圖1. André S. Dreiding (June 22, 1919 - December 24, 2013) （圖片引自資料[1]）
一、Dreiding教授簡(jiǎn)介
André S. Dreiding教授出生于瑞士一個(gè)具有東歐血統(tǒng)的家庭，并在蘇黎世完成了高中學(xué)業(yè)。他20歲生日過后不久發(fā)生了德國(guó)對(duì)波蘭的入侵，第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，出于安全方面的考慮，他決定前往美國(guó)深造。他在哥倫比亞大學(xué)接受了化學(xué)本科教育，之后又獲得了碩士學(xué)位。在新澤西Hoffmann-La Roche擔(dān)任了研究助理兩年后，他在密歇根大學(xué)安娜堡分校（University of Michigan, Ann Arbor）Werner Emmanuel Bachmann教授手下繼續(xù)進(jìn)行研究，并于1947年獲得博士學(xué)位，隨后又以Rackham and Lloyd Postdoctoral Fellow的身份在那待到1949年。1949至1954年間，他在Wayne University的 Detroit Institute of Cancer Research任助理教授，1951年Bachmann教授去世后，他還接管了密歇根大學(xué)的教學(xué)和研究工作，直到1952年。1954年，Dreiding返回瑞士進(jìn)入蘇黎世大學(xué)，在那他擔(dān)任教授直至1987年退休，之后成為榮譽(yù)退休教授。[1]
二、Dreiding模型發(fā)明的背景
圖2. Dreiding課題組的合成目標(biāo)之一的倍半萜capnellene（圖片引自資料[1]）
Dreiding教授研究涉及有機(jī)化學(xué)的多個(gè)方向，包括立體化學(xué)，天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)鑒定，全合成以及生源合成等，他的合成關(guān)注于那些在立體化學(xué)上具有挑戰(zhàn)性的分子，比如利用α-炔酮環(huán)化制備了復(fù)雜的倍半萜（如圖2）。而他對(duì)諸如分子絕對(duì)構(gòu)型還有構(gòu)象等立體化學(xué)問題的興趣源自其攻讀博士學(xué)位期間所做的甾體以及相關(guān)十氫萘環(huán)的結(jié)構(gòu)闡明與合成方面的工作。[2]
圖3. 左：Dreiding發(fā)表在Helv. Chim. Acta.上關(guān)于立體模型的論文（圖片引自資料[3]）右：Sigma出售的Dreiding模型（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
五十至六十年代，立體化學(xué)領(lǐng)域取得了重要的進(jìn)展。當(dāng)時(shí)，計(jì)算機(jī)，光密度計(jì)和衍射儀已經(jīng)得到了發(fā)展，晶體結(jié)構(gòu)逐漸變得越來越容易獲得。Derek H. R. Barton與Odd Hassel也確立了構(gòu)象分析的概念與方法且將其有效地應(yīng)用于分子反應(yīng)活性的研究，兩人也在1969年分享了當(dāng)年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。而另一方面，由于技術(shù)水平發(fā)展所限，波譜學(xué)方法尤其是核磁共振技術(shù)還尚未有機(jī)會(huì)在結(jié)構(gòu)闡明方面發(fā)揮巨大威力。在這個(gè)背景下，已經(jīng)回到蘇黎世大學(xué)的Dreiding教授相信，日常的有機(jī)化學(xué)研究需要實(shí)物分子模型。模型的引入可以讓研究者方便地觀察動(dòng)態(tài)的立體化學(xué)過程，分子在空間中的結(jié)構(gòu)排布以理解反應(yīng)中選擇性，同時(shí)也提供了對(duì)分子合成方法的見解。于是，1959年Dreiding在Helvetica Chimica Acta上發(fā)表了一篇詳細(xì)介紹如何利用金屬管和配件桿簡(jiǎn)便裝配四面體碳原子和各種官能團(tuán)的論文，該文也標(biāo)志了Dreiding立體模型的發(fā)明。[3]他同樣申請(qǐng)了該項(xiàng)技術(shù)的專利，而相應(yīng)的模型產(chǎn)品最初則由Buchi生產(chǎn)，Dreiding立體模型產(chǎn)品在學(xué)術(shù)界得到廣泛使用并備受青睞，見圖3。
三、Dreiding模型的特點(diǎn)
圖4. Dreiding立體模型與其他類型的分子模型（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
