分子對稱性和手性分子教學(xué)提綱

1、分子對稱性和手性分子自然界中的對稱性自然界中的對稱性分子的對稱性分子的對稱性Molecular Symmetry什么是分子對稱性？分子對稱性的定義：分子常常因含有若干相同原子或基團而具有某種對稱性，如果分子經(jīng)過某種對稱操作后，與未經(jīng)操作的原有分子無法分辨，則統(tǒng)稱為分子對稱性。為什么要研究分子對稱性？研究的意義：1.能簡明的表達分子模型2.可簡化分子構(gòu)型的測定工作3.幫助正確的了解分子的性質(zhì)4.指導(dǎo)化學(xué)合成工作如何描述分子的對稱性？ 分子的對稱性是通過對稱元素和對稱操作來描述的對稱操作：不改變圖形中任何兩點的距離而能使圖形復(fù)原的操作叫做對稱操作；對稱操作所依賴的幾何要素(點、線、面)稱為對稱元素

2、。分子中的四類對稱操作及相應(yīng)的對稱元素如下: 1. 分子的對稱操作與對稱元素分子的對稱操作與對稱元素對稱元素對稱元素: 旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)軸對稱操作對稱操作: 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, 符號為Cn . 旋轉(zhuǎn)可以實際進行，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)軸上的橢圓形為旋轉(zhuǎn)軸上的橢圓形為C2的圖形符號。類似地，正三角的圖形符號。類似地，正三角形、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）的圖形符號）（1 1）旋轉(zhuǎn)軸 和旋轉(zhuǎn)操作 nCnC（2）鏡面 和反映操作 分子中若存在一個平面，將

3、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)對稱中心 和反演操作 分子中若存在一點,將每個原子通過這一點引連線并延長到反方向等距離處而使分子復(fù)原,這一點就是對稱中心i，這種操作就是反演操作. ii映軸對應(yīng)的對稱操作是 旋轉(zhuǎn)反映操作，即分子繞軸旋轉(zhuǎn)360/n，再對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分子點群在分子對稱操作中，至少有一點保持不動(分子的所有對 稱元素交于一點)，因此分子的對稱操作群稱為點群1. Cn群判據(jù)：只有一個Cn軸例如：H2O2，只有一個C2 軸，屬C2群注意：C2軸位置在兩O-O原子中點與兩H原

4、子的中點連線方向2. Cnv群判據(jù)：Cn+ nv例1. H2O：全部對稱元素：C2, 2v屬C2vH2S, SO2, NO2等V型分子均屬于C2v 群例2.NH3 全部對稱元素C3, 3v 屬C3v群C3v群分子呈三角錐形例3：不具有對稱中心的線型分子 全部對稱元素：C ， ， 屬Cv點群3. Cnh群 判據(jù)：Cn+ h 例1.反式二氯乙烯，全部對稱元素C2, h, i 屬 C2h群C2分子平面, h過分子平面, 必有i4. Dn群 判據(jù)：Cn+ nC2 Cn 例：部分交錯式乙烷 對稱元素: C3和3C2 屬D3群C2軸在兩C-C原子中點與兩H原子的中點連線5. Dnh 群 判據(jù)：Cn+nC2

5、Cn+h例：乙烯全部對稱元素： 3C2, 3, i 屬D2h群 6. Dnd群 判據(jù)：Cn+nC2Cn+d 例：完全交錯式乙烷(反式乙烷) 全部對稱元素： C3, 3C2, 3, i, 屬D3d 群7. Sn群 判據(jù)：只存在一個Sn軸例：1,3,5,7四甲基環(huán)辛四烯對稱元素：S4軸，屬于S4群8. Td群具有正四面體構(gòu)型的分子全部對稱元素：4C3, 3S4, 6例： 甲烷9. Th群：判據(jù)：4C3 + 3C2 +h(或i)獨立的對稱元素：4C3、3C2、3h、iTd、T和Th群也稱正四面體群(Tetrahedral Point Groups)10. T 群：獨立對稱元素有4C3、3C211.

