分子對(duì)稱性和手性分子課件

1、分子對(duì)稱性和手性分子1分子的對(duì)稱性與手性分子分子的對(duì)稱性與手性分子 匯報(bào)人：代衛(wèi)國(guó)匯報(bào)人：代衛(wèi)國(guó)分子對(duì)稱性和手性分子2自然界中的對(duì)稱性自然界中的對(duì)稱性分子對(duì)稱性和手性分子3建筑中的對(duì)稱性建筑中的對(duì)稱性分子對(duì)稱性和手性分子4生活中的各種對(duì)稱性生活中的各種對(duì)稱性分子對(duì)稱性和手性分子5微觀世界的對(duì)稱性微觀世界的對(duì)稱性分子對(duì)稱性和手性分子6分子的對(duì)稱性分子的對(duì)稱性molecular symmetrymolecular symmetry分子對(duì)稱性和手性分子7什么是分子對(duì)稱性？分子對(duì)稱性的定義：分子常常因含有若干相同原子或基團(tuán)而具有某種對(duì)稱性，如果分子經(jīng)過某種對(duì)稱操作后，與未經(jīng)操作的原有分子無法分辨，則統(tǒng)

2、稱為分子對(duì)稱性。為什么要研究分子對(duì)稱性？研究的意義：1.能簡(jiǎn)明的表達(dá)分子模型2.可簡(jiǎn)化分子構(gòu)型的測(cè)定工作3.幫助正確的了解分子的性質(zhì)4.指導(dǎo)化學(xué)合成工作分子對(duì)稱性和手性分子8如何描述分子的對(duì)稱性？ 分子的對(duì)稱性是通過對(duì)稱元素和對(duì)稱操作來描述的分子對(duì)稱性和手性分子9對(duì)稱操作：不改變圖形中任何兩點(diǎn)的距離而能使圖形復(fù)原的操作叫做對(duì)稱操作；對(duì)稱操作所依賴的幾何要素(點(diǎn)、線、面)稱為對(duì)稱元素。分子中的四類對(duì)稱操作及相應(yīng)的對(duì)稱元素如下: 1.1. 分子的對(duì)稱操作與對(duì)稱元素分子的對(duì)稱操作與對(duì)稱元素對(duì)稱元素對(duì)稱元素: 旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱操作對(duì)稱操作: 旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)分子對(duì)稱性和手性分子10 分子中若存在一條軸線，繞此

3、軸旋轉(zhuǎn)一定角度能使分子復(fù)原，就稱此軸為旋轉(zhuǎn)軸, 符號(hào)為cn . 旋轉(zhuǎn)可以實(shí)際進(jìn)行，為真操作；相應(yīng)地，旋轉(zhuǎn)軸也稱為真軸.h h2 2o o2 2中的中的c c2 2(旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)軸上的橢圓形為上的橢圓形為c2的的圖形符號(hào)。類似地，正圖形符號(hào)。類似地，正三角三角形、正方形、正六邊形分別是形、正方形、正六邊形分別是c3、c4和和c6的圖形符號(hào)）的圖形符號(hào)）（1 1）旋轉(zhuǎn)軸 和旋轉(zhuǎn)操作 ncnc分子對(duì)稱性和手性分子11（2）鏡面 和反映操作 分子中若存在一個(gè)平面，將分子兩半部互相反映而能使分子復(fù)原，則該平面就是鏡面，這種操作就是反映. 分子對(duì)稱性和手性分子12 (3)對(duì)稱中心 和反演操作 分子中若存在一

4、點(diǎn),將每個(gè)原子通過這一點(diǎn)引連線并延長(zhǎng)到反方向等距離處而使分子復(fù)原,這一點(diǎn)就是對(duì)稱中心i，這種操作就是反演操作. ii分子對(duì)稱性和手性分子13映軸對(duì)應(yīng)的對(duì)稱操作是 旋轉(zhuǎn)反映操作，即分子繞軸旋轉(zhuǎn)360/n，再對(duì)垂直于該軸的鏡面做反映而能使分子復(fù)原的操作(4)(4)映軸 和旋轉(zhuǎn)反映操作nsns分子對(duì)稱性和手性分子14分子點(diǎn)群在分子對(duì)稱操作中，至少有一點(diǎn)保持不動(dòng)(分子的所有對(duì) 稱元素交于一點(diǎn))，因此分子的對(duì)稱操作群稱為點(diǎn)群分子對(duì)稱性和手性分子151. cn群判據(jù)：只有一個(gè)cn軸例如：h2o2，只有一個(gè)c2 軸，屬c2群注意：c2軸位置在兩o-o原子中點(diǎn)與兩h原子的中點(diǎn)連線方向分子對(duì)稱性和手性分子162

