立体化学的发展及几个立体化学概念的区分

立体化学的发展及几个立体化学概念的区分
范霍夫1874年提出的碳四面体理论，标志着立体化学的创立。

一百多年以来，该理论的基本观点一直是有机化学核心理论的一部分，它不仅奠定了立体化学以后发展的基础，而且对整个有机化学都具有深远的意义。

那么碳四面体理论是在怎样的化学背景下提出的?让我们回溯I9世纪后半叶的化学界。

构型的认识必须以构造的认识为基础，对于构造的认识表现为布特列洛夫的平面结构理论，构型认识正是在经典结构理论与新的实验事实的矛盾中应运而生的。

1861年布特列洛夫提出平面结构理论，布特洛夫认为，从原子在分子中相互联结的方式的概念到空间相对位置的概念，只剩下一步路，而且是必然的一步，促使这一步完成的直接原因是由于对旋光异构现象的研究。

19世纪中叶，在对乳酸的旋光异构体的研究中发现，乳酸旋光异构体的数目多于平面结构理论预见的异构体数。

乳酸异构体数成为平面结构理论无法解释的困难，这就促使化学家不得不考虑原子在空间的排列问题。

1874年，范霍夫与列贝尔分别独自提出了立体化学的基本思想使结构理论进人了新纪元。

范霍夫提出的碳四面体假说，使分子由平面扩展到空间，并且从而引出了对映异构体的概念，他还提出了不对称碳原子的概念，阐明了不对称原子与旋光性之间的关系，指出，可以根据结构和旋光性的关系推测有机化台物的结构式。

范霍夫还预见了一种新的异构体：几何异构体(顺反异构体)。

列贝尔的论文仅比范霍夫的晚两个月发表，他的论文不及范霍夫的影响大。

列贝尔没有采用四面体碳的概念，他根据纯粹的几何推理提出了两条推测溶液是否具有旋光性的规则。

范霍夫的理论是以承认原子的真实存在为基本前提的，他在《空间化学》一书中开宗明义地写道：“化学是关于原子的定律，而有机化学则是关于碳原子”，“现代化学有两个弱电，它既不研究原子在分子中的相对位置，也不研究原子的运动”。

碳四面体理论实际上是原子论必然的逻辑结果、正因为如此，范霍夫理论的反对者都是把理论攻击的目标指向它的理论基础原子论本身，而并不否认原子在空间的排列是原子论必然的逻辑结果。

一种观点认为，原子论只不过是有用的假说，是一种方便的数学工具，但它不具有物理真实性，分子的真实结构是不可知的。

另一种观点把原子真实性问题归于形而上学，例如开库勒写道；“原子存在与否的问题，从化学的观点看也无关紧要，这个讨论属于形而上学。

在化学中，我们只决定原子的假说是否是一个适应于解释化学现象的假说”。

对范霍夫理论进行争论的另一个焦点是范霍夫所采用的推理方法，这反映了两种方法论观念的冲突。

在1 9世纪的化学界，经验主义态度居于主导地位，这种方法论观念是坚决反对所谓“猜测哲学”的。

如范霍夫本人的老师帕楚斯·冯·克尔克霍夫就认为：“经验是真实知识的唯一来源，原子论也不能与经验的判决相违背。

我们不知道化学结合是如何发生，其中成分如何，我们与其沉溺于猜测的知识，还不如坦率地承认我们的无知。

”从这种观点出发，他反对范霍夫用原子在空间的不同排列解释异构体的尝试。

在德国，学术界曾经与黑格尔的自然哲学进行过长期的斗争，并取得了胜利，但对黑格尔的自然哲学仍然心有余悸，因此，有些化学家就把理论推理和猜测方
法的引入混同于黑格尔自然哲学卷土重来，并加以痛斥。

德国化学权威柯尔比就持这种看法。

他辛辣地嘲讽范霍夫：“一位雅·享·范霍夫博士，受雇于乌特勒支兽医学院，好象是对正当的化学研究不感兴趣，他认为更为方便的是乘上佩加苏斯(希腊神话中的飞马)(大概是从兽医学院借来的)，并且在他的《空间化学》中宣布，如何勇敢地飞到化学的帕纳苏斯(希腊山名)上，看到原子在空间的排列，完全是玩弄幻想，舍弃事实的根据，而且对头脑清楚的化学家是不可理解的；当代化学家的一个特性就是把自己放在解释一切的位置上，当他的知识不顶用时，就用超自然的解释”。

