Question

1964年Eaton合成了一種新奇的烷，叫立方烷，化學式為C₈H₈ (A)。20年后，在Eaton研究小組工作的博士后XIONG YUSHENG (譯音熊余生)合成了這種烷的四硝基衍生物(B), 是一種烈性炸藥。最近，有人計劃將B的硝基用19種氨基酸取代，得到立方烷的四酰胺基衍生物(C)，認為極有可能從中篩選出最好的抗癌、抗病毒，甚至抗愛滋病的藥物來。回答如下問題：(1)四硝基立方烷理論上可以有多種異構體，但僅只一種是最穩定的，它就是(B)，請畫出它的結構式。(2)寫出四硝基立方烷(B)爆炸反應方程式。(3)C中每個酰胺基是一個氨基酸基團。請估算，B的硝基被19種氨基酸取代，理論上總共可以合成多少種氨基酸組成不同的四酰胺基立方烷(C)？(4) C中有多少對對映異構體？

Answer 1

(1)

                                      (2分)
注：只要四個硝基在相間的位置上都
是正確的，其他答案不給分。
(2) C₈H₄(NO₂)₄­ = 2H₂O + 6CO +2C + 2N₂                              (2分)
(注：爆炸反應是分解反應，加氧不合理。寫其他產物不合理。)
(3)
該題應是一個組合題，分析如下：
AX4 因4個氨基酸一樣，故是組合問題  19種取其1種  C₁₉ ="19" 種
AX3Y 因三個氨基酸一樣，第四個氨基酸不一樣，故是19種氨基酸中取2種，是組合問題,       

但AX3Y與AY3X是不一樣共2類，故其數目應是2倍的19取2的組合數：
因 CF3H與CH3F是不一樣的
AX2Y2 因二個氨基酸一樣，另二個氨基酸一樣，故是組合問題，19種取其2種，但AX2Y2

與AY2X2是一樣的，故只是1種組合問題，其種類：
正象CF2Br2 不是2*1種，而是2*1/2=1種
AX2YZ 因氯基酸19種取其3種，故仍是組合問題，但AX2YZ與AY2XZ與AZ2XY不一樣共3類,

故有3倍的19種取3種的組合,其數目為：
正象F Cl Br I四種元素取代甲烷生成 CX2YZ形式有幾種一樣 不是4*3*2=24種,
而是CF2ClBr CF2ClI CF2BrI CCl2FI CCl2FBr CCl2BrI.. 共12種,即C4*3 ="4*3=12"
AXYZQ 因19種氨基酸中取4種,故是組合問題,且CXYZQ與CYZQX一樣,故只是一種組合問

題其數目為:
因為有對映異構體存在,故種類有 3876*2=7752種
那么共有數目:
19+342+171+2907+7752=11191種
(注：本小題總共5分，給總數也滿分)
(4)  AXYZQ有光學異構體，共3876對                               (1分)
(注：只要得出總數就給分)

本題立意，意在反映我國學者的科學研究成就。我國有許多學者或學子在美國進修、學習或工作，近年來我國在美國的學者或學子的工作報道越來越多，本題的信息便是其中之一。由于我國大陸的獨特拼音，是不難與韓國、越南、海外華裔乃至我國臺灣地區的拼音相區別而對研究者的來歷作出正確判斷的，不過我們并不能確定研究者的中文名稱，只能譯音。本題涉及的母體化合物──立方烷曾經在全國化學競賽里出現過，估計有的選手是熟悉的，但為避免不公平起見，還是給出了分子式，使即便不知道的選手通過名稱(立方烷)和分子式(C₈H₈)的相互對應也可想象出它的立體結構。隨后的信息則全是新的。本題的第一問只要求畫最穩定的四硝基立方烷的結構，既避免與過去的試題的重復，又突出了重點。本題第三問和第四問是有趣的數學問題和立體化學問題。化學競賽里要考點數學是這類試題的命題人堅持不懈的努力，而本題力圖從一個新的角度出發討論數學問題。本題立體化學問題大大超過了中學化學水平，但符合章程的規定以及我國此級競賽試題的傳統。我們認為，單就立體化學的這種水平而言，這種層次的競賽仍然應當堅持的(別的另說)。考察立體異構時，學生應該想象：本題的立方烷母體可以相當于一個連著四個基團的碳原子(從立體幾何的角度，正四面體的中心若放到立方體的體心位置，則四面體的四個頂角就恰處于立方體的相間的頂角)，這點想象力是解本題所必需的。