巧用雙手模型，強化有機化學中幾種構型表示法的學習

姚文華 劉莉

摘 要：表示構型異構的方法主要有楔形透視式、鋸架透視式、費歇爾投影式和紐曼投影式。如何正確地進行這幾種結構式的書寫和轉換是有機化學教學中的一個重點和難點。對分子中手性碳原子的R、S構型的標記是進行轉換的核心內容。我們巧用左手和右手來確定手性碳原子的構型，進而正確地書寫這幾種結構，幫助學生理解有機化合物的立體結構。

關鍵詞：構型異構；R、S構型；構型轉換；手模型

立體化學是從三維空間來研究分子的結構和性質的科學，是近代有機化學的重要組成部分。立體化學研究的重要內容是立體異構，立體異構是研究有機化合物中分子間的連接次序相同，但空間排列不相同的異構體，主要包括構型異構和構象異構。構型異構的表達方式主要有楔形透視式、鋸架透視式、費歇爾投影式和紐曼投影式[1]。由于學習構型異構要求學生要有很強的空間想象力，在頭腦中要建立微觀分子，因而教學難度較大。考慮到初學者在學習過程中可能遇到的問題，我們總結出了一套教學法，即利用我們的左手和右手建立分子的立體模型，幫助學生確定分子中手性碳原子上的四個不同的基團在空間的位置關系，使學生更易接受，從而快速掌握相關內容。該教學法不受時間和空間限制，便于實施和操作，是非常有用的。

1 含有一個手性碳原子化合物的楔形透視式和費歇爾投影式的轉換

眾所周知，乳酸是含有一個手性碳原子的光學活性物質，有兩個光學異構體A和B，其中A是右旋的，[α]D20=+3.82；B是左旋的，[α]D20=-3.82。它們組成一對對映異構體[2]。

當用R、S構型來對這兩個光學異構體進行標注的時候，我們首先要確定手性碳原子上的基團大小，按照基團的優先次序規則，這四個基團的次序排列為：-OH > -COOH >CH3 > -H；然后將優先次序中排在最后的-H放在距離視線最遠的地方；觀察余下的三個基團由大到小的排列順序，如果按照順時針排列，為R構型，如果按逆時針排列，則為S構型[2，3，4，5]。

掌握了R、S構型的判別規則后，我們開始巧用左手和右手來判斷手性碳原子的構型。在用左、右手來標注楔形透視式的R、S構型的時候，依照我們的經驗，首先根據平面上的兩個基團來確定平面是關鍵，平面確定后，平面前方和后方的基團的位置關系就很好確定了。以化合物A手性碳原子構型確定為例，首先用食指和拇指來表示在平面上的兩個基團，拇指代表-OH，食指代表-COOH，然后用向后方伸出的中指代表-H，偏向前方的手臂代表甲基，這時，代表-H的中指是離視線最遠的，而拇指到食指再到手臂的走向是逆時針方向，所以化合物A的構型為S構型。同樣，我們用右手也可以快速地判定化合物B的構型為R構型。具體操作如圖1示：

得到了上述兩種乳酸分子的構型以后，如何轉換為費歇爾投影式。乳酸的費歇爾投影式的書寫方法是：將乳酸的碳鏈放在豎直方向上，氧化態高的在上方；“+”交叉點為手性碳原子；橫線上的基團表示在前方，豎線上的基團表示在后方。因此乳酸A費歇爾投影式的書寫是：

首先畫“+”，然后將-COOH放在上方，甲基放在下方，

；橫線的兩端放-OH和-H。如果將-OH放在左端，-H放

在右端，，則三個大基團的走向從大到小是按照順時針

排列的，由于-H在前方，離視線近（觀察點與R、S判別法的相反），所以該費歇爾投影式是S構型的，與化合物A的構型是吻合的。從上面的例子也可以看出，當用費歇爾投影式表示分子的構型時，如果最小基團放在豎線上，則三個大基團的走向從大到小按順時針方向時，則為R構型，按逆時針方向時，則為S構型；如果最小的基團放在橫線上，則三個大基團的走向從大到小按順時針方向時，則為S構型，按逆時針方向時，則為R構型。同理，我們可以正確地繪制出乳酸B的費歇爾投影式（見圖1）。

2 含有兩個手性碳原子化合物的構型轉換

2.1、從楔形透視式轉化為費歇爾投影式

以化合物C為例，我們用左手和右手為模型，分別確定分子中手性碳原子2和手性碳原子3上的四個不同基團之間的位置關系，如圖2所示。手性碳原子2上連接的四個基團的大小次序為：-Cl> -CHClC2H5>CH3 > -H，這四個基團在空間的位置關系我們已經用左手為模型確定出來，即拇指代表平面上的-CHClC2H5，食指代表平面上的- CH3，手臂代表前方的-H，中指代表后方的-Cl，從右往左看，由-Cl→-CHClC2H5>→CH3 的排列是按順時針的，所以是R構型。同樣，我們用右手為模型確定了手性碳原子3的三個優先基團-Cl→CH3CHCl-→C2H5是按逆時針排列的，所以它的構型是S構型。根據費歇爾投影式的書寫規則，我們繪制了化合物C對應的投影式，如圖2所示。從費歇爾投影式可以看出，手性碳原子2上-Cl→ -CHClCH3→CH3是按逆時針排列的，但因為-H在橫線上，表示該基團在前方，所以手性碳2的構型是R構型，與楔形透視式是吻合的。同理，我們依照同樣的方式判斷出費歇爾投影式中手性碳原子3的構型和楔形透視式的是吻合的。

