立體化學的發(fā)展及幾個立體化學概念的區(qū)分.doc

立體化學的發(fā)展及幾個立體化學概念的區(qū)分 范霍夫1874年提出的碳四面體理論，標志著立體化學的創(chuàng)立。一百多年以來，該理論的基本觀點一直是有機化學核心理論的一部分，它不僅奠定了立體化學以后發(fā)展的基礎，而且對整個有機化學都具有深遠的意義。那么碳四面體理論是在怎樣的化學背景下提出的?讓我們回溯I9世紀后半葉的化學界。 構型的認識必須以構造的認識為基礎，對于構造的認識表現(xiàn)為布特列洛夫的平面結構理論，構型認識正是在經(jīng)典結構理論與新的實驗事實的矛盾中應運而生的。 1861年布特列洛夫提出平面結構理論，布特洛夫認為，從原子在分子中相互聯(lián)結的方式的概念到空間相對位置的概念，只剩下一步路，而且是必然的一步，促使這一步完成的直接原因是由于對旋光異構現(xiàn)象的研究。19世紀中葉，在對乳酸的旋光異構體的研究中發(fā)現(xiàn)，乳酸旋光異構體的數(shù)目多于平面結構理論預見的異構體數(shù)。乳酸異構體數(shù)成為平面結構理論無法解釋的困難，這就促使化學家不得不考慮原子在空間的排列問題。 1874年，范霍夫與列貝爾分別獨自提出了立體化學的基本思想 使結構理論進人了新紀元。范霍夫提出的碳四面體假說，使分子由平面擴展到空間，并且從而引出了對映異構體的概念，他還提出了不對稱碳原子的概念，闡明了不對稱原子與旋光性之間的關系，指出，可以根據(jù)結構和旋光性的關系推測有機化臺物的結構式。范霍夫還預見了一種新的異構體：幾何異構體(順反異構體)。 列貝爾的論文僅比范霍夫的晚兩個月發(fā)表，他的論文不及范霍夫的影響大。列貝爾沒有采用四面體碳的概念，他根據(jù)純粹的幾何推理提出了兩條推測溶液是否具有旋光性的規(guī)則。 范霍夫的理論是以承認原子的真實存在為基本前提的，他在空間化學一書中開宗明義地寫道：“化學是關于原子的定律，而有機化學則是關于碳原子”，“現(xiàn)代化學有兩個弱電，它既不研究原子在分子中的相對位置，也不研究原子的運動”。碳四面體理論實際上是原子論必然的邏輯結果、正因為如此，范霍夫理論的反對者都是把理論攻擊的目標指向它的理論基礎原子論本身，而并不否認原子在空間的排列是原子論必然的邏輯結果。一種觀點認為，原子論只不過是有用的假說，是一種方便的數(shù)學工具，但它不具有物理真實性，分子的真實結構是不可知的。另一種觀點把原子真實性問題歸于形而上學，例如開庫勒寫道；“原子存在與否的問題，從化學的觀點看也無關緊要，這個討論屬于形而上學。在化學中，我們只決定原子的假說是否是一個適應于解釋化學現(xiàn)象的假說”。對范霍夫理論進行爭論的另一個焦點是范霍夫所采用的推理方法，這反映了兩種方法論觀念的沖突。在1 9世紀的化學界，經(jīng)驗主義態(tài)度居于主導地位，這種方法論觀念是堅決反對所謂“猜測哲學”的。如范霍夫本人的老師帕楚斯馮克爾克霍夫就認為：“經(jīng)驗是真實知識的唯一來源，原子論也不能與經(jīng)驗的判決相違背。我們不知道化學結合是如何發(fā)生，其中成分如何，我們與其沉溺于猜測的知識，還不如坦率地承認我們的無知?！睆倪@種觀點出發(fā)，他反對范霍夫用原子在空間的不同排列解釋異構體的嘗試。在德國，學術界曾經(jīng)與黑格爾的自然哲學進行過長期的斗爭，并取得了勝利，但對黑格爾的自然哲學仍然心有余悸，因此，有些化學家就把理論推理和猜測方法的引入混同于黑格爾自然哲學卷土重來，并加以痛斥。德國化學權威柯爾比就持這種看法。他辛辣地嘲諷范霍夫：“一位雅享范霍夫博士，受雇于烏特勒支獸醫(yī)學院，好象是對正當?shù)幕瘜W研究不感興趣，他認為更為方便的是乘上佩加蘇斯(希臘神話中的飛馬)(大概是從獸醫(yī)學院借來的)，并且在他的空間化學中宣布，如何勇敢地飛到化學的帕納蘇斯(希臘山名)上，看到原子在空間的排列，完全是玩弄幻想，舍棄事實的根據(jù)，而且對頭腦清楚的化學家是不可理解的；當代化學家的一個特性就是把自己放在解釋一切的位置上，當他的知識不頂用時，就用超自然的解釋”。