立體化學(xué)的發(fā)展及幾個(gè)立體化學(xué)概念的區(qū)分.doc

立體化學(xué)的發(fā)展及幾個(gè)立體化學(xué)概念的區(qū)分 范霍夫1874年提出的碳四面體理論，標(biāo)志著立體化學(xué)的創(chuàng)立。一百多年以來，該理論的基本觀點(diǎn)一直是有機(jī)化學(xué)核心理論的一部分，它不僅奠定了立體化學(xué)以后發(fā)展的基礎(chǔ)，而且對(duì)整個(gè)有機(jī)化學(xué)都具有深遠(yuǎn)的意義。那么碳四面體理論是在怎樣的化學(xué)背景下提出的?讓我們回溯I9世紀(jì)后半葉的化學(xué)界。 構(gòu)型的認(rèn)識(shí)必須以構(gòu)造的認(rèn)識(shí)為基礎(chǔ)，對(duì)于構(gòu)造的認(rèn)識(shí)表現(xiàn)為布特列洛夫的平面結(jié)構(gòu)理論，構(gòu)型認(rèn)識(shí)正是在經(jīng)典結(jié)構(gòu)理論與新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)的矛盾中應(yīng)運(yùn)而生的。 1861年布特列洛夫提出平面結(jié)構(gòu)理論，布特洛夫認(rèn)為，從原子在分子中相互聯(lián)結(jié)的方式的概念到空間相對(duì)位置的概念，只剩下一步路，而且是必然的一步，促使這一步完成的直接原因是由于對(duì)旋光異構(gòu)現(xiàn)象的研究。19世紀(jì)中葉，在對(duì)乳酸的旋光異構(gòu)體的研究中發(fā)現(xiàn)，乳酸旋光異構(gòu)體的數(shù)目多于平面結(jié)構(gòu)理論預(yù)見的異構(gòu)體數(shù)。乳酸異構(gòu)體數(shù)成為平面結(jié)構(gòu)理論無法解釋的困難，這就促使化學(xué)家不得不考慮原子在空間的排列問題。 1874年，范霍夫與列貝爾分別獨(dú)自提出了立體化學(xué)的基本思想 使結(jié)構(gòu)理論進(jìn)人了新紀(jì)元。范霍夫提出的碳四面體假說，使分子由平面擴(kuò)展到空間，并且從而引出了對(duì)映異構(gòu)體的概念，他還提出了不對(duì)稱碳原子的概念，闡明了不對(duì)稱原子與旋光性之間的關(guān)系，指出，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)和旋光性的關(guān)系推測(cè)有機(jī)化臺(tái)物的結(jié)構(gòu)式。范霍夫還預(yù)見了一種新的異構(gòu)體：幾何異構(gòu)體(順反異構(gòu)體)。 列貝爾的論文僅比范霍夫的晚兩個(gè)月發(fā)表，他的論文不及范霍夫的影響大。列貝爾沒有采用四面體碳的概念，他根據(jù)純粹的幾何推理提出了兩條推測(cè)溶液是否具有旋光性的規(guī)則。 范霍夫的理論是以承認(rèn)原子的真實(shí)存在為基本前提的，他在空間化學(xué)一書中開宗明義地寫道：“化學(xué)是關(guān)于原子的定律，而有機(jī)化學(xué)則是關(guān)于碳原子”，“現(xiàn)代化學(xué)有兩個(gè)弱電，它既不研究原子在分子中的相對(duì)位置，也不研究原子的運(yùn)動(dòng)”。碳四面體理論實(shí)際上是原子論必然的邏輯結(jié)果、正因?yàn)槿绱?，范霍夫理論的反?duì)者都是把理論攻擊的目標(biāo)指向它的理論基礎(chǔ)原子論本身，而并不否認(rèn)原子在空間的排列是原子論必然的邏輯結(jié)果。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，原子論只不過是有用的假說，是一種方便的數(shù)學(xué)工具，但它不具有物理真實(shí)性，分子的真實(shí)結(jié)構(gòu)是不可知的。