構(gòu)型判斷法在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中應(yīng)用
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[摘要]手性碳原子的構(gòu)型判斷是有機(jī)化學(xué)課程教學(xué)中非常重要的內(nèi)容之一。以往的構(gòu)型判斷方法在實(shí)際運(yùn)用中面臨著需要精準(zhǔn)的記憶和較好的空間想象力、操作復(fù)雜、容易出錯(cuò)等困難，學(xué)生往往難以掌握。針對(duì)以上問(wèn)題，本文介紹了“螺旋定則”構(gòu)型判斷法及其在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用和實(shí)踐。該方法不僅適用于以楔形透視式、鋸架透視式、Newman投影式、Fischer投影式所表示的化合物中手性碳原子的構(gòu)型判斷，也可以推廣至含有其它手性因素化合物的構(gòu)型判斷中。調(diào)研結(jié)果顯示該方法簡(jiǎn)潔易懂、不易出錯(cuò)，更容易被學(xué)生理解和掌握。
[關(guān)鍵詞]有機(jī)化學(xué)；手性化合物；構(gòu)型判斷；螺旋定則；教學(xué)方法
有機(jī)化合物的同分異構(gòu)現(xiàn)象主要包括構(gòu)造異構(gòu)、構(gòu)型異構(gòu)和構(gòu)象異構(gòu)，其中構(gòu)型異構(gòu)又分為順?lè)串悩?gòu)和對(duì)映異構(gòu)。在大學(xué)本科有機(jī)化學(xué)課程的教學(xué)活動(dòng)中，對(duì)映異構(gòu)是一個(gè)非常重要的部分，其中關(guān)于手性碳原子構(gòu)型的判斷與標(biāo)記是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一，尤其在涉及到以不同結(jié)構(gòu)表達(dá)式，如楔形透視式、鋸架透視式、Newman投影式、Fischer投影式表示的化合物中手性碳原子的構(gòu)型判斷時(shí)，學(xué)生更加容易產(chǎn)生混亂，從而造成對(duì)手性碳原子構(gòu)型的誤判。針對(duì)這個(gè)教學(xué)難題，筆者查閱了不同的教材和資料，對(duì)比了多種關(guān)于手性碳原子構(gòu)型的判斷方法，發(fā)現(xiàn)以左右手為模型的“螺旋定則”構(gòu)型判斷法最為簡(jiǎn)單有效。筆者將該方法應(yīng)用到了有機(jī)化學(xué)教學(xué)中，發(fā)現(xiàn)該方法容易被學(xué)生理解和掌握，并取得了良好的教學(xué)效果。
1手性碳原子構(gòu)型判斷教學(xué)難點(diǎn)分析
關(guān)于手性碳原子構(gòu)型的標(biāo)記方法目前廣泛采用RobertS.Cahn，ChristopherIngold，VladimirPrelog等人提出的CIP判斷法[1]。該方法以連接手性碳原子的四個(gè)不同基團(tuán)的優(yōu)先次序?yàn)榛A(chǔ)，將最小的基團(tuán)放置在距離觀察者最遠(yuǎn)的位置，然后按照優(yōu)先次序由大到小的順序觀察其余三個(gè)不同的取代基團(tuán)，當(dāng)排列方向?yàn)轫槙r(shí)針時(shí)手性碳原子的構(gòu)型為R構(gòu)型，當(dāng)排列方向?yàn)槟鏁r(shí)針時(shí)手性碳原子的構(gòu)型為S構(gòu)型，而當(dāng)最小基團(tuán)處于其它方向時(shí)的判斷則較為復(fù)雜。為了更為簡(jiǎn)便的對(duì)手性碳原子的構(gòu)型進(jìn)行判定，“手腕規(guī)則法”、“手模型法”、“弧向法”、“口訣法”等一系列基于CIP規(guī)則的輔助判斷方法被提出[2-3]。雖然這些方法各有特點(diǎn)，但都需要將基團(tuán)排列時(shí)的順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较蚺c手性碳原子的R、S構(gòu)型之間建立起聯(lián)系，對(duì)于一些最小基團(tuán)處于靠近觀察者一方的情況，仍需記憶順時(shí)針排列對(duì)應(yīng)S構(gòu)型而逆時(shí)針排列對(duì)應(yīng)R構(gòu)型的規(guī)定。此外，對(duì)于不同的構(gòu)型表達(dá)式之間還需進(jìn)行轉(zhuǎn)換后方可進(jìn)行構(gòu)型判斷。因此，手性碳原子構(gòu)型的準(zhǔn)確判斷不是一件容易的事情，往往面臨著需要精準(zhǔn)的記憶和較好的空間想象力、操作復(fù)雜、容易出錯(cuò)等困難。