构型判断法在有机化学教学中应用

前言：想要写出一篇引人入胜的文章？我们特意为您整理了构型判断法在有机化学教学中应用范文，希望能给你带来灵感和参考，敬请阅读。

[摘要]手性碳原子的构型判断是有机化学课程教学中非常重要的内容之一。以往的构型判断方法在实际运用中面临着需要精准的记忆和较好的空间想象力、操作复杂、容易出错等困难，学生往往难以掌握。针对以上问题，本文介绍了“螺旋定则”构型判断法及其在有机化学教学中的应用和实践。该方法不仅适用于以楔形透视式、锯架透视式、Newman投影式、Fischer投影式所表示的化合物中手性碳原子的构型判断，也可以推广至含有其它手性因素化合物的构型判断中。调研结果显示该方法简洁易懂、不易出错，更容易被学生理解和掌握。

[关键词]有机化学；手性化合物；构型判断；螺旋定则；教学方法

有机化合物的同分异构现象主要包括构造异构、构型异构和构象异构，其中构型异构又分为顺反异构和对映异构。在大学本科有机化学课程的教学活动中，对映异构是一个非常重要的部分，其中关于手性碳原子构型的判断与标记是教学的重点和难点之一，尤其在涉及到以不同结构表达式，如楔形透视式、锯架透视式、Newman投影式、Fischer投影式表示的化合物中手性碳原子的构型判断时，学生更加容易产生混乱，从而造成对手性碳原子构型的误判。针对这个教学难题，笔者查阅了不同的教材和资料，对比了多种关于手性碳原子构型的判断方法，发现以左右手为模型的“螺旋定则”构型判断法最为简单有效。笔者将该方法应用到了有机化学教学中，发现该方法容易被学生理解和掌握，并取得了良好的教学效果。

1手性碳原子构型判断教学难点分析

关于手性碳原子构型的标记方法目前广泛采用RobertS.Cahn，ChristopherIngold，VladimirPrelog等人提出的CIP判断法[1]。该方法以连接手性碳原子的四个不同基团的优先次序为基础，将最小的基团放置在距离观察者最远的位置，然后按照优先次序由大到小的顺序观察其余三个不同的取代基团，当排列方向为顺时针时手性碳原子的构型为R构型，当排列方向为逆时针时手性碳原子的构型为S构型，而当最小基团处于其它方向时的判断则较为复杂。为了更为简便的对手性碳原子的构型进行判定，“手腕规则法”、“手模型法”、“弧向法”、“口诀法”等一系列基于CIP规则的辅助判断方法被提出[2-3]。虽然这些方法各有特点，但都需要将基团排列时的顺时针和逆时针方向与手性碳原子的R、S构型之间建立起联系，对于一些最小基团处于靠近观察者一方的情况，仍需记忆顺时针排列对应S构型而逆时针排列对应R构型的规定。此外，对于不同的构型表达式之间还需进行转换后方可进行构型判断。因此，手性碳原子构型的准确判断不是一件容易的事情，往往面临着需要精准的记忆和较好的空间想象力、操作复杂、容易出错等困难。在对课堂教学效果的反馈中，学生也普遍表示这部分知识点掌握起来虽然不是非常困难但容易混乱出错。针对上述问题，笔者将中学物理中用于判断通电螺线管中磁场方向的“右手螺旋定则”引入到了手性碳原子构型的判断中并加以拓展，形成了手性碳原子构型判断的“螺旋定则法”。教学实践证明，该方法具有简单、灵活、准确、普适性好等优点，不仅能方便的应用于以透视式和投影式表示的化合物中手性碳原子的构型判断，对含有手性轴以及手性面等手性因素的化合物的构型判断同样适用。