5、. cnv群判據(jù)：cn+ nv例1. h2o：全部對(duì)稱元素：c2, 2v屬c2vh2s, so2, no2等v型分子均屬于c2v 群分子對(duì)稱性和手性分子17例2.nh3 全部對(duì)稱元素c3, 3v 屬c3v群c3v群分子呈三角錐形分子對(duì)稱性和手性分子18例3：不具有對(duì)稱中心的線型分子 全部對(duì)稱元素：c ， ， 屬cv點(diǎn)群分子對(duì)稱性和手性分子193. cnh群 判據(jù)：c cn n+ h h 例1.反式二氯乙烯，全部對(duì)稱元素c2, h, i 屬 c2h群c2分子平面, h過分子平面, 必有i分子對(duì)稱性和手性分子204. dn群 判據(jù)：cn+ nc2 cn 例：部分交錯(cuò)式乙烷 對(duì)稱元素: c3和3c2

6、 屬d3群c2軸在兩c-c原子中點(diǎn)與兩h原子的中點(diǎn)連線分子對(duì)稱性和手性分子215. dnh 群 判據(jù)：cn+nc2cn+h例：乙烯全部對(duì)稱元素： 3c2, 3, i 屬d2h群 分子對(duì)稱性和手性分子226. dnd群 判據(jù)：cn+nc2cn+d 例：完全交錯(cuò)式乙烷(反式乙烷) 全部對(duì)稱元素： c3, 3c2, 3, i, 屬d3d 群分子對(duì)稱性和手性分子237. sn群 判據(jù)：只存在一個(gè)sn軸例：1,3,5,7四甲基環(huán)辛四烯對(duì)稱元素：s4軸，屬于s4群分子對(duì)稱性和手性分子248. td群具有正四面體構(gòu)型的分子全部對(duì)稱元素：4c3, 3s4, 6例： 甲烷分子對(duì)稱性和手性分子259. th群：判

7、據(jù)：4c3 + 3c2 +h(或i)獨(dú)立的對(duì)稱元素：4c3、3c2、3h、itd、t和th群也稱正四面體群(tetrahedral point groups)10. t 群：獨(dú)立對(duì)稱元素有4c3、3c2分子對(duì)稱性和手性分子2611. oh群： 立方體、正八面體分子 全部對(duì)稱元素： 3c4, 4c3, 6c2, 9, i 例：sf612. o群：全部對(duì)稱元素：3c4, 4c3, 6c2oh和o群也稱正八面體群分子對(duì)稱性和手性分子2713. ih 群全部對(duì)稱元素： 6c5, 10c3, 15c2, 15, i分子對(duì)稱性和手性分子2814. cs 群 只含一個(gè)鏡面15. ci 群 只含一個(gè)對(duì)稱中心分

8、子對(duì)稱性和手性分子2916. c1群 分子中僅有的對(duì)稱操作是恒等操作，則分子屬c1群 事實(shí)上，絕大多數(shù)有機(jī)和無機(jī)化合物分子都屬于c1群cs、ci和c1群沒有旋轉(zhuǎn)軸因此有時(shí)將cs、ci和c1群稱為無軸群分子對(duì)稱性和手性分子30分子常見點(diǎn)群判別分子對(duì)稱性和手性分子31分子的對(duì)稱性及分子性質(zhì)1. 對(duì)稱性及偶極矩(1) 若分子僅有一個(gè)對(duì)稱軸，則其偶極矩必須位于該軸上(2) 分子中僅有一個(gè)鏡面，則其偶極矩必須位于該面上(3) 若分子中對(duì)稱元素交于一條線，則其偶極矩必位于該交線上(4) 若分子中的對(duì)稱元素交于一點(diǎn)，則其偶極矩為零，分子為非極性分子只有cn(包括c1)、cs和cnv的分子有偶極矩對(duì)稱元素是否