另一種觀點(diǎn)把原子真實(shí)性問題歸于形而上學(xué)，例如開庫(kù)勒寫道；“原子存在與否的問題，從化學(xué)的觀點(diǎn)看也無關(guān)緊要，這個(gè)討論屬于形而上學(xué)。在化學(xué)中，我們只決定原子的假說是否是一個(gè)適應(yīng)于解釋化學(xué)現(xiàn)象的假說”。對(duì)范霍夫理論進(jìn)行爭(zhēng)論的另一個(gè)焦點(diǎn)是范霍夫所采用的推理方法，這反映了兩種方法論觀念的沖突。在1 9世紀(jì)的化學(xué)界，經(jīng)驗(yàn)主義態(tài)度居于主導(dǎo)地位，這種方法論觀念是堅(jiān)決反對(duì)所謂“猜測(cè)哲學(xué)”的。如范霍夫本人的老師帕楚斯馮克爾克霍夫就認(rèn)為：“經(jīng)驗(yàn)是真實(shí)知識(shí)的唯一來源，原子論也不能與經(jīng)驗(yàn)的判決相違背。我們不知道化學(xué)結(jié)合是如何發(fā)生，其中成分如何，我們與其沉溺于猜測(cè)的知識(shí)，還不如坦率地承認(rèn)我們的無知。”從這種觀點(diǎn)出發(fā)，他反對(duì)范霍夫用原子在空間的不同排列解釋異構(gòu)體的嘗試。在德國(guó)，學(xué)術(shù)界曾經(jīng)與黑格爾的自然哲學(xué)進(jìn)行過長(zhǎng)期的斗爭(zhēng)，并取得了勝利，但對(duì)黑格爾的自然哲學(xué)仍然心有余悸，因此，有些化學(xué)家就把理論推理和猜測(cè)方法的引入混同于黑格爾自然哲學(xué)卷土重來，并加以痛斥。德國(guó)化學(xué)權(quán)威柯爾比就持這種看法。他辛辣地嘲諷范霍夫：“一位雅享范霍夫博士，受雇于烏特勒支獸醫(yī)學(xué)院，好象是對(duì)正當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)研究不感興趣，他認(rèn)為更為方便的是乘上佩加蘇斯(希臘神話中的飛馬)(大概是從獸醫(yī)學(xué)院借來的)，并且在他的空間化學(xué)中宣布，如何勇敢地飛到化學(xué)的帕納蘇斯(希臘山名)上，看到原子在空間的排列，完全是玩弄幻想，舍棄事實(shí)的根據(jù)，而且對(duì)頭腦清楚的化學(xué)家是不可理解的；當(dāng)代化學(xué)家的一個(gè)特性就是把自己放在解釋一切的位置上，當(dāng)他的知識(shí)不頂用時(shí)，就用超自然的解釋”。在克爾克霍夫和柯爾比看來，范霍夫大膽的理論猜測(cè)違反了經(jīng)驗(yàn)主義的方法論觀念，與精確科學(xué)的精神相左，因而完全是一種非科學(xué)的態(tài)度。 另一方面，范霍夫的理論也得到了一些化學(xué)家的熱情支持。德國(guó)化學(xué)家拜爾熱情地評(píng)價(jià)說：“這是我們科學(xué)中又一個(gè)有價(jià)值的新思想，它將結(jié)出成熟的果實(shí)”。給予范霍夫最有力支持的是威利森努斯，他長(zhǎng)期從事乳酸研究，積累了大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)，但是他在實(shí)驗(yàn)上和理論上都進(jìn)了死胡同，范霍夫理論對(duì)乳酸異構(gòu)體的出色解釋使他疑團(tuán)頓消，事實(shí)從模糊的迷霧中展現(xiàn)了真實(shí)的面貌。威利森努斯在給范霍夫的信中寫道：“你的理論使我十分快樂，我不但看到了你試圖解釋至今仍然未知的事實(shí)的天才，而且我相信它對(duì)我們的科學(xué)會(huì)產(chǎn)生劃時(shí)代的作用”。自1874年以后，分子式從紙面上豎起來了，新的理論不但要研究原子之間相互聯(lián)結(jié)的次序和作用情況，而且表明它們?cè)诳臻g的相對(duì)位置，從此，化學(xué)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)由“構(gòu)造”進(jìn)入丁“構(gòu)型”階段。