有机化合物R/S立体构型的判断技巧

程绍玲 谢运甫 王华静

引用本文: 程绍玲, 谢运甫, 王华静. 有机化合物R/S立体构型的判断技巧[J]. 化学教育, 2016, 37(4): 22-24. doi: 10.13884/j.1003-3807hxjy.2015020056 shu
Citation:  CHENG Shao-Ling, XIE Yun-Fu, WANG Hua-Jing. Judgement of R/S Configuration of Organic Compounds[J]. Chinese Journal of Chemical Education, 2016, 37(4): 22-24. doi: 10.13884/j.1003-3807hxjy.2015020056 shu

有机化合物R/S立体构型的判断技巧

    通讯作者: 程绍玲, Email:yhcsl@tust.edu.cn
摘要: 有机化合物中不对称碳原子立体构型R/S的判断是高校有机化学教学中的一个难点。针对不同结构的化合物:开链结构的Fischer投影式、环状化合物以及不含手性碳原子的手性分子, 详细探讨了这些化合物的R/S构型判断方法。为初学者准确命名和区分手性碳及手性分子奠定了基础。

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    立体化学是有机化学一个重要分支,它是研究分子的立体结构、立体反应及其应用的学科,是高校化类及近化类本科生必修的有机化学内容之一。学习立体化学离不开手性碳原子立体构型R/S的判断,有机化合物中不对称碳原子立体构型R/S的判断是高校有机化学教学中的一个难点,它是正确命名含不对称碳原子化合物的基础。手性碳原子不仅存在于开链化合物中,也存在于环状化合物中。有些化合物虽然不含有手性碳原子,但由于结构原因,整个分子也可能存在手性,如螺环类化合物、丙二烯类化合物和联苯类化合物等,对这些化合物R/S构型的判断对初学者来说有一定难度,而国内外现行的有机化学教材中,只对开链结构Fischer投影中的手性碳原子构型有详细的描述[1-3],对环状化合物及不含手性碳的手性分子的R/S判断描述较少。笔者总结多年在立体化学教学中的经验,对各类手性碳原子及不含手性碳的手性分子的立体构型R/S的判断方法进行了详细说明,以方便学习者参考。

    1    Fischer投影式中R/S构型的判断

    图1 The configuration of (R)-lactic acid

    Figure 1. (R)-乳酸的构型式

    Fischer投影式是开链化合物最常见的构型表达式,它由2条相互垂直交叉的直线构成,交叉点代表手性碳原子,位于纸面上,与横线相连的基团指向观察者,与竖线相连的基团远离观察者。下面以(R)-乳酸分子为例说明R/S构型的判断方法,乳酸分子中有一个手性碳,其周围最小基团为H原子,其他3个基团的优先级别由高到低为1 > 2 > 3,如图 1所示。在Fischer投影式中判断R/S构型只需按基团1→2→3顺序画半圆,如果最小基团在竖键上,如图 1(A)(B)所示,意味着最小基团在纸面的后方,是远离观察者的位置,若1→2→3为顺时针则为R构型,反之则为S构型,与R/S定义相同。如果最小基团在Fischer投影式的横键上,如图 1(C)(D)所示,意味着最小基团在纸面的前方,当在纸面前方观察时,因最小基团贴近观察者,则所得结果刚好与R/S定义相反,即1→2→3为顺时针则为S构型,反之则为R构型。因此,在Fischer投影式中确定R/S构型时,规律为“横变竖不变”。即手性碳上最小基团在横键上,按1→2→3顺序画半圆,看到的结果与R/S定义一致,不变;最小基团在竖键上,按1→2→3顺序画半圆,看到的结果与R/S定义相反,要变为它的对应体构型。

    在实际学习过程中,可能会遇到除Fischer投影式外的其他构型表达式,如Newman式、锯架式和楔形式,这些表达式通常在研究构象稳定性及反应机理方面应用较多,直接判断它们的构型较为困难。但它们可以方便地转换成Fischer投影式[4-5],因此这里不再赘述其他构型表达式R/S构型的判断问题。

    2    环状化合物中手性碳原子R/S构型的判断

    环状化合物是一种常见的有机化合物类型,许多药物分子中含有碳环或杂环结构,如抗生素类药物青霉素、头孢等。这些分子中环内通常含有手性中心,不同构型的药物分子往往具有不同的药物活性,与人体的作用也会导致不同的结果,比如20世纪60年代欧洲对镇静药物沙利度胺(Thalidomide)的使用,导致许多婴儿畸形,因外消旋体中S构型为致畸剂,R构型为镇静剂。因此对环内手性碳原子构型的识别至关重要,有利于分析和确认药物活性体,但多数教材没有对这个问题详细阐述,给初学者带来一定困难。下面以取代环丙烷为例说明环状化合物中手性碳的R/S构型判断方法。

