《讲稿PP立体化学B》课件

立体化学B：讲稿PPT本讲稿PPT内容包括：对映异构体和非对映异构体、手性中心和对映体、R/S命名法、外消旋体、非对映异构体的特点和应用等课程目标理解立体化学基本概念掌握手性、对映体、消旋体等关键概念，为理解有机化学和生物化学奠定基础。学习立体异构体的命名和判断熟悉R/S命名法、E/Z命名法等，能够识别和命名各种立体异构体。了解立体化学在生命科学中的重要性认识立体化学在药物研发、生物分子结构和功能中的关键作用。什么是立体化学分子的三维结构立体化学研究的是分子的三维结构，及其结构与性质之间的关系。手性分子的重要性手性分子是指不能与其镜像重合的分子，在药物、食品等领域具有重要的作用。对映异构体对映异构体是手性分子的两种镜像异构体，具有相同的化学性质，但生物活性却可能完全不同。手性分子的概念非对映异构体手性分子是指其镜像不能与其本身重合的分子。手性中心手性分子通常含有至少一个手性中心，即连接四个不同取代基的碳原子。立体异构手性分子与它的镜像被称为对映体，它们具有相同的化学式，但空间结构不同。手性中心的定义11.四面体中心手性中心通常是一个碳原子，连接着四个不同的原子或基团。22.非对称性手性中心周围的四个基团不具有对称性，即不能通过旋转或镜面反射而重合。33.立体异构体手性中心的存在会导致分子形成非对映异构体，它们具有不同的空间排列。对映体的概念镜像异构体对映体是彼此互为镜像，但不可重合的两种立体异构体。它们就像左手和右手，虽然形状相同，但方向相反。物理性质相同对映体具有相同的熔点、沸点、密度等物理性质。这是因为它们具有相同的分子式和结构。光学异构的分类对映异构体互为镜像，但不可重合。非对映异构体非镜像关系，但结构类似。顺反异构体因双键或环状结构导致的空间异构体。消旋体的概念消旋体是指等摩尔量的两种对映异构体混合在一起形成的混合物，这种混合物没有旋光性。1无旋光性消旋体中的两种对映异构体具有相等的旋光度，但方向相反，因此相互抵消。2物理性质相同消旋体和单个对映异构体具有相同的物理性质，如熔点、沸点、密度等。3化学性质不同消旋体和单个对映异构体在与手性试剂反应时，会表现出不同的反应活性。消旋体的性质1无旋光性消旋体中，对映体含量相等，旋光性相互抵消。2物理性质相同消旋体和单个对映体具有相同的熔点、沸点和密度。3化学性质相似消旋体和单个对映体对大多数试剂反应性质相同。4生物活性不同消旋体中，对映体可能具有不同的生物活性。如何区分对映体偏振光对映体对平面偏振光的旋转方向相反，因此可以通过测量偏振光的旋转角度来区分它们。手性试剂手性试剂可以与对映体形成非对映体，它们具有不同的物理性质，例如熔点和沸点，可以通过分离非对映体来区分对映体。手性柱色谱手性柱色谱可以根据对映体在手性柱上的不同保留时间来分离它们。核磁共振在手性环境中，对映体对核磁共振信号的影响不同，因此可以通过核磁共振谱来区分它们。手性分子的命名R/S命名法根据手性中心的四个取代基优先级，顺时针旋转为R，逆时针旋转为S。Cahn-Ingold-Prelog规则将手性中心的四个取代基按原子序数大小排序，并根据优先级判断R或S。命名规则不同的命名方法适合不同的手性分子，比如(R)-或(S)-，D/L命名法等。立体化学中的几何异构11.异构体几何异构体是一种立体异构体，它们具有相同的原子连接方式，但空间排列不同。22.顺反异构顺反异构体是几何异构体的一种类型，它发生在双键或环状结构中。33.影响因素双键或环状结构的限制使旋转受限，导致异构体出现。44.例子顺式-2-丁烯和反式-2-丁烯是顺反异构体的经典例子。E-Z命名法则优先级E-Z命名法则用于描述双键碳原子上取代基的空间排列。取代基的优先级由原子序数决定，原子序数越大，优先级越高。空间排列如果最高优先级取代基在双键碳原子的同一侧，则为Z型；如果在两侧，则为E型。例子顺反异构的概念顺反异构体是指在双键或环状结构中，由于取代基在空间上的不同排列而导致的异构体。1顺式异构体取代基位于双键或环的同一侧2反式异构体取代基位于双键或环的相对侧顺反异构体具有不同的物理性质和化学性质，例如熔点、沸点、极性等。顺反异构的判断11.结构分析查看双键两侧的基团，判断相同基团在同一侧还是对侧。22.优先级根据原子序数，确定双键两侧基团的优先级。33.命名高优先级基团在同一侧为顺式，对侧为反式。立体化学对生命的影响手性药物药物分子通常具有手性，对映异构体可能具有不同的药理作用。蛋白质结构氨基酸的手性决定了蛋白质的立体结构，影响其功能和活性。酶催化酶具有高度立体选择性，识别和催化特定构型的底物。生物识别手性分子在生物识别过程中发挥重要作用，如抗原-抗体结合。手性药物的研发手性药物的研发，指针对特定手性靶点开发的新型药物。这些药物通常具有更高的疗效和安全性，可用于治疗各种疾病。