费歇投影式中手性碳构型判断及不同构型表示法之间转换的简便方法
2021-11-15何明磊
何明磊，马 虹
(大连民族大学 a.生命科学学院；b外国语学院，辽宁 大连 116605)
构型和构象在有机化学和生命科学领域的研究中至关重要。如何正确地判定分子中手性碳的构型在有机化学教学中是一个难度较大的问题。此外，构型和构象还有不同的表述方法及用途。判断化合物的R/S最好将所有的结构转化成费歇(Fischer)投影式确定；判断化合物的稳定构象或解释消除反应的机理，最好将所有的结构转为透视式或纽曼式；若体现空间立体的情况，最好将所有的结构转换为楔形式[1-4]。因此，如何在不同构型构象表示法间进行转换尤为重要。
有机化学中手性碳构型判断的难度在于，在具体的结构表示法中，判断的对象不像定义中的那样清晰可辨，位置也与定义中不同，特别是在经常表示手性结构的费歇投影式中。在《立体化学》[5]这一章节中，学习者还会遇到更为复杂的不同构型之间的转换问题。笔者总结出一些简便方法能轻松地解决上述难题，论述如下。
1 费歇投影式中手性碳R/S构型的简单判断法
1.1 手性碳的定义与R/S构型
在立体化学中，手性碳是指连有四个不同基团(原子)的碳，这四个不同的基团(原子)按照一定的规律可分为大、中、小和最小基团(原子)四类。通常用透视式定义手性碳的构型，手性碳R/S构型的定义：将最小的基团放到离观察者最远处，其他三个基团朝向观察者，当大、中、小三个基团的顺序为顺时针时，该手性碳为R构型；当大、中、小三个集团的顺序为逆时针时，该手性碳为S构型。费歇投影式定义示意图如图1。
图1 费歇投影式定义示意图
1.2 费歇投影式
在具体表示带有手性碳的有机化合物结构时，用绝对构型(透视式)表示很不方便，经常使用的表示法是费歇投影式。费歇投影式是用平面形式表示具有手性碳原子的分子立体构型的表示方法，规定：将手性碳原子置于纸面，以横竖两条线段的交点代表手性碳原子，竖线的两个基团(原子)在纸面下方，横线的两个基团(原子)在纸面上方。一个手性碳连接的四个不同基团可以形成四个平面，将最小基团放在离观察者最远的方向上，则有四种观察方式，分别代表费歇投影式中最小基团处在上、下、左、右四个方位。如何判定四种代表相同构型的费歇投影式较为困难。笔者在多年的教学实践中，总结出一些口诀和方法，可以较快地判定费歇投影式中手性碳的R/S构型。
(1)口诀1：横-顺-S；横-逆-R。
手性碳在费歇投影式中“横-顺-S与横-逆-R”的表示如图2。以2-丁醇为例，十字交叉的中心为一个手性碳，连有四个不同的基团(或原子)。当最小基团H处在横键上(不分左右)，而此时另外三个基团按照由大到小的连接方向为顺时针时，该手性碳为S构型；若另外三个基团由大到小的连接方向为逆时针，则该手性碳为R构型。因此图2a为(S)-2-丁醇，图2b为(R)-2-丁醇。
a)(S)-2-丁醇 b)(R)-2-丁醇图2 横-顺-S与横-逆-R
(2)口诀2：竖-顺-R；竖-逆-S。
手性碳在费歇投影式中“竖-顺-R与竖-逆-S”的表示如图3。以2-丁醇为例，十字交叉的中心为一个手性碳，连有四个不同的基团(或原子)。在最小基团H处在竖键上(不分上下)，而此时另外三个基团按照由大到小的连接方向为顺时针时，该手性碳为R构型；若另外三个基团由大到小的连接方向为逆时针，则该手性碳为S构型。因此图3a为(R)-2-丁醇，图3b为(S)-2-丁醇。
a)(R)-2-丁醇 b)(S)-2-丁醇图2 竖-顺-R与竖-逆-S
(3)口诀3：横-顺-S；竖-顺-R。
将口诀1与2简化后合并，得到口诀3，其含义为：在费歇投影式中，如最小基团在横键上(不分左右)，其他三个基团从大到小的顺序是顺时针的，则该手性碳为S型，反之则为R型；如果最小基团在竖键上(不分上下)，其他三个基团从大到小的顺序是顺时针排列，则该手性碳为R型，反之则为S型。
1.3 理论解释
用于费歇投影式的口诀，与透视式(楔形式)的定义是等效的。因为最小基团在横键时，按照R/S构型的定义式，要到纸面后进行观察，若此时在纸面前观察其他三个基团是顺时针，则在纸面后观察是逆时针，因此应为S型，即口诀“横顺S”，符合构型的定义式。同理，最小基团在竖键时，最小基团在纸面后，此时在纸面前即可按照定义式观察其他三个基团，如果是顺时针的，则为R型，完全符合定义式的规定，即“竖顺R”。
2 费歇投影式、纽曼式、锯架式的构象转换
费歇投影式是手性分子构型的平面表示法。纽曼式是基于一个碳碳单键的分子构象(构型)表示法，锯架式则是基于一个碳碳单键的分子构型在平面上的立体表示法，它们在某些反应机理的解释上，有很大的作用。这两者有等同的关系，可以直接互换。但是他们相对于费歇投影式的表达方法，互换有一定的难度。
2.1 锯架式转换为纽曼式
纽曼式和锯架式可直接互换，锯架式转换成纽曼式的方法如图4。