由平面一I-的原子到空間中的原子標(biāo)志著人類對(duì)化學(xué)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)向真實(shí)逼進(jìn)了一大步。 與物理化學(xué)的發(fā)展導(dǎo)致了在化學(xué)中運(yùn)用時(shí)間范疇相呼應(yīng)，結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展導(dǎo)致了在化學(xué)中注意運(yùn)用空間范疇，這就開創(chuàng)了空間化學(xué)結(jié)構(gòu)和反應(yīng)結(jié)構(gòu)研究的廣闊前景。從此以后，化學(xué)家們可以根據(jù)分子的立體結(jié)構(gòu)研究它的反應(yīng)性、反應(yīng)歷程，設(shè)計(jì)合成途徑。 在歷史上，對(duì)結(jié)構(gòu)理論的研究，歷來分成兩派：一派從親和概念和相互作用出發(fā)；另一派則側(cè)重于物質(zhì)的幾何特性。這兩種觀點(diǎn)互相排斥、互相斗爭(zhēng)、各執(zhí)一端。實(shí)際上相互作用方面和幾何形式方面分別是結(jié)構(gòu)問題的內(nèi)容方面和形式方面，兩者是辯證統(tǒng)一的。范霍夫和列貝爾的化學(xué)結(jié)構(gòu)概念的內(nèi)涵不僅包括了這兩個(gè)方面，而且以原子價(jià)為橋梁指出了化合物中原子的相互作用及其方式與原子的空間分布，幾何形狀是內(nèi)在地聯(lián)系在一起的，這樣就在經(jīng)典水平上，完成了結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)兩種觀點(diǎn)的統(tǒng)一。 俄國(guó)化學(xué)家羅蒙諾索夫曾說過：“化學(xué)和物理學(xué)互相聯(lián)結(jié)著，缺少這個(gè)，那個(gè)也就不完善”。恩格斯也非常重視化學(xué)與物理學(xué)的交界部分，他說 “正是在這種地方可以期待最大的成果”。 20世紀(jì)20年代以來，運(yùn)用物理方法得到了分子的許多重要的量的特征、用現(xiàn)代電子照像、x射線和光譜分析的方法研究有機(jī)物分子中和結(jié)晶體中原子的幾何形狀，證明了立體化學(xué)觀念的正確性。 構(gòu)象分析的建立有兩個(gè)基礎(chǔ)，一是繞CC單鍵旋轉(zhuǎn)問題的研究，二是環(huán)狀化合物平面結(jié)構(gòu)的研究、光譜分析和電子照像方法的運(yùn)用，偶極矩的量度，以及物質(zhì)熱容的測(cè)定，使經(jīng)典有機(jī)化學(xué)關(guān)系復(fù)雜分子中原子圍繞單鍵而自由轉(zhuǎn)動(dòng)的觀念向精確化發(fā)展了 電子衍射方法的使用，測(cè)定了環(huán)已烷的非平面結(jié)構(gòu)，表明了環(huán)狀化合物中的取代基在軸向位和平伏位的能量有差別。這樣，物理測(cè)量方法的使用為構(gòu)象分析提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。 隨著化學(xué)知識(shí)的不斷積累，有機(jī)化合物的知識(shí)尤其是甾族和萜類的知識(shí)與物理化學(xué)的知識(shí)開始結(jié)合，這就造成了對(duì)理論的需求。20世紀(jì)20年代，代爾夫特學(xué)派首先從事了對(duì)分子構(gòu)象與威直活性關(guān)系的研究，他們所采用的方法與20多年后巴頓所采用的方法是類似的，但是他們卻未能對(duì)立體化學(xué)產(chǎn)生巨大沖擊以形成突破性進(jìn)展，而是湮沒無聞了。拘象分析這一突破性進(jìn)展是巴頓在1950年開創(chuàng)的，造成如此差別的原因就在于有無對(duì)理論的需求。