1、1有机化合物分子的四种立体结构式及其关联写法湘乡四中 成润辉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
2、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 2Fischer 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。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
3、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。1.2Newman 投影式的写法如图 2 所示：将模型垂直于纸平面放置得到，在中 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，3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 120
4、0 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。 CHOHHCH2OHOHOH CHOHHCH2OHOHOH1234 4321 CHOHH OHOHCH2OH 1234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： CHOHOHCH2OCHOHHCH2OOHOH1234 OH1234图 3 锯架式的写法
5、 14将模型中的小球去掉，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。也可按下列方法写出： CHOH OHCH2OHOHH1234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、C 2、C 3、C 4 用实线相连表示在纸平面之上，在纸平面之前的基
6、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。 CHOOHHHOHOCH2 23443 21 OHHOHOCH2 CHO1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5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CHOOHHCH2O CHOHOHHHOC2 CH2OOHH2341 221 1O3 34 4CHOHHOHHCH2O1234C2 -3180CH2OOHH21O34上上上上上 上上上上上图 6 由 Fischer 投影式写 Newman
7、投影式眼睛从 C3 由下向上看，C 3、C 2 以及 C3、C 2 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、C 3 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6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： C
8、HOOHHCH2O OHOHHHCHCH290上上上上上上 CHOCH2OHHOO 上上上上上上上90OHHOHOC2 CHO OHHOHOC2 CHO上C2 _3上上上上1801 234 432 1上上上上上 上上上上上图 7 由 Fischer 投影式写楔形式2.3 由 Fischer 投影式写锯架式CHOOHHCH2O CHOHOHHHOC22341 2134 HOCH2CHOOHOHH450 1234上1上 上2上 上3上HOCH2CHOOHOHHHHOCH2CHOOHHHHO4321 1234上上 上5上180上上上上上 上上上上上图 8 由 Fischer 投影式写锯架式将 Fis
9、cher 投影式（ 1）根据竖向后、横向前的基本规定写出模7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CHOHHOHHCH2O1234 CHOOHHHHO1234(1) (2)CH2O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
10、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、C 3 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。CHOHHOHHCH2O1234(1) (2)CH2OCHOOHHHH1234上上 上 上 OHHOHOC2 CHO243 1(3)图 10 Newman 投影式与楔形式之间的互写82.6 由其他式子写 Fischer 投影式由其它式子写 Fischer 投影式只要抓住 Fis
11、cher 投影式竖向后、横向前的基本规定就很容易了。例 1：CHOOHHCH2O2341CH2OCHOOHOHHH4321上1上 上2上 CH2OOHH21O34上3上图 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、C 4 在下（后） ，C 2、C 3 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： CHOOHOHHHCH2OOHOHHHCHCH2OHHOHHOCH2 CHO134 2(1) () (3)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 9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。
