《分子的空间结构》课件

分子的空间结构分子结构决定物质性质空间结构影响化学反应投稿人DH DingJunHong课程简介分子结构基础分子结构研究

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22.本课程将深入探讨分子结构的我们将了解分子结构研究的历定义、重要性和研究方法，并史发展、实验方法以及相关的介绍一些关键的概念理论模型生物化学应用

33.课程将重点介绍分子结构对生物活性的影响，以及在药物设计中的应用什么是分子的空间结构？原子排列键长和键角构型构象分子中原子在三维空间中的排原子之间距离和原子之间的角分子中原子在空间中的相对位由于分子内部键的旋转，分子列方式度置，包括旋光异构体、顺反异可以在空间中发生不同的构象构体等变化分子结构的重要性影响物质性质决定化学反应分子结构决定了物质的物理性质，例如沸点、熔点、溶解度等分子结构决定了分子参与化学反应的方式，影响着反应速率和产不同结构的分子拥有不同的极性，影响着物质的溶解度和沸点物例如，反应物分子必须拥有合适的空间结构才能与催化剂结合并发生反应分子结构决定分子的性质物理性质1分子的大小、形状和极性决定了物质的熔点、沸点、密度、溶解度等物理性质例如，水分子是极性的，具有氢键，因此水具有较高的沸点和溶解能力化学性质2分子结构影响化学反应的速率和反应产物例如，不同的官能团具有不同的反应活性，而分子的空间构型也会影响反应的进行生物活性3分子结构对生物活性至关重要例如，药物分子必须与靶蛋白结合才能发挥作用，而其结构的变化会导致生物活性的改变分子结构研究的历史发展早期探索早期化学家通过观察物质的性质和反应来推测分子结构例如，18世纪末，道尔顿提出了原子理论，为理解分子结构提供了基础X射线衍射20世纪初，X射线衍射技术的出现，使人们能够直接观察到晶体中分子的空间结构这标志着分子结构研究进入了新的阶段量子化学量子化学理论的建立，为解释和预测分子结构提供了理论基础量子力学方法能够计算分子的电子结构和键长键角等参数，为理解分子结构提供了更深刻的认识现代研究近年来，随着计算机技术的发展，分子结构研究越来越依赖于计算模拟各种计算方法和软件能够有效地预测和分析分子结构，为药物设计、材料科学等领域提供了重要支持分子结构研究的实验方法射线衍射电子衍射X通过测量X射线穿过晶体后的衍射图案，确定原利用电子束轰击物质，通过观察衍射图案来分子在晶体中的位置析物质的结构核磁共振波谱红外光谱通过分析原子核在磁场中的共振频率，获取分通过测量分子吸收红外辐射的频率，研究分子子结构和动态信息中不同基团的振动模式，推测分子结构原子的成键模式共价键离子键原子之间共享电子对形成共价键原子之间通过电子转移形成离子，这种键合方式稳定，通常在非键，这种键合方式通常在金属元金属元素之间发生素和非金属元素之间发生金属键金属原子之间通过自由电子共享形成金属键，这种键合方式赋予金属独特的性质，例如良好的导电性和延展性价键理论原子轨道重叠共用电子对

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22.价键理论认为，原子间的化学重叠的原子轨道中，电子云密键是由原子轨道重叠形成的，度增大，形成共用电子对，从重叠程度越大，化学键越牢固而使两个原子结合在一起键的类型分子形状

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44.价键理论可以解释不同类型的价键理论可以预测分子形状，化学键，例如单键、双键和三例如水分子是V形，甲烷分子键是四面体形杂化轨道理论概念概述杂化轨道类型杂化轨道理论用于解释原子轨道如何混合形成新的杂化轨道，这些常见的杂化轨道类型包括sp、sp