Dreiding模型是由細(xì)長(zhǎng)的不銹鋼的管和桿組成的骨架模型，與其他類型的分子模型，如球棍模型（Ball & Stick Model）不同（如圖4），模型中的原子不是由球表示，而是由管的交點(diǎn)所表示，以不同的顏色來區(qū)分原子種類。由于鋼管代表了化學(xué)鍵，因此Dreiding模型關(guān)注的是原子間鍵的幾何形狀，而不是原子本身。Dreiding模型雖然不是第一個(gè)骨架模型，但卻是首個(gè)摒棄了早期模型——如John Kendrew的蛋白質(zhì)模型——中所使用的那種連接，取而代之采用不銹鋼管來促成連接的模型，用的既有空心管，也有與管子匹配的稍窄的實(shí)心桿。這樣的連接方式使得整個(gè)模型看上去十分簡(jiǎn)潔，并且也比其他模型更加便于組裝，以環(huán)己烷分子為例，Dreiding模型只需要6步即可拼裝完成，而其他模型則需要18步。使用時(shí)將模型中桿和管進(jìn)行旋轉(zhuǎn)就可以顯示分子構(gòu)象的變化，從而闡明構(gòu)象分子中的立體化學(xué)因素，同時(shí)也可用于機(jī)理研究。
圖5 . 上：Dreiding模型碳元素基本元件以及拼接原理的示意圖（圖片引自資料[5]）下：通過C-H與O-H鍵的結(jié)合形成C-O鍵（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
Dreiding模型是在前人基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，進(jìn)行改進(jìn)時(shí)他將以下認(rèn)知納入了自己的設(shè)計(jì)：兩個(gè)原子A與B之間共價(jià)鍵的鍵長(zhǎng)dAB可以劃分為兩個(gè)共價(jià)鍵半徑rA和rB，這些半徑是恒定的可加值。對(duì)于模型的基本元素，他沒有采用孤立的原子，而是使用的它們對(duì)應(yīng)的最簡(jiǎn)單的氫化物，比如四面體碳采用的是甲烷，三價(jià)氮使用的是氨。如圖5上方左側(cè)所示的是碳元素基本單元的結(jié)構(gòu)，從其結(jié)構(gòu)中心到一個(gè)管子的一端的距離，是以1:0.4×10-8的比例代表了精確的C-H鍵長(zhǎng)，并且鍵角也對(duì)應(yīng)于真實(shí)的觀測(cè)值。圖5上方右側(cè)所示，每個(gè)空心管從末端量起，在兩個(gè)共價(jià)氫原子半徑的地方有個(gè)阻止裝置，可以確保當(dāng)兩個(gè)元素拼合時(shí)，得到的是正確的縮放長(zhǎng)度。[4]圖5下方則以Dreiding模型中碳與氧的基本元件中C-H與O-H鍵的結(jié)合演示了甲醇分子中C-O鍵的形成。正因?yàn)槿绱耍?/span>Dreiding模型是精確度相當(dāng)高的三維立體模型，可以用于測(cè)量空間間距以及二面角等，這使得研究人員在技術(shù)條件有限的年代可以便捷地獲得可靠的結(jié)果，如圖6。
圖6. 左：使用校準(zhǔn)的埃米刻度尺以埃米為單位來測(cè)量非鍵合原子之間的距離 右：使用量角器測(cè)量角度（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
我們雖然沒法涵蓋Dreiding模型所有可能的用途，但是根據(jù)當(dāng)年生產(chǎn)商提供的說明，在此也可以羅列出它最重要的一些功能：[4]
–立體化學(xué)分析
–異構(gòu)分析
–對(duì)稱性推斷
–構(gòu)象分析
–動(dòng)態(tài)反應(yīng)分析
–通過過渡態(tài)可視化研究反應(yīng)機(jī)理
–研究空間位阻
–分析受軌道對(duì)稱性控制的立體專一性反應(yīng)
–解釋NMR中的耦合常數(shù)和磁場(chǎng)效應(yīng)
–分析旋光光譜和圓二色譜中的手性規(guī)則
–確定手性和螺旋性
下面我們以天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)研究中的經(jīng)典分子strychnine為例，選取一個(gè)關(guān)于它的絕對(duì)構(gòu)型的例子簡(jiǎn)單說明一下Dreiding模型在那個(gè)年代有機(jī)化學(xué)研究中展現(xiàn)出的作用。如果讀者對(duì)五十年代末六十年代初的有機(jī)化學(xué)研究環(huán)境有所了解的話就會(huì)知道，雖然那時(shí)天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)解析與全合成研究蓬勃發(fā)展，但是與今天各種技術(shù)層出不窮的情況截然不同的是，當(dāng)時(shí)化學(xué)家用以表征化學(xué)物的手段相當(dāng)有限。光譜方法只有紫外以及紅外可用，另外加上元素分析，熔點(diǎn)以及旋光等重要的理化常數(shù)，而目前普及的核磁以及質(zhì)譜等手段還沒有在當(dāng)年的實(shí)驗(yàn)室裝備起來。因此，結(jié)構(gòu)鑒定主要依賴于將未知結(jié)構(gòu)天然產(chǎn)物化學(xué)降解，轉(zhuǎn)化為已知組成和構(gòu)型的化合物而實(shí)現(xiàn)。
圖7. 左：測(cè)定strychnine的絕對(duì)構(gòu)型 右：strychnine的Dreiding模型，紅色箭頭顯示了氫氣加成到C20雙鍵的方向（圖片引自資料[1]）
如圖7左側(cè)所示，當(dāng)時(shí)的研究表明strychnine用鈀進(jìn)行氫化后得到dihydrostrychnine，繼續(xù)降解后可得strychindole。而strychindole則可以由絕對(duì)構(gòu)型已知的α,α'-二乙基琥珀酸合成獲得，這樣就確定了strychindole分子中C20的絕對(duì)構(gòu)型。由于strychnine的相對(duì)構(gòu)型已經(jīng)從Woodward的全合成中獲得，[5]Strychnine的絕對(duì)構(gòu)型由此可以最終確定。讓實(shí)驗(yàn)人員驚訝的結(jié)果是strychnine的氫化過程只給出了單一的產(chǎn)物。然而，如果他們用了Dreiding模型的話，那他們會(huì)立即領(lǐng)悟甚至預(yù)測(cè)到這個(gè)結(jié)果。這是因?yàn)槿鐖D7右側(cè)所示，催化劑只能從雙鍵的si面進(jìn)行反應(yīng)，而另一個(gè)面則被含氮的五元環(huán)屏蔽了。[1]
