資源簡(jiǎn)介

分子結(jié)構(gòu)與物質(zhì)的性質(zhì)
第3課時(shí)
教學(xué)目標(biāo)
1. 初步認(rèn)識(shí)分子的手性，了解手性分子在藥物研究中的應(yīng)用。
2. 能判斷簡(jiǎn)單分子是否存在手性異構(gòu)體。
3. 整合分子空間結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵極性、分子極性，分子間作用力、氫鍵等概念，綜合運(yùn)用解決物質(zhì)性質(zhì)問(wèn)題。
教學(xué)重難點(diǎn)
手性分子的概念及判斷。
教學(xué)過(guò)程
一、新課導(dǎo)入
分子是有空間結(jié)構(gòu)的，對(duì)于復(fù)雜的分子，可以形成多種空間結(jié)構(gòu)。
在學(xué)習(xí)烯烴時(shí)，我們知道不同的取代基團(tuán)在碳碳雙鍵雙側(cè)分布不同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生同分異構(gòu)現(xiàn)象，如下面的順?lè)串悩?gòu)：
那是否還存其他類(lèi)型的立體異構(gòu)呢？即原子連接順序相同，但是由于原子在空間的排布不同而造成的異構(gòu)現(xiàn)象。
二、講授新課
三、分子的手性
【模型搭建】
任務(wù)1. 以小組為單位動(dòng)手搭建兩個(gè)CH2ClBr模型，通過(guò)旋轉(zhuǎn)模型，看這兩個(gè)模型是否可以完全重合？
經(jīng)過(guò)實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)任意兩個(gè)模型總能完全重合。因此CH2ClBr有且僅有一種空間結(jié)構(gòu)，它沒(méi)有同分異構(gòu)體。
任務(wù)2. 以小組為單位動(dòng)手搭建兩個(gè)CHFClBr模型，通過(guò)旋轉(zhuǎn)模型，看這兩個(gè)模型是否可以完全重合？
經(jīng)過(guò)實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)存在兩個(gè)模型不能完全重合的情況，并且它們總是除C外有兩個(gè)原子交換了位置。因此CHFClBr有兩種空間結(jié)構(gòu)，它們互為同分異構(gòu)體。
【提問(wèn)】（1）對(duì)比上面的兩種CHFClBr分子，它們的空間結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出怎樣的特征？
【講解】它們的關(guān)系像一雙手，不能相互重合，但是卻互為鏡像。
具有完全相同的組成和原子排列的一對(duì)分子，如同左手與右手一樣互為鏡像，卻在三維空間里不能疊合，互稱(chēng)手性異構(gòu)體（或?qū)τ钞悩?gòu)體）。
有手性異構(gòu)體的分子叫做手性分子。
自然界中手性是很普遍的現(xiàn)象，許多天然產(chǎn)物和人體內(nèi)的活性分子都是手性分子。例如，作為生命活動(dòng)重要基礎(chǔ)的生物大分子，如蛋白質(zhì)、多糖、核酸等幾乎都是手性的。
存在人體內(nèi)用于合成蛋白質(zhì)的氨基酸僅有20種，這20種氨基酸中，除了甘氨酸（R=H）外，其他均有手性。氨基酸的通式可以下面的結(jié)構(gòu)表達(dá)：
在機(jī)體的代謝和調(diào)控過(guò)程中所涉及的物質(zhì)（如酶和細(xì)胞表面的受體）一般也都具有手性，在生命過(guò)程中發(fā)生的各種生物——化學(xué)反應(yīng)過(guò)程均與手性的識(shí)別和變化有關(guān)。
【提問(wèn)】（2）通過(guò)上面氨基酸的例子，請(qǐng)你歸納手性分子具備的分子結(jié)構(gòu)特征。
