判断［1］(P41)。

（三）费歇尔投影式法

图5 构型式转换成费歇尔投影式

将分子的立体构型式转换成费歇尔投影式的投影规则为：①将与C*相连的两个横向键向前，两个竖直键向后；②一般将含碳基团放在竖直键上，将氧化态高的(或主要官能团，或编号最小的基团)放在上方，然后投影，写出投影式(如图5所示)；③投影式横、竖两条直线的交叉点代表C*；④当最小原子(或基团)处于投影式上方或下方时，其它3个原子(或基团)由大到小若顺时针方向排列，为R构型，反之为S构型；⑤当最小原子(或基团)处于投影式左面或右面时，其它3个原子(或基团)由大到小若顺时针方向排列，为S构型，反之为R构型(如图6所示)。

图6 费歇尔投影式C＊构型判断示意图

二、一种新的R-S构型判断方法

由于一、（一）方向盘法需要学生有较好的空间想象力，特别是图3(b)的构型，按教科书规定的方法很容易判断错误，因此很多学生无法掌握该方法；而一、（二）手协助法，当最小原子(或基团)位于纸平面的后方、上方或下方时就无法用手协助判断；一、（三）费歇尔投影式法，虽然利用费歇尔投影式可以在平面上判断构型，但很多学生不会将分子的各种立体构型转化为费歇尔投影式。因此，我们开发出一种新方法：把分子的楔形透视式、锯架透视式及纽曼投影式等立体构型转换成平面的费歇尔投影式，再判断构型，只要记住判断规则就能准确地判断C*的构型，正确地命名含C*的化合物。

（一）含C*非环状化合物分子构型式转换成费歇尔投影式

以楔形透视式转换成费歇尔投影式为例，我们利用自己的身体，设想头向后仰、脚向后伸、两只手向前伸的跳舞姿势，再将楔形透视式在平面上的实线所连的原子(或基团)看成头和脚是向后伸的，楔形实线和虚线所连的原子(或基团)看成两只手是向前伸的，我们与楔形式面对面手拉手跳舞，然后画两条垂直交叉的竖线和横线，把自己的头和脚对映的原子(或基团)分别写在竖线的上端和下端，把左手拉的原子(或基团)写在横线的左端，右手拉的原子(或基团)写在横线的右端，这样即可完成从楔形透视式到费歇尔投影式的转换(如图7所示)。

图7 含一个C＊的楔形透视式转换成费歇尔投影式

用同样的方法可将含两个C*的楔形透视式转换成费歇尔投影式。如图8-9所示，画2条平行的横线与一条竖线垂直交叉，交叉点代表C*，将楔形透视式中的实线所连的原子(或基团)写在竖键上，然后用“面对面手拉手”的方法将楔形实线和楔形虚线所连的原子(或基团)分别写在左右两侧，即可画出费歇尔投影式。

图8 含两个C*的楔形透视式(交叉式)转换成费歇尔投影式

图9 含两个C*的楔形透视式(重叠式)转换成费歇尔投影式

我们也可将交叉式先转换成重叠式，再利用宠物狗的方法转换成费歇尔投影式。

交叉式转重叠式的方法是旋转C*—C*单键，即固定一个C*，旋转另一个C*，使其所连的三个原子(或基团)依次按顺时针或逆时针交换位置(如图10所示)。

含两个C*分子的楔形透视式立体构型是重叠式时，可以把它看成是侧面对着我们的宠物狗，狗的头、身体和尾巴代表竖键，狗的四肢代表横键，狗头朝上立起来时，左面狗腿对映的原子(或基团)写在左面，右面狗腿对映的原子(或基团)写在右面，即可完成分子立体构型式到费歇尔投影式的转换；按照同样的方法，可方便地将重叠式的锯架透视式和纽曼投影式转换成费歇尔投影式(如图10所示)。

图10 通过重叠式转换成费歇尔投影式

（二）含C*环状化合物分子构型式转换成费歇尔投影式

如图11所示，把环状化合物C*竖键上连接的原子(或基团)当成头和脚向后伸，形成环的两个横键上连的原子(或基团)看成两只手向前伸，我们站在环内与C*连的原子(或基团)面对面手拉手，即可按二、（一）的方法写出费歇尔投影式。设a、b、c、d、a′、b′、c′、d′分别代表不同的原子(或基团)，a＞b＞c＞d，a′＞b′＞c′＞d′，若d、d′在竖键上，a→b→c或a′→b′→c′顺时针排列为R构型，反之为S构型；若d、d′在横键上，a→b→c或a′→b′→c′顺时针排列为S构型，反之为R构型。由此可得出*C1和*C3均为S构型。