在克爾克霍夫和柯爾比看來，范霍夫大膽的理論猜測違反了經(jīng)驗主義的方法論觀念，與精確科學的精神相左，因而完全是一種非科學的態(tài)度。 另一方面，范霍夫的理論也得到了一些化學家的熱情支持。德國化學家拜爾熱情地評價說：“這是我們科學中又一個有價值的新思想，它將結出成熟的果實”。給予范霍夫最有力支持的是威利森努斯，他長期從事乳酸研究，積累了大量實驗事實，但是他在實驗上和理論上都進了死胡同，范霍夫理論對乳酸異構體的出色解釋使他疑團頓消，事實從模糊的迷霧中展現(xiàn)了真實的面貌。威利森努斯在給范霍夫的信中寫道：“你的理論使我十分快樂，我不但看到了你試圖解釋至今仍然未知的事實的天才，而且我相信它對我們的科學會產生劃時代的作用”。自1874年以后，分子式從紙面上豎起來了，新的理論不但要研究原子之間相互聯(lián)結的次序和作用情況，而且表明它們在空間的相對位置，從此，化學結構的認識由“構造”進入丁“構型”階段。由平面一I-的原子到空間中的原子標志著人類對化學結構的認識向真實逼進了一大步。 與物理化學的發(fā)展導致了在化學中運用時間范疇相呼應，結構理論的發(fā)展導致了在化學中注意運用空間范疇，這就開創(chuàng)了空間化學結構和反應結構研究的廣闊前景。從此以后，化學家們可以根據(jù)分子的立體結構研究它的反應性、反應歷程，設計合成途徑。 在歷史上，對結構理論的研究，歷來分成兩派：一派從親和概念和相互作用出發(fā)；另一派則側重于物質的幾何特性。這兩種觀點互相排斥、互相斗爭、各執(zhí)一端。實際上相互作用方面和幾何形式方面分別是結構問題的內容方面和形式方面，兩者是辯證統(tǒng)一的。范霍夫和列貝爾的化學結構概念的內涵不僅包括了這兩個方面，而且以原子價為橋梁指出了化合物中原子的相互作用及其方式與原子的空間分布，幾何形狀是內在地聯(lián)系在一起的，這樣就在經(jīng)典水平上，完成了結構認識兩種觀點的統(tǒng)一。 俄國化學家羅蒙諾索夫曾說過：“化學和物理學互相聯(lián)結著，缺少這個，那個也就不完善”。恩格斯也非常重視化學與物理學的交界部分，他說 “正是在這種地方可以期待最大的成果”。 20世紀20年代以來，運用物理方法得到了分子的許多重要的量的特征、用現(xiàn)代電子照像、x射線和光譜分析的方法研究有機物分子中和結晶體中原子的幾何形狀，證明了立體化學觀念的正確性。 構象分析的建立有兩個基礎，一是繞CC單鍵旋轉問題的研究，二是環(huán)狀化合物平面結構的研究、光譜分析和電子照像方法的運用，偶極矩的量度，以及物質熱容的測定，使經(jīng)典有機化學關系復雜分子中原子圍繞單鍵而自由轉動的觀念向精確化發(fā)展了 電子衍射方法的使用，測定了環(huán)已烷的非平面結構，表明了環(huán)狀化合物中的取代基在軸向位和平伏位的能量有差別。這樣，物理測量方法的使用為構象分析提供了實驗依據(jù)。 隨著化學知識的不斷積累，有機化合物的知識尤其是甾族和萜類的知識與物理化學的知識開始結合，這就造成了對理論的需求。20世紀20年代，代爾夫特學派首先從事了對分子構象與威直活性關系的研究，他們所采用的方法與20多年后巴頓所采用的方法是類似的，但是他們卻未能對立體化學產生巨大沖擊以形成突破性進展，而是湮沒無聞了。拘象分析這一突破性進展是巴頓在1950年開創(chuàng)的，造成如此差別的原因就在于有無對理論的需求。對20世紀20年代與50年代兩次提出構象分析的歷史情況進行仔細比較，可以看到，巴頓本人兼?zhèn)湮锢砘瘜W和甾族、萜類兩方面的知識，20世紀50年代構象分析一開始就用來解釋甾族化合物和萜類。