(20)-0602 手性分子的书写与标记

PAGE136有机化学PAGE135第6章手性分子PAGE1360602手性分子的书写与标记构型的表示方法对映异构体的手性碳原子具有四面体结构，为了准确直观地表示分子的构型，可采用分子模型的图形（球棒式）来表示。另外还可在纸面上书写楔形透视式、锯架式、Newman投影式来表示对映异构体的立体结构式。楔形透视式较为接近所要表示的分子的立体形状，比较直观，但书写很不方便；锯架式和Newman投影式较能确切地表示出两个直接相连的碳原子上的各个基团在空间的相对位置，但不适宜于表示含有多个手性碳原子化合物的构型。下面介绍的Fischer(费歇尔)投影式是一种较为简单适用的表示方法。以乳酸为例，用分子模型来说明Fischer投影式的表示方法。两种乳酸分子的模型图和Fischer投影式如图6-4所示。将乳酸分子模型中横键上的两个基团朝前，竖键上的两个基团朝后，这样摆放的分子模型投影到平面上，用“+”字交叉线表示，“+”字交叉点代表手性碳原子。这样的投影式即为Fischer投影式。图6-4乳酸分子模型图和Fischer投影式Fischer投影式书写有如下规定：(1)横键表示该键伸向纸平面前方，竖键表示伸向纸平面后方，即横前竖后；(2)通常情况下，将碳链放在竖键上，并且1号碳原子始终在竖键的最上端；(3)横、竖两条直线的交叉点代表手性碳原子，位于纸平面上，手性碳原子可以写出来，也可以不写出来。用Fischer投影式表示对映异构体，最方便之处就是将分子的三维立体模型转化为二维的平面图形。但使用Fischer投影式时应遵守有关规则，即“横键朝前，竖键朝后”。违背了这一规则，构型就要改变。例如：Fischer投影式可以在纸面上旋转180°，因为这样操作并不会改变基团的前后关系。但不能在纸面上旋转90°或270°，也不能离开纸面翻转180°，因为这样正好变成“竖键朝前，横键朝后”，构型就要改变，得到的是它的对映体或镜像。任意对调两个基团的位置，对调偶数次构型不变，对调奇数次则为原构型的对映体。构型表示法的互换Fischer投影式、楔形透视式、锯架式和Newman投影式都可用来表示分子的立体构型，而且各种表示式之间可以相互转换。如：这里需要指出，与Fischer投影式等价的楔形透视式、锯架式、Newman投影式都是重叠式构象。要将楔形式、锯架式、Newman式的交叉式构象转换为Fischer投影式，必须先将其变成重叠式构象后再进行转换，即交叉式→重叠式→Fischer投影式。交叉式转换成重叠式，虽然构象发生了改变，但构型保持不变。构型的标记一对对映异构体具有不同的构型，不同的旋光方向。可以用互为镜像的两个Fischer投影式来表示，其中一个代表右旋体，另一个代表左旋体。右旋体或左旋体可以通过旋光仪测出。但是旋光方向与构型之间没有必然联系，对于对映异构体的构型，则常用D/L标记法和R/S标记法表示。1.D/L标记法D/L构型标记法是相对构型标记法。在1951年以前，还没有适当的方法测定旋光性物质的绝对构型，只能采用相对构型来表示化合物之间的构型关联。相对构型标记法是以甘油醛的构型为参照标准来进行标记的。Fischer指定（+）-甘油醛的投影式是-CHO在手性碳原子上方，–CH2OH在下方，–OH在右，–H在左，构型用D标记；而它的对映体（－）-甘油醛的投影式则是–CHO在手性碳原子上方，–CH2OH在下方，–OH在左，–H在右，构型用L标记。因此，右旋甘油醛为D-（+）-甘油醛，它的对映体左旋甘油醛为L-（－）-甘油醛。