Question

1964年Eaton合成了一种新奇的烷，叫立方烷，化学式为C₈H₈ (A)。20年后，在Eaton研究小组工作的博士后XIONG YUSHENG (译音熊余生)合成了这种烷的四硝基衍生物(B), 是一种烈性炸药。最近，有人计划将B的硝基用19种氨基酸取代，得到立方烷的四酰胺基衍生物(C)，认为极有可能从中筛选出最好的抗癌、抗病毒，甚至抗爱滋病的药物来。回答如下问题：(1)四硝基立方烷理论上可以有多种异构体，但仅只一种是最稳定的，它就是(B)，请画出它的结构式。(2)写出四硝基立方烷(B)爆炸反应方程式。(3)C中每个酰胺基是一个氨基酸基团。请估算，B的硝基被19种氨基酸取代，理论上总共可以合成多少种氨基酸组成不同的四酰胺基立方烷(C)？(4) C中有多少对对映异构体？

Answer 1

(1)

                                      (2分)
注：只要四个硝基在相间的位置上都
是正确的，其他答案不给分。
(2) C₈H₄(NO₂)₄­ = 2H₂O + 6CO +2C + 2N₂                              (2分)
(注：爆炸反应是分解反应，加氧不合理。写其他产物不合理。)
(3)
该题应是一个组合题，分析如下：
AX4 因4个氨基酸一样，故是组合问题  19种取其1种  C₁₉ ="19" 种
AX3Y 因三个氨基酸一样，第四个氨基酸不一样，故是19种氨基酸中取2种，是组合问题,       

但AX3Y与AY3X是不一样共2类，故其数目应是2倍的19取2的组合数：
因 CF3H与CH3F是不一样的
AX2Y2 因二个氨基酸一样，另二个氨基酸一样，故是组合问题，19种取其2种，但AX2Y2

与AY2X2是一样的，故只是1种组合问题，其种类：
正象CF2Br2 不是2*1种，而是2*1/2=1种
AX2YZ 因氯基酸19种取其3种，故仍是组合问题，但AX2YZ与AY2XZ与AZ2XY不一样共3类,

故有3倍的19种取3种的组合,其数目为：
正象F Cl Br I四种元素取代甲烷生成 CX2YZ形式有几种一样 不是4*3*2=24种,
而是CF2ClBr CF2ClI CF2BrI CCl2FI CCl2FBr CCl2BrI.. 共12种,即C4*3 ="4*3=12"
AXYZQ 因19种氨基酸中取4种,故是组合问题,且CXYZQ与CYZQX一样,故只是一种组合问

题其数目为:
因为有对映异构体存在,故种类有 3876*2=7752种
那么共有数目:
19+342+171+2907+7752=11191种
(注：本小题总共5分，给总数也满分)
(4)  AXYZQ有光学异构体，共3876对                               (1分)
(注：只要得出总数就给分)

本题立意，意在反映我国学者的科学研究成就。我国有许多学者或学子在美国进修、学习或工作，近年来我国在美国的学者或学子的工作报道越来越多，本题的信息便是其中之一。由于我国大陆的独特拼音，是不难与韩国、越南、海外华裔乃至我国台湾地区的拼音相区别而对研究者的来历作出正确判断的，不过我们并不能确定研究者的中文名称，只能译音。本题涉及的母体化合物──立方烷曾经在全国化学竞赛里出现过，估计有的选手是熟悉的，但为避免不公平起见，还是给出了分子式，使即便不知道的选手通过名称(立方烷)和分子式(C₈H₈)的相互对应也可想象出它的立体结构。随后的信息则全是新的。本题的第一问只要求画最稳定的四硝基立方烷的结构，既避免与过去的试题的重复，又突出了重点。本题第三问和第四问是有趣的数学问题和立体化学问题。化学竞赛里要考点数学是这类试题的命题人坚持不懈的努力，而本题力图从一个新的角度出发讨论数学问题。本题立体化学问题大大超过了中学化学水平，但符合章程的规定以及我国此级竞赛试题的传统。我们认为，单就立体化学的这种水平而言，这种层次的竞赛仍然应当坚持的(别的另说)。考察立体异构时，学生应该想象：本题的立方烷母体可以相当于一个连着四个基团的碳原子(从立体几何的角度，正四面体的中心若放到立方体的体心位置，则四面体的四个顶角就恰处于立方体的相间的顶角)，这点想象力是解本题所必需的。