《分子立体结构》课件

分子立体结构分子立体结构，又称为分子几何，是化学中描述分子中原子在三维空间中的排列方式了解分子立体结构对于理解分子性质至关重要什么是分子立体结构空间排列空间形状分子立体结构是指原子在空间的分子立体结构决定了分子在空间排列方式不同的原子排列方式的形状例如，水分子呈弯曲形会导致不同的物理性质和化学性，而二氧化碳分子呈线性质键角和键长手性分子立体结构还包括键角和键长分子立体结构与手性密切相关键角是指两个相邻键之间的角手性分子是指具有镜像异构体的度，键长是指两个原子核之间的分子手性分子在生物化学和医距离药领域起着重要的作用分子立体结构的重要性影响化学性质药物设计材料科学分子立体结构决定了分子间药物分子必须与靶点结合，材料的性质，如强度、韧性相互作用，影响反应速率，立体结构决定了药物与靶点、导电性等，都与分子立体影响生物活性，影响物理性之间的相互作用，影响药物结构有关，影响材料的应用质的疗效领域分子立体异构体的种类对映异构体互为镜像，但不可重叠非对映异构体互为立体异构体，但并非镜像关系构象异构体通过单键旋转而产生的不同空间排列手性分子与非手性分子手性分子非手性分子12手性分子是指具有不对称性的非手性分子是指没有不对称性分子，它与它的镜像不能重合的分子，它与它的镜像可以重合手性中心3手性分子通常具有手性中心，即一个碳原子连接四个不同的原子或基团构象异构体的概念构象异构体旋转单键构象异构体构象异构体是指同一分子中原子连接顺序由于单键的自由旋转，分子可以呈现出不丁烷分子有两种主要的构象反式构象和相同，但空间排列方式不同的异构体它同的空间构象，这些构象称为构象异构体顺式构象，它们的空间排列方式不同，导们可以通过旋转单键来相互转化致能量不同构象异构体的特点可相互转化能量差异影响因素物理性质构象异构体之间可以通过旋不同构象的能量不同，最稳影响构象稳定性的因素包括由于构象异构体之间能量差转单键而相互转化，不需要定的构象通常是能量最低的空间位阻、氢键、偶极相互异较小，它们通常具有相同断裂化学键构象作用等的物理性质环状化合物的构象环状化合物由于其环状结构，使得其原子间的键角和键长固定，导致构象的差异环状化合物的构象是指其原子在空间的排列方式，是由于单键旋转而产生的例如，环己烷的构象有椅式和船式两种，椅式构象比船式构象更稳定环状化合物的构象会影响其物理性质和化学性质，如熔点、沸点、反应活性等例如，椅式构象的环己烷比船式构象的环己烷更稳定，因为其原子间的距离更大，相互作用更小烷烃的构象烷烃的构象是指由于碳碳单键的自由旋转而产生的不同空间排列形式不同的构象能量不同，最稳定的构象通常是能量最低的构象例如，乙烷的两种主要构象分别是交叉式和重叠式交叉式构象中，两个甲基之间的空间位阻最小，能量最低，因此是乙烷的稳定构象重叠式构象中，两个甲基之间的空间位阻最大，能量最高，因此是不稳定构象环己烷的椅式和推船式构象环己烷是最简单的环烷烃，具有椅式和推船式两种主要的构象椅式构象更稳定，因为所有碳氢键都处于理想的键角，能量更低而推船式构象能量较-高，不稳定椅式构象的碳原子排列成锯齿状，而推船式构象的碳原子排列成船状由于能量差异，环己烷在室温下主要以椅式构象存在，而推船式构象只是瞬时存在的中间体环己烷构象的转动环己烷的椅式构象并非固定不变的由于碳碳单键的自由旋转，椅式构象可以发生两种主要类型的转动椅式翻转1环己烷分子中六个碳原子发生翻转，形成新的椅式构象轴向赤道互换-2环己烷分子中轴向和赤道位置的取代基发生交换椅式翻转是通过一系列键旋转过程完成的，并导致轴向和赤道位置的互换这种转动过程是一个快速过程，在室温下，一个环己烷分子可以以每秒百万次的速率发生椅式翻转椅式翻转会使分子中轴向和赤道位置的取代基发生改变，影响分子的稳定性和反应活性糖的吡喃环和呋喃环构象糖分子中的环状结构通常以吡喃环和呋喃环的形式存在吡喃环由六元环组成，其中一个氧原子和五个碳原子构成呋喃环由五元环组成，其中一个氧原子和四个碳原子构成这些环状结构并不是平面结构，而是以椅式或船式等特定构“”“”象存在这些构象决定了糖的物理性质和化学性质，也影响其在生物体中的功能手性中心的确定识别手性碳原子确定手性中心的优先

