構(gòu)型判斷法在有機化學教學中應用
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[摘要]手性碳原子的構(gòu)型判斷是有機化學課程教學中非常重要的內(nèi)容之一。以往的構(gòu)型判斷方法在實際運用中面臨著需要精準的記憶和較好的空間想象力、操作復雜、容易出錯等困難，學生往往難以掌握。針對以上問題，本文介紹了“螺旋定則”構(gòu)型判斷法及其在有機化學教學中的應用和實踐。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)果顯示該方法簡潔易懂、不易出錯，更容易被學生理解和掌握。
[關鍵詞]有機化學；手性化合物；構(gòu)型判斷；螺旋定則；教學方法
有機化合物的同分異構(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)又分為順反異構(gòu)和對映異構(gòu)。在大學本科有機化學課程的教學活動中，對映異構(gòu)是一個非常重要的部分，其中關于手性碳原子構(gòu)型的判斷與標記是教學的重點和難點之一，尤其在涉及到以不同結(jié)構(gòu)表達式，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，學生更加容易產(chǎn)生混亂，從而造成對手性碳原子構(gòu)型的誤判。針對這個教學難題，筆者查閱了不同的教材和資料，對比了多種關于手性碳原子構(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)型判斷法最為簡單有效。筆者將該方法應用到了有機化學教學中，發(fā)現(xiàn)該方法容易被學生理解和掌握，并取得了良好的教學效果。
1手性碳原子構(gòu)型判斷教學難點分析
關于手性碳原子構(gòu)型的標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不同基團的優(yōu)先次序為基礎，將最小的基團放置在距離觀察者最遠的位置，然后按照優(yōu)先次序由大到小的順序觀察其余三個不同的取代基團，當排列方向為順時針時手性碳原子的構(gòu)型為R構(gòu)型，當排列方向為逆時針時手性碳原子的構(gòu)型為S構(gòu)型，而當最小基團處于其它方向時的判斷則較為復雜。為了更為簡便的對手性碳原子的構(gòu)型進行判定，“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，但都需要將基團排列時的順時針和逆時針方向與手性碳原子的R、S構(gòu)型之間建立起聯(lián)系，對于一些最小基團處于靠近觀察者一方的情況，仍需記憶順時針排列對應S構(gòu)型而逆時針排列對應R構(gòu)型的規(guī)定。此外，對于不同的構(gòu)型表達式之間還需進行轉(zhuǎn)換后方可進行構(gòu)型判斷。因此，手性碳原子構(gòu)型的準確判斷不是一件容易的事情，往往面臨著需要精準的記憶和較好的空間想象力、操作復雜、容易出錯等困難。在對課堂教學效果的反饋中，學生也普遍表示這部分知識點掌握起來雖然不是非常困難但容易混亂出錯。針對上述問題，筆者將中學物理中用于判斷通電螺線管中磁場方向的“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”。教學實踐證明，該方法具有簡單、靈活、準確、普適性好等優(yōu)點，不僅能方便的應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、乙基四個不同的基團。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)中其余三個基團次序由大到小為順時針排列，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基團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。對于圖1-(c)而言，同樣為(R)-2-溴丁烷，只是在書寫時將氫原子放置在距離觀察者最近處(紙面外)，CIP規(guī)則規(guī)定此時其余三個基團逆時針排列為R構(gòu)型，這與最小基團距離觀察者最遠時的情況相反，學生會造成記憶混亂，而使用“螺旋定則法”進行判斷時依然只有右手能夠做到自然彎曲時四指方向與三個基團的排列方向一致，因此不會出現(xiàn)因記憶混亂造成錯誤判斷。對于含有多個手性碳原子的化合物，“螺旋定則法”依然可以很好的進行構(gòu)型判斷。例如，2,3-二溴丁烷分子中含有兩個相同的手性碳原子，擁有3個旋光異構(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基團按照優(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鍵的，中間以圓圈隔離。對于前方的2號手性碳原子而言，大拇指指向圖3-(b)中C*-H鍵所在的方向，其余三個基團的優(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。而對于后方的3號手性碳原子而言，大拇指指向C*-H鍵所在的方向，其余三個基團的優(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”的書寫規(guī)則，在如圖3-(c)的分子中，對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號手性碳原子的構(gòu)型為S構(gòu)型。同理，可判斷下方3號手性碳原子亦為S構(gòu)型。如圖3-(d)，若將氫原子書寫在豎鍵上，此時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。對于Fischer投影式中手性碳原子構(gòu)型的判斷來說，“螺旋定則法”既可以讓學生避免記憶當最小基團位于豎鍵上時，其余三個基團按照優(yōu)先次序排列順時針為R而逆時針為S構(gòu)型，而當最小基團位于橫鍵上時其余三個基團按照優(yōu)先次序排列逆時針為R而順時針為S構(gòu)型，也可以免除不同結(jié)構(gòu)表達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)換中的錯誤，更加有利于手性碳原子構(gòu)型的精準、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，假如選擇左側(cè)，則4號碳原子上乙基為優(yōu)先次序最小基團并且指向紙面外，2號碳原子上溴原子為最優(yōu)基團，甲基為次優(yōu)基團，4號碳原子上溴原子為第三順位基團，除優(yōu)先次序最小基團外的其余三個基團由大到小的排列順序為順時針，因此為S構(gòu)型[5]。采用“螺旋定則”判斷法時，將左手大拇指指向4號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基團按照優(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，螺旋為順時針為R構(gòu)型，螺旋為逆時針為S構(gòu)型。采用“螺旋定則”判斷法時，將大拇指指向遠離觀察者的苯環(huán)并以此為起點，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教學效果反饋
我們通過對照實驗法將“螺旋定則”構(gòu)型判斷法對教學效果的影響進行了定性和定量評估。定量評估方面：我們選擇相同專業(yè)的兩個平行班級作為對照組進行了教學效果對比，其中一班35人，二班36人。一班首先進行CIP構(gòu)型判斷法講解，而后通過10道難易程度相近的題目對學習效果進行測驗，結(jié)果顯示能夠答對6道以上題目的學生為26人，及格率為74.3%。二班首先進行“螺旋定則”構(gòu)型判斷法的講解，而后進行相同的測驗，結(jié)果顯示能夠答對6道以上題目的學生為31人，及格率為86.1%。通過對兩種方法進行全面學習后，兩個班級的及格率都能達到97%以上(圖5)。定性評估方面：通過課后與學生交流，學生普遍反饋“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)型判斷是有機化學課程教學中的重點和難點內(nèi)容之一。學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，面臨著操作復雜、需要較好的空間想象力等困難，往往容易出錯。本文介紹了“螺旋定則”構(gòu)型判斷法及其在有機化學教學中的應用和實踐經(jīng)驗。教學實踐結(jié)果表明，該方法對于以不同結(jié)構(gòu)表達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潔易懂，形象直觀，容易理解和掌握。
作者:邵長棟 張亭亭 馬奎蓉 蔣正靜 單位:淮陰師范學院化學化工學院