對(duì)20世紀(jì)20年代與50年代兩次提出構(gòu)象分析的歷史情況進(jìn)行仔細(xì)比較，可以看到，巴頓本人兼?zhèn)湮锢砘瘜W(xué)和甾族、萜類兩方面的知識(shí)，20世紀(jì)50年代構(gòu)象分析一開始就用來解釋甾族化合物和萜類。甾族化合物具有重要的生理和醫(yī)學(xué)價(jià)值，因而具有巨大的經(jīng)濟(jì)效率。萜類化合物的新合成方法使萜類化學(xué)工業(yè)如香料工業(yè)不斷壯大、1937、1938年兩次諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)都授于了萜類化合物的研究成果，1939年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了甾族性激素方面的研究。甾族和萜類巨大的理論和實(shí)用價(jià)值吸引了大批研究者，研究中出現(xiàn)的問題迫切需要理論工具來加以解釋。這是20世紀(jì)50年代構(gòu)象分析迅速被接受、運(yùn)用并對(duì)立體化學(xué)形成巨大沖擊的背景。 著名科學(xué)史學(xué)家貝爾納在歷史上的科學(xué)一書中寫道：“除非經(jīng)濟(jì)活動(dòng)把社會(huì)土壤準(zhǔn)備好了去接受科學(xué)的種子，這些種子便不會(huì)播下，也不會(huì)生長(zhǎng)?！彼灾参锓诸悓W(xué)的創(chuàng)始人林耐為倒：“假使他(指林耐)那時(shí)沒有那么多急于找個(gè)什么辦法來整理標(biāo)本箱的園藝家和植物采集家，他的體系早就跟他本人一起湮沒了”。 同樣，如果不是有那么多甾族和萜類化學(xué)家急著從結(jié)構(gòu)上解釋化合物的反應(yīng)性能，巴頓的天才火花只怕也是曇花一現(xiàn)。正如巴頓自己所說：“我自己認(rèn)為，理論只有當(dāng)有大量化學(xué)家有使用它的需要時(shí)才被接受”?？傊梢哉f，構(gòu)象分析是物理化學(xué)與有機(jī)化學(xué)相嫁接，并在實(shí)用研究的土壤上才結(jié)出的果實(shí)。構(gòu)象分析的提出對(duì)后來天然產(chǎn)物化學(xué)的發(fā)展具有深刻的影響。很快，構(gòu)象分析的概念被應(yīng)用到幾乎所有的有機(jī)化學(xué)和生物化學(xué)的各個(gè)分支。 20世紀(jì)50年代以后，用物理方法及化學(xué)方法證明構(gòu)象和用構(gòu)象來說明化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的論文多不勝數(shù)，許多過去不易理解的反應(yīng)機(jī)理，一經(jīng)分析，常能得到滿意的說明，并且可以憑借構(gòu)象推斷反應(yīng)歷程。應(yīng)用這一新的立體化學(xué)概念，對(duì)脂環(huán)化臺(tái)物來說，可以算是薩赫斯及奠爾無張力環(huán)學(xué)說以來的又一次劃時(shí)代的進(jìn)展、對(duì)整個(gè)立體化學(xué)界來說，是繼范霍夫、列貝爾四面體碳理論來的第一次真正進(jìn)展、巴頓和哈塞爾因此獲1965年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。比較上述立體化學(xué)兩次大突破，可以看到一些共同之處，首先，兩次突破都是采用了新的研究方法而獲得的，第一次是違反經(jīng)驗(yàn)主義方法論觀念，采用了理論推測(cè)的方法；第二次是突破了純粹化學(xué)方法，采用了物理測(cè)量方法。其次，兩次突破的形成都有一個(gè)對(duì)理論強(qiáng)烈需求的條件，這是由于化學(xué)事實(shí)的積累造成的。第一次是19世紀(jì)后半期大批化學(xué)家對(duì)異構(gòu)體的研究，造或了對(duì)結(jié)構(gòu)理論發(fā)展的要求；第二次是對(duì)天然化合物的研究，吸引了大批化學(xué)家，他們需要解釋的工具。