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)自然界中的對(duì)稱性自然界中的對(duì)稱性建筑中的對(duì)稱性建筑中的對(duì)稱性生活中的各種生活中的各種對(duì)稱性對(duì)稱性微觀世界的對(duì)稱性微觀世界的對(duì)稱性分子的分子的對(duì)稱性對(duì)稱性Molecular SymmetryI.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(guò)某種對(duì)稱操作后，與未經(jīng)操作的原有分子無(wú)法分辨，則統(tǒng)稱為分子對(duì)稱性。II. 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III. 如何描述分子的對(duì)

2、稱性？ 分子的對(duì)稱性是通過(guò)對(duì)稱元素和對(duì)稱操作來(lái)描述的對(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. 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) 分子中若存在一條軸線，繞此軸旋轉(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.H2O2中的中的C2(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

3、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（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. (3)對(duì)稱中心 和反演操作 分子中若存在一點(diǎn),將每個(gè)原子通過(guò)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分子點(diǎn)群 在分子對(duì)稱操作中，至少有一點(diǎn)保持不

4、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1. 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2. 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 群例2.NH3 全部對(duì)稱元素C3, 3v 屬C3v群C3v群分子呈三角錐形例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3. Cnh群 判據(jù)：Cn+ 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(guò)分子平面, 必

5、有i4. 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 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5. Dnh 群 判據(jù)：Cn+nC2Cn+h例：乙烯全部對(duì)稱元素： 3C2, 3, i 屬D2h群 6. 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7. 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8. 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9. Th群：判據(jù)：4C3 + 3C2 +

6、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、3C211. 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13. Ih 群 全部對(duì)稱元素： 6C5, 10C3, 15C2, 15, i14. Cs 群 只含一個(gè)鏡面15. Ci 群 只含一個(gè)對(duì)稱中心16. 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(wú)機(jī)化合物分

7、子都屬于C1群Cs、Ci和C1群沒(méi)有旋轉(zhuǎn)軸因此有時(shí)將Cs、Ci和C1群稱為無(wú)軸群分子常見(jiàn)點(diǎn)群判別分子的對(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)稱元素是否相交于一點(diǎn)為分子是否存在偶極矩的判據(jù)2. 對(duì)稱性與旋光性旋光性旋光性：當(dāng)平面偏振光通過(guò)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

8、性。 手性分子都具有旋光性具有、i 和 S4 的分子無(wú)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(wú)旋光性；否則，有旋光性。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。 乳酸分子即為手性分子手性分子，有對(duì)映體。 乙醇沒(méi)有對(duì)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*CH3HHO

9、CO2HC*乙醇 乳酸一、一、旋光度與比旋光度旋光度與比旋光度（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)，對(duì)于鑒定和判斷其純度很重要。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D-(-)-乳酸L-(+)-乳酸*注：化合物構(gòu)型與旋光方向無(wú)對(duì)應(yīng)關(guān)系。注：化合物

10、構(gòu)型與旋光方向無(wú)對(duì)應(yīng)關(guān)系。CHOCH2OHOHHCHOHHOCH2OHCOOHCH3OHHCOOHCH3HHOD-(+)-甘油醛L-(-)-甘油醛（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)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構(gòu)型；方向S構(gòu)型CeabdCCHOCH2OHOHHCOHCHOH2CHOH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COOHCH2OH HOH HOHCH3CH2SHQuestion ：D/L 法和 R/S 有什么

11、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(wú)直接邏輯聯(lián)系，D和R以及L和S有時(shí)一致，有時(shí)不一致。D-，R- D-，S-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(lái)源： 肌肉 葡萄糖 酸牛奶 (+)-乳酸 ( )-乳酸 ( )-乳酸20D +3.8 3.8 0 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 -C

12、O2H -H 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 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，稱為內(nèi)消旋化

13、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(wú)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(wú)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(méi)有對(duì)映關(guān)系，構(gòu)造相同、只是手性碳原子的構(gòu)型不完全相

14、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 五、手性分子五、手性分子的生物作用的生物作用手性分子手性分子的一對(duì)對(duì)映體，在生理活性上作用有很的一對(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(wú)生理效應(yīng)）（無(wú)生理效應(yīng)） （-）-多巴多巴（抗帕金森病）（抗帕金森?。?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)，其活性部位才能進(jìn)入受體