在克尔克霍夫和柯尔比看来，范霍夫大胆的理论猜测违反了经验主义的方法论观念，与精确科学的精神相左，因而完全是一种非科学的态度。

另一方面，范霍夫的理论也得到了一些化学家的热情支持。

德国化学家拜尔热情地评价说：“这是我们科学中又一个有价值的新思想，它将结出成熟的果实”。

给予范霍夫最有力支持的是威利森努斯，他长期从事乳酸研究，积累了大量实验事实，但是他在实验上和理论上都进了死胡同，范霍夫理论对乳酸异构体的出色解释使他疑团顿消，事实从模糊的迷雾中展现了真实的面貌。

威利森努斯在给范霍夫的信中写道：“你的理论使我十分快乐，我不但看到了你试图解释至今仍然未知的事实的天才，而且我相信它对我们的科学会产生划时代的作用”。

自1874年以后，分子式从纸面上竖起来了，新的理论不但要研究原子之间相互联结的次序和作用情况，而且表明它们在空间的相对位置，从此，化学结构的认识由“构造”进入丁“构型”阶段。

由平面一I-的原子到空间中的原子标志着人类对化学结构的认识向真实逼进了一大步。

与物理化学的发展导致了在化学中运用时间范畴相呼应，结构理论的发展导致了在化学中注意运用空间范畴，这就开创了空间化学结构和反应结构研究的广阔前景。

从此以后，化学家们可以根据分子的立体结构研究它的反应性、反应历程，设计合成途径。

在历史上，对结构理论的研究，历来分成两派：一派从亲和概念和相互作用出发；另一派则侧重于物质的几何特性。

这两种观点互相排斥、互相斗争、各执一端。

实际上相互作用方面和几何形式方面分别是结构问题的内容方面和形式方面，两者是辩证统一的。

范霍夫和列贝尔的化学结构概念的内涵不仅包括了这两个方面，而且以原子价为桥梁指出了化合物中原子的相互作用及其方式与原子的空间分布，几何形状是内在地联系在一起的，这样就在经典水平上，完成了结构认识两种观点的统一。

俄国化学家罗蒙诺索夫曾说过：“化学和物理学互相联结着，缺少这个，那个也就不完善”。

恩格斯也非常重视化学与物理学的交界部分，他说“正是在这种地方可以期待最大的成果”。

20世纪20年代以来，运用物理方法得到了分子的许多重要的量的特征、用现代电子照像、x射线和光谱分析的方法研究有机物分子中和结晶体中原子的几何形状，证明了立体化学观念的正确性。

构象分析的建立有两个基础，一是绕C—C单键旋转问题的研究，二是环状化合物平面结构的研究、光谱分析和电子照像方法的运用，偶极矩的量度，以及物质热容的测定，使经典有机化学关系复杂分子中原子围绕单键而自由转动的观念向精确化发展了电子衍射方法的使用，测定了环已烷的非平面结构，表明了环状化合物中的取代基在轴向位和平伏位的能量有差别。

这样，物理测量方法的使用为构象分析提供了实验依据。

随着化学知识的不断积累，有机化合物的知识尤其是甾族和萜类的知识与物
理化学的知识开始结合，这就造成了对理论的需求。

20世纪20年代，代尔夫特学派首先从事了对分子构象与威直活性关系的研究，他们所采用的方法与20多年后巴顿所采用的方法是类似的，但是他们却未能对立体化学产生巨大冲击以形成突破性进展，而是湮没无闻了。

拘象分析这一突破性进展是巴顿在1950年开创的，造成如此差别的原因就在于有无对理论的需求。

对20世纪20年代与50年代两次提出构象分析的历史情况进行仔细比较，可以看到，巴顿本人兼备物理化学和甾族、萜类两方面的知识，20世纪50年代构象分析一开始就用来解释甾族化合物和萜类。

甾族化合物具有重要的生理和医学价值，因而具有巨大的经济效率。

萜类化合物的新合成方法使萜类化学工业如香料工业不断壮大、1937、1938年两次诺贝尔化学奖都授于了萜类化合物的研究成果，1939年的诺贝尔化学奖授予了甾族性激素方面的研究。