图4 锯架式转换为纽曼式
将锯架式改写成相应的纽曼氏可以分成三步完成：
(1)先写出纽曼氏的基本结构，一个圆和面对观察者的碳及其三个单键；
(2)按观察方向，面向观察者的锯架式碳上方的三个单键连接的三个基团分别是上方的H原子、左边的甲基和右边的溴原子，按照此顺序直接写在纽曼氏的第一个碳上；
(3)按照第一个碳上的三个基团与第二个碳上的三个基团的对位关系，在第二个碳所连接的三个单键上，写上相应的基团，即第一个碳上的氢原子对位第二个碳上的氯原子，第一个碳上的甲基对位第二个碳上的甲基，第一个碳上的溴原子，对位第二个碳上的氢原子。
2.2 费歇投影式转换为锯架式
费歇投影式转换成锯架式的方法如图5。
图5 费歇投影式转换为锯架式
费歇投影式改为相应的锯架式可分成三步：
(1)先写出锯架氏的基本结构，相邻两个碳的其他三个单键，一个朝上，两个在下分为左右，形成锯架式的基本结构；
(2)按观察方向，面向观察者的费歇投影式碳上方的三个单键连接的三个基团分别是上方的H原子、左边的甲基和右边的溴原子，按照此顺序直接写在锯架式的第一个碳上；
(3)按照第一个碳上的三个基团与第二个碳上的三个基团的对位关系，在第二个碳所连接的三个单键上，写上相应的基团，即第一个碳上的氢原子对位第二个碳上的氯原子，第一个碳上的甲基对位第二个碳上的甲基，第一个碳上的溴原子，对位第二个碳上的氢原子。
2.3 纽曼式转换为费歇投影式
纽曼式与费歇投影式的互换较为复杂，分成重叠的纽曼式换成费歇投影式和对位交叉的纽曼式换成费歇投影式两种情况。
2.3.1 重叠纽曼式换成费歇投影式
重叠纽曼式换成费歇投影式的方法如图6。
图6 重叠纽曼式转换为费歇投影式
在重叠式纽曼表达式中，前面的碳上的三个基团的排列为左上右型，将这种纽曼式换成等价的费歇投影式可按下面三个步骤进行：
(1)先写出基于两个碳的费歇投影式基本结构，该结构的上方碳原子连接的三个基团的排列为左上右，下方的碳上三个基团的排列为左下右；
(2)因为纽曼式前方的碳中三个基团的排列方式与费歇投影式中上方碳上三个基团的排列方式相同，因此，可将纽曼式前方碳上的三个基团按照相应的位置转移到费歇投影式中上方的碳上；
(3)按照纽曼式第一个碳上的三个基团与第二个碳上的三个基团的对位关系，在费歇投影式第二个碳所连接的三个单键上，写上相应的基团，即第一个碳上的氢原子对位第二个碳上的氯原子，第一个碳上的甲基对位第二个碳上的甲基，第一个碳上的溴原子，对位第二个碳上的氢原子。
2.3.2 对位交叉纽曼式转换为费歇投影式
对位交叉纽曼式转换为费歇投影式的转换方法如图7。
图7 对位交叉纽曼式转换为费歇投影式
在对位交叉式纽曼表达式中，前方碳上三个基团的排列为左下右型，将这种纽曼式换成等价的费歇投影式可按下面三个步骤进行：
(1)先写出基于两个碳的费歇投影式基本结构，该结构的上方碳原子连接的三个基团的排列为左上右，下方碳上的三个基团的排列为左下右；
(2)因为纽曼式前方的碳中三个基团的排列方式与费歇投影式中下方碳上三个基团的排列方式相同，因此，可将纽曼式前方碳上的三个基团按照相应的位置转移到费歇投影式中下方的碳上；
(3)按照纽曼式第一个碳上三个基团与第二个碳上三个基团的对位关系，在费歇投影式第二个碳所连接的三个单键上，写上相应的基团，即第一个碳上的氢原子对位第二个碳上的氯原子，第一个碳上的甲基对位第二个碳上的甲基，第一个碳上的溴原子对位第二个碳上的氢原子。
以上三种转换法可用一个口诀概括：“首碳找同型，基团找对位。”
3 带有手性碳分子结构式的书写
(1)含有一个手性碳分子结构的费歇投影式的书写。以2-氯丁烷为例，2-氯丁烷是丁烷的第2个亚甲基碳上有一个氢原子被氯原子取代形成的结构，因此这个碳就连接了四个不同的原子和基团，分别是H原子、氯原子、甲基和乙基，是一个手性碳，围绕这个手性碳可以形成两种不同的立体构型，是一对对映体，画法如图8。
a)(S)-2-氯丁烷 b)(R)-2-氯丁烷图8 2-氯丁烷的两种立体构型
(2)含有两个手性碳的分子结构，以1-氯2-溴丁烷为例。该结构中有两个手性碳，可以有4种旋光异构体，其中有两对对映体，分别为：(2S,3R)1-氯2-溴丁烷；(2R,3S)1-氯2-溴丁烷；(2S,3S)1-氯2-溴丁烷；(2R,3R)1-氯2-溴丁烷，其结构书写如图9。
a)(2S,3R) b)(2R,3S) c)(2S,3S) d)(2R,3R)图9 1-氯2-溴丁烷的4个旋光异构体
4 结 语
手性化合物在有机化学中占有重要位置，在天然产物和人工合成的物质中，有很多的手性化合物，这些手性化合物有着重要的生物活性。如何表达这些物质的手性，是有机化学的重要内容。本文介绍了如何简便判定费歇投影式中手性碳的构型以及如何简便快速地进行费歇投影式与纽曼式及锯架式之间转换的方法，希望对学习者解决相关问题有所帮助。
