《立体化学基础：课件中的手性分子解析》

《立体化学基础课件中的手性分子解析》欢来课将带迎到立体化学的世界！本件您深入探索手性分子的奥秘，从基本级应领概念到高用，全面解析手性分子在化学、生物、医药等域的重要作用们将过详细讲关识我通生动的案例和的解，帮助您掌握手性分子的相知，为来习坚础开这未的学和研究打下实的基准备好启段精彩的立体化学之旅吗了？手性分子的概念和重要性手性的定义手性的重要性镜质观观手性（Chirality）是指物体与其像不能重叠的性就像人手性在自然界中普遍存在，从微的分子到宏的物体，都可能们为镜论转领的左手和右手，它互像，但无如何旋都无法完全重合具有手性手性分子在生物化学、药物化学等域具有重要意义质们镜许手性分子也具有类似的性，它的像异构体具有不同的物例如，多药物分子都是手性的，不同的手性异构体可能具有质理和化学性不同的药效甚至毒性分子空间结构的表示方法透视式线虚线线来用实、和楔形表示分子中原子或基团在空间中的位置线内虚线线实表示在平面，表示在平面后，楔形表示在平面前透观维结视式能直地反映分子的三构纽曼投影式观圆圆从特定方向察分子，用圈表示前方的碳原子，圈中心表示与连圆挡前方碳原子相的基团后方的碳原子被圈遮，与后方碳原子连圆缘纽相的基团从圈边伸出曼投影式适用于研究构象异构体费歇尔投影式将线纸键线分子骨架投影到平面上，水平表示向面外伸出的，垂直纸内键费简单表示向面伸出的歇尔投影式明了，适用于表示手性分子的构型手性中心的判定手性碳原子其他手性中心12连接四个不同基团的碳原子被除了手性碳原子外，某些氮原称为称为对手性碳原子，也不子、磷原子、硫原子等也可能称为铵盐碳原子手性碳原子是分子成手性中心例如，季来断连手性的重要源判一个碳中的氮原子接四个不同的基为关键时原子是否手性中心，在团，也具有手性观连于察其接的四个基团是否完全不同手性轴和手性面3结某些分子不含手性原子，但由于其特殊的空间构，也具有手性例环环如，联苯类化合物中，若两个苯上的取代基足够大，会阻碍苯的转轴烃则自由旋，形成手性某些烯类化合物具有手性面消旋体和对映体的定义对映异构体消旋体对为镜对映异构体（Enantiomers）是互像且不能重叠的立体异消旋体（Racemate）是由等量的两种映异构体混合而成的混们质质对转对构体它具有相同化学性和物理性，除了偏振光的旋合物由于两种映异构体的旋光性相互抵消，因此消旋体不具对转则方向相反一个映异构体使偏振光向左旋，另一个使其向有旋光性消旋体通常用±符号表示转右旋相同角度旋光性质和偏光角的测量旋光性1质转质旋光性（Optical Activity）是指手性物使偏振光旋的性质称为质对具有旋光性的物旋光性物映异构体具有旋光性，但消旋体不具有旋光性偏振光2普通光是向各个方向振动的电磁波，而偏振光是只向一个方向振动过获当过质的电磁波偏振光可以通偏振片得偏振光通旋光性物时转，其振动方向会发生旋偏光角的测量3过质偏光角（Angle ofRotation）是指偏振光通旋光性物后，振转过测动方向旋的角度偏光角可以通旋光仪量偏光角的大小与质浓关物的度、光程、温度和波长有顺式异构体和反式异构体顺式异构体反式异构体顺键环状结键环状结式异构体（cis-isomer）是指在双或构中，两个取代反式异构体（trans-isomer）是指在双或构中，两个侧顺时对侧时基位于同一的异构体在命名式异构体，通常使用cis-前取代基位于相两的异构体在命名反式异构体，通常使用缀缀trans-前构型和构象的区别构型键断导构型（Configuration）是指由于化学的裂和形成而致的原子在空断键转对间的排列方式构型异构体需要裂化学才能相互化映异构体对和非映异构体都是构型异构体构象单键转导构象（Conformation）是指由于的旋而致的原子在空间的排列过单键转转断键方式构象异构体可以通的旋相互化，无需裂化学例如，乙烷的交叉式构象和重叠式构象是构象异构体环状分子的手性环状分子的手性椅式构象环状环稳分子也可能具有手性例如，取己烷最定的构象是椅式构象在环环环代的己烷中，若上的取代基的空椅式构象中，上的取代基可以处于满则该环键键间排列足手性条件，己烷分直立（axial）或平伏（断环状子具有手性判分子是否具有equatorial）的位置取代基的空间虑环环手性，需要考上的取代基种类和位置会影响己烷分子的手性位置分子内手性内消旋化合物内内消旋化合物（Meso