例如，治疗高血压的药物利血平，只有(S)构型具有药理活性。手性药物的开发需要深入理解立体化学原理，并结合药物化学和生物学知识。蛋白质的立体结构一级结构氨基酸的线性序列，决定蛋白质的结构和功能。二级结构由氢键形成的局部结构，例如α螺旋和β折叠。三级结构蛋白质多肽链的完整三维构象，由疏水相互作用、氢键和离子键等维持。四级结构多个蛋白质亚基通过非共价键相互作用形成的复杂结构。酶的立体选择性立体选择性酶催化反应对底物的手性具有高度选择性，只识别并催化特定手性的分子。这种选择性源于酶的活性位点，该位点具有独特的立体结构，可以识别并结合特定手性的底物。实例例如，乳酸脱氢酶只催化L-乳酸的氧化，而不会催化D-乳酸的氧化。这是因为酶的活性位点只能与L-乳酸的结构相匹配。手性分子在工业中的应用制药工业手性分子在药物研发中至关重要，因为不同的手性异构体可能具有不同的药理活性。例如，一些药物的单一手性异构体具有治疗效果，而另一些则可能产生副作用。农药工业手性农药对环境的影响更小，因为它可以选择性地靶向害虫，减少了对有益生物的伤害。材料科学手性分子可以用来制造具有特定光学性质的材料，例如手性液晶显示器。食品工业手性分子用于制造具有特殊香味和风味的食品添加剂，例如香料和香精。手性分子的合成方法不对称合成使用手性试剂或催化剂控制反应的立体化学，生成特定手性异构体。拆分法将外消旋混合物分离成纯的对映体，例如利用酶催化或手性色谱分离。手性池方法利用已知手性分子作为起始原料，通过一系列反应步骤构建新的手性分子。促进剂对立体选择性的影响催化剂的作用促进剂可以改变反应路径，提高特定立体异构体的产率。手性催化剂手性催化剂能够识别反应物的手性特征，引导反应朝特定方向进行。酶催化酶作为生物催化剂，具有高度的立体选择性，可高效合成单一立体异构体。分子间的立体因素立体化学是研究分子在三维空间中的形状和结构，以及这些形状和结构对分子性质和反应性的影响。分子间的相互作用是化学反应和生命过程的基础，而立体化学因素在分子间的相互作用中扮演着重要的角色。立体化学因素会影响分子间的吸引力和排斥力，从而影响分子间的距离和角度，最终影响反应速率和产物分布。例如，在药物开发中，立体异构体的化学活性、代谢和药理作用可能存在显著差异。因此，在药物研发过程中，需要考虑立体化学因素，以设计和合成具有最佳疗效和安全性药物。固定环状分子的构型环状分子具有独特的构型，例如环己烷的椅式构象。椅式构象是最稳定的构象，因为所有氢原子都处于平伏位置，没有空间位阻。环状分子构型的研究对于理解其物理化学性质以及在生物化学反应中的作用至关重要，例如环状碳水化合物的构象变化。杂环化合物的构象杂环化合物是指环状结构中包含一个或多个非碳原子，例如氮、氧、硫或磷。由于杂原子的存在，环系中的电子分布发生变化，影响构象稳定性和活性。杂环化合物在药物、农药、染料和材料科学等领域具有广泛的应用，了解其构象对于理解其性质和活性至关重要。糖的衍生物及其构象糖的衍生物糖的衍生物是指由糖类衍生而来的一类化合物，它们通常具有重要的生物活性，并广泛应用于医药、食品等领域。常见糖的衍生物糖醇糖胺糖酸糖苷构象的定义构象是指由原子绕单键旋转形成的不同空间排列，这些排列可以通过各种非共价键相互作用来稳定。糖的构象糖类分子中，单糖环上的碳原子可以自由旋转，形成不同的构象，例如椅式构象和船式构象。氨基酸和肽的立体化学手性氨基酸除甘氨酸外，所有氨基酸都具有手性中心。L-氨基酸是生命中最常见的氨基酸形式。肽链构象肽链是由氨基酸通过肽键连接形成的，具有复杂的立体结构，包括α-螺旋和β-折叠。蛋白质功能蛋白质的立体结构决定其生物功能，例如催化酶促反应、运输物质、免疫防御等。核酸的手性和构象11.核酸的结构核酸由核苷酸单体组成，每个核苷酸包含一个碱基、一个五碳糖和一个磷酸基团。22.手性中心核酸中的糖类（如脱氧核糖或核糖）具有手性中心，它们的存在导致了核酸分子的手性。33.双螺旋构象DNA的双螺旋结构由两条反平行链组成，它们通过氢键结合，形成特定的空间结构。44.构象变化核酸的构象会受到环境因素的影响，例如温度、pH值和离子强度。脂质的立体结构脂肪酸脂肪酸是脂质的基本结构单元，包含一个长的碳氢链，链的一端是羧酸基团。脂肪酸可以是饱和的，也可以是不饱和的，饱和脂肪酸的碳链中没有双键，而不饱和脂肪酸的碳链中含有双键。磷脂磷脂是构成生物膜的主要成分，它们具有极性的头部和非极性的尾部。磷脂的结构可以分为两部分：头部含有磷酸基团和一个极性基团，尾部含有两个脂肪酸链。生物大分子的手性作用蛋白质结构和功能蛋白质的手性对维持其三维结构和功能至关重要。不同的氨基酸异构体会影响蛋白质的折叠方式，进而影响其活性。DNA的复制与转录DNA中的碱基是手性的，这使得DNA能够以特定的