軸手性化合物R/S構型標記的一種簡易方法

陳江溪

摘要：旋光異構是有機化學立體異構中一個十分重要的異構現象，在旋光異構中有一類不含有手性原子的軸手性化合物，本文提出了一套快速而準確標記該類軸手性化合物R/S構型的簡要步驟，并進行實例分析。

關鍵詞：立體化學；旋光異構；軸手性；R/S構型

中分類圖號：K826.13 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9324（2018）16-0065-02

2，2'-雙二苯膦基-1，1'-聯萘（圖1化合物1，2，2'-bis（diphenylphosphino）-1，1'-binaphthyl，簡稱BINAP）配體主導的不對稱過渡金屬催化反應[1]獲得了巨大的成功，使得不對稱催化合成化學于2001年獲得諾貝爾化學獎。此后，軸手性膦配體得到了廣泛的研究與應用。然而，盡管多數有機化學教科書[2-4]均有介紹此類不含手性原子的軸手性化合物，但是其均未涉及該軸手性化合物R/S標記法，且亦未給予明確的定義與說明，這導致大部分有機化學及相關專業的本科生（甚至是研究生）根本不知如何標記軸手性化合物（如上述手性BINAP配體）的R/S構型。因此筆者認為有必要在有機化學課堂簡明扼要地介紹這類軸手性化合物的R/S構型標記法。

一、基本概念

立體化學是基礎有機化學教學的重要內容之一，在立體化學教學內容中涉及有機化合物的各種類型的異構體[4]，如構象異構、幾何異構、旋光異構（對映異構）等。旋光異構形成的關鍵在于分子具有不對稱性（手性）。在有機化學中，將未能與其鏡像重合的分子稱為手性分子。手性分子主要有三類：（I）含手性原子的手性分子；（II）軸手性化合物（含手性軸的旋光異構體）；（III）含手性面的旋光異構體。

在教學或實際應用中，比較重要的軸手性化合物是聯苯型化合物2和丙二烯（聯烯）型化合物3（圖1），當R1≠R2；R3≠R4時，化合物2或3沒有對稱性，因此，它們均是手性化合物。根據IUPAC分類法，該類手性化合物可采用P/M[5]來定義其手性，亦可用R/S標記法[4]來命名其手性狀態。現實中，采用R/S標記法命名軸手性化合物已是商業上普遍使用的方法。問題在于，R/S標記法是基于次序規則（Cahn-Ingold-Prelog priority rules）和手性原子的絕對構型標記法。對于聯苯型和丙二烯型化合物而言，其并未含有手性原子、且其取代基有可能完全一樣（如圖2，化合物4有兩個NO2基團和兩個COOH基團），那么如何來判斷其R/S構型？

二、軸手性化合物R/S構型標記的簡易方法

為了在課堂上有限的時間里，快速讓學生了解并準確地判斷其R/S構型，筆者總結并歸納出以下一套判斷步驟（圖2A）：首先，沿軸方向看（圖2A框內的空心箭頭方向），可看到前面環上的取代基NO2和COOH基團，后面環上的取代基也是NO2和COOH基團。為了區分前面環上的取代基與后面環上取代基的次序，定義前面環上的取代基在次序上優先于后面環上的取代基。其次，在Fischer投影式橫向寫下前面環的取代基團，左邊為看到的NO2基團，右邊為COOH基團；同理，在豎向寫下后面環的取代基團，上面為看到的NO2基團，下面為COOH基團，從而得到Fischer投影式5。再次，將Fischer投影式5橫向上的取代基按次序規則排序，定出對應的次序a和b（其中規定字母對應的次序為a>b）；將豎向上的取代基按次序規則排序，同樣定出對應的次序c和d（其中規定字母對應的次序為b>c>d），從而得到Fischer投影式6。最后，通過帶有次序（a>b>c>d）的Fischer投影式6定出其R/S構型，即為化合物4的構型。因為Fischer投影式6為帶有次序的a>b>c>d基團，所以可簡單地通過“三角形法”[6]來快速和準確地標記出其R/S構型：先去掉最小次序的d，然后觀察剩余abc的排向，為逆時針方向S構型，故最終定出化合物4為S構型。該判斷方法不僅快速，而且準確，可在課堂上讓學生即學即會判斷軸手性化合物的R/S構型。此外，觀察的方向若是從另一方向沿軸觀察的話（圖2B框內的空心箭頭方向），那是不是得到的構型就相反了？答案是否定的，其構型是不變的！如圖2B所示，按上述四個步驟得到的化合物4構型仍為S構型。

基于以上提出的判斷步驟，舉一個例子，以理解和驗證上述的方法。以化合物1為例（圖2C），按上述四個步驟：沿軸方向看（圖2C空心箭頭方向），首先在十字架的橫向左邊取代基是C，右邊取代基是P；豎向上面取代基是C，下面取代基是P。將取代基轉化成次序字母abcd后，再去掉d，然后查看abc為逆時針排向，即可得化合物1為S構型。通過實例分析證實，基于上述的四個步驟，在有機化學的課堂上，教師可以非常快速及準確地讓學生撐握軸手性化合物的R/S構型判斷方法，在實際使用中也可以事半功倍地應用。

三、結語

軸手性化合物R/S構型的判斷可以先通過空間觀察，轉化成為帶有次序基團（a>b>c>d）的Fischer投影式，再由此Fischer投影式通過去掉最小次序基團d，然后觀察abc的順或逆時針排向。若為順時針排向，則該物為R構型；若為逆時針排向，則該物為S構型。該判斷方法快速、準確，可讓學生在課堂上即學即會。

參考文獻：

[1]Miyashita A.，Yasuda A.，Takaya H.，Toriumi K.，Ito T.，Souchi T.，Noyori R.J.Am.Chem.Soc.1980，102（27），7932-7934.

[2]邢其毅，裴偉偉，徐瑞秋，裴堅.基礎有機化學（第四版）上冊[M].北京：北京大學出版社，2017.

[3]McMurry J.E.Organic Chemisrty，8thed，Cengage Learning，2012.

[4]E.L.伊萊爾，S.H.威倫，M.P.多伊爾.基礎有機立體化學.鄧并譯[M].北京：科學出版社，2005：551-562.

[5]Anslyn E.V.，Dougherty D.A.現代物理有機化學[M].計國楨，佟振合，譯.北京：高等教育出版社，2009：292-293.

[6]韓永生.用“三角形法”快速標定分子的R/S構型——“上下順R，左右順S”規則[J].新鄉師范學院學報，1983，40（4），49-64.