2.2、從鋸架式轉化為費歇爾投影式

我們以化合物D為例，用手為模型，確定分子中手性碳原子2和手性碳原子3上的四個不同基團之間的位置關系，如圖3所示。手性碳原子2上連接的四個基團的大小次序為：-Cl> -CHBrCH3>CH3 > -H，這四個基團在空間的位置關系我們已經用左手為模型確定出來，即拇指代表右后方的- Cl，食指代表正后方的- CH3，中指代表左后方的H，手臂代表-CHBrCH3，從右往左看，由-Cl→ -CHBrCH3→CH3 的排列是按順時針的，所以是R構型。同樣，我們也可以通過手模型確定手性碳原子3的三個優先基團-Br→-CHClCH3→CH3是按順時針排列的，所以它的構型是R構型。根據費歇爾投影式的書寫規則，化合物D對應的費歇爾投影式如圖3所示。從費歇爾投影式可以看出，手性碳原子2上-Cl→ -CHBrCH3→CH3是按逆時針排列的，但因為-H在橫線上，表示該基團在前方，所以手性碳2的構型是R構型，與鋸架式是吻合的。同理，手性碳原子3的構型和鋸架式的是吻合的。

2.3 從紐曼投影式轉化為費歇爾投影式

我們以化合物E為例，以左手和右手為模型，分別確定分子中前方手性碳原子和后方手性碳原子上的四個不同基團之間的位置關系，如圖4所示。前方手性碳原子上連接的四個基團的大小次序為：-Cl> -CHOHCH3>CH3 > -H，這四個基團在空間的位置關系我們已經用左手為模型確定出來，即拇指代表左前方的- Cl，食指代表正前方的- CH3，中指代表右前方的H，手臂代表-CHOHCH3，從左下方看，由-Cl→ -CHOHCH3→CH3 的排列是按順時針的，所以是R構型。同樣，我們也可以通過右手模型確定后方手性碳原子的三個優先基團-OH→-CHClCH3→CH3是按逆時針排列的，所以它的構型是S構型。根據費歇爾投影式的書寫規則，化合物E對應的投影式如圖4所示。從費歇爾投影式可以看出，前方手性碳原子上-Cl→ -CHOHCH3→CH3是按逆時針排列的，所以前方手性碳原子的構型是R構型，與紐曼投影式是吻合的。同理，后方手性碳原子的構型和紐曼投影式的是吻合的。

3 環狀化合物中手性碳原子R、S構型的標注

在確定環狀化合物手性碳原子的R、S構型的時候，找環平面是關鍵，當把環平面確定以后，平面上方和下方基團的位置就好確定了。我們以三元環化合物F為例來確定環狀化合物的構型。該化合物是一個順式結構，編號為1和2的碳原子是手性碳。對于編號為1的手性碳原子，四個基團之間的連接次序是：-COOH> -CH（COOH）CH2->CH2CH（COOH）-> -H，如圖5所示。以左手的中指和拇指確定環平面，中指代表-CH（COOH）CH2-，拇指代表CH2CH（COOH）-，食指代表平面上方的-COOH，無名指代表平面下方的-H，從平面上方觀察，從-COOH→ -CH（COOH）CH2-→CH2CH（COOH）-是按順時針方向的，所以是R構型。同理，可以用右手確定出手性碳原子2的構型為S構型。

4 結論

通過上面的演示和結構轉換圖，可以看出用手作為模型來學習有機化合物的構型是非常有用的，主要表現在以下幾個方面：（1）形象、直觀，學生能根據手指的指向，大致判斷手性碳原子上的基團在空間的位置關系；（2）簡單、易學；（3）不受時間和空間限制，便于實施和操作，是一個非常有用的教學方法，值得借鑒和推廣。

參考文獻

[1]李景寧.有機化學（第5版）[M].北京：高等教育出版社，2011.

[2]邢其毅，裴偉偉，徐瑞秋，裴堅.有機化學（第3版）[M].北京：高等教育出版社，2005.

[3]鄭敏燕.有機立體化學教學中手模型的設計與應用[J].大學化學，2011，6（4）：9-31.

[4]楊明惠，劉滿紅. 有機立體化學概念教學中手模型的應用[J].云南民族學院學報（自然科學版），2000，3：161-163.

[5]李光熹.對用手作模型確定構型的方法的改進[J].化學通報，1984，12：42-44.

作者簡介：

姚文華（1972-），女，云南玉溪人，副教授，主要從事有機化學的教學，無機金屬催化劑的制備及其催化性能的研究。