《有机化学立体化学》课件

有机化学立体化学有机化学立体化学是研究有机分子中原子在空间排列的学科。它探讨了分子的构型、构象和对映异构体等概念，以及它们对化学性质和生物活性的影响。什么是立体化学？研究空间结构立体化学是化学的一个分支，它研究分子的三维结构及其性质。原子排列方式它关注原子在空间中的排列方式，以及这种排列方式如何影响分子的性质。手性与对映异构体立体化学的核心概念是手性，即分子不能与其镜像重合。影响反应路径立体化学在化学反应中起着至关重要的作用，影响反应的速率和产物。立体化学的重要性药物开发药物分子通常具有特定的手性结构，影响药物的有效性和安全性。化学合成控制反应立体化学，合成具有特定手性的化合物，提高反应效率和产率。生命科学理解生物分子立体化学，揭示生命现象的本质，例如蛋白质折叠和酶催化。手性分子概念非对映异构体手性分子是指具有手性的分子，即分子及其镜像不能重合。对映异构体它们像左右手一样，互为镜像，但不能重合。镜像关系手性分子具有手性中心，通常是一个具有四个不同取代基的碳原子。对映异构体定义11.非对映异构体互为镜像，但不可重叠，如左手和右手。22.结构相同拥有相同原子和键，但空间排列不同。33.光学活性对映异构体具有旋转偏振光的性质，但旋转方向相反。44.化学性质相同对映异构体在大多数化学反应中具有相同的反应性。对映异构体显示对映异构体是镜像异构体，它们具有相同的化学式和原子连接方式，但它们的结构是不可重叠的镜像。显示对映异构体通常使用三维模型或计算机模拟来展示它们的立体结构。消旋体概念消旋体定义消旋体是指一对对映异构体以等摩尔比混合而成的混合物。由于对映异构体具有相同的物理性质，因此消旋体在旋光性方面表现为零，即不旋光。消旋体的性质消旋体是一种非手性混合物，因为它包含了等量的两种手性异构体，它们相互抵消了旋光性。消旋体通常表现出与纯对映异构体不同的物理性质，例如熔点和沸点。镜像互补性质对映异构体是彼此的镜像，但无法通过旋转或平移重合。它们就像左手和右手，互为镜像，但无法重合。对映异构体具有相同的物理性质，如熔点、沸点和密度。它们在与非手性试剂反应时表现出相同的反应性。光学活性定义11.光学活性物质能够旋转平面偏振光，并表现出旋光性的物质。22.旋光性平面偏振光通过物质时，偏振平面发生旋转的现象。33.旋光方向物质使偏振光旋转的方向，分为右旋和左旋。44.旋光度物质使偏振光旋转的角度，用来衡量物质的光学活性大小。偏光仪测量光学活性偏光仪是测量物质光学活性的重要仪器。它利用偏振光通过样品后的旋转角度来判断物质是否具有光学活性。偏光仪由光源、偏振器、样品池和检测器组成。通过测量样品对偏振光的旋转角度，可以确定物质的光学活性大小，并判断其旋光方向。绝对构型R/S配置优先级规则根据原子序数大小确定原子优先级，原子序数越大，优先级越高。Cahn-Ingold-Prelog规则使用CIP规则，观察手性中心四个原子或基团的优先级顺序，并根据其排列方式确定为R或S构型。手性中心连接四个不同原子或基团的碳原子，被定义为手性中心，具有光学活性。光学活性对映异构体是彼此的镜像，但不能叠合，表现出不同的旋光性。配置决定性质手性药物药物分子的立体化学结构对其药理活性至关重要。不同的手性异构体可能具有不同的药效和毒性。天然产物许多天然产物具有独特的立体化学结构，对其生物活性起着重要作用。手性催化手性催化剂在不对称合成中发挥着重要作用，可以合成特定的手性异构体，提高反应效率。立体选择性反应定义立体选择性反应指的是在反应中生成两种或多种立体异构体时，其中一种立体异构体的生成量明显多于其他立体异构体。换句话说，反应产物中，主要产物是特定构型的立体异构体，而其他构型的立体异构体生成量较少，这种现象被称为立体选择性。重要性在有机化学中，立体选择性反应非常重要，因为它能够控制反应产物的立体化学性质，从而获得具有特定构型的目标分子。立体选择性反应在药物合成、天然产物合成和材料科学等领域都有广泛应用。例如，在药物合成中，可以通过立体选择性反应来合成具有特定立体化学性质的药物，从而提高药物的疗效和安全性。SN2反应机理1亲核进攻亲核试剂进攻碳原子2过渡态形成五配位过渡态3离去基团离开离去基团脱离碳原子SN2反应是双分子亲核取代反应。它涉及一个亲核试剂和一个离去基团之间的反应，并涉及一个过渡态。E2反应机理1第一步：脱质子强碱从β碳上夺取氢原子，形成碳负离子中间体。2第二步：离去基团离去β碳上的碳负离子与离去基团同时离去，形成双键。3第三步：生成烯烃双键的形成伴随着离去基团的离去，生成烯烃产物。影响反应立体选择性的因素反应物结构反应物的手性中心数量和位置会影响产物的立体化学.试剂性质试剂的结构、大小和极性会影响其与反应物的相互作用.