    图3 trans-1, 2-二甲基环丙烷的手性碳构型标记图

    Figure 3. Illustration for designating the configuration of the chiral carbon atoms in trans-1, 2-dimethyl cyclopropane

    1, 2-二甲基环丙烷有3种立体异构体,见图 2。每个分子中有2个手性碳原子,多数教材中只对几何异构体进行了描述,分别为cis-1, 2-二甲基环丙烷和trans-1, 2-二甲基环丙烷,然而对反式异构体中的2种构型却无法区分,因此一定要通过R/S标记来命名这对对映异构体。

    图2 Stereoisomers of 1, 2-dimethyl cyclopropane

    Figure 2. 1, 2-二甲基环丙烷的立体异构体

    如果通过构型式的平面表达式直接标记R/S构型,很容易出错,这也是大多数学生易出现的错误。要准确标记,必须从立体结构图入手。如图 3所示,首先将平面表达式转化为立体表达式,这样可清晰地看到各基团在空间上的绝对位置。画1条垂直于三元环并穿过其中心的辅助虚线。下面开始标记1号碳的构型,连接1号碳的4个原子和基团的优先顺序为:2号碳> 3号碳>甲基> H。因最小基团H在前下方,观察角度应在远离H的方向,即虚线上A点的位置,从A点向1号碳看去,按2号碳→3号碳→甲基的顺序排列,为逆时针方向,因此1号碳为S构型。标记2号碳时,远离2号碳上最小基团H的位置是B点,从B点向2号碳看去,基团由大到小即1号碳→3号碳→甲基为逆时针顺序排列,因此2号碳也为S构型。因此这个化合物的名称为(1S, 2S)-1,2-二甲基环丙烷,它的对映异构体用同样的方法标记,名称为(1R, 2R)-1,2-二甲基环丙烷,顺式结构为(1S, 2R)-1,2-二甲基环丙烷。

    3    不含有手性碳原子的手性分子R/S构型的判断

    有机化合物中,大部分手性分子都含有手性碳原子,但有些化合物虽含有手性碳原子并不具有手性,如内消旋化合物。而有些手性分子中并不含有手性碳原子[6-7],如螺环化合物、丙二烯型化合物及联苯型化合物等。对这些不含手性碳原子的手性分子的构型判断问题,多数教课书没有提及,这给初学者带来很大困惑。下面对几类典型的含手性轴化合物的构型判断方法作介绍,这类化合物分子中4个基团分2对排列在手性轴的2端,沿轴方向看去,投影4个基团,画出假“Fischer投影式”,再按近者优先的原则画圆判断,以下分类介绍具体方法。

    3.1    手性螺环化合物R/S构型的判断

    图4 螺环化合物构型标记图

    Figure 4. Illustration for designating the configuration of spiro-compound

    螺环化合物是多环烃的一种,它具有刚性骨架,结构稳定,在医药、不对称催化、发光材料、农药等方面有重要的应用。螺环化合物的2个环相互垂直,当有取代基时,分子可能产生手性,下面以2, 6-二氯螺[3.3]庚烷为例,说明手性螺环化合物构型的标记方法,见图 4。首先画出立体结构图,从分子的一端向另一端看去,如图 4中箭头方向,从分子的左侧向右侧看。先看到的2个基团标注在一条实线的2端,实线方向为立体结构图中实际方向。后看到的2个基团标注在一条虚线的2端,虚线方向为图中实际方向。虚实2线相互垂直,但它不属于Fischer投影式,可称为假“Fischer投影式”,构型标记方法也不同于Fischer投影式,它仅为确定螺环化合物构型画出的结构图。在这个结构图中,构型标记原则是,按实线较优基团→实线次优基团→虚线较优基团这个顺序排列,如果是顺时针则为R型,如果是逆时针则为S型。按这个规则,对2, 6-二氯螺[3.3]庚烷进行构型标记,结果见图 4。按照这样的构型标记方法,可以方便地将没有手性碳的手性分子中的一对对映异构体区分开来。

