图1. André S. Dreiding (June 22, 1919 - December 24, 2013) （图片引自资料[1]）
一、Dreiding教授简介
André S. Dreiding教授出生于瑞士一个具有东欧血统的家庭，并在苏黎世完成了高中学业。他20岁生日过后不久发生了德国对波兰的入侵，第二次世界大战爆发，出于安全方面的考虑，他决定前往美国深造。他在哥伦比亚大学接受了化学本科教育，之后又获得了硕士学位。在新泽西Hoffmann-La Roche担任了研究助理两年后，他在密歇根大学安娜堡分校（University of Michigan, Ann Arbor）Werner Emmanuel Bachmann教授手下继续进行研究，并于1947年获得博士学位，随后又以Rackham and Lloyd Postdoctoral Fellow的身份在那待到1949年。1949至1954年间，他在Wayne University的 Detroit Institute of Cancer Research任助理教授，1951年Bachmann教授去世后，他还接管了密歇根大学的教学和研究工作，直到1952年。1954年，Dreiding返回瑞士进入苏黎世大学，在那他担任教授直至1987年退休，之后成为荣誉退休教授。[1]
二、Dreiding模型发明的背景
图2. Dreiding课题组的合成目标之一的倍半萜capnellene（图片引自资料[1]）
Dreiding教授研究涉及有机化学的多个方向，包括立体化学，天然产物结构鉴定，全合成以及生源合成等，他的合成关注于那些在立体化学上具有挑战性的分子，比如利用α-炔酮环化制备了复杂的倍半萜（如图2）。而他对诸如分子绝对构型还有构象等立体化学问题的兴趣源自其攻读博士学位期间所做的甾体以及相关十氢萘环的结构阐明与合成方面的工作。[2]
图3. 左：Dreiding发表在Helv. Chim. Acta.上关于立体模型的论文（图片引自资料[3]）右：Sigma出售的Dreiding模型（图片来源于网络）
五十至六十年代，立体化学领域取得了重要的进展。当时，计算机，光密度计和衍射仪已经得到了发展，晶体结构逐渐变得越来越容易获得。Derek H. R. Barton与Odd Hassel也确立了构象分析的概念与方法且将其有效地应用于分子反应活性的研究，两人也在1969年分享了当年的诺贝尔化学奖。而另一方面，由于技术水平发展所限，波谱学方法尤其是核磁共振技术还尚未有机会在结构阐明方面发挥巨大威力。在这个背景下，已经回到苏黎世大学的Dreiding教授相信，日常的有机化学研究需要实物分子模型。模型的引入可以让研究者方便地观察动态的立体化学过程，分子在空间中的结构排布以理解反应中选择性，同时也提供了对分子合成方法的见解。于是，1959年Dreiding在Helvetica Chimica Acta上发表了一篇详细介绍如何利用金属管和配件杆简便装配四面体碳原子和各种官能团的论文，该文也标志了Dreiding立体模型的发明。[3]他同样申请了该项技术的专利，而相应的模型产品最初则由Buchi生产，Dreiding立体模型产品在学术界得到广泛使用并备受青睐，见图3。
三、Dreiding模型的特点
图4. Dreiding立体模型与其他类型的分子模型（图片来源于网络）
Dreiding模型是由细长的不锈钢的管和杆组成的骨架模型，与其他类型的分子模型，如球棍模型（Ball & Stick Model）不同（如图4），模型中的原子不是由球表示，而是由管的交点所表示，以不同的颜色来区分原子种类。由于钢管代表了化学键，因此Dreiding模型关注的是原子间键的几何形状，而不是原子本身。Dreiding模型虽然不是第一个骨架模型，但却是首个摒弃了早期模型——如John Kendrew的蛋白质模型——中所使用的那种连接，取而代之采用不锈钢管来促成连接的模型，用的既有空心管，也有与管子匹配的稍窄的实心杆。这样的连接方式使得整个模型看上去十分简洁，并且也比其他模型更加便于组装，以环己烷分子为例，Dreiding模型只需要6步即可拼装完成，而其他模型则需要18步。使用时将模型中杆和管进行旋转就可以显示分子构象的变化，从而阐明构象分子中的立体化学因素，同时也可用于机理研究。
图5 . 上：Dreiding模型碳元素基本元件以及拼接原理的示意图（图片引自资料[5]）下：通过C-H与O-H键的结合形成C-O键（图片来源于网络）
Dreiding模型是在前人基础上设计的，进行改进时他将以下认知纳入了自己的设计：两个原子A与B之间共价键的键长dAB可以划分为两个共价键半径rA和rB，这些半径是恒定的可加值。对于模型的基本元素，他没有采用孤立的原子，而是使用的它们对应的最简单的氢化物，比如四面体碳采用的是甲烷，三价氮使用的是氨。如图5上方左侧所示的是碳元素基本单元的结构，从其结构中心到一个管子的一端的距离，是以1:0.4×10-8的比例代表了精确的C-H键长，并且键角也对应于真实的观测值。图5上方右侧所示，每个空心管从末端量起，在两个共价氢原子半径的地方有个阻止装置，可以确保当两个元素拼合时，得到的是正确的缩放长度。[4]图5下方则以Dreiding模型中碳与氧的基本元件中C-H与O-H键的结合演示了甲醇分子中C-O键的形成。正因为如此，Dreiding模型是精确度相当高的三维立体模型，可以用于测量空间间距以及二面角等，这使得研究人员在技术条件有限的年代可以便捷地获得可靠的结果，如图6。