反应条件温度、溶剂和催化剂等因素会影响反应速率和立体选择性.反应机理反应机理决定了反应物和试剂之间的相互作用方式和产物结构.分子内氢键作用1定义分子内氢键是指同一个分子内不同基团之间形成的氢键，其作用力比分子间氢键更强，可以影响分子的构象和性质。2影响分子内氢键可以稳定分子结构，提高分子的沸点和熔点，还可以影响分子的光谱性质和反应活性。3应用分子内氢键在有机化学中有着广泛的应用，例如在药物设计和材料科学中。4举例例如，乙酰乙酸乙酯的分子内氢键可以使分子处于稳定状态，使其具有特殊的性质。萨尔康环反应反应概述萨尔康环反应是一种有机化学反应，在环状体系中，亲电试剂加成到双键或三键上，形成一个新的环状体系。反应机理该反应涉及亲电试剂对π体系的进攻，然后是环状体系的形成。反应条件反应通常在酸性条件下进行，并使用过氧化氢或其他氧化剂作为亲电试剂。应用萨尔康环反应在天然产物合成和药物化学中有着广泛的应用。环氧化物开环反应1亲核进攻亲核试剂进攻环氧环2环氧键断裂C-O键断裂形成新的C-Nu键3新立体中心反应生成新的手性中心4立体化学反应具有立体选择性环氧化物开环反应是合成化学中重要的反应类型。环氧环的开环反应通常发生在环氧环的碳原子上，形成新的碳-杂原子键。反应具有立体选择性，生成产物的立体化学取决于环氧环的结构以及亲核试剂的性质。烯烃环氧化反应1过氧化物过氧化氢和过酸2催化剂金属氧化物3反应条件低温、非极性溶剂烯烃环氧化反应是指烯烃在过氧化物和催化剂的作用下生成环氧化物的反应。环氧化物是有机合成中重要的中间体，可以用于合成多种化合物。中性亲核试剂加成亲核进攻中性亲核试剂如醇或醚可以进攻碳正离子,生成新的碳-氧键。环氧乙烷开环环氧乙烷作为亲核试剂,可以进攻其他分子中的碳正离子,形成新的环状结构。酰胺加成酰胺作为亲核试剂,可以进攻醛酮,生成新的酰胺化合物。立体选择性电子转移电子转移涉及电子的转移过程，可能发生在分子之间或分子内部。立体选择性电子转移发生在特定的立体化学位置，影响产物的立体化学。反应路径反应物和产物的立体化学结构决定电子转移的路径。光学活性药物合成手性药物的重要性手性药物具有独特的立体化学性质，这对于药物的有效性和安全性至关重要。对映异构体可能表现出不同的药理活性，甚至可能产生不良反应。合成策略使用手性试剂或催化剂，通过不对称合成方法合成光学活性药物。例如，利用手性催化剂，通过控制反应立体化学来生成单一对映异构体。手性化合物分离方法11.手性色谱法手性色谱法是分离手性化合物的常用方法，通过使用手性固定相分离对映异构体。22.分馏结晶法分馏结晶法利用对映异构体在溶剂中的溶解度差异进行分离，通常使用手性溶剂。33.酶法拆分酶法拆分利用酶对特定对映异构体具有选择性催化作用，实现分离。44.手性膜分离手性膜分离通过使用手性膜材料，选择性地透过一种对映异构体，实现分离。手性分子在生物中的作用遗传物质DNA双螺旋结构中，核苷酸的排列顺序决定了遗传信息的传递。蛋白质结构蛋白质的折叠方式受氨基酸的立体化学控制，影响其功能。酶催化酶的活性位点具有立体选择性，只识别特定手性的底物。细胞识别细胞表面受体识别特定手性的信号分子，实现细胞间通讯。氨基酸立体化学手性碳原子大多数氨基酸具有手性碳原子，除了甘氨酸外。L-氨基酸天然蛋白质中，几乎全部都是L-构型氨基酸。D-氨基酸D-构型氨基酸在生物体中罕见，但一些细菌和真菌中存在。蛋白质三级结构氨基酸的立体化学影响蛋白质的折叠和构象，进而影响其功能。糖类分子的手性手性碳原子糖类分子中多个手性碳原子，导致其存在多种立体异构体，例如葡萄糖和果糖。D/L构型根据手性碳原子上最远手性中心的构型，糖类分为D型和L型，与甘油醛的构型对应。环状结构糖类分子在溶液中以环状结构为主，环状结构形成时产生新的手性中心，如α和β异构体。生物活性糖类分子的立体化学对其生物活性至关重要，不同的异构体可能具有不同的生物学作用。蛋白质三级结构蛋白质三级结构指的是蛋白质多肽链在空间上的三维排列，形成特定的形状。这种形状是由氨基酸之间的相互作用力决定的，包括氢键、范德华力、疏水相互作用和二硫键等。三级结构决定了蛋白质的生物活性，使其能够与其他分子相互作用，执行特定的功能。例如，酶的活性部位往往位于其三级结构的特定区域，使酶能够识别和结合特定的底物，并催化相应的反应。手性分子在材料中的应用手性催化剂手性催化剂可用于不对称合成，制备具有特定手性的药物、农药等。手性催化剂可以提高反应选择性，降低副反应，从而提高效率和经济效益。手性识别的感应机理锁钥理论手性识别基于分子形状的互补性，如同钥匙和锁的匹配关系。诱导契合手性分子之间相互作用，通过构象变化来实现最佳匹配，达到最佳识别效果。非共价相互作用氢键、范德华力等非共价相互作用在手性识别中起重