6、Oh群： 立方體、正八面體分子 全部對稱元素： 3C4, 4C3, 6C2, 9, I 例：SF612. O群：全部對稱元素：3C4, 4C3, 6C2Oh和O群也稱正八面體群13. Ih 群全部對稱元素： 6C5, 10C3, 15C2, 15, i14. Cs 群 只含一個鏡面15. Ci 群 只含一個對稱中心16. C1群 分子中僅有的對稱操作是恒等操作，則分子屬C1群 事實上，絕大多數(shù)有機和無機化合物分子都屬于C1群Cs、Ci和C1群沒有旋轉(zhuǎn)軸因此有時將Cs、Ci和C1群稱為無軸群分子常見點群判別分子的對稱性及分子性質(zhì)1. 對稱性及偶極矩(1) 若分子僅有一個對稱軸，則其偶極矩必須位于

7、該軸上(2) 分子中僅有一個鏡面，則其偶極矩必須位于該面上(3) 若分子中對稱元素交于一條線，則其偶極矩必位于該交線上(4) 若分子中的對稱元素交于一點，則其偶極矩為零，分子為非極性分子只有Cn(包括C1)、Cs和Cnv的分子有偶極矩對稱元素是否相交于一點為分子是否存在偶極矩的判據(jù)2. 對稱性與旋光性旋光性旋光性：當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) 有旋光性凡是有對稱中心和對稱面的分子，必能與其鏡像重合，則無旋光性；否則，有旋光性。

8、手性分子手性分子定義：不能與其鏡像重疊(有對映異構(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，有對映體。 乙醇沒有對映體，因此是非手性分子非手性分子。 與4個不同基團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“”表示方向一般一對對

9、映體旋光性相反，即一般一對對映體旋光性相反，即 大小相等，符號相反大小相等，符號相反.（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)型與旋光方向無對應(yīng)關(guān)系。注：化合物構(gòu)型與旋光方向無對應(yīng)關(guān)系。CHOCH2OHOHHCHOHHOCH2OHCOOHCH3OHHCOOHCH3HHOD-(+)-甘油醛L-(-)-甘油醛（二）（二）R、S命名法命名法絕對構(gòu)型絕

10、對構(gòu)型按次序法則確定基團優(yōu)先次序按次序法則確定基團優(yōu)先次序構(gòu)型命名構(gòu)型命名：如a b d e ，最小基團e對著觀察者（最遠），沿沿abd旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)方向R構(gòu)型；方向S構(gòu)型CeabdCCHOCH2OHOHHCOHCHOH2CHOH如：甘油醛一對對映體如：甘油醛一對對映體順順逆逆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和S有時一致，有時不一致。D-，R- D-，S-外消旋體外消旋體一對對映體的等量混合物，用“表

11、示。來源： 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 當分子中有n個不相同C*，則有2n個旋光異構(gòu)體。C2：-OH -CHClCO2H -CO2H -H C3: -Cl -CO2H -CHOHCO2H -H(彼此不成鏡像關(guān)系的旋光異構(gòu)體非對映異構(gòu)體)對映體對映體對映體對映體RRSSSRRS1、含兩個不同手性碳的化合物、含兩個

12、不同手性碳的化合物非對映異構(gòu)體 2、含兩個相同手性碳的化合物、含兩個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)消旋化合物內(nèi)消旋化合物。對映體對映體對映體 ?C2及C3 (相同手性碳相同手性碳) ：-OH -CO2H -CHOHCO2H -H非對映異構(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

13、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 等量對映體的混合物叫做外消旋體。無旋光性。 如果一個分子有兩個或兩個以上手性中心，并有一個內(nèi)在的對稱面，這個分子就叫做內(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對映異構(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。 具有對映而不能重合關(guān)系的一對分子彼此互稱為對映異構(gòu)體，簡稱為對映體； 沒有對映關(guān)系，構(gòu)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)體之間互稱為非對映異構(gòu)體。一個對映體和一個非對映體不能組成外消旋體，其物理性質(zhì)也不同。對映體與非對映體的區(qū)別對映體與非對映體的區(qū)別 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對映體，在生理活性上作用有很手性分子的一對對映體，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，存在一對大差異。如治療帕金森病的藥物多巴，存在一對對映體。只有（對映體。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)有互補關(guān)系時，其活性部位才能有互補關(guān)系時，其活性部位才能進入受體的靶位，產(chǎn)