1.

2.12级手性碳原子是指与四个不同的原子或基团相连的碳原子根据原子序数的大小来判断，原子序数大的优先级更高观察手性碳原子的空确定手性中心的

3.

4.R/S34间排布构型从优先级最低的原子或基团开根据优先级顺序，顺时针旋转始观察，其他三个基团的空间则为构型，逆时针旋转则为R排布决定了手性中心的构型构型S命名法R/S优先级根据原子序数确定优先级，原子序数高的优先级更高方向将最低优先级基团指向背面，观察其余三个基团的排列顺序R/S顺时针排列为构型，逆时针排列为构型R S对映体和消旋体对映体消旋体对映体是彼此互为镜像，但不可消旋体是由等量对映体组成的混重叠的两种立体异构体它们具合物，其光学活性为零有相同的化学式和连接性，但空间排列不同对映体和消旋体的性质对映体具有不同的物理性质，例如旋光性，但它们的化学性质几乎相同消旋体则没有光学活性，其性质与对映体不同对映体的分离手性拆分1利用手性试剂将对映体混合物转化为非对映异构体混合物，然后通过结晶、色谱或其他分离方法将非对映异构体分离，最后再将分离的非对映异构体转化为相应的对映体酶催化拆分2利用酶对映体选择性地催化一个对映体的反应，例如酯化、酰化或氧化反应，从而将对映体混合物分离动力学拆分3利用对映体选择性催化剂，对一个对映体进行反应，反应速度快，另一个对映体反应速度慢，从而实现对映体分离对映体的性质和应用不同的物理性质药物开发手性催化对映体具有相同的物理性质，例如熔点、对映体在药物开发中发挥着至关重要的作手性催化剂能够选择性地催化特定对映体沸点和密度但是，它们在旋光性方面表用由于不同的对映体可能具有不同的药的生成，在有机合成中具有重要应用它现出差异理活性，因此选择正确的对映体对于药物们可以用于制备具有特定手性的药物、农的疗效和安全性至关重要药和其他精细化学品非手性分子的立体构型对称性平面结构非手性分子具有对称性，可以与镜像重合例如，甲烷分子具有一些非手性分子具有平面结构，例如乙烯和苯，它们可以自由旋四面体结构，可以旋转到其镜像重合转，不受空间位阻的影响构型标记法E/Z顺式异构体反式异构体两个相同取代基位于双键同一侧两个相同取代基位于双键两侧几何异构体的性质物理性质反应活性12几何异构体在物理性质方面存由于空间构型的不同，几何异在显著差异，如沸点、熔点、构体在反应活性方面也存在差密度和极性异，比如亲电攻击的位置和反应速率生物活性光学活性34在生物系统中，几何异构体常某些几何异构体可能表现出光常表现出不同的生物活性，例学活性，而另一些则不具有光如药物的疗效或毒性学活性化学反应中的立体化学立体选择性立体专一性化学反应中，生成物可能有多种立体专一性是指反应生成特定立立体异构体立体选择性是指反体异构体的反应，反应仅生成一应优先生成特定立体异构体的倾种立体异构体，没有其他立体异向性构体生成反应机理过渡态反应机理决定了反应过程中键的反应过渡态的结构决定了反应产断裂和生成方式，从而影响生成物的立体化学，影响生成物的构物的立体化学型和构象亲电加成反应的立体化学立体选择性亲电加成反应通常表现出立体选择性，意味着反应物可以选择性地生成特定立体异构体马氏规则马