分子构型转换方法的教学研究*

2013-06-28苏敏

长沙大学学报 2013年2期

苏敏

(阳泉师范高等专科学校，山西阳泉045200)

分子的构型是立体的，而在纸面上表示分子的构型通常用球棒模型、楔形式、纽曼投影式和费歇尔投影式，球棒模型、楔形式、纽曼投影式能够较直观地表示分子的立体形式，但用费歇尔投影式来判断分子的构型较其他表达式更为简单，所以将分子构型的其他表达式转换为费歇尔投影式后，再判断其构型是一个不错的方法.但是由于分子的立体性的特征及构型表示形式的多样性，学生在转换过程中常常觉得有难度，因此，由其他构型表达式向费歇尔投影式进行转换成为判断化合物构型是R型还是S型的难点，为此，笔者就分子构型的其他表达式向费歇尔投影式转换做一些探讨.

费歇尔投影式是采用投影的方法将分子的构型表示在纸面上.投影的规则是，将与手性碳原子相连的四个键中的其中两个指向自己，并使其位于水平方向，另外两个相连的键则位于竖立方向并指向纸后，一般使含手性碳原子的主链位于竖向方向，把命时顺序较高的碳原子放在上端，然后将这种方式摆放的分子模型投影在纸面上，在投影式中，两条垂线的交点代表手性碳原子，横向的两个原子或基团相当于指向自己的基团，竖向的两个原子或基团相当于位于纸后的基团［1］.

1 由楔形式向费歇尔投影式转换

含有单个手性碳原子的化合物沿一定方向旋转一定角度，其构型保持不变，同时由于任意两个键之间的夹角约等于109°，小于180°，通过转动一定角度，使其中两个键位于平面的上方，另外两个键位于平面的下方，再按照费歇尔投影式的投影规则进行投影，且根据“横小定相同，竖小定相反”的原则判断其构型.图1给出了几种不同楔形式向费歇尔投影式转换的方法.

2 将透视式和纽曼投影式转换为费歇尔投影式

两个手性碳原子之间是sp3－sp3型σ键连接的，σ键可以自由转动但并不改分子的构型，因为相对于任何一个手性碳原子来说，与其相连的三个基团空间位置不变，另外一个基团本身内部的变化并不能导致分子构型的变化，据此将一个手性碳原子固定，将另外一个手性碳原子旋转，使其所连基团与固定的手性碳原子所连的基团重叠，使其构象变为重叠位置的构象，再直接转换成费歇尔投影式，然后根据费歇尔投影式的构型进行构型标记.

如图2所示，将a、b、c的不同构型的透视式，按照上面所述方法，通过σ键的旋转，先将交叉式构象转换为全重叠式，然后再转换为费歇尔投影式判断其构型，a与b为全异型，互为对映异构体，a、b与c为半同半异型，为非对映异构体［2］.

3 费歇尔投影式不同书写形式之间相互转换的几个规律

如果通过以上方法得来的构型不符合投影规则中的规定，即含手性碳原子的主链不在竖向方向，编号最小的碳原子不在上端，可以通过以下转换方法来实现这一规定.

(1)费歇尔投影式在平面内转动180°不改变分子的构型.若要判断两个投影式是否为同一化合物，可以通过在纸面上转动来加以比较，而且只有转动180°，才不改变基团的前后关系.但不能在纸面上转动90°，因为转动后投影已经不同了.如图3所示.

(2)在费歇尔投影式中如果一个基团保持固定，而把另外三个基团顺时针或逆时针地调换位置，不会改变原化合物的构型.如图4 所示［3］.

(3)手性碳原子四个基团中任意两个基团互换偶数次时，不改变分子的构型.含一个手性碳原子化合物，其手性碳原子所连四个基团，其中任意两个基团位置进行交换，若进行交换的次数为奇数次，所得到的为原化合物的对映异构体;若进行交换的次数为偶数次，得到的为原化合物，只是表示形式不同.如图5所示.

图1 不同楔形式向费歇尔投影式转换的方法

图2 透视式和纽曼投影式转换为费歇尔投影式的方法

手性碳原子中所连四个基团a＞b＞c＞d，共12种形式，全部为S型.

根据以上由含一个手性碳原子化合物得来的规律，判断含两个手性碳原子化合物的不同费歇尔投式之间的关系便显得尤为简单，两个手性碳原子上四个基团中任意两个基团位置交换偶数次得到同一化合物;两个手性碳原子上四个基团中任意两个基团位置交换奇数次得到的化合物为原化合物的对映异构体;其中一个手性碳原子上四个基团中任意两个基团位置交换偶数次，另一个手性碳原子上四个基团中任意两个基团位置交换奇数次，得到的化合物与原化合物为非对映异构体.

故可将上述方法概括为:“偶偶者同(同一分子)，奇奇者异(对映异构体)，半奇半偶非对映(非对映异构体)”.