甾族和萜类巨大的理论和实用价值吸引了大批研究者，研究中出现的问题迫切需要理论工具来加以解释。

这是20世纪50年代构象分析迅速被接受、运用并对立体化学形成巨大冲击的背景。

著名科学史学家贝尔纳在《历史上的科学》一书中写道：“除非经济活动把社会土壤准备好了去接受科学的种子，这些种子便不会播下，也不会生长。

”他以植物分类学的创始人林耐为倒：“假使他(指林耐)那时没有那么多急于找个什么办法来整理标本箱的园艺家和植物采集家，他的体系早就跟他本人一起湮没了”。

同样，如果不是有那么多甾族和萜类化学家急着从结构上解释化合物的反应性能，巴顿的天才火花只怕也是昙花一现。

正如巴顿自己所说：“我自己认为，理论只有当有大量化学家有使用它的需要时才被接受”。

总之可以说，构象分析是物理化学与有机化学相嫁接，并在实用研究的土壤上才结出的果实。

构象分析的提出对后来天然产物化学的发展具有深刻的影响。

很快，构象分析的概念被应用到几乎所有的有机化学和生物化学的各个分支。

20世纪50年代以后，用物理方法及化学方法证明构象和用构象来说明化学反应机理的论文多不胜数，许多过去不易理解的反应机理，一经分析，常能得到满意的说明，并且可以凭借构象推断反应历程。

应用这一新的立体化学概念，对脂环化台物来说，可以算是萨赫斯及奠尔无张力环学说以来的又一次划时代的进展、对整个立体化学界来说，是继范霍夫、列贝尔四面体碳理论来的第一次真正进展、巴顿和哈塞尔因此获1965年诺贝尔化学奖。

比较上述立体化学两次大突破，可以看到一些共同之处，首先，两次突破都是采用了新的研究方法而获得的，第一次是违反经验主义方法论观念，采用了理论推测的方法；第二次是突破了纯粹化学方法，采用了物理测量方法。

其次，两次突破的形成都有一个对理论强烈需求的条件，这是由于化学事实的积累造成的。

第一次是19世纪后半期大批化学家对异构体的研究，造或了对结构理论发展的要求；第二次是对天然化合物的研究，吸引了大批化学家，他们需要解释的工具。

这样的条件对于两次突破的形成都是至关重要的，它构成了对理论发展的直接推动因素，又为理论的接受准备了土壤。

立体化学是研究分子的立体结构和反应立体性及其应用的学科，自从范霍夫和列贝尔在1874年提出碳原子具有正四面体构型的概念以来，其发展迅速，已成为一门独立的科学[1-4]。

立体化学是高校应用化学、药物化学等本科专业的必
修课程，其基础性较强，影响着对有机化学、药物化学、有机合成等相关课程的学习效果。

在多年立体化学课程的教学过程中，笔者发现很多学生对于一些立体化学概念模糊不清，难以区分，因此很有必要对其进行辨析。

立体化学是有机化学的一个重要组成部分，是基础有机化学课程教学中的一个难点。

学生一般习惯于从宏观角度观察、认识问题，让他们改变思维模式，在头脑中建立起微观分子、原子团模拟的立体结构状态是非常困难的，相应地教学难度也大。

即使是基础较好、理解能力较强的学生，感觉到上课时听懂了，但面对问题却不能正确解答。

因此。

在教学过程中除了用准确、简洁明了的语言阐述教学内容外，还要将抽象、·426·深奥、复杂的问题技巧性处理，变得形象、直观、简单化，以减轻学生心理压力，使学生当场听懂、理解教学内容的同时，课后要能正确解答问题—一即有可操作性。

这显得非常重要。

1、D—L构型
DL命名规则是由近代糖化学之父E．Fisher在l9世纪末研究各种单糖的构型时提出的，用于表示对映体的方法，是最早D(+)。

甘油醛的立体化学符号。

后来为简便起见，选用右旋甘油醛作为标准比照物，人为规定右旋的甘油醛结构，即不对称碳原子所结合的氢原子的空间位置在Fischer投影式中处于主碳链的左边的构型为D构型，凡是具有此类结构的化合物，均称为D一构型，其对映体称为L一构型，因此右旋甘油醛可以写作D(+)一甘油醛。

Vickery等后来又对DL命名规则进行了补充修订，以左旋的丝氨酸作为氨基酸和羟基酸等化合物命名的比照物，规定左旋丝氨酸为L-丝氨酸。

但需要强调指出的是，DL构型只是一种人为规定的相对构型，与化合物的旋光方向无关。

见图1。

D—（＋）—甘油醛L—（－）—甘油醛L—（－）—丝氨酸
图1 D—L构型比照物甘油醛和丝氨酸
2、赤式一苏式与syn—anti构型
赤式(erythro)和苏式(threo)用于表示含两个手性中心的化合物的相对构型，这种名称来源于赤藓糖和苏阿糖。