在對(duì)課堂教學(xué)效果的反饋中，學(xué)生也普遍表示這部分知識(shí)點(diǎn)掌握起來(lái)雖然不是非常困難但容易混亂出錯(cuò)。針對(duì)上述問(wèn)題，筆者將中學(xué)物理中用于判斷通電螺線管中磁場(chǎng)方向的“右手螺旋定則”引入到了手性碳原子構(gòu)型的判斷中并加以拓展，形成了手性碳原子構(gòu)型判斷的“螺旋定則法”。教學(xué)實(shí)踐證明，該方法具有簡(jiǎn)單、靈活、準(zhǔn)確、普適性好等優(yōu)點(diǎn)，不僅能方便的應(yīng)用于以透視式和投影式表示的化合物中手性碳原子的構(gòu)型判斷，對(duì)含有手性軸以及手性面等手性因素的化合物的構(gòu)型判斷同樣適用。
2“螺旋定則”構(gòu)型判斷法介紹
我們以2-溴丁烷為例介紹“螺旋定則法”法是如何判斷手性碳原子構(gòu)型的。2-溴丁烷分子中2號(hào)碳原子為手性碳原子，上面分別連接了氫原子、溴原子、甲基、乙基四個(gè)不同的基團(tuán)。根據(jù)次序規(guī)則，優(yōu)先次序依次為溴原子＞乙基＞甲基＞氫原子，按照CIP規(guī)則，將氫原子放置在距離觀察者最遠(yuǎn)處(紙面內(nèi))，則圖1-(a)以楔形透視式表示的分子結(jié)構(gòu)中其余三個(gè)基團(tuán)次序由大到小為順時(shí)針排列，圖1-(a)表示(R)-2-溴丁烷?，F(xiàn)將右手大拇指沿著C*-H鍵方向指向紙面后，其余四指自然彎曲，發(fā)現(xiàn)右手螺旋方向與其余三個(gè)基團(tuán)由大到小的排列方向恰好吻合。因此，右手可用于判斷R構(gòu)型。同理，圖1-(b)所示的分子可用左手加以判斷，為(S)-2-溴丁烷。對(duì)于圖1-(c)而言，同樣為(R)-2-溴丁烷，只是在書(shū)寫(xiě)時(shí)將氫原子放置在距離觀察者最近處(紙面外)，CIP規(guī)則規(guī)定此時(shí)其余三個(gè)基團(tuán)逆時(shí)針排列為R構(gòu)型，這與最小基團(tuán)距離觀察者最遠(yuǎn)時(shí)的情況相反，學(xué)生會(huì)造成記憶混亂，而使用“螺旋定則法”進(jìn)行判斷時(shí)依然只有右手能夠做到自然彎曲時(shí)四指方向與三個(gè)基團(tuán)的排列方向一致，因此不會(huì)出現(xiàn)因記憶混亂造成錯(cuò)誤判斷。對(duì)于含有多個(gè)手性碳原子的化合物，“螺旋定則法”依然可以很好的進(jìn)行構(gòu)型判斷。例如，2,3-二溴丁烷分子中含有兩個(gè)相同的手性碳原子，擁有3個(gè)旋光異構(gòu)體，即圖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。對(duì)于楔形透視式中手性碳原子構(gòu)型的判斷方法如上所述，將右手大拇指指向圖2-(a)中C*—H鍵所在的方向，其余四指的自然彎曲方向與剩余三個(gè)基團(tuán)按照優(yōu)先次序排列方向相同，因此圖2-(a)所示為(2R,3R)-2,3-二溴丁烷。同理，可以判斷圖2-(b)為(2S,3S)-2,3-二溴丁烷，圖2-(c)為(2R,3S)-2,3-二溴丁烷。圖3所示為(2S,3S)-2,3-二溴丁烷分子的鋸架透視式、Newman投影式和Fischer投影式。對(duì)于鋸架透視式中手性碳原子的構(gòu)型判斷方法與楔形透視式相差無(wú)幾。Newman投影式是以交叉的三根線表示位于前、后方的碳原子及其共價(jià)鍵的，中間以圓圈隔離。對(duì)于前方的2號(hào)手性碳原子而言，大拇指指向圖3-(b)中C*-H鍵所在的方向，其余三個(gè)基團(tuán)的優(yōu)先次序依次為溴原子、后方的手性碳原子、甲基，這樣的次序遞減方向與左手四指的自然彎曲方向一致，故而為S構(gòu)型。而對(duì)于后方的3號(hào)手性碳原子而言，大拇指指向C*-H鍵所在的方向，其余三個(gè)基團(tuán)的優(yōu)先次序依次為溴原子、前方的手性碳原子、甲基，這樣的次序遞減方向也與左手四指的自然彎曲方向一致，故而也為S構(gòu)型。就Fischer投影式而言，遵循“橫前豎后”的書(shū)寫(xiě)規(guī)則，在如圖3-(c)的分子中，對(duì)于上方的手性碳原子而言，將大拇指指向C*-H鍵所在的紙面外，其余三基團(tuán)的優(yōu)先次序依次為溴原子＞下方手性碳原子＞上方甲基，左手自然彎曲可以表示該排列方向，因此，2號(hào)手性碳原子的構(gòu)型為S構(gòu)型。同理，可判斷下方3號(hào)手性碳原子亦為S構(gòu)型。如圖3-(d)，若將氫原子書(shū)寫(xiě)在豎鍵上，此時(shí)將大拇指指向紙面內(nèi)，其余判定方法一致，亦可判斷該化合物為(2S,3S)-2,3-二溴丁烷。對(duì)于Fischer投影式中手性碳原子構(gòu)型的判斷來(lái)說(shuō)，“螺旋定則法”既可以讓學(xué)生避免記憶當(dāng)最小基團(tuán)位于豎鍵上時(shí)，其余三個(gè)基團(tuán)按照優(yōu)先次序排列順時(shí)針為R而逆時(shí)針為S構(gòu)型，而當(dāng)最小基團(tuán)位于橫鍵上時(shí)其余三個(gè)基團(tuán)按照優(yōu)先次序排列逆時(shí)針為R而順時(shí)針為S構(gòu)型，也可以免除不同結(jié)構(gòu)表達(dá)式之間繁雜的相互轉(zhuǎn)換[4]，從而避免記憶上的混淆和轉(zhuǎn)換中的錯(cuò)誤，更加有利于手性碳原子構(gòu)型的精準(zhǔn)、快速判斷。
