有机化合物分子的四种立体结构式

有机化合物分子的四种立体结构式 及其关联写法 王有贤, （宁夏大学 化学化工学院，宁夏 银川 750021） 摘 要：介绍了有机化学中常用的四种立体结构式的写法、主要应用范围以及相互关联写法的技巧。对于正确示有机化合物分子的立体构型，建立空间想象力，进而学好有机立体化学提供有益的帮助。 关键词： 立体化学；Fischer投影式；Newman投影式；锯架式；楔形式 中图分类号： G434 文献标识码：A 立体化学在有机化学的教学和学习中始终是个重点又是个难点。分子的性能和反应行为不但取决于它的组成，而且取决于它在三维空间的特定的构型。如何在纸平面上表示分子在三维空间的立体构型，当看到纸平面上的结构式时想象出它在三维空间的几何形状，是初学者学习立体化学时首先遇到的问题。在纸平面上正确表示分子在三维空间的立体构型，建立空间想象力是学习有机立体化学所必须掌握的基本技能。 在纸平面上表示分子立体构型的式子有四种，它们分别是Fischer投影式、Newman投影式、锯架式和楔形式。这四种式子都可以用来表示分子在三维空间的立体构型，但各有其特点和习惯应用范围。现分别介绍如下： 1 四种立体构型式的写法 1.1 Fischer投影式的写法 Fischer投影式是1891年由碳水化合物之父Emil Fischer在研究单糖的构型时首创的。 图1 Fischer投影式的写法 该式通过立体模型在纸平面上的投影得到（如图1所示）。由于这种式子不具任何的立体感，所以规定：连在竖键上的原子或基团在纸平面之后，连在横键上的原子或基团在纸平面之前。横键和竖键的交叉点表示碳原子。竖向后、横向前是Fischer投影式的最基本的规定，是掌握这种式子的关键所在。Fischer投影式的辅助规定：投影式可在纸平面上旋转n1800，不能旋转n900，不能离开纸平面进行翻转等，都是源于竖向后、横向前的这一基本规定。 Fischer投影式从构象的角度来看，它表示的是能量较高的全重叠式的构象。它的最大优点是写在纸平面上时基团相互不发生遮盖，比较清晰、醒目。常用来描述含有多个手性碳原子的开链化合物的立体异构现象。 作者简介：王有贤（1950 - ），男，副教授，从事有机化学教学和有机合成研究 1.2 Newman投影式的写法 如图2所示：将模型⑴垂直于纸平面放置得到⑵，在⑵中C2和C3发生重叠，将该模型用光照射后得到的投影因C2和C3产生重叠而无法分辨，因而Newman规定：前面的碳原子即C3用圆心来表示，后面的碳原子即C2用圆来表示。换言之，用圆心表示前面的碳原子，用圆表示后面的碳原子，分别从圆心和圆上引出三条互为1200的射线作为价键，用以连接碳原子上的三个原子或基团。从Newman投影式可以清楚地看出相互邻近的，非直接键合的原子或基团的空间关系，故主要用来描述化合物的构象和进行构象分析。 图2 Newman投影式的写法 1.3 锯架式的写法 锯架式是一种透视式，它不象前两种式子，是立体模型在纸平面上的投影，式子本身不 具立体感，是通过特定的规定去想象分子的立体构型，锯架式本身具有立体感。写法如下： 图3 锯架式的写法1 将模型⑴中的小球去掉，保留分子的键骨架，然后写出键上连接的原子或基团就得到锯架式⑵。也可按下列方法写出： 图4 锯架式的写法2 先划出一条斜线，斜线的两个端点表示两个碳原子。然后从每个端点引出三条互为1200的射线作为碳原子上的三个价键，再写出每个价键所连接的原子或基团。 1.4 楔形式的写法 楔形式的基本规定是：与楔形键相连的原子或基团在纸平面之前；与虚线键相连的原子或基团在纸平面之后；与实线键相连的原子或基团在纸平面之上，可简称为：楔前、虚后、实平面。根据基本规定，将模型中C1、C2、C3、C4用实线相连表示在纸平面之上，在纸平面之前的基团用楔形键相连，在纸平面之后的基团用虚线键相连就得到楔形式。 图5 楔形式的写法 锯架式和楔形式自身具有立体感，所以常用来表示反应过程中的立体化学。 2 四种立体结构式的相互关联写法 下面我们以（2R，3R）赤藓糖为例来进行介绍。 