环己烷衍生物立体化学教学研究

刘伯渠 苟如虎 王亚玲

摘 要：分析环己烷衍生物的R/S构型标记、顺反异构、对映异构及构象异构的现象，总结出简单易行的判断方法.

关键词：环己烷衍生物；构象异构；构型异构

[中图分类号]G642 [文献标志码]A

文章编号：1003-6180（2018）02-0078-03

Abstract：In this paper， the R/S configuration markers of cyclohexane derivatives， cis-isomerization， enantiotopic and conformational isomerization were analyzed， and a simple and easy method was summarized.

Key words：cyclohexane derivatives， conformational isomerism， configurational isomerism

环己烷衍生物立体化学教学中，涉及环己烷衍生物R/S构型的标记、顺反异构、对映异构、环己烷的构象异构现象以及取代基相同与不同的问题，是教学的难点.本文针对这个教学难点问题，以二取代环己烷为例分析其学习规律，总结出简单易行的判断方法，并举例说明.

1 具有手性碳原子环己烷衍生物构

型的标记方法

环己烷取代物中具有手性碳原子时，根据《基础有机化学》教材中R/S标记法对手性碳原子的构型进行标记存在一定的难度，且容易出错.若将立体空间结构转化为平面的费歇尔投影式，就可形成“横小定相反，竖小定相同”的判断规则，则手性碳原子的构型判断更为方便.环己烷分子按上述规则投影，碳环结构在横向键时存在立体空间结构理解的困难，为此，将碳环结构投影在横向键上，取代基投影在竖向键上，手性碳原子在距离观察者最近的位置，见图1.可以得出以下结论：“当最小基团在横向键时，其余基团顺时针旋转为R型，而逆时针旋转为S型；当最小基团在竖向键时，其余基团顺时针旋转为S型，而逆时针旋转为R型.”简言之，“横小定相同、竖小定相反”规则，与教材中“横前竖后”的投影规则刚好相反，与“横小定相反，竖小定相同”的判断规则也刚好相反，但利用该规则判断环己烷的R/S构型简单易行，迅速准确.

2 二元取代环己烷的立体异构分析

分子立体异构包括顺反异构、对映异构和构象异构.环己烷分子立体异构具有以下特点：分子取代基的优先基团在环平面同侧为顺式（两上或两下），不同侧为反式（一上一下）；分子既不具有对称面，又不具有对称中心的分子具有手性，分子具有旋光性，实物和镜像互为对映异构体；分子中σ键“自由”旋转，使分子中的原子或基团在空间产生不同的排列而产生的异构体称为构象异构体，且大基团在e键的构象相对稳定.

二元取代环己烷分子存在取代基相同、取代基不同时的顺和反1，2-二取代环己烷分子（简称顺和反1，2-分子）、顺和反1，3-二取代环己烷分子（简称顺和反1，3-分子）、顺和反1，4-二取代环己烷分子（简称顺和反1，4-分子）共十二种情况.要准确掌握二元取代环己烷分子在常温时是构型异构还是构象异构，能否拆分，只分析平面结构式，无法得到全面的解释，需要从分子真实的立体构象式出发分析.

笔者提出二元取代环己烷“ABCD比较分析法”，该方法能够准确迅速解决环己烷衍生的立体异构问题.

2.1 二元取代环己烷“ABCD比较分析法”

ABCD比较分析法：从环己烷某一平面分子出发，先写出相应的一种构象式A，后由A转换为另一种构象式C，再分别写出构象式A和C的镜像B和D，最后分析A，B，C，D四者之间的 关系，见图1.若四种结构均不同，A和C、B和D为构象异构，A和B、C和D为对映异构；若其中具有相同的结构，立体异构的数目减少，甚至只有一种结构.

1，2-二取代的环己烷立体异构分析

1，2-分子无论取代相同或不同，顺式或反式，均没有对称面和对称中心，应具有对映异构.

如图2所示，取代基相同的顺1，2-分子中，A的构象式C与A的对映体B结构式相同，实际上A与B的对映异构为构象异构.取代基相同的反-1，2-分子、取代基不同的顺1，2-分子、取代基不同的反1，2-分子，A和B、C和D为对映异构体，A和C、B和D为构象异构体.

1，3-二取代的环己烷立体异构分析 如图3所示，取代基相同的顺-1，3-分子，过2号和4号位碳原子所在的平面对称，没有对映异构，只存在结构A和结构C的构象异构.如图4所示，取代基相同的反-1，3-分子，构象式C沿2号和4号碳原子所在的轴翻转180°为构象式A，所以A和C为同一结构，只有A和B一对对映异构体；取代基不同的反-1，3-分子、顺1，3-分子，A和B、C和D为对映异构体，A和C、B和D为构象异构体.

1，4-二取代的环己烷立体异构分析 如图5所示，1，4-分子中，过1号和4号位碳原子所在的平面对称，取代基在对称面上，所以取代基相同或不同的顺式和反式都具有对称面，均无对映异构，C，D結构不存在，只分析A和B的关系.

如图6所示，取代基相同的顺-1，4-分子构象式A旋转180°即为构象式C，A和C为同一种结构，取代基相同的顺-1，4-分子的立体结构只有一种；取代基相同的反-1，4-分子、取代基不同的顺-1，4-分子、取代基不同的反-1，4-分子构象式A和C互为构象异构体.

2.2 应用举例

顺-1，3-二甲基环己烷为取代基相同的顺-1，3-分子，结构存在对称面，无对应异构体而只有构象异构.见图7.顺-1-甲基-2-乙基环己烷为取代基不同的顺-1，2-分子具有一对构象异构体和一对对应异构体.见图8.

分析环己烯与Br2的加成产物 环己烯与Br2的加成为反式加成，产物为反-1，2-分子，该分子具有一对构象异构体和一对对应异构体.环己烯与碱性KMnO4氧化为顺式加成，产物为顺-1，2-分子，该分子仅具有一对构象异构体.见图9.

3 结论

在二元取代环己烷分子教学中发现如下规律：

（1）取代基相同的顺-1，3-分子和1，4-分子无对应异构体，有构象异构（分子结构存在对称面）；

（2）取代基相同的ae型构象式较为特殊，其中顺-1，2-分子仅具有一对构象异构体，反-1，3-分子仅具有一对对应异构体，顺-1，4-分子的立体结构仅有一个；

（3）其余分子具有一对构象异构体和一对对应异构体.

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编辑：琳莉