[科普中国]-费歇尔投影式-

费歇尔投影式是德国化学家赫尔曼·埃米尔·费歇尔(Hermann Emil Fischer)于1891年提出的一种化学结构式，使得书写含手性碳原子的有机物变得更为简洁。它将球棍模型或透视式的3D结构分子经过扁平化，用两条交叉的线表示这种四面体结构的含碳化合物。如此就可以在纸平面上比较旋光异构体分子中的原子或基团在空间上的排列方式。1

发明简史四面体构型对于对映异构现象，一般的平面结构式如乳酸的分子式CH3CH(OH)COOH，无法表示它的基团在空间的相对位置。最开始只有直观的构型式或球棍模型才能表示出这种区别。例如，乳酸的四面体构型如右图所示。

楔线式随着范特霍夫(Van't Horff)于1874年提出了碳原子的四面体学说，借助某一化合物与其镜像的四面体空间结构，发现有些分子的实物与其镜像是可以重合的，但也有些分子的实物与其镜像是对映而不重合的，如右图所示的如双分子的两个四面体空间结构，如果将甲基和羧基分别重叠是，剩下的氢原子和羟基就不能重叠。2为了在纸平面上表示出上述四面体的立体结构，就采用立体模型式，也称为楔形式。这种式子的优点是生动、形象、清楚，但书写起来比较困难，对于结构比较复杂的分子，更增加了书写的难度。3

Fischer投影式为了方便书写和比较，特别是对于含有多个手性碳原子的糖化物和氨基酸等有机分子，德国化学家费歇尔(Fischer E)于1891年，首次提出一种用二维图象和平面式子表示三维分子立体结构的重要方法——费歇尔投影式。4右图即为四面体型分子投影式被投影至平面上变成费歇尔投影式。

当时，他正根据范特霍夫(Van’t Hoff)和勒贝尔(Le Bel)的立体异构理论，用氧化、还原、降解、加成等方法，确定并费歇尔投影式书写了D-系列已醛糖由于对映异构所导致的共16种的构型。5

费歇尔投影式不仅简化了书写，而且还方便费歇尔使用他参照化合物D-或L-甘油醛而发明的D/L相对构型命名法。此外，费歇尔投影式也适用于1970年IUPCA所规范的R/S绝对构型命名法。6

而下图是以葡萄糖分子为例子，从费歇尔投影式向哈沃斯透视式的转变过程。

定义内容概念辨析有机物的同分异构现象可分成两大类：构造异构和立体异构。其中，立体异构又包括顺反异构、对映异构和构象异构三种情况。费歇尔投影式主要用于对映异构体的书写，其中分子式相同，构造式相同，但构型不同，互为镜象但不能重合的立体异构体叫对映异构体。6从构象上分析，费歇尔式都是不稳定的重叠式构象，因此，在进行构象分析时不用费歇尔式。

投影规则

为了作出统一的分子构型表达式，曾制定了三条投影规则7：

（1）将碳链放在垂直线上或竖起来，把氧化态较高的碳原子或命名时编号最小（主链中第一号）的碳原子C1放在最上端。

（2）投影时假定手性碳原子放在纸平面上，与垂直线(vertical line)相连的原子或基团（垂直方向的键 /竖键）表示伸向纸面后方，即远离读者；与水平线（horizonal line）相连的原子或基团（水平方向的键 /横键）表示伸向纸面前方，即伸向读者。8“横前竖后”规则是费歇尔式最基本的硬性规定。

（3）手性碳位于横线与竖线交叉处，用一个“+”号的交点代表手性碳原子。四端与四个不同的原子或基团相连，一般总是把含碳原子的基团放在竖线相连的位置上。

因此一般来说，羰基写在链的上端，羟甲基写在下端，氢原子和羟基位于链的两侧。9对于含两个相邻手性碳的费歇尔式，主键为两手性碳之间的键，共平面为费歇尔式的竖线即主键和共平面都在同一竖线上并垂直于纸面。10

书写注意费歇尔投影式严格表示了各个原子或基团空间与平面的关系，所以使用时应注意以下事项。同时，也可以逆用这些注意规则来判别不规范的费歇尔投影式之间，是同一种构型还是对应异构体，下面就用氟氯溴碘化碳（假想物）举例子。

（1）某一个化合物的费歇尔投影式只能在纸平面上平移，投影式不能离开纸平面翻转180°，否则一对对映体的投影式便能相互重叠。3

（2）费歇尔投影式在平面内转动180°，不改变分子的构型。而且只有转动180°，才不改变基团的前后关系。11若将其中一个费歇尔投影式在纸平面上旋转180°后，得到的投影式和另一投影式相同，则这两个投影式表示同一构型。

（3）如果未特别指出，不能在纸平面上旋转90°或270°（奇数倍），否则会改变投影式的构型。若将其中一个费歇尔投影式在纸平面上（顺时针或逆时针）旋转90°后，两个投影式表示两种不同构型，二者是一对对映体。

