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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

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  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)和(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)和(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

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  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

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  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

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  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

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  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

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  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

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  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。

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

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  图 1  The configuration of (R)-lactic acid

  Figure 1  (R)-乳酸的构型式

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  图 2  Stereoisomers of 1, 2-dimethyl cyclopropane

  Figure 2  1, 2-二甲基环丙烷的立体异构体

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  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

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  图 4  螺环化合物构型标记图

  Figure 4  Illustration for designating the configuration of spiro-compound

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  图 5  丙二烯型化合物构型标记图

  Figure 5  Illustration for designating the configuration of propadiene compound

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  图 6  联苯型化合物构型标记图

  Figure 6  Illustration for designating the configuration of biphenyl compound

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  图 7  具有手性轴的手性分子

  Figure 7  Chiral molecules with chiral axis

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