D是希腊文Dextro的字首，意为“右”；L是希腊文Leavo的字首，意为“左”。其他化合物的构型一般是用通过化学反应与甘油醛相关联或相对照的方法来确定。即将未知构型的化合物，经过某些化学反应转化成甘油醛，或者由甘油醛转化成未知构型的化合物。在这些化学转化中，一般是利用反应过程中与手性碳原子直接相连的键不发生断裂的反应，以保证手性碳原子的构型不发生变化。凡是通过化学反应与D-甘油醛相关的化合物，定义为D型；而通过化学反应与L-甘油醛相关的化合物，定义为L型。例如：上式列出的各个反应都不涉及手性碳原子键的断裂，通过这些转化，可以确定左旋乳酸具有与右旋甘油醛相同的构型，所以左旋乳酸为D型。即在左旋乳酸的投影式中也是羟基在手性碳原子的右边，氢原子在左边。通过这样的化学方法确定的各种旋光化合物的构型，是以甘油醛人为指定的构型为标准的，因此都是相对构型。1951年，J.M.Bijvoet用X射线单晶衍射仪成功地测定了（+）-酒石酸钠铵的绝对构型，然后根据甘油醛与酒石酸构型之间的关系证实了D-甘油醛是右旋的，L-甘油醛是左旋的。这与原来人为确定的相对构型正好相吻合。D/L构型标记法有一定的局限性，D/L构型标记法是与化学反应相关联的，许多手性化合物难以通过化学反应与甘油醛发生直接或间接的联系，而且这种标记只能表示分子中一个手性碳原子的构型，对于含有多个手性碳原子的化合物，这种标记法不能将每个手性碳原子的构型都表示出来。但是目前在氨基酸和糖类等天然化合物的命名中仍采用这种标记法。2.R/S标记法有机化合物的绝对构型是指分子中各个原子或基团在空间排列的真实情况。1970年国际上根据IUPAC的建议，手性化合物的绝对构型采用R/S构型标记法。R/S标记法是基于手性碳原子所连的四个原子或基团在空间的真实排列来标记的。R/S标记法的规则如下：(1)首先将手性碳原子所连的四个基团（a,b,c,d）按“次序规则”的优先次序排序（参见2.1）。另外，当手性碳原子连接的原子团中有互为立体异构时，Z式优先于E式，R型优先于S型。(2)若a,b,c,d四个基团的优先次序为a>b>c>d，把排序最小的基团d放在离观察者眼睛最远的位置，观察其余三个基团由a→b→c的顺序，若是顺时针方向，则其构型为R（R是拉丁文Rectus的字头，是右的意思），若是逆时针方向，则构型为S（Sinister，左的意思）。确定R/S的方法如图6-5所示。R构型S构型图6-5确定R/S构型的方法以乳酸为例，先将手性碳原子的四个基团排序，它们的先后次序是：OH＞COOH＞CH３＞H，因此乳酸的构型可分别识别和标记如下：R/S标记法也可直接应用于Fischer投影式。判断Fischer投影式构型的方法是：(1)当最小基团d位于竖键上，表示最小基团在纸面后，观察者从前面看，若其余三个基团由a→b→c为顺时针方向排列的，则手性碳原子构型为R型；如果是逆时针方向排列的，则构型为S型。(2)当最小基团d位于横键上，表示最小基团在纸面前，观察者从前面看，此时最小基团离目视者最近，结论正好相反。若其余三个基团由a→b→c为顺时针方向排列的，则手性碳原子构型为S型；如果是逆时针方向排列的，则构型为R型。例如：含两个以上手性碳原子的化合物的构型标记，虽然楔形透视式、锯架式、Newman投影式用同样的R/S标记规则也可以进行标记，但如果没有建立起足够的空间概念，往往容易出错。如果先将其转化为Fischer投影式（参见6.2.2），就可以将三维立体标记简化为二维平面标记。命名时应对每一个手性碳原子逐一进行R、S标记，同时要注明各标记的是哪一个手性碳原子。例如：这里需要强调两点，一是D/L和R/