氏规则预测了亲电试剂加成到烯烃或炔烃时的主要产物，取决于碳原子上的取代基立体化学控制反应条件，例如溶剂、温度和催化剂，可以影响反应的立体化学亲核取代反应的立体化学反应反应SN1SN2反应是单分子亲核取代反应反应反应是双分子亲核取代反应反应SN1SN2机理是先形成碳正离子中间体，然后亲机理是亲核试剂从碳原子的背面进攻，核试剂进攻碳正离子同时离去基团离去反应通常伴随着构型翻转，因为碳正反应通常伴随着构型翻转，因为亲核SN1SN2离子是平面结构的试剂从碳原子的背面进攻消除反应的立体化学扎伊采夫规则顺式反式异构体构象异构体消除反应通常遵循扎伊采夫规则，生成最消除反应可能生成顺式或反式异构体，取反应物的构象异构体可以影响消除反应的取代的烯烃决于反应物的立体化学产物和立体化学自由基反应的立体化学自由基反应机理自由基反应通常涉及自由基的生成、反应和终止，这些步骤可能导致立体化学的变化立体选择性自由基反应可能导致形成非对映异构体或对映异构体的混合物，取决于反应条件和试剂影响因素影响自由基反应立体化学的因素包括反应物结构、溶剂、温度和光照条件有机金属反应的立体化学手性中心的生成试剂的立体化学12许多有机金属反应可以产生新有机金属试剂本身可以具有立的手性中心，并对产物的立体体化学特征，影响反应的立体化学产生影响选择性反应条件的影响应用34温度、溶剂、催化剂等反应条有机金属反应的立体化学控制件都可以影响有机金属反应的在合成复杂分子和药物方面具立体化学有重要应用生物大分子的立体结构生物大分子指的是由大量小分子单体通过共价键连接形成的具有复杂结构的大分子常见的生物大分子有蛋白质、核酸、多糖和脂质等它们在生命活动中扮演着至关重要的角色，具有高度的结构特异性，其三维结构与其功能密切相关蛋白质的立体结构蛋白质的三维结构非常复杂蛋白质的立体结构由其氨基酸序列决定，并受多种因素的影响，如氢键、疏水作用力、静电作用力等蛋白质的立体结构与其功能密切相关不同的立体结构决定了蛋白质不同的功能，例如酶的催化活性、抗体的识别能力、激素的信号传递等蛋白质的立体结构研究对于理解生命现象、设计药物、开发新型材料等具有重要意义核酸的立体结构核酸，如和，是生命的基本物质之一它们具有复杂DNA RNA的立体结构，对于其功能至关重要的双螺旋结构是其最重要的立体结构特征，由两条反向平DNA行的多核苷酸链组成，通过碱基对之间的氢键连接的立体结构更加多样，可以形成各种复杂的结构，例如发RNA夹环、茎环和假结脂质的立体结构脂质是生物体的重要组成部分，包括脂肪、磷脂、类固醇等，其立体结构对生物功能至关重要例如，磷脂的双分子层结构是细胞膜的关键组成部分，它控制着细胞物质的进出类固醇，如胆固醇，具有特殊的环状结构，对调节细胞功能至关重要小结与思考立体结构的复杂性应用与展望分子立体结构是化学研究的核心对立体结构的深入研究和理解，内容，它影响着分子的性质和功为药物设计、材料科学、生命科能，并决定着化学反应的路径和学等领域提供了重要的理论基础产物和指导意义未来研究方向发展更先进的立体结构分析方法，探索更复杂分子体系的立体结构，以及开发新技术和方法应用于药物设计和合成。