有機(jī)化合物分子的四種立體結(jié)構(gòu)式

1、有機(jī)化合物分子的四種立體結(jié)構(gòu)式及其關(guān)聯(lián)寫法王有賢,（寧夏大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，寧夏 銀川 750021）摘 要：介紹了有機(jī)化學(xué)中常用的四種立體結(jié)構(gòu)式的寫法、主要應(yīng)用范圍以及相互關(guān)聯(lián)寫法的技巧。對(duì)于正確表示有機(jī)化合物分子的立體構(gòu)型，建立空間想象力，進(jìn)而學(xué)好有機(jī)立體化學(xué)提供有益的幫助。關(guān)鍵詞： 立體化學(xué)；Fischer投影式；Newman投影式；鋸架式；楔形式中圖分類號(hào)： G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A立體化學(xué)在有機(jī)化學(xué)的教學(xué)和學(xué)習(xí)中始終是個(gè)重點(diǎn)又是個(gè)難點(diǎn)。分子的性能和反應(yīng)行為不但取決于它的組成，而且取決于它在三維空間的特定的構(gòu)型。如何在紙平面上表示分子在三維空間的立體構(gòu)型，當(dāng)看到紙平面上的結(jié)構(gòu)式時(shí)想象出

2、它在三維空間的幾何形狀，是初學(xué)者學(xué)習(xí)立體化學(xué)時(shí)首先遇到的問題。在紙平面上正確表示分子在三維空間的立體構(gòu)型，建立空間想象力是學(xué)習(xí)有機(jī)立體化學(xué)所必須掌握的基本技能。在紙平面上表示分子立體構(gòu)型的式子有四種，它們分別是Fischer投影式、Newman投影式、鋸架式和楔形式。這四種式子都可以用來表示分子在三維空間的立體構(gòu)型，但各有其特點(diǎn)和習(xí)慣應(yīng)用范圍。現(xiàn)分別介紹如下：1 四種立體構(gòu)型式的寫法1.1 Fischer投影式的寫法 Fischer投影式是1891年由碳水化合物之父Emil Fischer在研究單糖的構(gòu)型時(shí)首創(chuàng)的。圖1 Fischer投影式的寫法該式通過立體模型在紙平面上的投影得到（如圖1所示

3、）。由于這種式子不具任何的立體感，所以規(guī)定：連在豎鍵上的原子或基團(tuán)在紙平面之后，連在橫鍵上的原子或基團(tuán)在紙平面之前。橫鍵和豎鍵的交叉點(diǎn)表示碳原子。豎向后、橫向前是Fischer投影式的最基本的規(guī)定，是掌握這種式子的關(guān)鍵所在。Fischer投影式的輔助規(guī)定：投影式可在紙平面上旋轉(zhuǎn)n1800，不能旋轉(zhuǎn)n900，不能離開紙平面進(jìn)行翻轉(zhuǎn)等，都是源于豎向后、橫向前的這一基本規(guī)定。Fischer投影式從構(gòu)象的角度來看，它表示的是能量較高的全重疊式的構(gòu)象。它的最大優(yōu)點(diǎn)是寫在紙平面上時(shí)基團(tuán)相互不發(fā)生遮蓋，比較清晰、醒目。常用來描述含有多個(gè)手性碳原子的開鏈化合物的立體異構(gòu)現(xiàn)象。 作者簡(jiǎn)介：王有賢（1950 -

4、），男，副教授，從事有機(jī)化學(xué)教學(xué)和有機(jī)合成研究1.2 Newman投影式的寫法如圖2所示：將模型垂直于紙平面放置得到，在中C2和C3發(fā)生重疊，將該模型用光照射后得到的投影因C2和C3產(chǎn)生重疊而無法分辨，因而Newman規(guī)定：前面的碳原子即C3用圓心來表示，后面的碳原子即C2用圓來表示。換言之，用圓心表示前面的碳原子，用圓表示后面的碳原子，分別從圓心和圓上引出三條互為1200的射線作為價(jià)鍵，用以連接碳原子上的三個(gè)原子或基團(tuán)。從Newman投影式可以清楚地看出相互鄰近的，非直接鍵合的原子或基團(tuán)的空間關(guān)系，故主要用來描述化合物的構(gòu)象和進(jìn)行構(gòu)象分析。圖2 Newman投影式的寫法1.3 鋸架式的寫法鋸