2“螺旋定则”构型判断法介绍

我们以2-溴丁烷为例介绍“螺旋定则法”法是如何判断手性碳原子构型的。2-溴丁烷分子中2号碳原子为手性碳原子，上面分别连接了氢原子、溴原子、甲基、乙基四个不同的基团。根据次序规则，优先次序依次为溴原子＞乙基＞甲基＞氢原子，按照CIP规则，将氢原子放置在距离观察者最远处(纸面内)，则图1-(a)以楔形透视式表示的分子结构中其余三个基团次序由大到小为顺时针排列，图1-(a)表示(R)-2-溴丁烷。现将右手大拇指沿着C*-H键方向指向纸面后，其余四指自然弯曲，发现右手螺旋方向与其余三个基团由大到小的排列方向恰好吻合。因此，右手可用于判断R构型。同理，图1-(b)所示的分子可用左手加以判断，为(S)-2-溴丁烷。对于图1-(c)而言，同样为(R)-2-溴丁烷，只是在书写时将氢原子放置在距离观察者最近处(纸面外)，CIP规则规定此时其余三个基团逆时针排列为R构型，这与最小基团距离观察者最远时的情况相反，学生会造成记忆混乱，而使用“螺旋定则法”进行判断时依然只有右手能够做到自然弯曲时四指方向与三个基团的排列方向一致，因此不会出现因记忆混乱造成错误判断。对于含有多个手性碳原子的化合物，“螺旋定则法”依然可以很好的进行构型判断。例如，2,3-二溴丁烷分子中含有两个相同的手性碳原子，拥有3个旋光异构体，即图2所示的(2R,3R)-2,3-二溴丁烷、(2S,3S)-2,3-二溴丁烷、(2R,3S)-2,3-二溴丁烷。对于楔形透视式中手性碳原子构型的判断方法如上所述，将右手大拇指指向图2-(a)中C*—H键所在的方向，其余四指的自然弯曲方向与剩余三个基团按照优先次序排列方向相同，因此图2-(a)所示为(2R,3R)-2,3-二溴丁烷。同理，可以判断图2-(b)为(2S,3S)-2,3-二溴丁烷，图2-(c)为(2R,3S)-2,3-二溴丁烷。图3所示为(2S,3S)-2,3-二溴丁烷分子的锯架透视式、Newman投影式和Fischer投影式。对于锯架透视式中手性碳原子的构型判断方法与楔形透视式相差无几。Newman投影式是以交叉的三根线表示位于前、后方的碳原子及其共价键的，中间以圆圈隔离。对于前方的2号手性碳原子而言，大拇指指向图3-(b)中C*-H键所在的方向，其余三个基团的优先次序依次为溴原子、后方的手性碳原子、甲基，这样的次序递减方向与左手四指的自然弯曲方向一致，故而为S构型。而对于后方的3号手性碳原子而言，大拇指指向C*-H键所在的方向，其余三个基团的优先次序依次为溴原子、前方的手性碳原子、甲基，这样的次序递减方向也与左手四指的自然弯曲方向一致，故而也为S构型。就Fischer投影式而言，遵循“横前竖后”的书写规则，在如图3-(c)的分子中，对于上方的手性碳原子而言，将大拇指指向C*-H键所在的纸面外，其余三基团的优先次序依次为溴原子＞下方手性碳原子＞上方甲基，左手自然弯曲可以表示该排列方向，因此，2号手性碳原子的构型为S构型。同理，可判断下方3号手性碳原子亦为S构型。如图3-(d)，若将氢原子书写在竖键上，此时将大拇指指向纸面内，其余判定方法一致，亦可判断该化合物为(2S,3S)-2,3-二溴丁烷。对于Fischer投影式中手性碳原子构型的判断来说，“螺旋定则法”既可以让学生避免记忆当最小基团位于竖键上时，其余三个基团按照优先次序排列顺时针为R而逆时针为S构型，而当最小基团位于横键上时其余三个基团按照优先次序排列逆时针为R而顺时针为S构型，也可以免除不同结构表达式之间繁杂的相互转换[4]，从而避免记忆上的混淆和转换中的错误，更加有利于手性碳原子构型的精准、快速判断。

3“螺旋定则”构型判断法推广

“螺旋定则”构型判断法除了能处理上述含有手性中心的化合物以外，还能拓展到含有手性轴和手性面的化合物构型的判断中。如图4所示，对于丙二烯型化合物(a)，通常的判断方法为：以化合物一侧作为观察点，假如选择左侧，则4号碳原子上乙基为优先次序最小基团并且指向纸面外，2号碳原子上溴原子为最优基团，甲基为次优基团，4号碳原子上溴原子为第三顺位基团，除优先次序最小基团外的其余三个基团由大到小的排列顺序为顺时针，因此为S构型[5]。采用“螺旋定则”判断法时，将左手大拇指指向4号手性碳原子和乙基的方向，其余四指自然弯曲方向与另外三个基团按照优先顺序的排列方向一致，故为S构型。同理可以判断螺环型化合物(b)为R构型，联苯型化合物(c)为S构型。对于含有手性面的螺旋烃类化合物(d)而言，规定沿着旋转轴方向观察，螺旋为顺时针为R构型，螺旋为逆时针为S构型。采用“螺旋定则”判断法时，将大拇指指向远离观察者的苯环并以此为起点，螺旋烃的延伸方向与右手的自然弯曲方向相同，也能够快速判断出该化合物为R构型。

4教学效果反馈

我们通过对照实验法将“螺旋定则”构型判断法对教学效果的影响进行了定性和定量评估。定量评估方面：我们选择相同专业的两个平行班级作为对照组进行了教学效果对比，其中一班35人，二班36人。一班首先进行CIP构型判断法讲解，而后通过10道难易程度相近的题目对学习效果进行测验，结果显示能够答对6道以上题目的学生为26人，及格率为74.3%。二班首先进行“螺旋定则”构型判断法的讲解，而后进行相同的测验，结果显示能够答对6道以上题目的学生为31人，及格率为86.1%。通过对两种方法进行全面学习后，两个班级的及格率都能达到97%以上(图5)。定性评估方面：通过课后与学生交流，学生普遍反馈“螺旋定则”构型判断法更加形象直观，容易理解和掌握。

5结论

手性碳原子的构型判断是有机化学课程教学中的重点和难点内容之一。学生在判断以楔形透视式、锯架透视式、Newman投影式、Fischer投影式表示的手性化合物中手性碳原子的构型时，面临着操作复杂、需要较好的空间想象力等困难，往往容易出错。本文介绍了“螺旋定则”构型判断法及其在有机化学教学中的应用和实践经验。教学实践结果表明，该方法对于以不同结构表达式表示的手性化合物中手性碳原子的构型判断都能适用，也可推广至含有其它手性因素化合物的构型判断中。定性、定量调研结果表明该方法更加简洁易懂，形象直观，容易理解和掌握。

作者:邵长栋 张亭亭 马奎蓉 蒋正静 单位:淮阴师范学院化学化工学院