這樣的條件對(duì)于兩次突破的形成都是至關(guān)重要的，它構(gòu)成了對(duì)理論發(fā)展的直接推動(dòng)因素，又為理論的接受準(zhǔn)備了土壤。 立體化學(xué)是研究分子的立體結(jié)構(gòu)和反應(yīng)立體性及其應(yīng)用的學(xué)科，自從范霍夫和列貝爾在1874年提出碳原子具有正四面體構(gòu)型的概念以來，其發(fā)展迅速，已成為一門獨(dú)立的科學(xué)1-4。立體化學(xué)是高校應(yīng)用化學(xué)、藥物化學(xué)等本科專業(yè)的必修課程，其基礎(chǔ)性較強(qiáng)，影響著對(duì)有機(jī)化學(xué)、藥物化學(xué)、有機(jī)合成等相關(guān)課程的學(xué)習(xí)效果。在多年立體化學(xué)課程的教學(xué)過程中，筆者發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生對(duì)于一些立體化學(xué)概念模糊不清，難以區(qū)分，因此很有必要對(duì)其進(jìn)行辨析。立體化學(xué)是有機(jī)化學(xué)的一個(gè)重要組成部分，是基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)課程教學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)。學(xué)生一般習(xí)慣于從宏觀角度觀察、認(rèn)識(shí)問題，讓他們改變思維模式，在頭腦中建立起微觀分子、原子團(tuán)模擬的立體結(jié)構(gòu)狀態(tài)是非常困難的，相應(yīng)地教學(xué)難度也大。即使是基礎(chǔ)較好、理解能力較強(qiáng)的學(xué)生，感覺到上課時(shí)聽懂了，但面對(duì)問題卻不能正確解答。因此。在教學(xué)過程中除了用準(zhǔn)確、簡(jiǎn)潔明了的語(yǔ)言闡述教學(xué)內(nèi)容外，還要將抽象、426深?yuàn)W、復(fù)雜的問題技巧性處理，變得形象、直觀、簡(jiǎn)單化，以減輕學(xué)生心理壓力，使學(xué)生當(dāng)場(chǎng)聽懂、理解教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，課后要能正確解答問題一即有可操作性。這顯得非常重要。1、 DL構(gòu)型DL命名規(guī)則是由近代糖化學(xué)之父EFisher在l9世紀(jì)末研究各種單糖的構(gòu)型時(shí)提出的，用于表示對(duì)映體的方法，是最早D(+)。甘油醛的立體化學(xué)符號(hào)。后來為簡(jiǎn)便起見，選用右旋甘油醛作為標(biāo)準(zhǔn)比照物，人為規(guī)定右旋的甘油醛結(jié)構(gòu)，即不對(duì)稱碳原子所結(jié)合的氫原子的空間位置在Fischer投影式中處于主碳鏈的左邊的構(gòu)型為D構(gòu)型，凡是具有此類結(jié)構(gòu)的化合物，均稱為D一構(gòu)型，其對(duì)映體稱為L(zhǎng)一構(gòu)型，因此右旋甘油醛可以寫作D(+)一甘油醛。Vickery等后來又對(duì)DL命名規(guī)則進(jìn)行了補(bǔ)充修訂，以左旋的絲氨酸作為氨基酸和羥基酸等化合物命名的比照物，規(guī)定左旋絲氨酸為L(zhǎng)-絲氨酸。但需要強(qiáng)調(diào)指出的是，DL構(gòu)型只是一種人為規(guī)定的相對(duì)構(gòu)型，與化合物的旋光方向無關(guān)。見圖1。 D（）甘油醛 L（）甘油醛 L（）絲氨酸 圖1 DL構(gòu)型比照物甘油醛和絲氨酸2、赤式一蘇式與synanti構(gòu)型 赤式(erythro)和蘇式(threo)用于表示含兩個(gè)手性中心的化合物的相對(duì)構(gòu)型，這種名稱來源于赤蘚糖和蘇阿糖。