9、相交于一點(diǎn)為分子是否存在偶極矩的判據(jù)分子對(duì)稱性和手性分子322. 對(duì)稱性與旋光性旋光性旋光性：當(dāng)平面偏振光通過手性化合物溶液后，偏振面的方向就被旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度。這種能使偏振面旋轉(zhuǎn)的性能稱為旋光性。 手性分子都具有旋光性具有、i 和 s4 的分子無旋光性。只有cn dn t(4c3, 3c2) 有旋光性凡是有對(duì)稱中心和對(duì)稱面的分子，必能與其鏡像重合，則無旋光性；否則，有旋光性。分子對(duì)稱性和手性分子33手性分子手性分子定義：不能與其鏡像重疊(有對(duì)映異構(gòu)體)的分子稱為手性分子。這種分子具有手性，正如左右手不能完全重疊一樣。分子對(duì)稱性和手性分子34 乳酸分子即為手性分子手性分子，有對(duì)映體。 乙醇沒有對(duì)

10、映體，因此是非手性分子非手性分子。 與4個(gè)不同基團(tuán)相連的碳原子稱為手性碳原子手性碳原子(常用*c表示),正是這種碳原子使乳酸分子產(chǎn)生了手性。*c只是手性原子(又稱手性中心手性中心)的一種。ch3hhohcohh3chco2hc*ch3hhoco2hc*乙醇 乳酸分子對(duì)稱性和手性分子35一、旋光度與比旋光度一、旋光度與比旋光度（一）旋光度（一）旋光度偏振面被旋光性物質(zhì)所旋轉(zhuǎn)的角度旋光度，用“”表示。右旋，用“+”表示。左旋，用“”表示方向一般一對(duì)對(duì)映體旋光性相反，即一般一對(duì)對(duì)映體旋光性相反，即 大小相等，符號(hào)相反大小相等，符號(hào)相反.（二）比旋光度（二）比旋光度 用 表示，是旋光性物質(zhì)的物理常數(shù)，

11、對(duì)于鑒定和判斷其純度很重要。分子對(duì)稱性和手性分子36二、構(gòu)型標(biāo)記法二、構(gòu)型標(biāo)記法（一）d、l命名法相對(duì)構(gòu)型ch2chchooh oh甘甘油油醛醛*choch2ohohhchohhoch2oh規(guī)定規(guī)定：*c2-oh，右側(cè) *c2-oh，左側(cè) d-甘油醛 l-甘油醛分子對(duì)稱性和手性分子37d-(-)-乳酸l-(+)-乳酸*注：化合物構(gòu)型與旋光方向無對(duì)應(yīng)關(guān)系。注：化合物構(gòu)型與旋光方向無對(duì)應(yīng)關(guān)系。choch2ohohhchohhoch2ohcoohch3ohhcoohch3hhod-(+)-甘油醛l-(-)-甘油醛分子對(duì)稱性和手性分子38（二）（二）r、s命名法命名法絕對(duì)構(gòu)型絕對(duì)構(gòu)型按次序法則確定基團(tuán)

12、優(yōu)先次序按次序法則確定基團(tuán)優(yōu)先次序構(gòu)型命名構(gòu)型命名：如a b d e ，最小基團(tuán)e對(duì)著觀察者（最遠(yuǎn)），沿沿abd旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)方向r r構(gòu)型；方向s s構(gòu)型ceabd分子對(duì)稱性和手性分子39cchoch2ohohhcohchoh2choh如：甘油醛一對(duì)對(duì)映體如：甘油醛一對(duì)對(duì)映體順順逆逆oh cho ch2ohr-甘油醛s-甘油醛分子對(duì)稱性和手性分子40coohch2oh hoh hohch3ch2shquestion ：d/l 法和 r/s 有什么聯(lián)系嗎？ d/l 法和 r/s 是兩種不同的構(gòu)型表示方法，二者間無直接邏輯聯(lián)系，d和r以及l(fā)和s有時(shí)一致，有時(shí)不一致。d-，r- d-，s-分子對(duì)稱性和手

