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高等有机化学课件立体化学•立体化学基础•立体化学基本概念•立体化学反应机理CATALOGUE•有机合成中的立体化学目录•立体化学在药物化学中的应用•立体化学研究方法与技术01立体化学基础立体化学定义立体化学定义立体化学是研究有机分子在三维空间中的结构、性质和反应行为的科学它主要关注分子中的原子在空间中的排列方式,以及这些排列方式如何影响分子的物理性质、化学性质和反应活性立体化学研究内容主要包括分子的构型、构象、手性、反应机理和立体选择性等立体化学的意义立体化学对于理解有机分子的结构和反应机制,以及设计新的有机分子和药物具有重要意义立体化学的重要性有机分子结构和反应机制的理解01立体化学帮助我们理解有机分子如何在三维空间中排列,从而更好地理解其物理性质、化学性质和反应行为有机合成和药物设计的指导02通过了解分子的构型、构象和手性,可以指导有机合成和药物设计,提高合成效率和选择性生物活性和选择性03许多生物活性分子,如酶抑制剂、受体配体和抗生素等,具有特定的三维结构,因此了解其立体化学特征对于研究其生物活性和选择性至关重要立体化学的历史与发展早期研究立体化学的研究可以追溯到19世纪,当时的一些科学家开始研究有机分子的结构和反应现代发展随着X射线晶体学和核磁共振谱学等技术的发展,立体化学得到了更深入的研究和应用目前,计算机模拟和量子化学计算等方法也被广泛应用于立体化学研究未来展望随着技术的不断进步,预计立体化学将继续在有机化学、药物设计和生物活性分子研究中发挥重要作用同时,随着绿色合成方法和可持续发展的需求增加,立体化学也将更多地应用于这些领域02立体化学基本概念手性手性碳原子手性碳原子是指连有四个不同的基手性定义团的碳原子,通常用*标记手性碳原子手性是指一个物体不能与其镜像相重合的特性在有机化学中,手性特指具有手性碳原子的有机分子手性分子的性质手性分子具有旋光性,使得它们在偏振光下表现出左旋或右旋的特性对映体与非对映体010203对映体非对映体对映异构体的性质对映体是指通过镜像反转非对映体是指通过镜像反对映异构体通常具有相同仍能保持相同的分子结构,转后不能保持相同的分子的化学性质,但在物理性但旋光性相反的一对对分结构的一对对分子质上存在差异,如熔点、子沸点、溶解度等绝对构型与相对构型绝对构型绝对构型是指分子的三维空间结构,包括手性碳原子的绝对取向和其它取代基的空间排列相对构型相对构型是指分子的三维空间结构相对于参考分子(通常是直链烷烃)的取向绝对构型与相对构型的关系绝对构型可以通过相对构型推导出来,反之亦然立体选择性反应与立体专一性反应立体选择性反应立体选择性反应是指在一定条件下,一种底物能优先生成一种特定立体异构体的反应立体专一性反应立体专一性反应是指一种底物只能生成一种立体异构体的反应立体选择性反应与立体专一性反应的区别立体选择性反应生成的立体异构体比例较高,但不一定是全部;而立体专一性反应只生成一种立体异构体,即全部生成特定立体异构体03立体化学反应机理亲核取代反应的立体化学机理亲核取代反应(SN2)是立体化学中常见的一种反应机理,其特点是反应过程01中反应物分子中的某一基团被另一基团取代该反应通常发生在碳正离子或碳负离子中间体上在SN2反应中,亲核试剂(Nu)从背面进攻中心碳原子,形成四面体结构的中02间体,同时离去基团(A)从另一面离开由于四面体结构的稳定性,中间体在形成过程中会迅速发生构型翻转,最终得到构型保持或翻转的产物在SN2反应中,反应速率和选择性受中心碳原子的电子效应和空间效应影响较03大例如,在SN2反应中,当中心碳原子连接有吸电子基团时,有利于反应的进行;而当离去基团体积较大时,则可能影响反应速率和选择性亲电取代反应的立体化学机理亲电取代反应(SE2)也是一种常见的立体化学反应机理,01其特点是反应过程中反应物分子中的某一基团被另一基团正离子所取代该反应通常发生在具有正电性的碳原子或杂原子中间体上在SE2反应中,亲电试剂(E+)从正面进攻中心碳原子,02形成四面体结构的中间体,同时离去基团(A)从另一面离开与SN2不同的是,SE2反应中亲电试剂的进攻方向与离去基团的离开方向一致,因此构型保持或翻转的情况较少见在SE2反应中,反应速率和选择性主要受中心碳原子的电03子效应和离去基团的性质影响例如,当中心碳原子连接有供电子基团时,有利于反应的进行;而当离去