當(dāng)手性碳原子上兩個(gè)相似的基團(tuán)在Fischer投影式中處于主碳鏈的同側(cè)的構(gòu)型為赤式，而處于異出側(cè)則是蘇式。見圖2。但是，赤式一蘇式規(guī)命名規(guī)則存在很大局限性，因?yàn)殒湢罘肿邮且凿忼X構(gòu)象存在，F(xiàn)ischer投影式不是其自然狀態(tài)的構(gòu)象。如果以分子的真實(shí)構(gòu)象來表示，則原來定位赤式的分子其手性碳上的兩個(gè)取代基處于主鏈麗側(cè)，而蘇式的取代基在同一側(cè)。為克服這一命名上的局限性，德國(guó)的Seebach提出了synanti命名系統(tǒng)。在分子的自然構(gòu)象中，處于鏈的同側(cè)的是syn構(gòu)型，處于異側(cè)的為anti結(jié)構(gòu)。見圖3。 赤蘚糖(赤式) 蘇阿糖(蘇式) 圖2 赤蘚糖和蘇阿糖 圖3 synanti構(gòu)型3、構(gòu)型構(gòu)型主要用于表示糖類、甾體類化合物的構(gòu)型。將化合物的環(huán)狀部分置于平面上，環(huán)上的取代基位于環(huán)的下側(cè)時(shí)是構(gòu)型，而當(dāng)取代基位于環(huán)的上側(cè)時(shí)，則是構(gòu)型，如下列吡喃糖中，R是構(gòu)型，而乙酰基是構(gòu)型；在可的松中，三個(gè)甲基均為構(gòu)型，而氫原子和羥基在環(huán)所在平面下方，是構(gòu)型。見圖4。 圖4 構(gòu)型R，S構(gòu)型命名法 用RS構(gòu)型命名法描述手性分子的絕對(duì)構(gòu)型，是從三維空間揭示具有相同構(gòu)造。而構(gòu)型不同的分子的立體形象，是學(xué)生學(xué)習(xí)的重點(diǎn)、難點(diǎn)，較難掌握。要正確命名RS構(gòu)型，首先要理解Fischer投影式。11 Fischer投影式現(xiàn)以乳酸分子為例說明：下圖中I是乳酸分子的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式，標(biāo)*號(hào)的碳原子是手性碳原子“C* ”(連接四個(gè)互不相同的原子或基團(tuán))；II是一種乳酸分子的空間立體結(jié)構(gòu)。由于書寫麻煩，特別是對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的分子就更難表達(dá)了，1891年Fischer提出了平面投影法tl：將兩個(gè)橫鍵伸向紙平面前面，兩個(gè)豎鍵伸向紙平面后面，光線從前向后投射，得到平面書寫式；稱為Fischer投影式，豎線和橫線的交點(diǎn)是手性碳原子C* 。 觀察Fischer投影式時(shí)，無論在哪一個(gè)觀察點(diǎn)。一定要建立起橫鍵上的原子或基團(tuán)離開紙平面伸向紙前面(ep紙上面)，豎鍵上的原子或基團(tuán)離開紙平面伸向紙后面(ep紙下面)，簡(jiǎn)稱“橫前豎后”。12 次序規(guī)則 “次序規(guī)則”(sp,ence nde)是由C8Iul，IIlglod和Prelog從1951年開始提出，在60年代中期經(jīng)過修改定型，又被稱為C1P系統(tǒng)。隨后被IUPAC(際純粹和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì))采用，得到 際上的普遍應(yīng)用。次序規(guī)則確定基團(tuán)排列先后次序嗍：比較直接與手性碳原子相連的原子的原子序數(shù)大小，原子序數(shù)相對(duì)大的基團(tuán)為優(yōu)先基團(tuán)，小的排在后；若兩個(gè)原子的原子序數(shù)相同，同位素原子以質(zhì)量較高者優(yōu)先。若直接與手性碳原子相連的第一個(gè)原子相同則比較與第一個(gè)原子相連的第二個(gè)原子的原子序數(shù)大小，若第二個(gè)原子仍相同，則比較第三個(gè)原子。依次