【講解】對(duì)于僅通過(guò)單鍵連接其他原子的碳原子，當(dāng)其所連接的四個(gè)原子或基團(tuán)均不相同時(shí)，這個(gè)碳原子稱(chēng)為不對(duì)稱(chēng)碳原子。
大多數(shù)的手性分子都含有不對(duì)稱(chēng)碳原子，因此常用有無(wú)不對(duì)稱(chēng)碳原子推測(cè)分子是否為手性分子。
需要注意的是，借助有無(wú)不對(duì)稱(chēng)碳原子推測(cè)分子是否為手性分子，是一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用但并不全面的判斷標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于更為復(fù)雜的手性現(xiàn)象，你將在大學(xué)化學(xué)課程中進(jìn)一步學(xué)習(xí)。
手性分子在生命科學(xué)和藥物生產(chǎn)方面有廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)今使用的藥物中手性藥物超過(guò)50%。人們?cè)谘芯渴中运幬飼r(shí)發(fā)現(xiàn)，手性藥物的兩個(gè)對(duì)映異構(gòu)體表現(xiàn)出來(lái)的生物活性往往是不同的，甚至是截然相反的。
例如，由于左旋糖較難被人體吸收，攝入后不會(huì)被代謝產(chǎn)生能量 , 對(duì)那些希望攝入低能量甜味劑的人群（如肥胖、糖尿病人等）來(lái)說(shuō)，是一種理想的甜味劑。
右丙氧芬和左丙氧芬是一對(duì)對(duì)映異構(gòu)體，右丙氧芬具有鎮(zhèn)痛作用，其對(duì)映異構(gòu)體左丙氧芬無(wú)鎮(zhèn)痛作用卻是有效的鎮(zhèn)咳藥。
再如，早期用于減輕婦女妊娠反應(yīng)的藥物沙利度胺，因未能將其中左旋異構(gòu)體分離出去而導(dǎo)致許多胎兒畸形。
藥物的不對(duì)稱(chēng)合成已成為人們極為關(guān)注的研究領(lǐng)域。 2001 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予諾爾斯（ W.Knowles）、野依良治（ R.Noyori）和夏普萊斯（ K.Sharpless），就是為表彰他們?cè)谑中源呋磻?yīng)研究方面作出的杰出貢獻(xiàn)。
手性催化劑只催化或者主要催化一種手性分子的合成，可以比喻成握手——手性催化劑像迎賓的主人伸出右手，被催化合成的手性分子像客人，總是伸出右手去握手。
三、課堂小結(jié)
1. 手性是自然界普遍存在的現(xiàn)象，對(duì)于生命有重要的意義。
2. 通過(guò)深入研究手性，人類(lèi)可以選擇合適的手性催化劑合成手性異構(gòu)體中的某一種，這種技術(shù)在藥物生產(chǎn)、生命科學(xué)中具有廣泛的應(yīng)用。
3. 碳原子所連接的四個(gè)原子或基團(tuán)均不相同時(shí)，這個(gè)碳原子稱(chēng)為不對(duì)稱(chēng)碳原子。大多數(shù)的手性分子都含有不對(duì)稱(chēng)碳原子，因此常用有無(wú)不對(duì)稱(chēng)碳原子推測(cè)分子是否為手性分子。
四、分子空間結(jié)構(gòu)與物質(zhì)性質(zhì)整合提升
【典型例題】
例1. 下列共價(jià)鍵①H-H、②H-F、③H-O、④N-H、⑤P-H中，將鍵的極性由小到大排序 ① < ⑤ < ④ < ③ < ②。
解析 鍵的極性源自于共用電子的兩原子吸引電子能力不同，能力差別越大，鍵的極性越大。在一個(gè)H固定后，另一原子的電負(fù)性越強(qiáng)，鍵的極性越大。電負(fù)性的變化規(guī)律：同周期自左向右增大，同主族自上而下減小，由此可知電負(fù)性P < N < O < F，鍵的極性與此順序一致。