图11 含C*环状化合物分子构型式转换成费歇尔投影式

三、C*构型判断教学

（一）次序规则

次序规则是决定有关原子(或基团)排列次序的规则，它是各类有机化合物命名的基础和关键所在。首先复习在第二章烷烃中学过的次序规则，然后指出学生在排列原子(或基团)顺序时常犯的错误，最后再强调次序规则。次序规则规定：①单原子取代基按原子序数大小排列，大者为“较优”基团。若为同位素，质量大的为“较优”基团；②多原子取代基，先比较第一个原子，若相同，再依次比较与第一个原子相连的其它原子；③含有双键或三键的基团，可认为连有两个或三个相同的原子［1］(P25)。学生在排列原子(或基团)顺序时常犯的错误是：①看取代基的体积大小；②看取代基的原子个数多少。因此，要特别强调：取代基的排列顺序既不按取代基的体积大小也不按取代基的原子个数多少，而是按原子序数大小逐个向后比较的。例如，图12(a)中对于*C2，它所连接的4个原子的排列顺序是O＞C1=C3＞H，C1连的原子为O、O、O，C3连的原子为C1、C4、H，因为C1的原子序数比O的大，所以C3＞C1，因此*C2连接的4个原子的排列顺序是O＞C3＞C1＞H，3个较优基团按由大到小O→C3→C1排列方向是顺时针的，小基团在横键上，所以*C2为S构型；对于*C3，它所连接的4个原子(或基团)的排列顺序是C1＞C2=C4＞H，C2连的原子为O、C、H，C4连的原子为O、O、O，先比较C2和C4连的第一个原子，它们都是O相同，再比较C2和C4连接的第二个原子，因为O的原子序数比C大，所以C4＞C2，因此*C3连接的4个原子的排列顺序是C1＞C4＞C2＞H，3个较优基团按由大到小C1→C4→C2排列方向是顺时针的，小基团在横键上，所以*C3也为S构型。

这里学生最容易犯的错误如图12(b)和12(c)所示，将*C2所连的原子(或基团)排序为：红＞COOH＞OH＞H或COOH＞OH＞绿＞H，将*C3所连的原子(或基团)排序为：黄＞COOH＞Cl＞H或COOH＞C1＞粉＞H。

图12 费歇尔投影式判断C*R-S构型a正确，b和c错误

（二）费歇尔投影式的立体含义

让学生明白，费歇尔投影式虽然是平面的，但它表达的是含有C*的分子的立体构型，即横线代表向前伸的键，竖线代表向后伸的键，两线的交叉点代表C*。用我们两手向前、头和脚向后跳舞的姿势(如图13所示)，即可记住“横前竖后”费歇尔投影式中原子(或基团)的空间真实排列。

图13 “横前竖后”示意图

（三）转换注意事项

在将含有2个或以上C*的立体构型转换成费歇尔投影式时，设定了头和脚的方向后，判断每个C*的构型时方向要一致。如图14所示，设楔形式从左到右为费歇尔投影式竖线从上到下的方向，判断*C2的构型时，C1为头C3为脚，判断*C3的构型时，C2为头C4为脚。因此，图14中a正确，b错误。

图14 转换方法a正确，b错误

（四）构型判断规则

当人们听到赞美的话时感到很顺耳(顺R)；如图15所示，人的耳朵是竖向的，耳垂(小的原子(或基团)在竖向的位置，即可在上方也可在下方)，因此引出“竖顺耳”，即“若小的原子(或基团)在竖线上，较大的三个原子(或基团)按顺时针方向排列，为R构型，反之为S构型”。从而使学生记住费歇尔投影式的构型判断规则“竖顺耳”。若小的原子(或基团)在横线上，则构型与前面的规定相反，即“若小的原子(或基团)在横线上，较大的三个原子(或基团)按顺时针方向排列，为S构型，反之为R构型”，也就是“横变竖不变”。因此，我们在用费歇尔投影式判断构型时记住“竖顺耳”和“横变竖不变”就行了。

图15 “竖顺耳”示意图

（五）灵活应用

我们应灵活应用各种判断构型的方法。①一、（一）方向盘法中图3(b)，如果按照教科书规定的把小的原子(或基团)放在离我们最远处，也就是从下方看其余三个原子(或基团)的排列方向，很容易判断错误。我们可以把小的原子(或基团)离自己最近，从上向下看其余3个原子(或基团)的排列方向，然后写出相反的构型即可得到正确的结果；②在将分子立体构型转换成费歇尔投影式时，如不方便面对面手拉手，也可以从背后拉手，然后把右手拉的原子(或基团)写在左面，左手拉的写在右面即可完成转换。③如果只是为了判断C*构型而将分子的楔形透视式、锯架透视式及纽曼投影式转换成费歇尔投影式，不必按照教科书规定的费歇尔投影式画法(将含碳基团放在竖直键上，将氧化态高的放在上方)，费歇尔投影式可横着画，原子(或基团)按实际的位置画在上、下、左、右，只要C*构型判断正确即可(如图11所示)。④学生可选用自己认为掌握的最好的一种方法判断C*构型，再用另一种方法对判断结果进行验证。

四、结论

把教科书上判断C*构型的方法归纳为方向盘法、手协助法和费歇尔投影式法进行教学，另外补充了一种立体构型转换成费歇尔投影式判断C*构型的新方法，供空间感不强的学生运用；详细讲解了含有2个C*的非环状及环状分子构型转换成费歇尔投影式的方法。通过采用多种教学方法和现代教学技术对C*R-S构型判断进行教学，解决了学生空间感不强，不会判断C*R-S构型的问题，使学生能快速、准确地判断C*R-S的构型，正确地命名含C*的化合物，为学好立体化学打下了良好的基础。