Compound）是指分子含有多个手性内对称导中心，但由于分子部存在面，致整个分子不具有旋光内虽性的化合物消旋化合物然含有手性中心，但不是手性分子对称面的存在内内对称该对称将消旋化合物的分子部存在面，面分子分成两这为镜部分，两部分互像，且旋光性相互抵消，因此整个分子断为内关键不具有旋光性判一个分子是否消旋化合物，在于寻内对称找分子部是否存在面分子间相互作用与手性氢键氢键对是分子间的一种弱相互作用力，识别手性具有重要作用手性分子可以2过氢键手性识别通与其他手性分子或非手性分子结相互作用，形成特定的空间构，从而现识别识别区实手性手性是指一个手性分子能够分另1对现一个手性分子的两种映异构体的象范德华力识别手性是手性分子之间相互作用的础识别基手性在生物化学、药物化学范德华力是分子间的另一种弱相互作用领对识别等域具有重要意义力，也手性具有一定作用范德诱导3华力包括色散力、力和取向力手过性分子可以通范德华力与其他分子相现互作用，影响其空间排列，从而实手识别性光学活性天然产物和药物樟脑薄荷醇布洛芬脑单樟是一种天然的萜类化合物，具有旋光薄荷醇是一种天然的萜醇，具有旋光性布洛芬是一种常用的非甾体抗炎药，具有脑应领应妆对性樟广泛用于医药、香料等域薄荷醇广泛用于食品、医药、化品旋光性布洛芬的两种映异构体具有不脑领较樟具有多种药理活性，如镇痛、止痒、等域薄荷醇具有清凉、止痒、镇痛等同的药理活性S-布洛芬具有强的抗炎较防腐等作用活性，而R-布洛芬的活性低光学异构体的分离和拆分手性柱色谱法1谱该手性柱色法是分离光学异构体最常用的方法之一方法使用手性固定对现对相，利用映异构体与手性固定相之间的相互作用差异，实映异构体的分离形成非对映异构体2将纯试剂应对消旋体与一种的光学活性的拆分反，形成非映异构体由于对质过结谱进非映异构体具有不同的物理性，可以通重晶、色等方法行分将对转为纯对离分离后，再非映异构体化的光学活性的映异构体生物拆分法3对选择谢现对利用酶或微生物映异构体的性代作用，实映异构体的拆分对应对对没例如，某些酶只催化一种映异构体的反，而另一种映异构体有应反光学纯度的测定旋光法手性气相色谱法测纯过测谱对旋光法是定光学度最常用的方法之一通量样品的旋光手性气相色法（GC）使用手性固定相，可以分离样品的映纯质进较计别测计纯度，与的光学活性物的旋光度行比，可以算出样品的异构体，并分定其含量，从而算出样品的光学度手性纯纯挥纯测光学度光学度越高，旋光度越大GC法适用于发性手性化合物的光学度定立体化学在有机合成中的应用手性合成砌块1过纯为杂利用天然的手性化合物或通手性拆分得到的手性化合物作合成砌块，构建复的手性分子手性合产成砌块可以控制物的立体构型手性辅助剂2将辅剂连应诱导应选择对应手性助接到反物上，反性地生成一种映异构体反完成后将辅剂纯产，手性助移除，得到的手性物不对称催化3剂应应选择对使用手性催化催化反，使反性地生成一种映异构对称体不催化是合成手性化合物最有效的方法之一绝对构型的确定射线衍射法振动圆二色谱法X-线绝对过线圆谱绝对谱X-射衍射法是确定分子构型最可靠的方法通X-射衍振动二色法（VCD）是一种确定分子构型的光方法验获维结绝对谱对绝对射实，可以得分子的三构，从而确定其构型VCD分子的构型非常敏感，可以用于确定手性分子的构型和命名法R S规则构型构型CIP RS连连R/S命名法是用于描述手性中心构型的命如果接到手性中心的四个基团的优先如果接到手性中心的四个基团的优先该规则级顺为顺时针则该级顺为时针则该名方法方法基于CIP（Cahn-序方向，手性中心的序逆方向，手性中心的为为为为Ingold-Prelog sequencerules），根构型R（拉丁文rectus，意“右”）构型S（拉丁文sinister，意“左”连级据接到手性中心的四个基团的优先）顺序，确定手性中心的构型和命名法E