資源簡介

(共25張PPT)
微項目 青蒿素分子的結構測定
——晶體在分子結構測定中的應用
青蒿素是從中藥青蒿里
面提取的，它的主要作
用于治療各種的瘧疾,早
在公元321年 ,葛洪的
《肘后備急方》中就有用青蒿治療瘧疾的一個記載。藥理研究顯顯它還有抗炎、抗腫瘤和調節免疫的作用,所以除了用于治療各型的瘧疾以外,它還可以用于抗腫瘤,治療紅斑狼瘡,包括抗弓形蟲和預防血吸蟲病。
青蒿草
曬干的青蒿草
思考：青蒿素分子結構是怎樣測定的呢？
1.了解測定分子結構的-般思路和方法,認識晶體對于分子結構測定的獨特意義。
2.知道利用晶體X射線衍射能夠測定原子坐標進而確定分子的空間結構，是測定分子結構的重要手段。
3.體會分子結構測定對于建立與優化物質結構理論模型，認識、理解和預測物質性質具有重要價值。
1.能說出科學家認識物質微觀結構的基本思路和主要實驗手段,及不同
實驗手段為建立模型所提供的證據。(證據推理與模型認知)
2.體會現代實驗手段在化學研究中的應用，認識借助實驗獲得證據進而
建立物質結構模型的過程。(科學探究與創新意識)
3.體會科學家探索物質微觀結構并建立相關理論過程的艱辛,形成通過
科學研究促進社會發展、造福人類命運共同體的意識。(科學態度與社會責任)
體會課堂探究的樂趣，
汲取新知識的營養，
讓我們一起 吧！
進
走
課
堂
我國科學家屠呦呦因成功提取青蒿素而獲得2015年度諾貝爾生理學或醫學獎。你知道青蒿素的組成與結構是如何測定的嗎
在本項目活動中，你將了解青蒿素分子結構測定的歷史，體會研究人員測定分子結構的般思路,以及了解如何利用晶體x射線行射確定分子的結構。
項目活動1 了解利用晶體測定分子結構的意義
分子具有一定的空間結構，分子的結構可以通過一定的實驗方法來測定。測定分子結構的物理、化學方法有很多。那么，在測定青蒿素分子結構的過程中，都采用了哪些方法呢
我國研究人員從1973年初開始測定青蒿素的組成與結構。首先，研究人員利用高分辨質譜儀測定出青蒿素的相對分子質量為282.33。結合元素分析(元素百分比)，確定其分子式為C15H22O5。然后，研究人員經過一系列復雜的氧化還原反應實驗，推測青蒿素具有含過氧基團的倍半萜內酯結構。紅外光譜實驗結果表明，青蒿素分子中確實含有酯基和過氧基團。結合核磁共振譜圖提供的關于碳、氫原子的種類和數量的信息，研究人員推定了青蒿素中甲基、過氧基團、帶有酯基的六元環等部分結構片段。然而，單純依靠這些研究方法還不能精確判斷青蒿素分子中所有碳原子和氧原子以何種方式連接形成骨架。1975年，研究人員采用晶體X射線衍射的方法，確定了青蒿素的分子結構。
請結合上述信息，嘗試回答下列問題。
1.在探究青蒿素分子組成和結構的過程中，科研人員使用了哪些測定方法 通過這些測定方法分別可以得到哪些關于分子組成和結構的信息
測定方法 獲得的分子組成和結構的信息
質譜法
測得相對分子質量
紅外光譜法
測得官能團
核磁共振譜
測得有機物分子中原子的種類和數目比
晶體X射線衍射
確定分子空間結構
2.測定青蒿素分子中各原子的空間排列方式時，科研人員遇到了什么困難 為什么用一般的測定方法無法精確地測定青蒿素的分子結構
通過上述討論可以體會到，不論是常規的化學實驗方法還是質譜、紅外光譜等儀器測定的手段，都只能幫助我們認識分子的官能團等結構特點并借此推測分子的結構，但對于所含原子數較多的分子來說，難以對其空間結構進行精準判斷。
3.假設一個實驗樣品尺寸的數量級為10-4 m、原子直徑的數量級為10-10m,請估算這個實驗樣品中的原子數目，并結合晶體的結構特征說明借助晶體測定分子結構的獨特意義。
拓展視野
目前，測定分子空間結構最普遍的方法是晶體的X射線衍射，利用數學和物理知識對衍射所得圖像進行復雜處理，可以測定晶體的晶胞參數(用于描述晶胞大小和形狀的數據)，推算得到晶胞中所有原子的坐標，從而計算出原子間的距離，判斷哪些原子間存在化學鍵以及化學鍵的類型，確定分子的空間結構。
晶體與生物大分子結構數據庫
1913年，英國科學家勞倫斯.布拉格首次利用X射線衍射法測定出氯化鈉的晶體結構。此后，各類有代表性的無機物、有機化合物的晶體結構紛紛
被測定出，科學家積累了大量的結構數據。隨著計算機功能不斷強大，不僅采集衍射數據的過程可以自動完成，解析晶體結構過程中的各種復雜計算也可以自動完成。現在，多功能的晶體結構數據庫逐步建立起來，為科學研究和各方面的應用提供了系統的結構信息。
現在比較知名、被廣泛使用的晶體與生物大分子結構數據庫有:劍橋結構數據庫( CambridgeStructure Database; 簡稱CSD )、無 機化合物晶體結構數據庫( Inorganic Crystal StructureDatabase,簡稱ICSD)、生物大分子數據庫( Protein Data Bank,簡稱PDB )等。