例2. 下列分子為極性分子的是 ③ ④ 。
①CH4 ②BeCl2 ③NH3 ④H2S ⑤CO2 ⑥BCl3
解析 判斷多原子分子極性的步驟：
1. 依據(jù)VSEPR模型預(yù)測(cè)判斷分子的空間結(jié)構(gòu)；
2. 確定共價(jià)鍵極性的向量方向；
3. 將所有向量求和，依據(jù)向量和是否為零對(duì)分子極性做出判斷。
①為正四面體，②為直線(xiàn)形，③為三角錐形，④為V形，⑤為直線(xiàn)形，⑥為平面三角形。共價(jià)鍵極性向量求和后不為0的是三角錐形和V形。
例3. 下列說(shuō)法正確的是：（ A ）
A. 分子構(gòu)成的固態(tài)物質(zhì)中一定存在分子間作用力，不一定存在共價(jià)鍵
B. 水加熱到很高的溫度都難以分解與氫鍵有關(guān)
C. CH4、SiH4、GeH4、SnH4的熔點(diǎn)隨著相對(duì)分子質(zhì)量的增大而降低
D. HF、HCl、HBr、HI的熔沸點(diǎn)隨著相對(duì)分子質(zhì)量的增大而升高
解析 A項(xiàng)，分子間作用是普遍存在于分子間的，稀有氣體是單原子分子，固態(tài)的He、Ne等中不存在共價(jià)鍵。B項(xiàng)，水的穩(wěn)定性主要是因?yàn)镺-H鍵鍵能大，氫鍵只影響熔沸點(diǎn)；C項(xiàng)，組成、結(jié)構(gòu)相似的分子，相對(duì)分子量越大，范德華力越大，熔沸點(diǎn)越高。D項(xiàng)，HF分子間能形成氫鍵，熔沸點(diǎn)明顯升高。
例4. 碘單質(zhì)在水中溶解度很小，但在CCl4中溶解度很大，這是因?yàn)椋?D ）
A. CCl4與I2相對(duì)分子質(zhì)量相差較小，而H2O與I2相對(duì)分子質(zhì)量相差較大
B. CCl4和I2都是直線(xiàn)形分子，而H2O不是直線(xiàn)形分子
C. CCl4和I2都不含氫元素，而H2O中含有氫元素
D. CCl4和I2都是非極性分子，而H2O是極性分子
解析 CCl4是正四面體形的分子，為非極性分子，H2O是V形分子，為極性分子。依據(jù)相似相溶規(guī)律，非極性溶質(zhì)在非極性溶劑中溶解度更大。I2是非極性分子，故其在CCl4溶解度更大。溶解度與是否含有氫元素、分子量差值等因素?zé)o關(guān)。
四、課堂練習(xí)
1. 試根據(jù)分子中羥基（-OH）的極性大小，判斷下列酸的酸性最強(qiáng)的是
已知：下列分子中除羥基外，其他O都只直接與Cl原子形成共價(jià)鍵
A. HClO B. HClO2 C. HClO3 D.HClO4
答案　D
解析 Cl與O共用電子時(shí)，因O的電負(fù)性大于Cl，電子對(duì)偏向O，這種鍵的極性會(huì)沿著σ鍵傳遞到羥基的O-H鍵，使得O-H鍵極性進(jìn)一步增大，H+更容易被電離出。故除羥基外，與Cl相連的O的數(shù)量越多，這種效應(yīng)疊加的越強(qiáng)，酸的酸性越強(qiáng)。
2. 在極性分子中，正電荷中心與負(fù)電荷中心間的距離稱(chēng)偶極長(zhǎng)，通常用d表示。極性分子的極性強(qiáng)弱同偶極長(zhǎng)和正電荷中心的電量（q）有關(guān)，一般用偶極矩μ來(lái)衡量，計(jì)算表達(dá)式為μ = d · q。試回答以下問(wèn)題：
（1）HCl、CS2、H2S、SO2四種分子中，μ = 0的是_______________
（2）實(shí)驗(yàn)測(cè)得，μ(PF3) = 1.03、μ(BCl3) = 0。由此可知PF3分子的空間結(jié)構(gòu)是___________，BCl3分子的空間結(jié)構(gòu)是_______________。