Z构型E键连键E/Z命名法是用于描述双构型的命名方法如果接到双较级键对侧则的每个碳原子上的高优先的基团位于双的相两，该键为为双的构型E（德文entgegen，意“相反”）构型Z连键较级键如果接到双的每个碳原子上的高优先的基团位于双侧则该键为为的同一，双的构型Z（德文zusammen，意“一起”）顺反异构体的命名反式顺式1环状环状在化合物中，如果两个取代基位于在化合物中，如果两个取代基位于环对侧则称为环侧则称为顺2的相两，反式（trans-）的同一，式（cis-）例环顺环例如，反式-1,2-二甲基己烷如，式-1,2-二甲基己烷物质的确定构型构型命名实验验证12质对确定物构型后，需要根据于新合成的化合物，需要通规则给质过验验证IUPAC命名，出物的实手段其构型，例如称线完整名，包括构型描述符（X-射衍射、核磁共振等顺如R/S、E/Z、/反等）文献查阅3对过阅于已知的化合物，可以通查文献，了解其构型信息常用的化数库学据包括SciFinder、Reaxys等常见的手性试剂催化剂配体DIP-Chloride CBSBINAP剂剂DIP-Chloride，即二异丙醇基氯，是一种CBS催化是一类常用的手性催化，由BINAP配体，即2,2-双二苯基膦-1,1-试剂应对称开应常用的手性，广泛用于不合成E.J.Corey和Bhaskar-Saha发CBS联萘，是一种常用的手性配体，广泛用应应选剂应对称还应过对称应反中它能够有效地控制反的立体催化广泛用于不原反中，能于渡金属催化的不反中BINAP择产还过剂性，生成具有特定构型的手性物够高效地原酮类化合物，生成手性醇配体能够与渡金属形成手性催化，催对称应化各种不反手性氧化还原反应不对称还原剂试剂将还为利用手性催化或手性，酮、醛等化合物原手性醇还试剂氢铝氢常用的手性原包括手性硼化物、手性化物等剂对称还应还CBS催化催化的酮的不原反是一种经典的手性原应反不对称氧化剂试剂将烃为利用手性催化或手性，醇、烯等化合物氧化手性试剂过化合物常用的手性氧化包括手性氧化物、手性金属配对称环应合物等Sharpless不氧化反是一种经典的手性氧化应反不对称催化反应过渡金属催化过剂对称应过利用渡金属与手性配体形成手性催化，催化各种不反渡对称应围过金属催化不反具有催化效率高、适用范广等优点常用的渡铑钯铱金属包括、、等有机小分子催化为剂对称应利用有机小分子作催化，催化各种不反有机小分子催化具环简剂有境友好、操作便等优点常用的有机小分子催化包括脯氨酸、咪唑啉酮等立体选择性的控制试剂控制试剂剂应利用手性或手性催化，控制反2选择试剂剂的立体性手性或手性催化底物控制应结过与反物形成具有特定空间构的渡态产应1，从而控制物的立体构型利用底物自身的手性信息，控制反的选择对立体性例如，于含有手性中心反应条件控制应倾较的底物，反向于从空间位阻小的进过应剂方向行通改变反条件（如温度、溶、添剂应选择3加等），影响反的立体性例应较如，某些反在低温下具有高的立体选择性分子内氢键与手性氢键的形成1内氢键内氢键内氢分子是指分子部的不同基团之间形成的分子键结诱导产的形成可以影响分子的空间构，甚至可以分子生手性手性诱导2内氢键稳诱导产某些分子可以定分子的某种特定构象，从而分子过内氢键生手性例如，某些二醇类化合物可以通分子形成具有手性的构象应用3内氢键识别领应分子在手性催化、手性等域具有重要用利用分内氢键计剂识别子可以设新型的手性催化和手性分子溶剂效应对手性的影响溶剂的极性溶剂的氢键作用剂应选择对应剂氢键应剂剂溶的极性可以影响反的速率和立体性于某些反，溶的作用可以影响反物和催化的溶化，从而影响反剂较选择剂选应选择应质剂较在极性溶中具有高的立体性，而在非极性溶中立体的立体性例如，某些反在子溶中具有高的立体择较选择质剂选择较性低性，而在非子溶中立体性低手性衍生物的应用Mosher酸手性衍生试剂试剂应试Mosher酸，即α-甲氧基-α-三氟甲基苯乙酸，是一种常用的手性手性衍生是指能够与非手性化合物反，生成手性衍生物的试剂绝对将剂过谱谱进衍生，用于确定醇、胺等化合物的构型醇或胺与手性衍生物可以通色法或光法行分析，从而确定非手应过绝对纯Mosher酸反，形成Mosher酯或Mosher酰胺，然后通核磁共性化合物的构型或光学度绝对振分析，确定其构型手性液晶和手性高分子手性液晶圆手性液晶是指含有手性分子的液晶手性液晶具有特殊的旋光性和二质应显开关领色性等光学性，广泛用于示器、光等域手性高分子单结手性高分子是指含有手性体或具有手