13、性分子41 三、三、 外消旋體外消旋體 由于一對(duì)對(duì)映體相等，但旋光方向相反。因此如等量混合后無旋光性。外消旋體外消旋體一對(duì)對(duì)映體的等量混合物，用“表示。來源： 肌肉 葡萄糖 酸牛奶 (+)-乳酸 ( )-乳酸 ( )-乳酸20d +3.8 3.8 0 分子對(duì)稱性和手性分子42 co2h co2h co2h co2h ho h hohh oh hoh cl h hclcl h hcl co2h co2h co2h co2h（1） （2） （3）（4） d-7.1 d+7.1 d+9.3 d-9.3 當(dāng)分子中有n個(gè)不相同c*，則有2n個(gè)旋光異構(gòu)體。c2：-oh -chclco2h -co2h -h

14、 c3: -cl -co2h -chohco2h -h(彼此不成鏡像關(guān)系的旋光異構(gòu)體非對(duì)映異構(gòu)體)對(duì)映體對(duì)映體對(duì)映體對(duì)映體rrsssrrs1、含兩個(gè)不同手性碳的化合物、含兩個(gè)不同手性碳的化合物非對(duì)映異構(gòu)體分子對(duì)稱性和手性分子43 2、含兩個(gè)相同手性碳的化合物、含兩個(gè)相同手性碳的化合物co2h co2h co2h co2h ho h hohho h hoh h oh hohho h hoh co2h co2h co2h co2h（1） （2） （3）（4） (2s,3s)-酒石酸(2r,3r)- (2s,3r)- (2r,3s)-3,4為具有手性中心的非手性分子，稱為為具有手性中心的非手性分子，

15、稱為內(nèi)消旋化合物內(nèi)消旋化合物。對(duì)映體對(duì)映體對(duì)映體 ?c2及c3 (相同手性碳相同手性碳) ：-oh -co2h -chohco2h -h非對(duì)映異構(gòu)體(光學(xué)異構(gòu)體數(shù)目光學(xué)異構(gòu)體數(shù)目2n)相同化合物分子對(duì)稱性和手性分子44外消旋體與內(nèi)消旋化合物的區(qū)別外消旋體與內(nèi)消旋化合物的區(qū)別 等量對(duì)映體的混合物叫做外消旋體。無旋光性。 如果一個(gè)分子有兩個(gè)或兩個(gè)以上手性中心，并有一個(gè)內(nèi)在的對(duì)稱面，這個(gè)分子就叫做內(nèi)消旋化合物，是非手性分子；而外消旋體是由具有手性的兩個(gè)對(duì)映異構(gòu)體等量混合而得的混合物。兩者都無旋光性,但有本質(zhì)不同。 具有對(duì)映而不能重合關(guān)系的一對(duì)分子彼此互稱為對(duì)映異構(gòu)體，簡(jiǎn)稱為對(duì)映體； 沒有對(duì)映關(guān)系，構(gòu)

16、造相同、只是手性碳原子的構(gòu)型不完全相同的光學(xué)異構(gòu)體之間互稱為非對(duì)映異構(gòu)體。一個(gè)對(duì)映體和一個(gè)非對(duì)映體不能組成外消旋體，其物理性質(zhì)也不同。對(duì)映體與非對(duì)映體的區(qū)別對(duì)映體與非對(duì)映體的區(qū)別分子對(duì)稱性和手性分子45 五、手性分子的生物作用五、手性分子的生物作用手性分子的一對(duì)對(duì)映體，在生理活性上作用有很手性分子的一對(duì)對(duì)映體，在生理活性上作用有很大差異。如治療帕金森病的藥物多巴，存在一對(duì)大差異。如治療帕金森病的藥物多巴，存在一對(duì)對(duì)映體。只有（對(duì)映體。只有（ ）-多巴有治療作用。多巴有治療作用。如：如： hohonh2coohhohohh2nhooch （+）-多巴多巴（無生理效應(yīng)）（無生理效應(yīng)） （-）-多巴多巴（抗帕金森?。古两鹕。?分子對(duì)稱性和手性分子46 手性分子的立體結(jié)構(gòu)與受體的立體結(jié)構(gòu)手性分子的立體結(jié)構(gòu)與受體的立體結(jié)構(gòu)(受體靶位受體靶位)有互補(bǔ)關(guān)系時(shí)，其活性部位才能有互補(bǔ)關(guān)系時(shí)，其活