5、架式是一種透視式，它不象前兩種式子，是立體模型在紙平面上的投影，式子本身不具立體感，是通過特定的規(guī)定去想象分子的立體構(gòu)型，鋸架式本身具有立體感。寫法如下：圖3 鋸架式的寫法1將模型中的小球去掉，保留分子的鍵骨架，然后寫出鍵上連接的原子或基團(tuán)就得到鋸架式。也可按下列方法寫出：圖4 鋸架式的寫法2先劃出一條斜線，斜線的兩個(gè)端點(diǎn)表示兩個(gè)碳原子。然后從每個(gè)端點(diǎn)引出三條互為1200的射線作為碳原子上的三個(gè)價(jià)鍵，再寫出每個(gè)價(jià)鍵所連接的原子或基團(tuán)。1.4 楔形式的寫法楔形式的基本規(guī)定是：與楔形鍵相連的原子或基團(tuán)在紙平面之前；與虛線鍵相連的原子或基團(tuán)在紙平面之后；與實(shí)線鍵相連的原子或基團(tuán)在紙平面之上，可簡(jiǎn)稱為

6、：楔前、虛后、實(shí)平面。根據(jù)基本規(guī)定，將模型中C1、C2、C3、C4用實(shí)線相連表示在紙平面之上，在紙平面之前的基團(tuán)用楔形鍵相連，在紙平面之后的基團(tuán)用虛線鍵相連就得到楔形式。圖5 楔形式的寫法鋸架式和楔形式自身具有立體感，所以常用來表示反應(yīng)過程中的立體化學(xué)。2 四種立體結(jié)構(gòu)式的相互關(guān)聯(lián)寫法下面我們以（2R，3R）赤蘚糖為例來進(jìn)行介紹。2.1 由Fischer投影式寫Newman投影式 圖6 由Fischer投影式寫Newman投影式眼睛從C3由下向上看，C3、C2以及C3、C2上所連接的原子和基團(tuán)均發(fā)生重疊，以圓心表示C3、以圓表示C2，再分別從圓心和圓上引出三條互為1200的三條射線，寫出所連的

7、原子和基團(tuán)就得到Newman投影式。從得到的 Newman投影式可以看出，F(xiàn)ischer投影式表示的是能量最高的全重疊式的構(gòu)象。以C2、C3為軸旋轉(zhuǎn)1800后得到較為穩(wěn)定的交叉式的構(gòu)象。2.2 由Fischer投影式寫楔形式根據(jù)Fischer投影式豎向后、橫向前的基本規(guī)定，先將Fischer投影式寫成豎向放置的楔形式，再進(jìn)行一定的操作將它轉(zhuǎn)化成習(xí)慣上橫向放置的楔形式：圖7 由Fischer投影式寫楔形式2.3 由Fischer投影式寫鋸架式圖8 由Fischer投影式寫鋸架式將Fischer投影式（1）根據(jù)豎向后、橫向前的基本規(guī)定寫出模型式（2），將模型式（2）在紙平面上旋轉(zhuǎn)450得模型式（3

8、），去掉模型式（3）中的小球就得到鋸架式（4）。對(duì)Fisher投影式中各基團(tuán)的空間關(guān)系熟悉后可直接由（1）寫出（4）。以（4）中C 2 C3之間的鍵為軸旋轉(zhuǎn)1800就得到穩(wěn)定的交叉式的構(gòu)象（5）。2.4 Newman投影式與鋸架式之間的互寫 圖9 Newman投影式與鋸架式之間的互寫將C3由圓心向左下方拉出，把表示C2的圓去掉就得到了鋸架式。其逆過程就是由鋸架式寫Newman投影式的方法。2.5 Newman投影式與楔形式之間的互寫將（1）式中C3向左拉出，然后將表示C2的圓去掉得到（2）式。分別將（2）式中C2、C3左邊的的原子或基團(tuán)用虛線連接，右邊的原子或基團(tuán)用楔形鍵連接，就得到楔形式（3

9、）。同理，其逆過程就是由楔形式寫Newman投影式的方法。圖10 Newman投影式與楔形式之間的互寫2.6 由其他式子寫Fischer投影式由其它式子寫Fischer投影式只要抓住Fischer投影式豎向后、橫向前的基本規(guī)定就很容易了。例1： 圖11 由鋸架式、Newman投影式寫Newman投影式從鋸架式（1）和Newman投影式（3），可明顯看出C1、C4在下（后），C2、C3上所連基團(tuán)在上（前），將在下面的基團(tuán)寫在Fischer投影式的豎鍵上，在上面的基團(tuán)寫在Fischer投影式的橫鍵上就都得到Fischer投影式（2）。 例2：圖12 由楔形式寫Fischer投影式將橫置的楔形式（1）改寫成豎置的楔形式（2），自然就寫出了Fischer投影式（3）。3 結(jié) 語 根據(jù)筆者多年來的教學(xué)實(shí)踐體會(huì)到，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)四種立體結(jié)構(gòu)式及其相互關(guān)聯(lián)寫法的訓(xùn)練，對(duì)于學(xué)生正確表示化合物分子的立體構(gòu)型，建立空間想像力，進(jìn)一步掌握立體化學(xué)知識(shí)，起著重要的作用有著事半功倍的效果。參考文獻(xiàn)：1 東北師大等五院校合編.有機(jī)化學(xué)（第