2.1 由Fischer投影式写Newman投影式 图6 由Fischer投影式写Newman投影式 眼睛从C3由下向上看，C3、C2以及C3、C2上所连接的原子和基团均发生重叠，以圆心表示C3、以圆表示C2，再分别从圆心和圆上引出三条互为1200的三条射线，写出所连的原子和基团就得到Newman投影式。从得到的 Newman投影式可以看出，Fischer投影式表示的是能量最高的全重叠式的构象。以C2、C3为轴旋转1800后得到较为稳定的交叉式的构象。 2.2 由Fischer投影式写楔形式 根据Fischer投影式竖向后、横向前的基本规定，先将Fischer投影式写成竖向放置 的楔形式，再进行一定的操作将它转化成习惯上横向放置的楔形式： EMBED ChemDraw.Document.6.0 图7 由Fischer投影式写楔形式 2.3 由Fischer投影式写锯架式 图8 由Fischer投影式写锯架式 将Fischer投影式（1）根据竖向后、横向前的基本规定写出模型式（2），将模型式（2）在纸平面上旋转450得模型式（3），去掉模型式（3）中的小球就得到锯架式（4）。对Fisher投影式中各基团的空间关系熟悉后可直接由（1）写出（4）。以（4）中C 2— C3之间的键为轴旋转1800就得到稳定的交叉式的构象（5）。 2.4 Newman投影式与锯架式之间的互写 图9 Newman投影式与锯架式之间的互写 将C3由圆心向左下方拉出，把表示C2的圆去掉就得到了锯架式。其逆过程就是由锯架式写Newman投影式的方法。 2.5 Newman投影式与楔形式之间的互写 将（1）式中C3向左拉出，然后将表示C2的圆去掉得到（2）式。分别将（2）式中C2、C3左边的的原子或基团用虚线连接，右边的原子或基团用楔形键连接，就得到楔形式（3）。同理，其逆过程就是由楔形式写Newman投影式的方法。 图10 Newman投影式与楔形式之间的互写 2.6 由其他式子写Fischer投影式 由其它式子写Fischer投影式只要抓住Fischer投影式竖向后、横向前的基本规定就很容易了。 例1： 图11 由锯架式、Newman投影式写Newman投影式 从锯架式（1）和Newman投影式（3），可明显看出C1、C4在下（后），C2、C3上所连基团在上（前），将在下面的基团写在Fischer投影式的竖键上，在上面的基团写在Fischer投影式的横键上就都得到Fischer投影式（2）。 例2： 图12 由楔形式写Fischer投影式 将横置的楔形式（1）改写成竖置的楔形式（2），自然就写出了Fischer投影式（3）。 3 结 语 根据笔者多年来的教学实践体会到，加强学生对四种立体结构式及其相互关联写法的训练，对于学生正确表示化合物分子的立体构型，建立空间想像力，进一步掌握立体化学知识，起着重要的作用有着事半功倍的效果。 参考文献： [1] 东北师大等五院校合编.《有机化学》（第三版）[M]..北京：高等教育出版社，1993 [2] 邢其毅等.《基础有机化学》（第二版）[M]..北京：高等教育出版社，1992 [3] 王积涛等.《有机化学》（第二版）[M]天津： 南开大学出版社，2003 [4] 邢其毅主编.《基础有机化学示范教学》[M]..北京：北京大学出版社，1983 [5] 叶秀林.《立体化学》[M]..北京：高等教育出版社，1982 PAGE 3 _1152454142.unknown _1152456313.unknown _1156428605.unknown _1152454794.unknown _1152455549.unknown _1152454287.unknown _1152361988.unknown _1152370810.unknown _1152421587.unknown _1152424335.unknown _1152369430.unknown _1150382471.cdx _1152361942.unknown _1150378576.cdx