（4）若将其中一个费歇尔投影式的手性碳原子上的任意两个原子或基团交换偶数次后，得到的投影式和另一投影式相同，则这两个投影式表示同一构型，如下图所示。若将其中一个费歇尔投影式的手性碳原子上的任意两个原子或基团内部互变，或者交换奇数次后，所得的费歇尔投影式表达的化合物是原化合物的对映体。

（5）在投影式中，固定任一基团不动，其余三个基团按顺时针或逆时针顺序依次交换位置，其构型不变。如下图所示。

判定构型相较于构象透视式（以下简称透视式）或纽曼投影式（以下简称纽曼式）来表示具有手性碳原子的化合物，费歇尔投影式更容易确定化合物的构型，并其进行命名。7

D、L构型

1951年，费歇尔采用(+)-甘油醛为标准物，并人为地规定在费歇尔投影式中第二号碳原子C2上的羟基，位于右侧的为D构型，位于左侧的为L构型。所以，D/L构型又称为相对构型。12右图为用费歇尔投影式表示的甘油醇的D/L构型，并标出了碳的序号。

其他对映异构体的构型通过与甘油醛进行直接或者间接对比来确定。只要在反应中，不涉及与手性碳原子相连接的化学键的断裂与形成，那么所得化合物的构型与原来甘油醛的构型相同。

例如右图，参照甘油醛的构型，甘油酸和乳酸的构型也是D构型。进一步来说，甘油酸在经溴水氧化成乳酸后，因为该反应只发生在C1上，没有改变与手性碳原子相连的-H和-OH的空间排布，因而与甘油醛具有相同的构型。

但需要注意的是，D-甘油醛是右旋的，而D-甘油酸却是左旋的。旋光方向发生了改变，说明化合物的构型与旋光方向没有任何对应关系，费歇尔投影式也无法直接标识出一种物质的旋光性。当然，对于一对对映异构体而言，如果确定D-构型是左旋体，那么有L-构型一定是右旋体，反之亦然。

但由于D、L构型值适用于一个手性碳原子的化合物，对于含有多个手性碳原子的化合物存在局限性。但由于习惯，仅在氨基酸和糖类中尚在使用D、L构型标记系统。因此，1970年IUPAC建议采用R/S构型标记法，这种方法是直接对化合物立体结构的费歇尔投影式进行构型标记。

R、S构型在透视式观察法中，将排序最后的原子或基团放在离观察者最远的位置，剩余三个原子或基团排序确定手性碳构型：按顺时针方向排列为R-构型；按逆时针方向排列为S-构型。那么知道了一个化合物分子的费歇尔投影式，怎样利用确定它的R、S构型呢?下面分两种情况来讨论。

(1)若优序性最小的基团，位于投影式的上方或下方，可以直接从纸平面上判断它的构型。

在(一)式中，-F是优序性最小的基团，它位于投影式的下方。其余各个基团的优序性降序排列为：-I>-Br>-Cl，从图中可以看出按顺时针方向旋转。因此，(一)式为R-构型。根据同样的方法可以判定，(二)式为S-构型。

将费歇尔投影式在纸平面上旋转180°得到下图，同理右边为R-构型，左边为S-构型。这也验证了构象相同判据(1)的正确性。

为什么当优序性最小的基团位于投影式的上方或下方时，可以直接从纸平面上判定它的构型呢?这是因为，因为此时竖线表明基团远离读者，已经处在里观察者最远的位置。这时优序性较大的三个基团在空间的实际排列形状与它们在投影式中的排列形状是一致的。6

(2)若优序性最小的基团位于投影式的左方或右方(这一点针对不规则的费歇尔投影式)。

这时，它们的构型不能直接从纸平面上来制定，可以采用交换法：将优序性最小的基团-F和位于投影式上方或下方的基团交换位里，如下图所示。

(四)式的构型可以直接判定，是S-构型。(三)式和(四)式的区别在于-F和-Cl两个基团交换了位置。根据书写费歇尔投影式注意事项(2)可知，它们互为对映体。既然，(四)式为S-构型，因此，可以判定：(三)式为R-构型。

将这个规律归纳为反推法：与当优序性最小的基团在投影式的左方或右方时，其余三个基团在空间的实际排列形状与它们在投影式中的排列形状刚好相反。在(三)式中，序性较大的三个基团的降序旋转方向从-I-Br-Cl为逆时针方向，是S-型，但优序性最小的基团-F位于投影式的左方，所以需要反推一次，故原物质的构型为R-型。6