3“螺旋定則”構(gòu)型判斷法推廣
“螺旋定則”構(gòu)型判斷法除了能處理上述含有手性中心的化合物以外，還能拓展到含有手性軸和手性面的化合物構(gòu)型的判斷中。如圖4所示，對(duì)于丙二烯型化合物(a)，通常的判斷方法為：以化合物一側(cè)作為觀察點(diǎn)，假如選擇左側(cè)，則4號(hào)碳原子上乙基為優(yōu)先次序最小基團(tuán)并且指向紙面外，2號(hào)碳原子上溴原子為最優(yōu)基團(tuán)，甲基為次優(yōu)基團(tuán)，4號(hào)碳原子上溴原子為第三順位基團(tuán)，除優(yōu)先次序最小基團(tuán)外的其余三個(gè)基團(tuán)由大到小的排列順序?yàn)轫槙r(shí)針，因此為S構(gòu)型[5]。采用“螺旋定則”判斷法時(shí)，將左手大拇指指向4號(hào)手性碳原子和乙基的方向，其余四指自然彎曲方向與另外三個(gè)基團(tuán)按照優(yōu)先順序的排列方向一致，故為S構(gòu)型。同理可以判斷螺環(huán)型化合物(b)為R構(gòu)型，聯(lián)苯型化合物(c)為S構(gòu)型。對(duì)于含有手性面的螺旋烴類化合物(d)而言，規(guī)定沿著旋轉(zhuǎn)軸方向觀察，螺旋為順時(shí)針為R構(gòu)型，螺旋為逆時(shí)針為S構(gòu)型。采用“螺旋定則”判斷法時(shí)，將大拇指指向遠(yuǎn)離觀察者的苯環(huán)并以此為起點(diǎn)，螺旋烴的延伸方向與右手的自然彎曲方向相同，也能夠快速判斷出該化合物為R構(gòu)型。
4教學(xué)效果反饋
我們通過(guò)對(duì)照實(shí)驗(yàn)法將“螺旋定則”構(gòu)型判斷法對(duì)教學(xué)效果的影響進(jìn)行了定性和定量評(píng)估。定量評(píng)估方面：我們選擇相同專業(yè)的兩個(gè)平行班級(jí)作為對(duì)照組進(jìn)行了教學(xué)效果對(duì)比，其中一班35人，二班36人。一班首先進(jìn)行CIP構(gòu)型判斷法講解，而后通過(guò)10道難易程度相近的題目對(duì)學(xué)習(xí)效果進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，結(jié)果顯示能夠答對(duì)6道以上題目的學(xué)生為26人，及格率為74.3%。二班首先進(jìn)行“螺旋定則”構(gòu)型判斷法的講解，而后進(jìn)行相同的測(cè)驗(yàn)，結(jié)果顯示能夠答對(duì)6道以上題目的學(xué)生為31人，及格率為86.1%。通過(guò)對(duì)兩種方法進(jìn)行全面學(xué)習(xí)后，兩個(gè)班級(jí)的及格率都能達(dá)到97%以上(圖5)。定性評(píng)估方面：通過(guò)課后與學(xué)生交流，學(xué)生普遍反饋“螺旋定則”構(gòu)型判斷法更加形象直觀，容易理解和掌握。
5結(jié)論
手性碳原子的構(gòu)型判斷是有機(jī)化學(xué)課程教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容之一。學(xué)生在判斷以楔形透視式、鋸架透視式、Newman投影式、Fischer投影式表示的手性化合物中手性碳原子的構(gòu)型時(shí)，面臨著操作復(fù)雜、需要較好的空間想象力等困難，往往容易出錯(cuò)。本文介紹了“螺旋定則”構(gòu)型判斷法及其在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明，該方法對(duì)于以不同結(jié)構(gòu)表達(dá)式表示的手性化合物中手性碳原子的構(gòu)型判斷都能適用，也可推廣至含有其它手性因素化合物的構(gòu)型判斷中。定性、定量調(diào)研結(jié)果表明該方法更加簡(jiǎn)潔易懂，形象直觀，容易理解和掌握。
作者:邵長(zhǎng)棟 張亭亭 馬奎蓉 蔣正靜 單位:淮陰師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院