基团具有较大的空间位阻时,则可能影响反应速率和选择性消除反应的立体化学机理消除反应(E1或E2)是立体化学在E1消除中,一个基团在离去后在消除反应中,反应速率和选择中另一种重要的反应机理,其特留下一个不饱和键和一个正碳离性主要受中心碳原子的电子效应点是反应过程中消去一个基团,子正碳离子可以迅速发生构型和空间效应影响例如,当中心同时生成不饱和键该反应通常翻转,生成稳定的烯烃产物在碳原子连接有吸电子基团时,有发生在具有不饱和度的碳原子或E2消除中,两个基团同时离去,利于E1消除的进行;而当两个离杂原子中间体上留下一个不饱和键和一个负碳离去基团体积较大时,则可能影响子负碳离子也可以发生构型翻E2消除的选择性和速率转,生成稳定的烯烃产物氧化还原反应的立体化学机理氧化还原反应是立体化学中另一种重要的反应机理,其特点是电子在反应物分子之间转移,同时伴随着氧化态的变化该反应通常涉及到电子转移和键合变化的过程在氧化还原反应中,电子从较低氧化态的物质转移到较高氧化态的物质,同时伴随着能量的释放或吸收由于电子转移过程中涉及到的能量变化和空间效应等因素较为复杂,因此氧化还原反应的立体化学机理通常需要借助量子化学计算等方法进行深入研究04有机合成中的立体化学手性合成策略010203对映选择性合成动态动力学拆分绝对不对称合成通过手性催化剂或手性源,在反利用反应过程中对映异构体的动通过使用手性催化剂或手性源,应过程中优先生成单一对映异构态平衡,选择性生成单一对映异实现完全对映选择性合成,生成体产物构体单一对映异构体手性拆分方法化学拆分01利用手性试剂或手性催化剂,将外消旋混合物中的对映异构体进行选择性反应,分离出单一对映异构体物理拆分02通过结晶、色谱等方法,将外消旋混合物中的对映异构体进行分离生物拆分03利用生物酶的特异性,将外消旋混合物中的对映异构体进行选择性水解或转化,分离出单一对映异构体手性合成中的催化剂与试剂手性催化剂在有机反应中,使用手性催化剂可以促进反应的进行,并提高对映选择性常见的手性催化剂有金属络合物、有机小分子等手性源手性源是指含有手性基团或手性中心的化合物,可以用于合成手性化合物或作为合成中间体常见的手性源有天然产物、外消旋体等手性试剂手性试剂是指含有手性基团的试剂,可以用于合成手性化合物或作为反应的添加剂常见的手性试剂有醇、醚、酸等05立体化学在药物化学中的应用手性药物与手性合成手性药物是指药物分子中存在手性中心,使得分子成为手性分子手性药物通常具有旋光性,即能使偏振光旋转一定角度手性合成是指通过化学反应选择性生成单一手性分子的过程手性合成在药物研发中至关重要,因为它能够避免消旋混合物中无效甚至有害的对映体所带来的副作用手性药物的药理活性与选择性药理活性是指药物对生物体产生的生理或生化影响手性药物的药理活性与其手性中心密切相关,不同手性中心可能导致截然不同的药理作用药理选择性是指药物在作用机制上对某些组织或器官具有选择性手性药物的药理选择性与其对映体在生物体内的分布、活化代谢和作用机制有关手性药物的临床应用与开发临床应用手性药物在临床治疗中具有广泛应用,如抗癌药物、抗生素、抗炎药、抗疟疾药等通过对手性药物的深入研究,可以发现其对映体的疗效和安全性存在显著差异新药开发在新药开发过程中,手性合成和手性药物的研究至关重要通过手性合成技术,可以制备具有单一手性的新药候选物,从而提高药物的疗效和安全性同时,对手性药物的深入研究有助于发现新的治疗靶点和药物作用机制06立体化学研究方法与技术X射线晶体学方法总结词X射线晶体学方法是研究分子立体结构的重要手段之一详细描述通过分析晶体中电子密度的差异,可以确定分子中原子间的相对位置和键长、键角等几何参数,从而确定分子的立体结构该方法适用于具有晶体结构的有机化合物核磁共振波谱学方法总结词核磁共振波谱学方法是研究有机分子结构的有效手段之一详细描述通过分析原子核在磁场中的共振频率和位移,可以确定分子中氢、碳等原子核的化学环境,从而推断出分子的立体结构该方法具有高分辨率和灵敏度,适用于各种类型的有机化合物旋光光谱与圆二色谱方法总结词旋光光谱与圆二色谱方法是通过分析物质的旋光性和圆二色性来研究分子立体结构的方法详细描述旋光光谱用于测定物质对左旋光和右旋光的吸收程度,从而确定分子中手性碳原子的构型圆二色谱则用于测定物质在偏振光作用下的吸收光谱,可以反映分子内部的电子结构和立体结构信息这两种方法对于研究有机化合物的立体化学特征非常有用感谢您的观看THANKS。