费歇尔投影式中按顺序最后的原子或基团在横键上时，还可以用形象地用手型笔画。排序最后的原子或基团用手臂代表，在横线左方的用左臂，在横线右方的用右臂，拇指代表另一横线方向上的原子或基团；此时掌心面对观察者，即手臂转到离观察转到观察者最远的位置，拇指、食指、中指都指向观察者，食指朝上代表上方原子、中指朝下代表下方原子，最后拇指、食指、中指所代表原子或基团的排序确定其构型。2下图为常见的基团次序表：

苏型与赤型苏型与赤型概念来自于糖类化学中的苏阿糖和赤藓糖。它们的费歇尔投影式及名称如下：

在丁醛糖的四个旋光异构体中，(I)和(II)、(I)和(IV)呈实物和镜像对映而不重合的关系，各构成一对对映体。而(I)和(III)、(I)和(IV)、(II)和(III)、(II)和(IV)不呈实物和镜像的对映关系，像这种不呈实物和镜像对映关系的旋光异构体称为非对映异构体，简称非对应异构体。非对映异构体的比旋光度大小和方向均不同，其他物理性质如熔点、沸点、溶解度也不一样。

如果两个不同的手性碳原子含有一个相同的原子或基团，习惯上把它们与丁醛糖的四个旋光异构体作比较来标记其构型。

苏型

两个相同原子或基团位于费希尔投影式异侧者，类似苏阿糖的构型，称为苏型或苏式(threo-)。例如(-)-氯霉素是苏式。

赤型

两个相同原子或基团位于费希尔投影式同侧者，类似赤藓糖的构型，称为赤型或赤式(erythro-)。14

如从中药麻黄碱中提取的生物碱有麻黄碱和伪麻黄碱，它们的两个手性碳原子含有一个相同的氢原子，可以用赤型或苏型来标记它们的构型。2

如果分子中含有相同偶数个的手性碳原子，如酒石酸的(2S,3R)和(2R,3S)构型，从费歇尔投影式构象规则，旋转180°不改变构型，可以发现看出(2S,3R)和(2R,3S)是同一种物质，因此酒石酸只有3种构型。实验测得，赤式的酒石酸没有旋光性，因为C2和C3存在一个对称面，把整个分子分成互为实物和镜像对映而不重合关系的上下两部分，两个手性碳原子的旋光度大小相等，旋光方向却相反，恰好相互抵消而没有旋光性。像这种由于分子中含有两个相同的手性碳原子，而且分子的两部分有呈实物与镜像对映而不重合的关系，从而使分子内部旋光性相互抵消的化合物称为内消旋体(mesomer)，常用“meso”表示。2

与纽曼投影式的相互转化纽曼式转化成费歇尔式（1）手性原子对应关系的确定

根据纽曼投影式，画出费歇尔式的框架，一般来说，纽曼式只有两个手性碳原子，因此只需要画出两横一竖的费歇尔式的骨架，接下来既是确定两个手性碳原子的对应关系。

把纽曼式中的离眼近的倒“人”字型的碳原子放在下方，标记为1；把纽曼式中的离眼远的“人”字型的碳原子放在上方，标记为2，如右图所示，纽曼式中朝向自己的手性原子和后面的手性原子分别对应于费歇尔投影式中下面的手性原子和上面的手性原子。

伸开右手的拇指与食指，使拇指与食指在水平方向且指向纸面前方，即面向自己，恰好和费歇尔式的横键相对应，即食指代表左侧横键，拇指代表右侧横键，手腕代表竖键。

（2）确定费歇尔式中手性碳原子上所连的原子或原子基团

先确定费歇尔式中手性碳2上所连的原子或原子基团。纽曼式中碳C2上连有H、Br、CH3和碳C1。由于碳C1已确定，现主要确定H、Br、CH3在费歇尔式中的位置。根据费歇尔式的书写规则，要将分子的主碳链直立，并使命名编号小的碳原子处在上方。由此可知，甲基应放在费歇尔式中的竖键上。

将手平移至纽曼式上，在纸面上逆时针或顺时针转动手腕，使拇指、食指和手腕分别与碳C2上的3个原子或原子基团对应。食指对应Br，而拇指对应H，就可以在费歇尔式中左侧横键处写Br，右侧横键处写H。

根据费歇尔式的书写规则可知，甲基应放在竖键上。同理，可利用上述方法确定碳 C1 横键上的原子或原子基团的位置。食指对应H，而拇指对应Cl，所确定的费歇尔式如右图所示。15

费歇尔式转化成纽曼式（1）画出纽曼式的框架

根据费歇尔式画出纽曼式框架，对应关系如前面所述。

（2）纽曼式中碳C2中3个键所连基团的确定

需要注意的是，在费歇尔式中，手腕朝下。将手平移至纽曼式上，在纸面上逆时针或顺时针转动手腕，使拇指、食指和手腕分别与碳C2上的3个键重合，如左下图所示。同理确定碳C1，如右下图所示。16

本词条内容贡献者为:

唐浩宇 - 教授 - 湘潭大学