五、Dreiding模型的局限
雖然Dreiding模型在學(xué)術(shù)界得到了廣泛的使用與認(rèn)可，但是由于其本身采用不銹鋼制作，成本較高，一般用戶難以承受。據(jù)Sigma早年的目錄價(jià)格顯示，2002年時(shí)僅僅Dreiding模型中最基礎(chǔ)的Simple Set的單套售價(jià)就接近八百美元，這個(gè)價(jià)格對(duì)于個(gè)人用戶來說十分昂貴。此外Dreiding模型的尺寸對(duì)于教學(xué)使用來說仍然偏小，在有機(jī)教學(xué)中應(yīng)用沒有如研究中那么廣泛。針對(duì)這些局限，哈佛大學(xué)的L. F. Fieser在六十年代時(shí)候曾經(jīng)提出過替代解決方案，基于Dreiding模型的設(shè)計(jì)，制作了新的以Lexan（聚碳酸酯）, 聚乙烯以及鋁為材料的適合于學(xué)生使用的平價(jià)模型。[6] Fieser模型沒有Dreiding模型的精度和可操作性，并且官能團(tuán)以及結(jié)構(gòu)類型也很有限，適合初學(xué)者入門使用。目前來說，由丸善出版的同樣是骨架模型的HGS立體化學(xué)模型在研究人員中使用較廣，其由高強(qiáng)度的聚縮醛樹脂制成，雖然精確度不如Dreiding模型，但已經(jīng)能滿足大部分研究需求，價(jià)格也為個(gè)人購(gòu)買所能接受。根據(jù)Sigma網(wǎng)站最后于1997年更新的信息可以看到，出售的Dreiding模型有87件的Simple套裝以及182件的Normal套裝，由于Dreiding模型缺乏單個(gè)鍵靈活性，所以需要特殊的單元來模擬環(huán)丙烷和環(huán)丁烷環(huán)及其他雜環(huán)等效物，因此還提供了各種不同環(huán)類型的補(bǔ)充包（如表1）。然而多年前Dreiding模型在正規(guī)銷售渠道就已售罄，只能偶爾在一些二手交易網(wǎng)站上看到轉(zhuǎn)售信息，對(duì)于想要購(gòu)買或者補(bǔ)充相關(guān)模型的人來說非常困難。為了解決這一困境，提高閑置模型的利用率，以期讓更有需要的研究人員獲得想要的Dreiding模型，伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校藥學(xué)院（College of Pharmacy, University of Illinois at Chicago）啟動(dòng)了Dreiding模型交換（Dreiding Model Exchange）項(xiàng)目，為有意愿出售以及獲取模型的人提供了一個(gè)溝通平臺(tái)。[7]
表1. Sigma出售的不同套裝的Dreiding模型
六、結(jié)語
在Dreiding教授去世之后，他的女兒Karin Dreiding博士向蘇黎世大學(xué)化學(xué)系進(jìn)行了捐贈(zèng)，其中既包括了Dreiding教授的原始模型，也有他在生前精心收集的其他分子模型。為此，蘇黎世大學(xué)化學(xué)系在2017年11月舉辦了主題為“André Dreiding: A Fascinating Journey Encapsulated by Molecular Models”的展覽，以展示分子模型在現(xiàn)代化學(xué)研究中顯現(xiàn)出的重要性以及Dreiding教授畢生為此所做出的貢獻(xiàn)（圖8）。[8]
圖8. “André Dreiding: A Fascinating Journey Encapsulated by Molecular Models”展覽（圖片引自資料[8]）
[1]Woggon, W.-D. Chimia 2014, 68, 575.[2]Bachmann, W. E.; Dreiding, A. S. J. Org. Chem. 1948, 13, 317.[3]Dreiding, A. S. Helv. Chim. Acta 1959, 42, 1339.[4]Hermann, K. Chimia 2009, 63, 551.[5]Woodward, R. B.; Cava, M. P.; Ollis, W. D.; Hunger, A.; Daeniker, H. U.; Schenker, K. J. Am. Chem. Soc. 1954, 76, 4749.[6]Fieser, L. F. J. Chem. Educ. 1963, 40, 457.[7]McAlpine, J.; Pauli, G. Chem. Eng. News 2010, 88, 6.[8]https://www.chem.uzh.ch/en/events/special/Dreiding-Exhibition/Dreiding-Exhibition.html#bild-4-1.
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