性构的聚合物手性高分子具独质应有特的物理和化学性，广泛用于手性分离、手性催化、生物材料领等域手性纳米材料手性金纳米颗粒手性碳纳米管纳颗饰纳结手性金米粒是指表面修有手性手性碳米管是指具有手性构的碳纳颗纳颗纳纳质配体的金米粒手性金米粒米管手性碳米管的电子性和独圆质纳关具有特的旋光性和二色性等光学光学性与碳米管的手性密切相质应识别应纳纳性，广泛用于手性、手性催，广泛用于米电子学、米光学传领领化、生物感等域等域生物大分子的手性手性氨基酸质组质独蛋白是由手性氨基酸成的蛋白的手性决定了其特的结为空间构和生物活性天然氨基酸均L-型氨基酸手性糖组独核酸和多糖是由手性糖成的核酸和多糖的手性决定了其结为特的空间构和生物功能天然糖类多D-型糖蛋白质的手性结构一级结构1质级结顺顺质级级级结蛋白的一构是指氨基酸的排列序氨基酸的排列序决定了蛋白的

二、三和四构二级结构2质级结质级结级结蛋白的二构是指蛋白骨架原子的局部空间排列常见的二构包括α螺旋、β折叠等二构氢键维主要由持三级结构3质级结质级结氢键蛋白的三构是指整个蛋白分子的空间排列三构主要由疏水作用、、盐键键维、二硫等持四级结构4质级结组质蛋白的四构是指由多个亚基成的蛋白分子的空间排列四级结键维构主要由非共价持核酸的手性结构RNADNA1组RNA是由手性核糖、磷酸和碱基成DNA是由手性脱氧核糖、磷酸和碱基单链结组结2的构RNA具有多种生物功能成的双螺旋构DNA的手性决定遗传传调独遗传传，包括信息递、基因表达控等了其特的信息递功能酶催化反应的手性高立体选择性1应选择酶催化反通常具有很高的立体性酶的活性中心具有特结选择对结定的空间构，能够性地与一种映异构体合，从而催机理2应化其反应结过态产酶催化反的机理涉及酶与底物的合、渡的形成和物释过应应进应用的放酶通降低反的活化能，加速反的行3应应产领酶催化反广泛用于有机合成、医药生等域利用酶催应化反可以合成具有特定构型的手性化合物手性识别的分子机理三点作用理论论认为识别识别三点作用理，手性需要至少三个相互作用位点手性分现识别子与手性底物之间需要至少三个相互作用位点，才能实有效的分子对接对计预测过分子接是一种算机模拟方法，用于分子之间的相互作用通对识别分子接，可以研究手性分子与手性底物之间的相互作用模式药物手性的重要性沙利度胺萘普生对对沙利度胺是一种具有手性的药物沙利度胺的R-映异构体具有萘普生是一种具有手性的非甾体抗炎药萘普生的S-映异构体静对显较对较镇作用，而S-映异构体具有致畸作用沙利度胺事件凸了具有强的抗炎活性，而R-映异构体的活性低药物手性的重要性立体化学在医药中的应用手性药物的合成药物设计挥对称计立体化学在手性药物的合成中发着重要作用利用不合成立体化学在药物设中也扮演着重要角色了解药物分子的空间结计标结紧方法可以高效地合成具有特定构型的手性药物手性药物的合成构，可以帮助设出与靶蛋白合更密的药物分子药物应选择产标需要控制反的立体性，以确保物的构型正确分子的构型会影响其与靶蛋白的相互作用手性化合物的生物活性药效差异对对手性化合物的映异构体通常具有不同的生物活性一种映异构体可较对较时能具有强的药效，而另一种映异构体可能药效弱甚至无效有对疗对，一种映异构体可能具有治作用，而另一种映异构体可能具有毒性代谢差异对内谢径对手性化合物的映异构体在体的代途可能不同一种映异构体谢对谢较谢可能被迅速代，而另一种映异构体可能代慢代差异也会影响手性化合物的生物活性靶标相互作用对标标手性化合物的映异构体与生物靶的相互作用可能不同手性靶通对对亲对对亲常一种映异构体具有更高的和力，而另一种映异构体的和较标导力低靶相互作用差异是致药效差异的重要原因立体选择性合成的挑战选择性控制催化剂设计12现选择计选择实高立体性合成仍然是设高效、高性的手性催战许应选剂难题一个挑多反的立体化仍然是一个手性催择剂计虑性受到多种因素的影响，如化的设需要考催化活性结试剂质应选择围底物构、性、反条、立体性、底物适用范应选择计辅剂件等控制反的立体性等因素算机助催化设应计为剂计需要深入了解反机理催化设提供了新的思路放大生产3将验规选择应产临战实室模的立体性合成方法用于工业生仍然面挑产虑环寻环放大生需要考成本、安全、保等因素找经济、保的立体选择性合成方法具有重要意义。