当手性碳原子上两个相似的基团在Fischer投影式中处于主碳链的同侧的构型为赤式，而处于异出侧则是苏式。

见图2。

但是，赤式一苏式规命名规则存在很大局限性，因为链状分子是以锯齿构象存在，Fischer投影式不是其自然状态的构象。

如果以分子的真实构象来表示，则原来定位赤式的分子其手性碳上的两个取代基处于主链丽侧，而苏式的取代基在同一侧。

为克服这一命名上的局限性，德国的Seebach提出了syn—anti命名系统。

在分子的自然构象中，处于链的同侧的是syn构型，处于异侧的为anti结构。

见图3。

赤藓糖(赤式) 苏阿糖(苏式)
图2 赤藓糖和苏阿糖
图3 syn／anti构型
3、α—β构型
α—β构型主要用于表示糖类、甾体类化合物的构型。

将化合物的环状部分置于平面上，环上的取代基位于环的下侧时是α构型，而当取代基位于环的上侧时，则是β构型，如下列吡喃糖中，R是α构型，而乙酰基是β构型；在可的松中，三个甲基均为β构型，而氢原子和羟基在环所在平面下方，是α构型。

见图4。

图4 α—β构型
R，S构型命名法
用R／S构型命名法描述手性分子的绝对构型，是从三维空间揭示具有相同构造。

而构型不同的分子的立体形象，是学生学习的重点、难点，较难掌握。

要正确命名R／S构型，首先要理解Fischer投影式。

1．1 Fischer投影式
现以乳酸分子为例说明：下图中I是乳酸分子的结构简式，标*号的碳原子
是手性碳原子“C*”(连接四个互不相同的原子或基团)；II是一种乳酸分子的空间立体结构。

由于书写麻烦，特别是对结构复杂的分子就更难表达了，1891年Fischer提出了平面投影法[tl：将两个横键伸向纸平面前面，两个竖键伸向纸平面后面，光线从前向后投射，得到平面书写式Ⅲ；Ⅲ称为Fischer投影式，竖线和横线的交点是手性碳原子C*。

观察Fischer投影式时，无论在哪一个观察点。

一定要建立起横键上的原子或基团离开纸平面伸向纸前面(ep纸上面)，竖键上的原子或基团离开纸平面伸
向纸后面(ep纸下面)，简称“横前竖后”。

1．2 次序规则
“次序规则”(s~p,ence nde)是由C8Iul，IIlglod和Prelog从1951年开始提出，在60年代中期经过修改定型，又被称为C1P系统。

随后被IUPAC(]~际纯粹和应用化学联合会)采用，得到际上的普遍应用。

次序规则确定基团排列先后次序嗍：①比较直接与手性碳原子相连的原子的原子序数大小，原子序数相对大的基团为优先基团，小的排在后；若两个原子的原子序数相同，同位素原子以质量
较高者优先。

②若直接与手性碳原子相连的第一个原子相同．则比较与第一个原子相连的第二个原子的原子序数大小，若第二个原子仍相同，则比较第三个原子。

依次类推，直至确定出优先次序为止。

此为“外推法”。

③若基团中有重键．则视为两次或三次与相同原子连接。

④取代基互为对映异构体时，R—构型优于S 一构型；取代基互为顺／反异构体时，顺式优于反式。

1．3 R／S构型命名
3 R／S构型命名简化法分以下两个步骤：①将连于手性碳原子上的4个原子或基团按“次序规则”由大到小排列。

如乳酸中：一OH>一COOH>一CH3>一H(末优基团)；②从远离末优基团的一侧(即在H的对面)观察前3个基团。

观察时不管末优基团，把横键扳向纸前面(因横键伸向纸前面，竖键伸向纸后面，即“横前竖后”)。

前3个基团由大到小的次序，顺时针方向旋转的为R一构型，逆时针方向旋转的为s一构型。

又如丙氨酸结构简式为：
2 糖的环状结构的Haworth式
下列以D一葡萄糖为例，分子中的醛基一CHO与醇一OH通过碳链弯曲发生分子内亲
核加成形成环状半缩醛的结构，醛基氧成了苷羟基。

因小环不稳定，是C
4或C
5
，
与羰基碳成环，这就是自然界中的糖普遍以五、六元环存在的主要原因之一。

下面说明由Fischer投影式写成Haworth式的过程，以掌握糖的环状结构的Haworth 式书写规则：I用含氧平面六边形表示所形成的环，氧原子写在六边型的右上角。

此环称为吡喃环；II苷羟基所连C在环最右端，顺时针编号，D一型糖中尾基一CH
2
0H写在环上方；ⅢFisher碳链左侧一OH写于环平面的上方，右侧一OH写于环
平面的下方，即“左上右下”。

理解为将Fisher投影式向右横倒，C*上一OH在环平面“左上右下”分布；1V苷羟基与尾基一CH：OH在环异侧为α构型，在环同侧为β构型。