甾族化合物具有重要的生理和醫(yī)學價值，因而具有巨大的經(jīng)濟效率。萜類化合物的新合成方法使萜類化學工業(yè)如香料工業(yè)不斷壯大、1937、1938年兩次諾貝爾化學獎都授于了萜類化合物的研究成果，1939年的諾貝爾化學獎授予了甾族性激素方面的研究。甾族和萜類巨大的理論和實用價值吸引了大批研究者，研究中出現(xiàn)的問題迫切需要理論工具來加以解釋。這是20世紀50年代構象分析迅速被接受、運用并對立體化學形成巨大沖擊的背景。 著名科學史學家貝爾納在歷史上的科學一書中寫道：“除非經(jīng)濟活動把社會土壤準備好了去接受科學的種子，這些種子便不會播下，也不會生長?！彼灾参锓诸悓W的創(chuàng)始人林耐為倒：“假使他(指林耐)那時沒有那么多急于找個什么辦法來整理標本箱的園藝家和植物采集家，他的體系早就跟他本人一起湮沒了”。 同樣，如果不是有那么多甾族和萜類化學家急著從結構上解釋化合物的反應性能，巴頓的天才火花只怕也是曇花一現(xiàn)。正如巴頓自己所說：“我自己認為，理論只有當有大量化學家有使用它的需要時才被接受”。總之可以說，構象分析是物理化學與有機化學相嫁接，并在實用研究的土壤上才結出的果實。構象分析的提出對后來天然產物化學的發(fā)展具有深刻的影響。很快，構象分析的概念被應用到幾乎所有的有機化學和生物化學的各個分支。 20世紀50年代以后，用物理方法及化學方法證明構象和用構象來說明化學反應機理的論文多不勝數(shù)，許多過去不易理解的反應機理，一經(jīng)分析，常能得到滿意的說明，并且可以憑借構象推斷反應歷程。應用這一新的立體化學概念，對脂環(huán)化臺物來說，可以算是薩赫斯及奠爾無張力環(huán)學說以來的又一次劃時代的進展、對整個立體化學界來說，是繼范霍夫、列貝爾四面體碳理論來的第一次真正進展、巴頓和哈塞爾因此獲1965年諾貝爾化學獎。比較上述立體化學兩次大突破，可以看到一些共同之處，首先，兩次突破都是采用了新的研究方法而獲得的，第一次是違反經(jīng)驗主義方法論觀念，采用了理論推測的方法；第二次是突破了純粹化學方法，采用了物理測量方法。其次，兩次突破的形成都有一個對理論強烈需求的條件，這是由于化學事實的積累造成的。第一次是19世紀后半期大批化學家對異構體的研究，造或了對結構理論發(fā)展的要求；第二次是對天然化合物的研究，吸引了大批化學家，他們需要解釋的工具。這樣的條件對于兩次突破的形成都是至關重要的，它構成了對理論發(fā)展的直接推動因素，又為理論的接受準備了土壤。 立體化學是研究分子的立體結構和反應立體性及其應用的學科，自從范霍夫和列貝爾在1874年提出碳原子具有正四面體構型的概念以來，其發(fā)展迅速，已成為一門獨立的科學1-4。立體化學是高校應用化學、藥物化學等本科專業(yè)的必修課程，其基礎性較強，影響著對有機化學、藥物化學、有機合成等相關課程的學習效果。在多年立體化學課程的教學過程中，筆者發(fā)現(xiàn)很多學生對于一些立體化學概念模糊不清，難以區(qū)分，因此很有必要對其進行辨析。立體化學是有機化學的一個重要組成部分，是基礎有機化學課程教學中的一個難點。學生一般習慣于從宏觀角度觀察、認識問題，讓他們改變思維模式，在頭腦中建立起微觀分子、原子團模擬的立體結構狀態(tài)是非常困難的，相應地教學難度也大。即使是基礎較好、理解能力較強的學生，感覺到上課時聽懂了，但面對問題卻不能正確解答。因此。在教學過程中除了用準確、簡潔明了的語言闡述教學內容外，還要將抽象、426深奧、復雜的問題技巧性處理，變得形象、直觀、簡單化，以減輕學生心理壓力，使學生當場聽懂、理解教學內容的同時，課后要能正確解答問題一即有可操作性。這顯得非常重要。1、 DL構型DL命名規(guī)則是由近代糖化學之父EFisher在l9世紀末研究各種單糖的構型時提出的，用于表示對映體的方法，是最早D(+)。