拓展視野
通過x射線衍射可以確定每個原子的位置，但究竟是哪些原子通過化學鍵連接在一起 它們以什么類型的化學鍵連接 如何勾勒出一 個完整的分子結構呢
項目活動2 借助原子位置確定 空間結構
1.確定晶胞參數：
科學家測定青蒿素分子結構進行的基本思路：
借助青蒿素晶體X射線衍射的實驗結果，依據晶體的周期性特征，通過復雜的數學處理得出，青蒿素晶體的晶胞是長方體，三條棱長分別是a=2.4077nm、b=0.9443nm、c=0.6356nm,棱的夾角都是90°，這些數據就是青蒿素晶體的晶胞參數。
2.識別原子位置：
進一步計算得到青蒿素晶胞中各處的電子云密度。因為原子核附近的電子云密度大，所以根據晶胞中電子云密度就能推斷晶胞中原子的位置(坐標)。由于不同種類元素原子周圍的電子云密度不同，可根據電子云密度的大小判斷晶胞中原子的種類。
3.建立原子坐標：
以一個頂點為坐標原點，以a、b、c為坐標軸的單位建立坐標系，得到用(x, y,z)表示的碳、氧原子的原子坐標。x，y,z均為分數，表示該原子在晶胞中的相對位置。
動手實踐：
請依據青高素晶體中碳、氧原子坐標(等比例放大到宏觀大小的尺度由教師提供),利用泡沫板、泡沫球和毛衣針(或橡皮泥、竹簽等其他的替代材料)，搭建出青蒿素分子中的碳、氧原子在三維空間中的位置。
4.確定分子骨架：
計算原子間的距離，并與前人在大量實驗測定基礎上總結出的常見化學鍵的鍵長(參見附錄1)數據進行比較，推斷哪些原子間可以形成化學鍵以及形成什么類型的共價鍵(單鍵、雙鍵、三鍵)。
動手實踐：
請確定青蒿素分子中碳、氧原子的連接關系及成鍵類型，并用竹簽將成鍵原子連接起來，獲得青蒿素的大致分子骨架。
提示:可以把用到的鍵長數據按照比例換算成所搭建的宏觀模型的尺度，直尺測量泡沫球之間是否達到成鍵距離。
5.獲得完整結構：
動手實踐：
在確定了碳原子、氧原子的連接關系和成鍵類型后，借助碳原子和氧原
子的成鍵規律找出碳、氧原子連接氫原子的數目，進而借助碳、氧原子的空間結構特點及碳氫鍵的鍵長等，找到氫原子的位置(隨著實驗手段的發展，目前已經可以直接識別出氫原子的位置)。
請確定各碳、氧原子連接的氫原子的數目，并將相應數目的氫原子連接在所搭模型相應的原子上。
項目成果展示：
研究目標
確定分子空間結構
測定分子式
推測官能團
實驗技術手段
化學實驗法
質譜法
紅外光譜
核磁共振譜
晶體X射線衍射
測定結構思路
1.確定晶胞參數
2.識別原子位置
3.建立原子坐標
4.確定分子骨架
5.獲得完整結構
青蒿素分子結構的測定
測定方法
質譜法
紅外光譜法
核磁共振譜
晶體X射線衍射
晶體X射線衍射測定分子結構的基本思路
確定晶胞參數
識別原子位置
建立原子坐標
確定分子骨架
獲得完整結構
1．我國女科學家屠呦呦發現青蒿素(青蒿素的化學式：C15H22O5)，它是一種用于治療瘧疾的藥物，曾經挽救了數百萬人的生命，2015年獲得諾貝爾生理學或醫學獎。下列關于青蒿素的敘述錯誤的是(　　)
A．青蒿素的一個分子中含有42個原子
B．青蒿素能夠治療瘧疾可能與結構中存在過氧基團有關
C．青蒿素的摩爾質量為282
D．青蒿素中碳元素的質量分數約為63.8%
C
2．下列可用于判斷某物質為晶體的方法是(　　)
A．質譜法　　　 B．紅外光譜法
C．核磁共振法 D．X射線衍射法
D
3.南京理工大學團隊成功合成了能在室溫穩定存在的五氮陰離子鹽(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl，經X射線衍射測得晶體結構，其局部結構如圖所示(其中 N5－的立體結構是平面五元環)。下列說法正確的是(　　)
A．所有N 原子的價電子層均有孤對電子
B．氮氮鍵的鍵能： N5－>H2N－NH2
C．兩種陽離子是等電子體
D．陰陽離子之間只存在離子鍵
B
4.2015年10月5日，中國著名藥學家屠呦呦獲得諾貝爾獎生理學或醫學獎，獲獎理由是“因為發現青蒿素—一種用于治療瘧疾的藥物，挽救了全球特別是發展中國家的數百萬人的生命”。青蒿素是從植物黃花蒿莖葉中提取的，其結構簡式如下圖，下列說法不正確的是( )
A．它的分子式為C15H22O5
B．該分子中有6個手性碳原子
C．因其具有過氧基團，它不穩定，易受濕、熱和還原性物質的影響而變質
D．它在常見有機溶劑中的溶解度大于在水中的溶解度
B
5.能夠快速、微量、精確測定有機物相對分子質量的物理方法是（ ）
A．紅外光譜 B．質譜法
C．核磁共振氫譜 D．色譜法
B

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