費雪投影式的定義與應用

費雪投影式的定義與應用 (The Definition and Application of Fischer projection)
國立臺灣師範大學化學系陳筱鳳研究生

有機化學中，常常以平面圖示簡化表示分子的立體化學結構，不僅容易理解也較好記憶，對於在判定結構組態時也有幫助。其中一種二維表示方式，費雪投影式 (Fischer projection)，由德國化學家赫爾曼·埃米爾·費雪 (Hermann Emil Fischer)於1891年所提出，是一種以不改變其性質亦或是結構之表示法。^[1] 一開始主要用來簡化表示非環形之碳水化合物結構，亦可直接判斷出分子的絕對組態 (absolute configuration)，廣泛使用於醣類化學。

依循下列步驟將分子之立體結構轉換為費雪投影式：^[2]

1. 以不對稱的碳原子為平面中心，將分子旋轉使碳鏈為縱向排列
   
2. 四個原子團置於水平和垂直兩方向，使水平向的原子團向前突出，朝向觀察者而來，代表鍵在紙面上；而垂直向的原子團則指向後方，代表鍵伸進紙面，指向遠離觀察者的方向，將此結構投影在平面上，即為費雪投影式。

另外，如擁有多個掌性中心（chiral center）的立體異構物，也可用費雪投影式表示，並可直接標示出不對稱中心之絕對組態。從氧化數最大的官能基開始排列，此為將醛基置於最上方。^[3]

D-葡萄糖之克古列結構（Kekulé structure, 左）及費雪投影（右）圖示

以費雪投影式決定掌性中心之絕對組態，以為例：

1. 依連接掌性中心之原子質量數大小由大到小依序排列
   
2. 排列次序由小到大如為順時鐘旋轉方向，即為(R)- form；如為逆時鐘旋轉方向，則為(S)- form

將分子之費雪投影式從任一方向旋轉180 ^o，或固定其中一取代基團不動而其它三個基團依序旋轉，並不會改變其掌性中心之絕對組態。

    若將分子之費雪投影式從任一方向旋轉90 ^o，或任意交換兩基團位置，將會改變其掌性中心之絕對組態。

當分子具有兩個以上的掌性中心時，費雪投影式是一種用來展現分子彼此間立體化學關係的好方法。以2,3-二溴丁烷（2,3-dibromoutane）為例，（圖一）中左右兩個分子上下不具有對稱性，而若在兩個分子間放置一面鏡子，彼此互為鏡中影像，可稱之為鏡像異構物d,l對（enantiomer）；（圖二）中分子內存在著一對稱面，呈現出上下對稱的結構，可稱之為內消旋化合物（meso compound）。^[4]

圖一$$~~~$$鏡像異構物

圖二$$~~~$$內消旋化合物

此外，在醣類化學中，費雪投影式可用來判斷其醣類分子結構為D-或L-型，而一開始D、L的定義是從甘油醛（glyceraldehyde）之費雪投影式而來，單純從結構表示方式來看，跟分子本身的光學活性（optical activity）無關。將醣類分子先以費雪投影式表示之，碳原子骨架排列以最高氧化態之碳原子置於結構最上方，而一級醇（CH₂OH）置於結構最下方，其中以接有一級醇碳原子之隔壁碳為判斷依據，如羥基（-OH）或胺基（-NH₂）位於碳骨架左邊，以大寫L表示之；反之，如位於碳骨架右邊，則以大寫D表示。

L-絲胺酸（L-serine, 左）及D-葡萄糖（D-glucose, 右）之費雪投影式

參考資料

1. http://chemwiki.ucdavis.edu/Organic_Chemistry/Chirality/Fischer_Projections
2. http://science.uvu.edu/ochem/index.php/alphabetical/e-f/fischer-projection/
3. http://www.chem.ucla.edu/harding/IGOC/F/fischer_projection.html
4. http://research.cm.utexas.edu/nbauld/fischer.htm