2、sp3杂化，它们的形状和能量不杂化轨道能更好地解释分子的几何形状和化学键的形成同，影响着分子结构和性质实例应用局限性杂化轨道理论可以成功解释甲烷、乙烯、乙炔等分子的结构，以及杂化轨道理论是一种近似理论，它无法完全解释所有分子的结构和它们的化学反应活性性质，尤其是在多电子体系中原子键角和分子形状键角1两个共价键之间的夹角分子形状2原子在空间中的排列方式影响因素3中心原子、价电子对数量预测模型4VSEPR模型键角和分子形状决定了分子的性质VSEPR模型可以预测分子形状，但不能解释键角大小共价键的极性极性共价键非极性共价键当两个原子之间形成共价键时，电子对偏向电负性较强的原子，形成极性共价键例如，在水分子中，氧原当两个原子之间形成共价键时，电子对在两个原子之间均匀分布，形成非极性共价键例如，在甲烷分子中子比氢原子电负性强，电子对偏向氧原子，形成极性共价键，碳原子和氢原子电负性相近，电子对在两个原子之间均匀分布，形成非极性共价键分子间作用力氢键氢键是分子间作用力中最强的一种，它在水、蛋白质、DNA等物质中起着至关重要的作用范德华力范德华力是一种弱的吸引力，由瞬时偶极-瞬时偶极相互作用产生，存在于所有分子之间偶极偶极相互作用-偶极-偶极相互作用发生在具有永久偶极矩的极性分子之间，是一种比范德华力更强的吸引力范德华力伦敦分散力偶极偶极力偶极诱导偶极力--瞬间偶极产生吸引力，是弱的瞬时相互作用极性分子间的相互作用，依赖于永久偶极矩极性分子使非极性分子产生瞬时偶极，从而的排列产生相互作用力氢键定义特性氢键是分子间的一种特殊相互作用力氢氢键比范德华力强，但比共价键弱氢键键形成于一个电负性强的原子（如氧、氮对分子的性质有重要影响，例如水的沸点或氟）与另一个分子中氢原子之间和冰的熔点分子间作用力与分子结构的关系结构决定性质1分子结构决定分子间作用力影响性质2分子间作用力决定物质的物理性质性质决定功能3物质的物理性质影响其功能分子结构影响着分子间作用力，进而决定物质的物理性质，如熔点、沸点、溶解度等例如，水分子之间存在氢键，使得水的沸点较高，而甲烷分子之间只有范德华力，沸点较低分子的立体构型空间排列构型异构体立体构型指分子中原子在三维空不同的立体构型可能导致不同的间的特定排列方式，包括键长、物理性质和化学性质，从而产生键角和二面角等构型异构体影响因素重要意义分子的立体构型受多个因素影响立体构型在生物化学、药物化学，例如原子半径、电子云的排斥等领域具有重要意义，因为它与作用和空间位阻等分子识别、反应活性、生物活性密切相关光学异构体镜像异构体手性中心旋光性光学异构体是彼此互为镜像，但不能重叠的光学异构体通常具有一个手性中心，即一个光学异构体能够旋转平面偏振光，一种称为分子连接四个不同基团的碳原子旋光性的性质顺反异构体旋转受限空间位置不同

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22.顺反异构体是由于双键的存在，导致围绕该键的旋转受到限顺反异构体在双键两侧的原子或基团的空间位置不同，导致制，无法自由旋转其物理性质和化学性质存在差异命名规则例子