    3.2    手性丙二烯型化合物R/S构型的判断

    图5 丙二烯型化合物构型标记图

    Figure 5. Illustration for designating the configuration of propadiene compound

    丙二烯2个端基碳为sp2杂化,中间的碳为sp杂化。中间碳上相互垂直的2个p轨道分别与两侧的端基碳上的p轨道各自形成一个π键,2个π键相互垂直,因此丙二烯型化合物以中间碳为交点形成2个相互垂直的平面,当同一端基碳上的2取代基不同时,分子就产生了手性。如1, 3-二甲基丙二烯,见图 5。这类化合物的构型标记方法与上述螺环化合物相同,借助假“Fischer投影式”来判断,结果见图 5

    3.3    手性联苯型化合物R/S构型的判断

    联苯分子中2个苯环以单键相连,2个苯环可沿单键旋转,但如果2, 2’和6, 6’位置上有较大基团时,则苯环绕单键旋转受阻,2个苯环形成一定角度,如果同一苯环上所连的2个基团不同时,整个分子没有对称元素,成为手性分子,如图 6所示分子,它的构型标记方法与螺环化合物相同,不再赘述。

    图6 联苯型化合物构型标记图

    Figure 6. Illustration for designating the configuration of biphenyl compound

    具有手性轴但没有手性碳的化合物不仅上述几种类型,还有一些类似结构的具有手性轴的化合物,它们的构型判断方法都可以借助于假“Fischer投影式”,再按实线较优基团→实线次优基团→虚线较优基团这个顺序来正确判定构型,如图 7中分子。

    不含手性碳原子的手性分子除手性轴化合物外,还有面手性、螺手性及八面体手性等化合物,王永梅对这些新型手性化合物构型判断和命名[8],有较全面的归纳,读者可自行参考。

    图7 具有手性轴的手性分子

    Figure 7. Chiral molecules with chiral axis

    4    小结

    立体化学是有机化学教学的重要内容,而立体化学中手性碳和手性分子的R/S构型标记是命名和区分旋光异构体的重要手段。立体构型有多种表达形式,都能方便地转换为Fischer投影式,在Fischer投影式中掌握“横变竖不变”的原则,可以快速判断R/S构型。对环状化合物手性碳构型的判断,从立体结构图入手是关键,找准视线方向是核心。关于没有手性碳,但有手性轴的手性分子,如螺环化合物、丙二烯型化合物、联苯型化合物以及它们的类似物,这类化合物构型标记可借助假“Fischer投影式”来快速准确地完成。这些方法可为初学立体化学者提供简捷易懂的途径。

    1. [1]

      王积涛, 王永梅, 张宝申, 等.有机化学. 3版.天津:南开大学出版社, 2009:194-229

    2. [2]

      邢其毅, 徐瑞秋, 裴伟伟, 等.基础有机化学. 3版.北京:高等教育出版社, 2005:77-129

    3. [3]

      McMurry J. Organic Chemistry. 6th ed. Thomson Brooks Cloe, 2004:275-316

    4. [4]

      施小宁.化学教育, 2009, 30(8):69-70 http://www.hxjy.org/CN/abstract/abstract1874.shtml

    5. [5]

      来水利.陕西师范大学学报:自然科学版, 2005, 33(6):270-272

    6. [6]

      周臻, 曹高.化学教育, 2015, 36(10):19-21 http://www.hxjy.org/CN/abstract/abstract9389.shtml

    7. [7]

      曹高.化学教育, 2015, 36(6):67-70 http://www.hxjy.org/CN/abstract/abstract9315.shtml

    8. [8]

      王永梅, 张文昊, 翟玉平.大学化学, 2007, 22(4):52-57 http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-DXHX200704013.htm

  • 图 1  The configuration of (R)-lactic acid

    Figure 1  (R)-乳酸的构型式

    图 2  Stereoisomers of 1, 2-dimethyl cyclopropane

    Figure 2  1, 2-二甲基环丙烷的立体异构体

    图 3  trans-1, 2-二甲基环丙烷的手性碳构型标记图

    Figure 3  Illustration for designating the configuration of the chiral carbon atoms in trans-1, 2-dimethyl cyclopropane

    图 4  螺环化合物构型标记图

    Figure 4  Illustration for designating the configuration of spiro-compound

    图 5  丙二烯型化合物构型标记图

    Figure 5  Illustration for designating the configuration of propadiene compound

    图 6  联苯型化合物构型标记图

    Figure 6  Illustration for designating the configuration of biphenyl compound

    图 7  具有手性轴的手性分子

    Figure 7  Chiral molecules with chiral axis

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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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