（3）治癌藥Pt(NH3)2Cl2具有平面四邊形分子結(jié)構(gòu)。其中，Pt處在四邊形中心，NH3和Cl分別處在四邊形的四個(gè)角上。已知該化合物有兩種異構(gòu)體，淡黃色者μ = 0，棕黃色者μ ＞ 0。在下列橫線(xiàn)處畫(huà)出兩種結(jié)構(gòu)的異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)圖。
淡黃色________________ 棕黃色___________________
答案　（1）CS2 （2）三角錐 平面三角形
（3）淡黃色________________ 棕黃色___________________
解析 （1）根據(jù)計(jì)算表達(dá)式μ = d · q，因正電中心的電量q必為一個(gè)不為0的數(shù)，故當(dāng)μ = 0時(shí)可推知d = 0，即正負(fù)電荷中心的距離為0，二者重合，這樣的分子是非極性分子。故μ=0等價(jià)于分子為非極性分子。
CS2是直線(xiàn)形的非極性分子。其他3種均為極性分子。
（2）根據(jù)偶極矩?cái)?shù)據(jù)可知，PF3是極性分子，BCl3是非極性分子。四原子分子是三角錐形或平面三角形。平面三角形高度對(duì)稱(chēng)，共價(jià)鍵極性矢量和為0，為非極性分子。三角錐形共價(jià)鍵極性矢量和不為0，為極性分子。
（3）淡黃色的分子是非極性分子。在平面四邊形中，若相同的兩個(gè)基團(tuán)處于中心原子的對(duì)位，如Cl-Pt-Cl的鍵角為180°時(shí)，Pt-Cl共價(jià)鍵極性的矢量恰好抵消。當(dāng) Cl、NH3交替排列時(shí)兩種基團(tuán)的矢量各自抵消，分子為非極性分子。
3. 推測(cè)下列分子在水中溶解度最大的是
A. NH3 B. CO C. H2 D. 苯
答案　A
解析 H2和苯是非極性分子，CO和NH3是極性分子，水是極性溶劑。根據(jù)相似相溶規(guī)律，CO和NH3的溶解度大于H2和苯。
又因?yàn)镹H3能與H2O形成很強(qiáng)的氫鍵，大大增加了它在水中的溶解度。
4. 下面的分子經(jīng)過(guò)某種轉(zhuǎn)化后，仍存在手性異構(gòu)體，滿(mǎn)足該條件的反應(yīng)是（ ）
A. 將-CHO還原為-CH2OH
B. 將-CH2OH替換為-CH2Cl
C. 將-CH2OOCCH3水解為-CH2OH
D. 將-CHO氧化為-COOH
答案　B
解析 碳原子所連接的四個(gè)原子或基團(tuán)均不相同時(shí)，這個(gè)碳原子稱(chēng)為不對(duì)稱(chēng)碳原子。這里運(yùn)用判據(jù)：大多數(shù)的手性分子都含有不對(duì)稱(chēng)碳原子。發(fā)生A、C、D的轉(zhuǎn)化后，中間的碳原子就連接了兩個(gè)相同的基團(tuán)，從而“喪失手性”
5. 關(guān)于氫鍵的說(shuō)法正確的是
A. 每一個(gè)水分子內(nèi)含有兩個(gè)氫鍵
B. 冰、水中都存在氫鍵
C. 分子間形成的氫鍵使物質(zhì)的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)降低
D. 鄰羥基苯甲醛的沸點(diǎn)比對(duì)羥基苯甲醛的沸點(diǎn)高
答案　B
解析 A項(xiàng)，水分子只能形成分子間氫鍵，無(wú)法形成分子內(nèi)氫鍵；B項(xiàng)，固態(tài)和液態(tài)時(shí)，水分子間距離都較小，能彼此靠近形成氫鍵；C項(xiàng)，分子間形成的氫鍵后，在物質(zhì)熔化或汽化時(shí)，需要更多能量克服分子間的這種相互作用，故氫鍵使熔沸點(diǎn)升高。鄰羥基苯甲醛形成分子內(nèi)氫鍵，對(duì)羥基苯甲醛形成分子間氫鍵，故對(duì)羥基苯甲醛的沸點(diǎn)更高。

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