图6. 左：使用校准的埃米刻度尺以埃米为单位来测量非键合原子之间的距离 右：使用量角器测量角度（图片来源于网络）
我们虽然没法涵盖Dreiding模型所有可能的用途，但是根据当年生产商提供的说明，在此也可以罗列出它最重要的一些功能：[4]
–立体化学分析
–异构分析
–对称性推断
–构象分析
–动态反应分析
–通过过渡态可视化研究反应机理
–研究空间位阻
–分析受轨道对称性控制的立体专一性反应
–解释NMR中的耦合常数和磁场效应
–分析旋光光谱和圆二色谱中的手性规则
–确定手性和螺旋性
下面我们以天然产物结构研究中的经典分子strychnine为例，选取一个关于它的绝对构型的例子简单说明一下Dreiding模型在那个年代有机化学研究中展现出的作用。如果读者对五十年代末六十年代初的有机化学研究环境有所了解的话就会知道，虽然那时天然产物结构解析与全合成研究蓬勃发展，但是与今天各种技术层出不穷的情况截然不同的是，当时化学家用以表征化学物的手段相当有限。光谱方法只有紫外以及红外可用，另外加上元素分析，熔点以及旋光等重要的理化常数，而目前普及的核磁以及质谱等手段还没有在当年的实验室装备起来。因此，结构鉴定主要依赖于将未知结构天然产物化学降解，转化为已知组成和构型的化合物而实现。
图7. 左：测定strychnine的绝对构型 右：strychnine的Dreiding模型，红色箭头显示了氢气加成到C20双键的方向（图片引自资料[1]）
如图7左侧所示，当时的研究表明strychnine用钯进行氢化后得到dihydrostrychnine，继续降解后可得strychindole。而strychindole则可以由绝对构型已知的α,α'-二乙基琥珀酸合成获得，这样就确定了strychindole分子中C20的绝对构型。由于strychnine的相对构型已经从Woodward的全合成中获得，[5]Strychnine的绝对构型由此可以最终确定。让实验人员惊讶的结果是strychnine的氢化过程只给出了单一的产物。然而，如果他们用了Dreiding模型的话，那他们会立即领悟甚至预测到这个结果。这是因为如图7右侧所示，催化剂只能从双键的si面进行反应，而另一个面则被含氮的五元环屏蔽了。[1]
五、Dreiding模型的局限
虽然Dreiding模型在学术界得到了广泛的使用与认可，但是由于其本身采用不锈钢制作，成本较高，一般用户难以承受。据Sigma早年的目录价格显示，2002年时仅仅Dreiding模型中最基础的Simple Set的单套售价就接近八百美元，这个价格对于个人用户来说十分昂贵。此外Dreiding模型的尺寸对于教学使用来说仍然偏小，在有机教学中应用没有如研究中那么广泛。针对这些局限，哈佛大学的L. F. Fieser在六十年代时候曾经提出过替代解决方案，基于Dreiding模型的设计，制作了新的以Lexan（聚碳酸酯）, 聚乙烯以及铝为材料的适合于学生使用的平价模型。[6] Fieser模型没有Dreiding模型的精度和可操作性，并且官能团以及结构类型也很有限，适合初学者入门使用。目前来说，由丸善出版的同样是骨架模型的HGS立体化学模型在研究人员中使用较广，其由高强度的聚缩醛树脂制成，虽然精确度不如Dreiding模型，但已经能满足大部分研究需求，价格也为个人购买所能接受。根据Sigma网站最后于1997年更新的信息可以看到，出售的Dreiding模型有87件的Simple套装以及182件的Normal套装，由于Dreiding模型缺乏单个键灵活性，所以需要特殊的单元来模拟环丙烷和环丁烷环及其他杂环等效物，因此还提供了各种不同环类型的补充包（如表1）。然而多年前Dreiding模型在正规销售渠道就已售罄，只能偶尔在一些二手交易网站上看到转售信息，对于想要购买或者补充相关模型的人来说非常困难。为了解决这一困境，提高闲置模型的利用率，以期让更有需要的研究人员获得想要的Dreiding模型，伊利诺伊大学芝加哥分校药学院（College of Pharmacy, University of Illinois at Chicago）启动了Dreiding模型交换（Dreiding Model Exchange）项目，为有意愿出售以及获取模型的人提供了一个沟通平台。[7]
表1. Sigma出售的不同套装的Dreiding模型
六、结语
在Dreiding教授去世之后，他的女儿Karin Dreiding博士向苏黎世大学化学系进行了捐赠，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。为此，苏黎世大学化学系在2017年11月举办了主题为“André Dreiding: A Fascinating Journey Encapsulated by Molecular Models”的展览，以展示分子模型在现代化学研究中显现出的重要性以及Dreiding教授毕生为此所做出的贡献（图8）。[8]
图8. “André Dreiding: A Fascinating Journey Encapsulated by Molecular Models”展览（图片引自资料[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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