甘油醛的立體化學符號。后來為簡便起見，選用右旋甘油醛作為標準比照物，人為規(guī)定右旋的甘油醛結構，即不對稱碳原子所結合的氫原子的空間位置在Fischer投影式中處于主碳鏈的左邊的構型為D構型，凡是具有此類結構的化合物，均稱為D一構型，其對映體稱為L一構型，因此右旋甘油醛可以寫作D(+)一甘油醛。Vickery等后來又對DL命名規(guī)則進行了補充修訂，以左旋的絲氨酸作為氨基酸和羥基酸等化合物命名的比照物，規(guī)定左旋絲氨酸為L-絲氨酸。但需要強調指出的是，DL構型只是一種人為規(guī)定的相對構型，與化合物的旋光方向無關。見圖1。 D（）甘油醛 L（）甘油醛 L（）絲氨酸 圖1 DL構型比照物甘油醛和絲氨酸2、赤式一蘇式與synanti構型 赤式(erythro)和蘇式(threo)用于表示含兩個手性中心的化合物的相對構型，這種名稱來源于赤蘚糖和蘇阿糖。當手性碳原子上兩個相似的基團在Fischer投影式中處于主碳鏈的同側的構型為赤式，而處于異出側則是蘇式。見圖2。但是，赤式一蘇式規(guī)命名規(guī)則存在很大局限性，因為鏈狀分子是以鋸齒構象存在，F(xiàn)ischer投影式不是其自然狀態(tài)的構象。如果以分子的真實構象來表示，則原來定位赤式的分子其手性碳上的兩個取代基處于主鏈麗側，而蘇式的取代基在同一側。為克服這一命名上的局限性，德國的Seebach提出了synanti命名系統(tǒng)。在分子的自然構象中，處于鏈的同側的是syn構型，處于異側的為anti結構。見圖3。 赤蘚糖(赤式) 蘇阿糖(蘇式) 圖2 赤蘚糖和蘇阿糖 圖3 synanti構型3、構型構型主要用于表示糖類、甾體類化合物的構型。將化合物的環(huán)狀部分置于平面上，環(huán)上的取代基位于環(huán)的下側時是構型，而當取代基位于環(huán)的上側時，則是構型，如下列吡喃糖中，R是構型，而乙?；菢嬓停辉诳傻乃芍?，三個甲基均為構型，而氫原子和羥基在環(huán)所在平面下方，是構型。見圖4。 圖4 構型R，S構型命名法 用RS構型命名法描述手性分子的絕對構型，是從三維空間揭示具有相同構造。而構型不同的分子的立體形象，是學生學習的重點、難點，較難掌握。要正確命名RS構型，首先要理解Fischer投影式。11 Fischer投影式現(xiàn)以乳酸分子為例說明：下圖中I是乳酸分子的結構簡式，標*號的碳原子是手性碳原子“C* ”(連接四個互不相同的原子或基團)；II是一種乳酸分子的空間立體結構。由于書寫麻煩，特別是對結構復雜的分子就更難表達了，1891年Fischer提出了平面投影法tl：將兩個橫鍵伸向紙平面前面，兩個豎鍵伸向紙平面后面，光線從前向后投射，得到平面書寫式；稱為Fischer投影式，豎線和橫線的交點是手性碳原子C* 。 觀察Fischer投影式時，無論在哪一個觀察點。一定要建立起橫鍵上的原子或基團離開紙平面伸向紙前面(ep紙上面)，豎鍵上的原子或基團離開紙平面伸向紙后面(ep紙下面)，簡稱“橫前豎后”。12 次序規(guī)則 “次序規(guī)則”(sp,ence nde)是由C8Iul，IIlglod和Prelog從1951年開始提出，在60年代中期經(jīng)過修改定型，又被稱為C1P系統(tǒng)。隨后被IUPAC(際純粹和應用化學聯(lián)合會)采用，得到 際上的普遍應用。次序規(guī)則確定基團排列先后次序嗍：比較直接與手性碳原子相連的原子的原子序數(shù)大小，原子序數(shù)相對大的基團為優(yōu)先基團，小的排在后；若兩個原子的原子序數(shù)相同，同位素原子以質量較高者優(yōu)先。若直接與手性碳原子相連的第一個原子相同則比較與第一個原子相連的第二個原子的原子序數(shù)大小，若第二個原子仍相同，則比較第三個原子。依次