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44.顺式异构体是指相同基团位于双键的同一侧，反式异构体是例如，顺式-2-丁烯和反式-2-丁烯是顺反异构体的典型例子指相同基团位于双键的两侧，它们具有不同的沸点和熔点构象异构体丁烷的构象异构体环己烷的构象异构体蛋白质的构象异构体丁烷分子可以旋转，形成不同的构象异构体环己烷分子可以采取椅式构象和船式构象蛋白质的构象异构体是指蛋白质中氨基酸残顺式构象比反式构象能量更高，因为甲基椅式构象比船式构象能量更低，因为所有氢基的旋转和折叠，导致蛋白质呈现不同的三之间相互排斥原子都处于最稳定的位置维结构分子结构对生物活性的影响酶活性1酶的催化活性受到其三维结构影响，特定形状的活性位点与底物相互作用药物作用2药物通过与特定靶点结合发挥作用，药物结构与靶点形状的匹配决定药效遗传信息3DNA双螺旋结构决定了遗传信息的编码方式，基因表达受其结构改变影响药物设计中的分子构象构象对药物活性的影响特定构象可与靶点结合，发挥药理作用构象筛选计算机模拟预测药物分子可能采用的构象，筛选与靶点结合最佳的构象构象药物设计利用构象信息，设计合成具有理想构象的药物分子构象分析与药物优化分析药物分子的构象变化，优化药物结构，提高药物的靶向性分子的动态变化分子振动1原子在平衡位置附近振动分子转动2分子绕其质心旋转构象变化3分子内部原子间的相对位置变化分子并非静止的，而是在不停地运动这些运动包括原子在平衡位置附近的振动、分子绕其质心的旋转以及分子内部原子间的相对位置变化，即构象变化这些动态变化对分子的性质和反应活性都有重要的影响分子的振动和转动分子振动分子转动分子振动是指分子中原子在平衡分子转动是指分子绕其质心旋转位置附近发生周期性运动每个分子转动可以产生不同的能级分子都有自己的振动频率，取决，并影响分子光谱于原子质量和键的强度振动和转动的相互作用分子振动和转动之间存在相互作用，它们会影响彼此的能级和运动分子的扭转振动单键旋转势能变化围绕单键的旋转运动，称为扭转随着扭转角度的变化，分子势能振动扭转振动是分子内部的运也会发生周期性的变化这种变动形式之一，它与分子的结构和化导致了扭转振动能级的存在性质密切相关光谱分析扭转振动能级可以通过红外光谱或拉曼光谱等方法进行研究扭转振动光谱可以提供关于分子结构和动力学的信息分子光谱与分子结构光谱1是物质与电磁辐射相互作用的结果分子结构2决定了分子的振动和转动模式光谱3特征反映了分子结构的信息研究方法4用于分析分子结构和性质通过分析分子光谱可以获得分子结构和性质的信息例如，红外光谱可以用于研究分子中官能团的结构和类型核磁共振波谱可以用于研究分子中原子核的结构和环境光谱技术在化学、生物学、材料科学等领域都有着广泛的应用红外光谱红外光谱分子振动指纹图谱红外光谱法是研究分子结构和性质的一种重当红外光照射分子时，分子会发生振动，吸每种分子都有独特的红外光谱，可以用于识要方法收特定的红外光别和鉴定物质核磁共振波谱核磁共振原理谱图分析核磁共振波谱利用原子核的磁性，通过核磁共振现象获得分子结核磁共振谱图可以提供关于原子核在分子中的位置、化学环境、构信息它利用了核磁共振的原理，利用磁场和射频脉冲使原子以及相邻原子核的信息核发生共振总结与展望分子结构的复杂性未来的方向计算化学生物学研究分子的结构研究揭示了物质世随着科学技术的发展，未来分计算化学将继续发挥重要作用分子结构在生物学研究中扮演界的奥秘，为我们理解物质性子结构研究将更深入地探究分，为实验研究提供理论指导，着关键角色，例如理解蛋白质质、设计新材料和药物提供了子间的相互作用、分子动力学预测和模拟复杂分子的结构和折叠、药物与靶标的相互作用重要基础和量子化学等领域性质等参考文献

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2.《有机化学》第九版，Paula《结构化学》第五版，周公度Yurkanis Bruice著，科学出版等著，高等教育出版社，2014社，2019年年

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4.《无机化学》第五版，周公度《化学》第六版，魏远芝等著等著，高等教育出版社，2013，高等教育出版社，2013年年。